ДАТЧИК ТЕМПЕРАТУРЫ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ В ТРУБЕ Российский патент 2006 года по МПК G01K7/04 

Изобретение относится к области приборостроения, а именно к датчикам температуры.

Известны датчики температуры, содержащие корпус и помещенный в него термочувствительный элемент (ТЧЭ) /Электрические измерения неэлектрических величин. Под ред. П.В.Новицкого. Ленинградское отд. «Энергия», 1975, стр.349-353/. Чувствительный элемент датчиков температуры представляет собой термозависимое сопротивление (обычно медное или платиновое) или термопару (например, хромель-копель, хромель-алюмель и т.д.), вставленное в защитную трубу (арматуру, гильзу). Для измерения температуры теплоносителя в трубе обычно используют датчик погружного типа. При этом в стенке трубы выполняют отверстие, в которое вставляют гильзу датчика и фиксируют ее штуцером. Однако в тех случаях, когда диаметр трубы близок к длине рабочей части гильзы или больше его, такой метод измерения дает большую погрешность или вообще невозможен. В этом случае более подходящим оказывается метод измерения с помощью датчиков температуры поверхностного типа.

Датчик температуры поверхности тела обычно имеет теплоприемник, выполненный как часть корпуса в виде трубки с плоской или вогнутой рабочей поверхностью, которой он прижимается к измеряемому телу (например. Rich W. Barkley, Ken С. Leung, Jordan Loftus, Heater tube thermocouple. Pat USA №5172979, Dec. 22, 1992). Назначение теплоприемника состоит в аккумуляции тепла с некоторого участка поверхности тела и передаче его термочувствительному элементу, который находится в теле теплоприемника в тепловом контакте с ним. При прижатии рабочей поверхности датчика к измеряемой поверхности происходит разогрев теплоприемника и термочувствительного элемента. Однако температура термочувствительного элемента такого датчика очень сильно подвержена влиянию температуры окружающей датчик среды, т.к. тепло (или холод) окружающей среды передается в термочувствительный элемент как по линии связи термочувствительного элемента с электронной схемой, так и по поверхности тела. Для борьбы с этим используются дополнительные элементы конструкции, выполненные из материала с более низким, чем материал трубы коэффициентом передачи тепла, - теплоизоляторы.

Примером такого решения является непогружной датчик температуры жидкости в трубе, являющийся прототипом предлагаемого /Daniel L. Gysling, Richard T. Jones, Allen R. Davis, Non-intrusive temperature sensor for measuring internal temperature of fluids within pipes. Pat. USA №6558036, May 6, 2003/.

Для снижения влияния окружающей среды прототип имеет тепловой изолятор (далее теплоизолятор), в роли которого выступает газ или жидкость. Теплоизолятор помещен в цилиндрический корпус, охватывающий трубу целиком (или частично) по диаметру. Теплоприемник и небольшой начальный отрезок линии связи помещены на трубу и находится в теплоизоляторе. В теплоприемнике имеется полость для размещения термочувствительного элемента. Такая конструкция датчика уменьшает влияние окружающей среды через стенки трубы.

Однако прототип имеет следующие недостатки.

Конструкция прототипа предполагает стационарное использование датчика, при котором многократный демонтаж датчика трудоемок и в некоторых случаях практически невозможен без нарушения его работоспособности. В практике температурных измерений часто необходимо производить измерения в оперативном режиме, переходя от одной точки объекта к другой. Кроме того, в результате старения рабочей характеристики датчика периодически (как правило, один раз в год) возникает необходимость в демонтаже датчика. Конструктивное объединение термочувствительного элемента с теплоизолятором увеличивает его габаритные размеры и тепловую постоянную времени. Это не позволяет поместить в ванну термостата большое количество датчиков, увеличивает время калибровки, что увеличивает трудоемкость операции калибровки и, как следствие, трудоемкость изготовления и эксплуатации датчика в целом.

Далее, из тех конструктивных элементов, которые определяют погрешность датчика, он содержит в своей конструкции только чувствительный элемент. Электронная схема и большая часть линии связи ТЧЭ с электронной схемой не входят в конструкцию и не защищены от окружающей среды. Поэтому дестабилизирующее тепловое влияние окружающей среды продолжает в определенной мере влиять на результат измерения через изменение параметров этих элементов.

