ПРЕЦИЗИОННЫЙ НУЛЬ-ТЕРМОСТАТ Российский патент 2008 года по МПК G01K7/02 

Изобретение относится к измерительной технике и позволяет проводить термостатирование контрольных спаев дифференциальных термопар.

Дифференциальные термопары отличаются высокими качественными показателями и часто используются для прецизионного измерения температуры в промышленности и лабораторных исследованиях. Однако для достижения высокой точности измерений требуется проводить термостатирование их контрольных спаев при определенном значении температуры. В целях повышения удобства в организации измерений в качестве опорной точки нередко выбирают температуру плавления льда (0°С). Достаточно распространенной конструкцией является ванна с тающим льдом, в которую помещают термостатируемый контрольный спай дифференциальной термопары. Основные недостатки заключаются в ограниченном времени работы устройства, определяемого временем таяния льда, а также в отсутствии гарантии точного подвода контрольного спая к границе раздела твердой и жидкой фаз воды, что способствует возникновению дополнительных погрешностей в измерениях. Для устранения подобных недостатков может быть применена конструкция [1], принцип функционирования которой основан на применении малогабаритного ртутного реле, используемого в схеме двухпозиционного регулирования. Однако устройству свойственна высокая зависимость точности поддержания температуры от точности датчика. Принцип действия другой термоэлектрической системы [1] основан на регистрации изменений в объеме воды при ее переходе в твердую фазу. Используется высокочувствительное контактное реле, реагирующее на изменения в объеме, что обеспечивает термостабилизацию на уровне 0°С. Недостатками обеих конструкций являются большие габариты устройств, сложность схемы управления и конструкции.

Другим возможным решением является размещение контрольного спая дифференциальной термопары на границе раздела твердой и жидкой фаз рабочего вещества. Подобная конструкция [2] состоит из двустенной цилиндрической камеры, внутренний объем которой заполняется дистиллированной водой. Термоэлектрический модуль закреплен холодным спаем к верхнему основанию камеры и подводит тепло от горячего спая посредством тепловода к нижнему основанию, что способствует формированию твердой и жидкой фаз воды и их границы раздела. Поплавковая конструкция предназначена для подвода контрольного спая дифференциальной термопары к границе раздела твердой и жидкой фаз.

Значительным недостатком устройства является наличие развитой естественной конвекции, обусловленной малой плотностью рабочего вещества и использованием нижнего основания внутренней камеры в качестве обогревателя. Конвекционные потоки направлены вертикально вверх по направлению к границе раздела фаз рабочего вещества, и их действие выражается в снижении точности термостатирования. Это связано с неравномерным вымыванием нижней кромки твердой фазы рабочего вещества, что способствует образованию неоднородной границы раздела твердой и жидкой сред и снижает точность позиционирования подводимого контрольного спая дифференциальной термопары непосредственно к границе раздела фаз. Кроме того, присутствие конвекционных потоков в жидкой среде вызывает непрерывные изменения температурного поля в плоскости, геометрически совпадающей с границей раздела фаз. При этом возникает ошибка в термостатировании при использовании широко распространенных малоинерционных дифференциальных термопар с относительно небольшим геометрическим размером контрольного спая. Причем величина ошибки постоянно изменяется во времени и практически не подлежит компенсации.

Длительная эксплуатация подобных устройств затрудняется из-за относительно быстрого полного проплавления твердой фазы рабочего вещества или полного замерзания жидкой фазы. Это может потребовать приостановки эксплуатации с необходимостью последующей подготовки устройства к следующему сеансу измерений, причем подобная подготовка может потребоваться перед проведением каждого нового сеанса и необходима при смене термостатируемого контрольного спая дифференциальной термопары. Сложность в эксплуатации связана также с зависимостью времени эксплуатации устройства от условий окружающей среды (температуры, влажности, скорости воздушных потоков и др.) и сложностью в определении максимально возможной продолжительности эксплуатации. Это объясняется тем, что внешняя цилиндрическая камера, используемая в качестве тепловода для передачи тепла от горячего спая термоэлектрического модуля к нижнему основанию внутренней камеры, одновременно является радиатором, отводящим тепло в окружающую среду. При этом не предусмотрена возможность автоматической компенсации возникших теплопотерь с учетом условий окружающей среды, что может потребовать присутствия оператора для проведения необходимых расчетов и осуществления контроля за процессом измерения, либо использования системы поддержания микроклимата.

