ЯЧЕЙКА ДЛЯ ТЕРМОСТАТИРОВАНИЯ ЖИДКОСТИ Российский патент 2006 года по МПК G05D23/30 

Изобретение относится к технике термостатирования и может быть использовано для исследования свойств и состава жидкостей, в частности в ультразвуковых экспресс-анализаторах жидкостей и кондуктометрах.

Известна ячейка для термостатирования жидкости, которая содержит корпус с расположенными в нем проточной камерой, нагревателем, датчиком температуры и теплопроводящей пластиной, причем теплопроводящая пластина размещена на проточной камере и связана с датчиком температуры (авт. свид. SU №548847, МПК G 05 D 23/30, 1977). Известная ячейка имеет большую теплоемкость по сравнению с теплоемкостью пробы жидкости в камере, что является препятствием для ее применения в экспресс-анализаторах жидкостей, когда необходима быстрая перестройка с одной температуры на другую и обратно. К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известной ячейки, относится то, что ее корпус и нагреватель выполнены так, что потери тепла через входное и выходное отверстия проточной камеры не компенсируются.

Известно устройство для термостатирования, содержащее рабочий объем, канал циркуляции, управляемые нагреватели, расположенные на входе в канал циркуляции и на выходе из него, и регулируемые источники нагрева, равномерно распределенные по корпусу термостатирующего устройства (авт. свид. SU №299833 А, МПК G 05 D 23/30, 1971). При термостатировании объекта, находящегося в рабочем объеме, осуществляется прокачивание теплоносителя по замкнутому контуру, состоящему из рабочего объема и канала циркуляции. Регулируемые источники нагрева равномерно нагревают корпус устройства, компенсируя потери тепла в окружающую среду. Управляемые нагреватели, расположенные на входе в канал циркуляции и на выходе из него, нагревают теплоноситель, компенсируя торцовые потери тепла термостатируемого объекта. В результате обеспечивается стабилизация температуры теплоносителя и уменьшается температурный градиент в термостатируемом объекте.

Таким образом, корпус рассматриваемого известного устройства не обладает малой теплоемкостью, а компенсация торцовых потерь тепла термостатируемого объекта достигается за счет особенностей конструкции управляемых нагревателей, которые заключаются в том, что они расположены на входе в канал циркуляции и на выходе из него. При этом корпус устройства и канал циркуляции не имеют никаких особенностей, способствующих компенсации торцовых потерь тепла.

Аналогом, наиболее близким к заявленному изобретению (прототипом), является ячейка для термостатирования жидкости, содержащая теплопроводный корпус малой теплоемкости, внутренний объем которого образует термостатируемую камеру с входным и выходным отверстиями на концах длинных сторон камеры, нагреватель и датчик температуры (патент RU №1741055, МПК G 01 N 29/02, 1989). К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известной ячейки, принятой за прототип, относится то, что в известной ячейке из-за наличия теплового сопротивления стенок корпуса их температура уменьшается от середины корпуса к концам его длинных сторон, где находятся входное и выходное отверстия, вследствие этого тепловой поток от нагревателя, приходящийся на элементарные объемы термостатируемой жидкости в камере, уменьшается вдоль длинных сторон камеры от ее середины к входному и выходному отверстиям, кроме того, часть тепловой энергии, полученной жидкостью от стенок камеры у концов ее длинных сторон, уходит за пределы камеры через трубопроводы, соединенные с входным и выходным отверстиями, и через жидкость, находящуюся в трубопроводах (указанные трубопроводы не входят в состав ячейки, но необходимы для заполнения ячейки жидкостью и для ее удаления из ячейки после окончания термостатирования). При этом максимальное значение температуры наблюдается в середине камеры, а минимальное - на концах ее длинных сторон, около входного и выходного отверстий.

Целью изобретения является повышение точности термостатирования за счет уменьшения неравномерности температуры жидкости в проточной термостатируемой камере при сохранении малой теплоемкости корпуса.

Технический результат - достижение малой неравномерности температуры жидкости в термостатируемой камере вдоль ее длинных сторон, на концах которых расположены входное и выходное отверстия.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известной ячейке, содержащей нагреватель и теплопроводный корпус малой теплоемкости, внутренний объем которого образует термостатируемую камеру с входным и выходным отверстиями на концах ее длинных сторон, имеется особенность, заключающаяся в том, что:

1. Корпус и нагреватель выполнены так, что тепловой поток от нагревателя, приходящийся на элементарные объемы жидкости в термостатируемой камере, изменяется вдоль длинных сторон камеры, увеличиваясь от ее середины к входному и выходному отверстиям.

2. Кроме того, корпус выполнен в виде тонкостенной трубки с двумя заглушками, установленными внутри трубки на заданном расстоянии от ее концов.

