МНОГОКАНАЛЬНЫЙ НУЛЬ-ТЕРМОСТАТ Российский патент 2008 года по МПК H01L35/28 F25B21/02 

Изобретение относится к измерительной технике и используется для термостатирования контрольных спаев дифференциальных термопар.

Для прецизионного измерения температуры в промышленности и в лабораторных исследованиях широко используются дифференциальные термопары, контрольный спай которых должен находиться в заранее известных условиях, и температура которого должна быть строго детерминирована.

Как правило, для повышения удобства в вычислении измеряемого значения температуры в качестве опорной точки выбирают температуру плавления льда (0°С).

Конструкция [1] основана на применении малогабаритного ртутного реле, которое включено в схему двухпозиционного регулирования. Существенный недостаток системы заключается в высокой зависимости точности поддержания температуры всего устройства от точности датчика.

Принцип действия другого термоэлектрического устройства [1] с термостабилизацией на уровне 0°С основан на регистрации изменений в объеме воды при ее переходе в твердую фазу. Используется высокочувствительное контактное реле, реагирующее на изменения в объеме.

Недостатками обеих конструкций являются большие габариты устройств, сложность схемы управления и конструктивного исполнения.

Достаточно удачным решением является подход, при котором контрольный спай дифференциальной термопары размещается на границе раздела твердой и жидкой фазы вещества, а автоматическое термостатирование контрольных спаев дифференциальных термопар обеспечивается только за счет конструктивных решений.

Малогабаритный прецизионный нуль-термостат [2], реализующий указанный подход, состоит из двустенной цилиндрической камеры, внутренний объем которой заполнен дистиллированной водой. Термоэлектрический модуль, закрепленный холодным спаем к верхнему основанию камеры и подводящий тепло от горячего спая посредством тепловода к нижнему основанию, используется для образования твердой и жидкой фаз воды и их границы раздела во внутреннем объеме. Подвод контрольного спая дифференциальной термопары к границе раздела твердой и жидкой фаз осуществляется с помощью поплавковой конструкции.

Тем не менее, недостатком устройства [2] является заметное и крайне негативное воздействие вертикально-направленных конвекционных потоков, образующихся при нагреве жидкости у нижнего основания внутренней камеры, на процесс термостатирования контрольного спая дифференциальной термопары, что приводит к снижению точности термостатирования и выражается в двух основных факторах.

1. Действие конвекционных потоков, поднимающихся вертикально вверх по направлению к границе раздела твердой и жидкой фаз, вызывает неравномерное вымывание нижней кромки ледяной массы и способствует образованию неравномерной границы раздела сред, что снижает точность позиционирования подводимого контрольного спая дифференциальной термопары и приводит к дополнительным, трудно контролируемым погрешностям в измерениях.

2. Присутствие конвекционных потоков в жидкой среде вызывает непрерывные и хаотические изменения температурного поля, геометрически совпадающего с границей раздела фаз, что также негативно влияет на точность термостатирования при использовании преобладающих в прецизионных измерениях низкоинерционных термопар с небольшими геометрическими размерами контрольного спая.

Еще один недостаток устройства [2] заключается в применении свободно плавающей поплавковой конструкции, что при длительной эксплуатации вызывает изменения в направлении нарастания льда и приводит к появлению наклона поплавка и смещению контрольного спая от границы фазового раздела или обмерзанию поплавка с боков и снизу.

Кроме того, в промышленной и лабораторной практике достаточно актуальной является задача одновременного контроля температуры по нескольким измерительным каналам. В таком случае, эксплуатация рассмотренной выше конструкции [2] представляется малоэффективной в связи с необходимостью параллельного дублирования каналов термостатирования контрольных спаев дифференциальных термопар, что приводит к значительному удорожанию и увеличению габаритных размеров измерительной системы в целом.

Целью изобретения является устранение вышеперечисленных недостатков конструкции [2] и разработка недорогого малогабаритного нуль-термостата, предназначенного для работы в системах многоканального измерения температуры, отличающегося повышенной точностью термостатирования контрольных спаев дифференциальных термопар, способностью непрерывного функционирования в длительном интервале времени и обладающего улучшенными механическими характеристиками.

Устройство (фиг.1) состоит из внешней цилиндрической камеры 1, выполненной из материала с высокой теплопроводностью, к верхнему основанию которой с внутренней стороны горячим спаем присоединен термоэлектрический модуль 2. Холодный спай термоэлектрического модуля 2 находится в хорошем тепловом контакте с неупругой цилиндрической камерой 3, выполненной из материала с высокой теплопроводностью. Внутри камеры 3 находится дистиллированная вода 4, разделенная границей раздела фаз 5 на твердую и жидкую фазы.

В жидкой фазе 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 каждом из узлов которой закреплены контрольные спаи дифференциальных термопар 7 (фиг.2). Выводы контрольных спаев термопар 7 через специальное уплотнение 8 выведены наружу. Мелкоячеистые сетки 11 и 12 выполнены из капроновых нитей. Сетка 11 находится у верхнего основания поплавка 6, на границе раздела фаз. Сетка 12 натянута у нижнего основания поплавка 6 и находится под сеткой 9.

У нижнего основания внутренней цилиндрической камеры 3 своим нижним основанием прочно-плотно закреплено перемешивающее устройство 13, находящееся в непосредственном контакте с рабочим веществом 4 и предназначенное для его перемешивания для снижения влияния конвективных потоков на точность измерений.