Важным недостатком устройства является сложность в контроле за текущим положением и состоянием поплавковой конструкции. Таким образом, при возникновении перекоса поплавка, а также полного проплавления или замерзания рабочего вещества, при формировании неравномерной границы раздела фаз не производится информирование проводящего измерения оператора, что может привести к неверной интерпретации проведенных с помощью данного нуль-термостата измерений.

Устройство подвержено воздействию механических низкочастотных вибраций, которые могут сопутствовать отдельным технологическим процессам на производстве, ограничивающих его применение в некоторых отраслях промышленности.

Целью изобретения является устранение вышеперечисленных недостатков конструкции [2] и разработка недорогого малогабаритного нуль-термостата, обладающего высокими качественными показателями за счет снижения влияния конвекционных потоков на точность термостатирования и увеличения срока эксплуатации устройства, что достигается за счет применения датчиков для измерения температуры во внутреннем объеме. Датчики могут быть подключены к системе автоматического регулирования положения границы раздела твердой и жидкой фаз, которая на основе информации о текущей температуре и в соответствии со своим алгоритмом функционирования формирует управляющие воздействия на термоэлектрические модули. Для повышения надежности устройств предусмотрено подключение внешних систем горизонтального контроля угла наклона поплавковой конструкции, системы для предотвращения смерзания поплавковой конструкции с твердой фазой рабочего вещества и сигнализации о выходе устройства из рабочего режима.

Устройство (фиг.1) состоит из внешней цилиндрической камеры 1, изготовленной из материала с высокой теплопроводностью. К верхнему основанию камеры 1 с внутренней стороны горячим спаем присоединен термоэлектрический модуль 2. Холодный спай термоэлектрического модуля 2 находится в хорошем тепловом контакте с верхним основанием упругой цилиндрической камеры 3. Внутри камеры 3 находится рабочее вещество 4, разделенное границей раздела фаз 5 на твердую и жидкую фазы.

В жидкой фазе рабочего вещества находится кольцеобразный поплавок 6, изготовленный из материала, не смачиваемого водой, и имеющий конусность в вертикальном сечении. В центре поплавка размещается сетка 9, составленная из натянутых капроновых нитей, в точке пересечения центральных нитей которой закреплен термостатируемый контрольный спай дифференциальной термопары 7 (фиг.2). Провода контрольного спая термопары 7, помещенные в специальный изолирующий экран 19, через уплотнение 8 выведены наружу. Мелкоячеистая сетка 11 выполнена из капроновых нитей, крепится у верхнего основания поплавка 6 и находится на границе раздела фаз 5. Термоэлектрический модуль 10 закреплен холодным спаем к нижнему основанию внешней цилиндрической камеры 1 с внутренней стороны, причем его горячий спай находится в хорошем тепловом контакте с нижним основанием внутренней цилиндрической камеры 3.

Датчики температуры 12, 13 и 14 крепятся к боковой стенке внутренней цилиндрической камеры 3 и расположены на одной линии по вертикальной оси, перпендикулярной плоскости границы раздела фаз 5, причем датчик 13 располагается в центральной части цилиндрической камеры 3, а датчики 12 и 14 на одинаковом расстоянии вблизи от верхнего и нижнего оснований внутренней цилиндрической камеры 3 соответственно.

С противоположной датчикам 12, 13 и 14 стороны внутренней камеры 3 закреплена катушка индуктивности 15. Катушка индуктивности кольцеобразной формы 16 с замкнутыми накоротко витками размещается внутри поплавковой конструкции 6 и расположена в горизонтальной плоскости.

Дифференциальные термопары 17 и 18 крепятся к сетке 9, составленной из капроновых нитей, причем вдоль первой нити устанавливаются контрольные спаи, а вдоль другой, параллельной первой, закрепляются опорные спаи дифференциальных термопар 17 и 18, причем опорные и контрольные спаи соответствующих дифференциальных термопар располагаются диагонально.