3. Кроме того, входное и выходное отверстия расположены на заглушках.

4. Кроме того, трубка выполнена из электропроводного материала, а функцию нагревателя выполняет материал трубки, по которому пропускают электрический ток.

5. Кроме того, нагреватель выполнен в виде двух однослойных катушек из медного эмалированного провода и двух однослойных катушек из манганинового эмалированного провода, намотанных на трубку, причем катушки из медного провода расположены между заглушками, в области термостатируемой камеры, а катушки из манганинового провода - между заглушками и концами трубки.

На чертежах представлены: на фиг.1 - ячейка, имеющая отверстия на заглушках; на фиг.2 - схема термостата с ячейкой, имеющей отверстия на заглушках; на фиг.3 - ячейка, корпус которой является нагревателем; на фиг.4 - схема термостата с ячейкой, корпус которой является нагревателем; на фиг.5 - ячейка, имеющая отверстия на трубке; на фиг.6 - схема термостата с ячейкой, имеющей отверстия на трубке; на фиг.7 - график температуры в известной ячейке; на фиг.8 - график температуры в заявленной ячейке.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанного технического результата, заключаются в следующем.

Ячейка (см. фиг.1) содержит корпус в виде тонкостенной теплопроводной трубки 1 с заглушками 2 и 3, установленными внутри трубки 1 на заданном расстоянии от ее концов, входного отверстия 4 на заглушке 2 и выходного отверстия 5 на заглушке 3. Внутренний объем корпуса, ограниченный поверхностью трубки 1 и заглушками 2 и 3, образует камеру 6, которая вместе с отверстиями 4 и 5 предназначена для заполнения термостатируемой жидкостью.

На поверхности трубки 1 расположен электрический нагреватель, состоящий из однослойных катушек 7, 8 из медного эмалированного провода и однослойных катушек 9, 10 из манганинового эмалированного провода. При этом катушки 7, 8 намотаны на трубку 1 между заглушками 2, 3, катушка 9 намотана на трубку 1 между одним ее концом и ближней к ней заглушкой 2, а катушка 10 намотана на трубку 1 между другим ее концом и ближней к ней заглушкой 3.

Схема термостата (см. фиг.2) содержит термочувствительный нагревательно-измерительный мост, компаратор напряжения 11 и блок управления 12. Термочувствительный мост состоит из термозависимого сопротивления R1=R1.1+R1.2 последовательно соединенных катушек 7 и 8, термонезависимого сопротивления R2=R2.1+R2.2 последовательно соединенных катушек 9, 10 и сопротивлений прецизионных резисторов R3, R4, причем одной вершиной входной диагонали моста является точка соединения R1.1 (свободный вывод катушки 7) с резистором R3, а другой вершиной входной диагонали моста - точка соединения R2.2 (свободный вывод катушки 10) с резистором R4, одной вершиной выходной диагонали моста является точка соединения R1.2 (свободный вывод катушки 8) с R2.1 (свободный вывод катушки 9), а другой вершиной выходной диагонали моста - точка соединения R3 и R4. Входная диагональ моста соединена с выходом блока управления 12, а выходная диагональ подключена к входу компаратора напряжения 11, выход которого соединен с входом блока управления 12. Питание термостата осуществляется от источника постоянного напряжения (на фиг.2 не показан).

Ячейка (см. фиг.3) содержит корпус в виде тонкостенной теплопроводной и электропроводной трубки 1 с заглушками 2 и 3, установленными внутри трубки 1 на заданном расстоянии от ее концов, входного отверстия 4 на стенке трубки 1 рядом с заглушкой 2 и выходного отверстия 5 на стенке трубки 1 рядом с заглушкой 3. Внутренний объем корпуса, ограниченный поверхностью трубки 1 и заглушками 2 и 3, образует камеру 6, которая вместе с отверстиями 4 и 5 предназначена для заполнения термостатируемой жидкостью. Нагревателем является материал стенок трубки 1, по которому пропускают электрический ток, подключая электрическое напряжение к контактам, расположенным на концах трубки 1 (не показаны).

Схема термостата (см. фиг.4) содержит термочувствительный мост, компаратор напряжения 11, блок управления 12 и сопротивление материала стенок трубки 1. Термочувствительный мост образован сопротивлением R1 датчика 13 температуры, установленного на поверхности трубки 1, и сопротивлениями прецизионных резисторов R2, R3, R4. Значения R1, R2, R3, R4 выбраны такими, что баланс моста соответствует равенству температуры датчика 13 и заданной температуры термостатирования, а мощность, выделяющаяся на R1 (датчик 13 температуры), пренебрежимо мала по сравнению с мощностью нагревателя ячейки. Входная диагональ моста подключена к источнику питания термостата, а выходная диагональ соединена с входом компаратора напряжения 11, выход которого подключен к входу блока управления 12. Выход блока управления 12 соединен с концами трубки 1 при помощи не показанных на фиг.3 контактов на ее концах. Питание термостата осуществляется от источника постоянного напряжения (на фиг.4 не показан).