Кроме того, степень покрытия теплоизолятором трубы очень влияют на погрешность измерения из-за распространения тепла (холода) из окружающей среды по стенке трубы.

Задачей изобретения является снижение трудоемкости изготовления датчика, удобство его эксплуатации в оперативном режиме и повышение точности измерения датчиком.

Поставленная задача достигается следующим образом. Датчик содержит кожух, теплоизолятор, теплоприемник с размещенным в нем термочувствительным элементом и линию связи термочувствительного элемента с электронной схемой, причем теплоприемник расположен на поверхности трубы и находится с ней в тепловом контакте, а теплоизолятор покрывает часть поверхности трубы и теплоприемник. Для снижения трудоемкости изготовления и удобства эксплуатации датчик состоит, по крайней мере, из двух разделяющихся узлов, один из которых содержит теплоприемник, электронную схему и линию связи. Узел, содержащий теплоприемник, имеет форму жесткого или гибкого щупа с теплоприемником на конце, по крайней мере, в одном из остальных узлов выполнен канал, в который введен узел теплоприемника, причем канал ведет начало от поверхности трубы и заканчивается на поверхности кожуха.

В качестве термочувствительного элемента предлагается использовать пьезокристаллический резонатор, подключаемый к генератору, который в этом случае входит в состав электронной схемы. Это позволяет наиболее эффективно решить поставленную задачу предлагаемыми средствами, т.к. современные термочувствительные кварцевые резонаторы сочетают в себе малые габариты и высокую точность.

Для повышения точности измерения электронная схема размещена в теплоприемнике или в теплоизоляторе, или на границе между ними, или на поверхности кожуха, причем в наиболее выигрышном варианте на той поверхности кожуха, которая обращена к трубе.

Длина теплоизолятора вдоль оси трубы превышает длину теплоприемника в том же направлении на 3 и более внешнего диаметра трубы.

На Фиг.1 представлен предлагаемый датчик температуры с жестким щупом теплоприемника и перпендикулярным поверхности трубы каналом размещения щупа, а на Фиг.2 - датчик с гибким щупом теплоприемника и размещением щупа вдоль поверхности трубы.

На чертежах используются следующие обозначения:

1 - труба, 2 - теплоноситель, 3 - теплоприемник, 4 - термочувствительный элемент, кварцевый резонатор, 5 - теплоизолятор, 6 - электронная схема, кварцевый генератор, 7 - разъем, 8 - клеммы разъема, 9 - линия связи термочувствительного элемента с электронной схемой, 10 - линия связи разъема с электронной схемой, 11 и 12 - узлы датчика, не содержащие теплоприемник и электронную схему, 13 - узел теплоприемника, 14 - канал, 15 - хомуты, 16 - крепежный уголок, 17 - винт, 18, 19 и 20 - детали кожуха.

Изображенный на Фиг.1 датчик устроен следующим образом.

Он состоит из трех разделяющихся узлов: 11, 12 и 13. Узлы 11 и 12 охватывают трубу 2 и содержат теплоизолятор 5, защищенный деталями кожуха соответственно 18 и 19. Узел теплоприемника 13 выполнен в форме жесткого щупа и содержит помимо теплоприемника 3 еще теплоизолятор 5, электронную схему 6, разъем 7 и линии связи - 9 (для связи ТЧЭ 4 с электронной схемой 6) и 10 (для связи электронной схемы 6 с разъемом 7). Узел 13 защищен кожухом 20 и плотно входит в канал 14, выполненный в узле 12. Теплоприемник 3 узла 13 и теплоизолятор 5 узлов 11 и 12 находятся в тепловом контакте с поверхностью трубы 1, по которой протекает теплоноситель 2. Узлы 11 и 12 скреплены друг с другом хомутами 15, а узел 13 крепится к узлу 12 уголком 16 и винтом 17. На две клеммы из трех разъема 7 подается питание датчика, с третьей клеммы снимается переменный электрический сигнал, частота которого зависит от температуры теплоносителя 1.

Детали крепления 16 и 17 не являются необходимыми, если узел 13 достаточно плотно входит в канал 14. Разъем 7 также не является необходимым, т.к. линия связи между электронной схемой и внешними устройствами может осуществляться по линии связи 10, выходящей в этом случае за пределы датчика в виде, например, трехжильного кабеля. В качестве теплоизолятора может быть использован, например, пенопласт, хорошо сохраняющий заданную форму или минеральная вата.