Демпфирующая прокладка 20, выполненная из упругого и термоустойчивого материала, прочно крепится к нижнему основанию цилиндрической камеры 1 с внешней стороны.

В результате работы термоэлектрических модулей в номинальном режиме происходит нагрев воды 4 в камере 3 при положительной температуре, близкой к 0°С, с одной стороны (снизу) и охлаждение с другой стороны (сверху). Вследствие этого в камере постоянно присутствует граница раздела фаз 5, прилегающая к верхнему основанию поплавка 6, при этом контрольные спаи 7 дифференциальных термопар постоянно находятся при температуре плавления льда 0°С. Положение границы раздела фаз определяется с помощью датчиков 12, 13 и 14, измеряющих температуру жидкости во внутреннем объеме и позволяющих применить систему автоматического регулирования положения границы раздела фаз путем управления полярностью и направлением токов, протекающих через термоэлектрические модули 2 и 10. При этом поддерживается положение границы раздела на уровне, по высоте совпадающем с местом установки датчика 13.

Действие конвекционных потоков на точность термостатирования снижается с помощью регулирования температуры жидкой вблизи температуры 0°С фазы с помощью термоэлектрического модуля 10, на основе измеренной датчиками 12 и 13 температуры. Градиент температуры жидкой фазы во внутреннем объеме камеры 3 по вертикальной оси будет близок к 0°С, а значит будут отсутствовать необходимые условия для возникновения значительных конвекционных потоков в жидкости, способных заметно повлиять на точность термостатирования.

Мелкоячеистая сетка 11 изготовлена из не смачиваемого водой материала и проходит по границе раздела фаз 5, предотвращая смерзание термостатируемого контрольного спая дифференциальной термопары с твердой фазой 4.

Поплавок 6 с диаметром, несколько меньшим диаметра камеры 3, скользит вдоль вертикальной оси, проведенной перпендикулярной плоскости границы раздела фаз. Выталкивающая сила действует на поплавок 6 и прижимает его к границе раздела фаз 5, в результате чего поплавок находится в зоне замерзания/таяния воды при температуре 0°С.

При увеличении объема твердой фазы на поплавок действует сила, направленная вертикально - вниз. Конусная форма конструкции поплавка повышает устойчивость и снижает вероятность возникновения перекосов или его застревания при скольжении вслед за границей раздела фаз. Подобным образом реализован точный подвод контрольных спаев дифференциальных термопар к границе раздела фаз вещества. Дифференциальные термопары 17 и 18 используются для контроля за углом наклона поплавка. При возникновении заметного угла наклона происходит вертикальное смещение контрольного и опорного спаев дифференциальных термопар, которые в нормальном положении находятся вблизи границы раздела фаз с температурой, близкой к 0°С. При подобном смещении в вертикальном направлении между опорным и контрольным спаями возникает разность температур, а следовательно, и напряжений, которая будет отличаться от значений разности напряжений, измеренных при положении поплавка в рабочем режиме строго в горизонтальной плоскости на границе раздела фаз и при температуре 0°С. Величина разности напряжений будет пропорциональна углу наклона.

Наклон поплавка, а также его смерзание с твердой фазой рабочего вещества или образование неравномерной границы раздела фаз устраняются с помощью работы катушки индуктивности 15, закрепленной на боковой стенке внутренней цилиндрической камеры 3, и катушки индуктивности 16, устанавливаемой на поплавке 6. Подобный эффект достигается путем пропускания импульсов тока определенной длительности через катушку индуктивности 15, что возбуждает ЭДС самоиндукции в катушке 16, закрепленной на поплавке. Это способствует механическому перемещению поплавка 6 на расстояние, определяемое особенностью конструкции и силой тока, протекающего через катушку 15. Причем периодическое повторение кратковременных импульсов тока через катушку 15 вызывает относительно незначительные механические вибрации поплавка 6 с частотой повторения импульсов тока, что не нарушает его нормального горизонтального расположения относительно границы раздела, однако помогает устранить смерзание поплавка с твердой фазой и способствует образованию относительно равномерной границы раздела твердой и жидкой фаз. При этом использование импульсов тока относительно небольшой амплитуды и длительности не оказывает заметного влияния на точность проводимых измерений, однако для защиты от нежелательного воздействия электромагнитного излучения выводы контрольных спаев дифференциальных термопар помещаются в специальный изолирующий экран 19.