Ячейка (см. фиг.5) содержит корпус в виде тонкостенной теплопроводной трубки 1 с заглушками 2 и 3, установленными внутри трубки 1 на заданном расстоянии от ее концов, входного отверстия 4 на стенке трубки 1 рядом с заглушкой 2 и выходного отверстия 5, на стенке трубки 1 рядом с заглушкой 3. Внутренний объем корпуса, ограниченный поверхностью трубки 1 и заглушками 2 и 3, образует камеру 6, которая вместе с отверстиями 4 и 5 предназначена для заполнения термостатируемой жидкостью. На поверхности трубки 1 расположен электрический нагреватель, состоящий из катушек 7, 8, намотанных в один слой медным эмалированным проводом, и катушек 9, 10, намотанных в один слой манганиновым эмалированным проводом. При этом катушки 7, 8 расположены между заглушками 2, 3, катушка 9 расположена между одним концом трубки 1 и ближней к ней заглушкой 2, а катушка 10 расположена между другим концом трубки 1 и ближней к ней заглушкой 3.

Схема термостата (см. фиг.6) содержит термочувствительный нагревательно-измерительный мост, прецизионные резисторы R5, R6, компаратор напряжения 11 и блок управления 12. Термочувствительный нагревательно-измерительный мост образован сопротивлениями R1, R2, R3, R4 (соответственно катушки 7, 9, 10, 8), причем термозависимые сопротивления R1, R4 (катушки 7, 8) включены в противоположные ветви моста. Входная диагональ моста соединена с выходом блока управления 12, вершина выходной диагонали моста, образованная соединением R1, R2, подключена к инвертирующему входу компаратора напряжения 11, а вершина выходной диагонали моста, образованная соединением R3, R4, через делитель напряжения R5, R6 подключена к неинвертирующему входу компаратора напряжения 11, выход которого соединен с входом блока управления 12. Питание термостата осуществляется от источника постоянного напряжения (на фиг.2 не показан).

Термостат, схемы которого для частных примеров выполнения приведены на фиг.2, фиг.4, фиг.6, работает следующим образом. Для обеспечения нормальной работы устанавливают температуру жидкости, подлежащей термостатированию, и температуру окружающего воздуха меньше, чем заданная температура Т_т термостатирования, а трубку 1 ячейки располагают под углом к горизонтали так, что ее входное отверстие 4 находится ниже выходного отверстия 5 (см. фиг.4). Заполняют термостатируемой жидкостью камеру 6 ячейки, после чего на выходе блока управления 12 появляется напряжение (см. фиг.2, фиг.4, фиг.6). Выходное напряжение блока управления 12 подается на нагреватель ячейки, который выполнен в виде катушек 7, 8, 9, 10 (см. фиг.2, фиг.6) или функцию которого выполняет материал стенок трубки 1 (см. фиг.4). Сигнал разбаланса термочувствительного моста R1, R2, R3, R4 (см. фиг.2, фиг.4, фиг.6), поступающий на вход компаратора напряжения 6 и зависящий от температуры Т_д его термозависимой части R1 (см. фиг.2, фиг.4) или термозависимых частей R1, R4 (см. фиг.6), определяет состояние компаратора напряжения 11, выходной сигнал которого управляет работой блока управления 12 (см. фиг.2, фиг.4, фиг.6). Блок управления 12 включает напряжение нагрева на своем выходе, если Т_д<Т_т и отключает его при Т_д>Т_т. Тепло, выделяющееся в нагревателе при прохождении по нему электрического тока, нагревает трубку 1 как в области камеры 6, так и за ее пределами, а от трубки 1 нагревается жидкость, находящаяся в камере 6. При этом тепловой поток от нагревателя, приходящийся на элементарные объемы термостатируемой жидкости в камере 6, изменяется вдоль длинных сторон камеры 6, увеличиваясь от ее середины к входному 4 и выходному 5 отверстиям. В результате регулирования температуры путем периодического включения и отключения нагрева через некоторое время наступает стабилизация температуры жидкости в камере 6. При этом установившиеся значения температуры T_жi жидкости в различных точках камеры 6 зависят от конструкции ячейки и определяются формулой:

Т_жi=Т_т+ΔТ_i,

где Т_жi - температура жидкости в i-й точке камеры 6;

Т_т - заданная температура термостатирования;

ΔT_i - погрешность термостатирования для i-й точки камеры 6.