Изображенный на Фиг.2 вариант датчика отличается от описанного выше следующим. Во-первых, узел 13 выполнен в форме гибкого щупа из кабеля, заканчивающегося смонтированным на нем теплоприемником 3. Во-вторых, канал 14 выполнен вдоль поверхности трубы 1.

Предлагаемый датчик работает следующим образом.

Генератор 6, к которому по линии связи 9 подключен термочувствительный элемент - кварцевый резонатор 4, вырабатывает переменный электрический сигнал, частота которого близка к собственной частоте колебаний резонатора. При изменении температуры теплоносителя 1 изменяется температура поверхности трубы. Это изменение передается через теплоприемник кварцевому резонатору 4. В результате происходит пропорциональное изменение частоты резонатора и соответственно изменение частоты выходного сигнала.

Благодаря тому, что датчик состоит из отдельных узлов, один из которых содержит теплоприемник и электронную схему, его легко калибровать, используя для калибровки только узел теплоприемника. Поскольку узел теплоприемника имеет малые габариты, благодаря использованию термочувствительного кварцевого резонатора, и удобную геометрическую форму, возможна одновременная загрузка в термостат большого количества калибруемых узлов, что повышает производительность калибровки. Поузловая конструкция датчика дает возможность легко его демонтировать и установить в другом месте, что удобно в оперативном режиме работы.

Вследствие того, что электронная схема размещена в том же узле, что и термочувствительный элемент, длина линии связи между ними минимальна и электронная схема меньше подвержена тепловому влиянию окружающей среды. В случае, когда она расположена на поверхности кожуха, в максимальной степени она защищена от влияния окружающей среды, если размещена на той поверхности кожуха, которая обращена к трубе, т.е. находится в теплоизоляторе.

Выполнение теплоизолятора заявленной длины вдоль оси трубы практически устраняет влияние на погрешность окружающей температуры.

Изобретение относится к области приборостроения, а именно к измерению температуры. Датчик содержит кожух, теплоизолятор, теплоприемник с размещенным в нем термочувствительным элементом и линию связи термочувствительного элемента с электронной схемой. Датчик состоит, по крайней мере, из двух разделяющихся узлов, один из которых содержит теплоприемник, электронную схему и линию связи. Узел, содержащий теплоприемник, имеет форму щупа с теплоприемником на конце, по крайней мере, в одном из остальных узлов выполнен канал, в который введен узел теплоприемника, причем канал ведет начало от поверхности трубы в средней части теплоприемника и заканчивается на поверхности кожуха. Электронная схема размещена в теплоприемнике или в теплоизоляторе, или на границе между ними, или на поверхности кожуха, а длина теплоизолятора вдоль оси трубы превышает длину теплоприемника в том же направлении на 3 и более внешнего диаметра трубы. В качестве термочувствительного элемента используется пьезокристаллический резонатор, а в состав электронной схемы входит генератор, к которому подключен резонатор. Технический результат: повышение точности измерений. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Датчик температуры теплоносителя в трубе, содержащий кожух, теплоизолятор, теплоприемник с термочувствительным элементом и линию связи термочувствительного элемента с электронной схемой, причем теплоприемник расположен на поверхности трубы и находится с ней в тепловом контакте, а теплоизолятор покрывает часть поверхности трубы и теплоприемник, отличающийся тем, что датчик температуры теплоносителя в трубе состоит из разделяющихся узлов, один из которых имеет форму щупа и содержит электронную схему, линию связи и теплоприемник, в другом узле выполнен канал, в который введен узел, содержащий теплоприемник, канал имеет начало от поверхности трубы и заканчивается на поверхности кожуха, причем в качестве термочувствительного элемента используется пьезокристаллический резонатор, а в состав электронной схемы входит генератор, к которому подключен резонатор.2. Датчик температуры теплоносителя в трубе по п.1, отличающийся тем, что электронная схема размещена в теплоприемнике или в теплоизоляторе, или на границе между ними, или на поверхности кожуха.3. Датчик температуры теплоносителя в трубе по п.1, отличающийся тем, что электронная схема размещена на поверхности кожуха, обращенной к трубе.4. Датчик температуры теплоносителя в трубе по п.1, отличающийся тем, что длина теплоизолятора вдоль оси трубы превышает длину теплоприемника в том же направлении на 3 и более внешнего диаметра трубы.