Устройство позволяет обеспечить высокую точность термостатирования за счет возможности подключения внешней системы автоматического регулирования положения границы раздела фаз, которая также позволяет снизить мощность конвективных потоков в жидкости, что увеличивает точность и надежность термостатирования. Устройство совместно с системой автоматического регулирования способно работать в автоматическом режиме и не требует обязательного присутствия оператора, однако обеспечивает сигнализацию о текущих режимах работы и возможном выходе системы из номинального режима, способного повлиять на точность термостатирования.

Устройство имеет малые габариты и просто в изготовлении, может производиться серийно вместе с дифференциальными термопарами, откалиброванными на предприятии-изготовителе.

ЛИТЕРАТУРА

1. Коленко Е.А. Термоэлектрические охлаждающие приборы. Москва-Ленинград. Издательство Академии наук СССР. 1963 г., стр.135.

2. Патент РФ №2215270. Исмаилов Т.А., Аминов Г.И., Евдулов О.В., Юсуфов Ш.А. "Прецизионный малогабаритный нуль-термостат".

Изобретение относится к измерительной технике и применяется для термостатирования контрольных спаев дифференциальных термопар. Технический результат - расширение функциональных возможностей. Для его достижения в точке пересечения центральных нитей капроновой сетки, закрепленной во внутренней полости поплавка вблизи верхнего основания, размещается термостатируемый контрольный спай дифференциальной термопары, соединительные провода которого, помещенные в специальный изолирующий экран, выведены наружу через уплотнение. Две другие дифференциальные термопары крепятся к сетке, причем опорные и контрольные спаи соответствующих дифференциальных термопар располагаются диагонально. Три датчика температуры крепятся к боковой стенке внутренней цилиндрической камеры и расположены на одной линии по вертикальной оси, перпендикулярной плоскости границы раздела фаз, причем второй датчик располагается в центральной части цилиндрической камеры, а два других помещаются на одинаковом расстоянии вблизи от верхнего и нижнего оснований внутренней цилиндрической камеры соответственно. 2 ил.

Прецизионный нуль-термостат, содержащий емкость, заполненную тающим льдом, приведенную в тепловой контакт с холодным спаем термоэлектрического модуля, горячим спаем сопряженного с радиатором, с емкостью, представляющей собой цилиндрическую камеру, выполненную из материала с высокой теплопроводностью, у которой боковая стенка обладает эластичностью за счет небольшой толщины, внутри которой находится дистиллированная вода, разделенная границей раздела фаз на твердую и жидкую фазы, с термоэлектрическим модулем, приведенным в тепловой контакт с основанием цилиндрической камеры, причем радиатор представляет собой внешнюю цилиндрическую камеру из материала с высокой теплопроводностью, контактирующую своим основанием с основанием внутренней цилиндрической камеры, отличающийся тем, что содержит дополнительный термоэлектрический модуль, закрепляемый своим холодным спаем к нижнему основанию внутренней камеры и находящийся в тепловом контакте своим горячим спаем с нижним основанием внешней цилиндрической камеры, с тремя датчиками температуры, закрепленными на боковой стенке внутренней цилиндрической камеры и расположенными на одной линии по вертикальной оси, перпендикулярной плоскости границы раздела фаз, причем второй датчик располагается в центральной части цилиндрической камеры, а два других датчика находятся на одинаковом расстоянии вблизи от верхнего и нижнего оснований внутренней цилиндрической камеры соответственно, с катушками индуктивности, одна из которых размещается на боковой стенке внутренней цилиндрической камеры, а другая, кольцеобразной формы, имеет замкнутые накоротко витки и крепится во внутренней полости поплавка, с дифференциальными термопарами, закрепляющимися к мелкоячеистой сетке, составленной из капроновых нитей, причем опорные и контрольные спаи соответствующих дифференциальных термопар располагаются диагонально.