Неравномерность температуры термостатируемой жидкости в камере 6 может быть определена как разность максимального и минимального значений ΔT_i. Для подтверждения возможности получения вышеуказанного технического результата при осуществлении изобретения были изготовлены экспериментальные образцы известной и заявленной ячеек и проведены их сравнительные испытания, причем заявленная ячейка соответствовала фиг.5. Для обеспечения корректности указанных сравнительных испытаний известная и заявленная ячейки имели одинаковые параметры, существенно влияющие на результаты испытаний, а именно: корпус в виде медной трубки 1 диаметром 6 мм и с толщиной стенок 0,25 мм; заглушки 2 и 3 толщиной 2 мм из бронзы; отверстия 4 и 5 в виде патрубков длиной 10 мм из медной трубки диаметром 4 мм с толщиной стенок 0,25 мм; объем камеры 6 составлял 1,9 см³ (длина камеры 78 мм); мощность нагревателя 20 Вт; термостатируемая жидкость - дистиллированная вода. Испытания заключались в измерении температуры Т_жi воды в камере 6 по оси трубки 1 в двух ее точках: в середине камеры 6 (Т_ж1) и на расстоянии 2 мм от заглушки 2 (Т_ж2). Эти точки были выбраны потому, что в известной ячейке они соответствуют максимальной (Т_ж1) и минимальной (Т_ж2) температурам жидкости в камере 6. Измерения температуры выполнялись при помощи термопар медь - константан малой теплоемкости (диаметр проводов термопар 0,1 мм). Температура окружающего воздуха и исходная температура термостатируемой воды при испытаниях поддерживались равными 20°С. Результаты сравнительных испытаний представлены на фиг.7 и фиг.8, причем динамику температуры воды в двух выбранных точках камеры 6 известной ячейки показывают графики, приведенные на фиг.7, а динамику температуры воды в двух выбранных точках камеры 6 заявленной ячейки отражают графики, приведенные на фиг.8. Неравномерность температуры воды в установившемся тепловом режиме (t>120 с) для известной ячейки достигает значения Т_ж1-Т_ж2=3,2°С (см. фиг.7), в то время как в заявленной ячейке при t>50 с она не превышает Т_ж1-Т_ж2=0,1°С (см. фиг.8). При этом за установившийся тепловой режим условно принят такой режим, когда температура жидкости в каждой из выбранных точек с течением времени изменяется не более чем на 0,1°С. Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о том, что заявленная конструкция ячейки с входным и выходным отверстиями позволяет получить малую неравномерность температуры жидкости в термостатируемой камере (во много раз меньшую, чем в известной ячейке) при малой теплоемкости корпуса ячейки.

Изобретение может быть использовано для исследования свойств и состава жидкостей. Ячейка содержит теплопроводный корпус малой теплоемкости, внутренний объем которого образует проточную термостатируемую камеру с входным и выходным отверстиями на концах ее длинных сторон, и нагреватель корпуса, выполненного в виде тонкостенной трубки с двумя заглушками, установленными внутри трубки на заданном расстоянии от ее концов. Корпус и нагреватель выполнены так, что тепловой поток от нагревателя, приходящийся на элементарные объемы термостатируемой жидкости, изменяется вдоль длинных сторон камеры, увеличиваясь от ее середины к входному и выходному отверстиям. Нагреватель может быть выполнен в виде двух катушек из медного эмалированного провода и двух катушек из манганинового эмалированного провода. Катушки из медного провода расположены между заглушками, в области камеры, а катушки из манганинового провода - между заглушками и концами трубки. В варианте выполнения нагревателем является материал трубки. Изобретение обеспечивает повышение точности термостатирования. 4 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Ячейка для термостатирования жидкости, содержащая теплопроводный корпус малой теплоемкости, внутренний объем которого образует термостатируемую камеру с входным и выходным отверстиями на концах ее длинных сторон, и нагреватель корпуса, отличающаяся тем, что корпус и нагреватель выполнены так, что тепловой поток от нагревателя, приходящийся на элементарные объемы жидкости в термостатируемой камере, изменяется вдоль длинных сторон камеры, увеличиваясь от ее середины ко входному и выходному отверстиям.2. Ячейка по п.1, отличающаяся тем, что корпус выполнен в виде тонкостенной трубки с двумя заглушками, установленными внутри трубки на заданном расстоянии от ее концов.3. Ячейка по п.2, отличающаяся тем, что входное и выходное отверстия расположены на заглушках.4. Ячейка по п.2, отличающаяся тем, что трубка выполнена из электропроводного материала, а функцию нагревателя выполняет материал трубки, по которому пропускают электрический ток.5. Ячейка по п.2, отличающаяся тем, что нагреватель выполнен в виде двух однослойных катушек из медного эмалированного провода и двух однослойных катушек из манганинового эмалированного провода, намотанных на трубку, причем катушки из медного провода расположены между заглушками в области термостатируемой камеры, а катушки из манганинового провода - между заглушками и концами трубки.