Упругие стержни 14-17 из материала, не смачиваемого водой и с низкой теплопроводностью, одной стороной закреплены к верхнему основанию перемешивающего устройства 13, а с другой - к верхнему основанию внутренней цилиндрической камеры 3. Упругие стержни вставлены в отверстия кольцеобразного поплавка 6, выполненные с диаметром, несколько большим диаметра стержней, таким образом, что кольцеобразный поплавок 6 свободно перемещается в вертикальной плоскости и ограничен во вращении относительно своей центральной оси.

Сильфоновая конструкция 10 одной стороной присоединена к боковой стенке камеры 3 вблизи ее нижнего основания, а с другой - имеет глухую заглушку для сохранения полной герметичности сосуда с дистиллированной водой.

При включении питания термоэлектрического модуля 2 начинается процесс замерзания воды в цилиндрической камере 3, при этом образуется граница раздела фаз 5, пролегающая по верхнему основанию поплавка 6.

Исполнение поплавка 6 с диаметром, несколько меньшим диаметра камеры 3, позволяет представить его в качестве поршня, скользящего вдоль вертикальной оси, проведенной перпендикулярно плоскости границы раздела фаз, при этом не изменяются расстояния от любой точки, находящейся на поплавке, до боковой стенки камеры 3. 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.

С другой стороны, при увеличении объема твердой фазы на поплавок действует сила, направленная вертикально вниз. При этом конусная форма конструкции поплавка и его исполнение в полный размер внутреннего диаметра камеры 3 повышают устойчивость поплавковой конструкции и снижают вероятность возникновения перекосов или застревания поплавка при его скольжении вслед за границей раздела фаз. Подобным образом реализован точный подвод контрольных спаев дифференциальных термопар к границе раздела фаз вещества.

Тепловая энергия, выделяемая на горячем спае термоэлектрического модуля 2 через стенки внешней цилиндрической камеры 1, передается на нижнее основание неупругой цилиндрической камеры 3.

В результате работы термоэлектрического модуля происходит нагрев воды 4 в камере 3 с одной стороны (снизу) и охлаждение с другой стороны (сверху). Вследствие этого, в камере постоянно присутствует граница раздела фаз 5, прилегающая в верхнему основанию поплавка 6, при этом контрольные спаи 7 дифференциальных термопар постоянно находятся при температуре плавления льда 0°С.

Мелкоячеистая сетка 11, изготовленная из несмачиваемого водой материала и проходящая по границе раздела фаз 5, предотвращает прямой контакт с твердой фазой 4 термостатируемых контрольных спаев дифференциальных термопар, защищая последние от смерзания со льдом.

Мелкоячеистая сетка 12 используется для снижения действия конвекционных потоков, поднимающихся вверх при нагреве воды у нижнего основания камеры 3. При этом во внутренней полости поплавка 6 происходит перемешивание вертикальных и постоянно меняющих свое направление потоков, несущих более теплую воду со дна камеры 3 с более холодной водой, образующейся в результате таяния льда у границы раздела фаз 5 и опускающейся вниз. В результате достигается два положительных эффекта - предотвращается неравномерное вымывание льда, образующегося у границы раздела твердой и жидкой фаз, и увеличивается однородность и уменьшается скорость изменения температурного поля вблизи границы раздела, что повышает точность термостатирования контрольных спаев.

Для дополнительного снижения влияния конвективных потоков на точность измерений используется перемешивающее устройство 13, которое повышает однородность температурного поля в жидкой фазе за счет перемешивания верхних и нижних слоев жидкости 4.

Для устранения вращения, перекосов и смерзания со льдом кольцеобразного поплавка 6 со льдом используются упругие стержни 14-17, которые сокращают число степеней свободы перемещения кольцеобразного поплавка, который может скользить только вдоль вертикальной оси.

Изменения в объеме дистиллированной воды, возникающие при фазовых переходах, происходящих в камере 3, компенсируются за счет работы сильфоновой конструкции 10. Подобный подход позволяет предотвратить застревания поплавковой конструкции из-за изменений в диаметре камеры 3 и исключить возможность разрыва, а также повысить надежность системы, предотвратив постоянные перегибы камеры 3. Одновременно снижаются требования к толщине стенок камеры 3, что способствует улучшению весогабаритных характеристик устройства, а также повышает экономическую эффективность выпускаемой в серийном производстве продукции.

Устройство позволяет одновременно термостатировать контрольные спаи нескольких термопар, что очень важно при работе в составе многоканальных измерительных комплексов, обеспечивает высокую надежность и точность термостатирования при непрерывной и длительной эксплуатации за счет использования модифицированной высокоустойчивой конструкции и снижения влияния конвекционных потоков на процесс формирования льда и распределения температуры жидкости вблизи раздела границы фаз.

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

Существенный экономический эффект от внедрения достигается за счет возможности одновременного термостатирования контрольных спаев нескольких термопар, что дает возможность использования одного подобного устройства вместо нескольких, требуемых для работы с одноканальными нуль-термостатами в устройствах многоканального измерения температуры.

Литература

1. Коленко Е.А. Термоэлектрические охлаждающие приборы. М.-Л.: 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 используется для термостатирования контрольных спаев дифференциальных термопар. Сущность: устройство состоит из двустенной цилиндрической камеры, внутренний объем которой заполнен дистиллированной водой. Термоэлектрический модуль прикреплен холодным спаем к верхнему основанию камеры и подводит тепло от горячего спая посредством тепловода к нижнему основанию. В камере размещен поплавок с внешним диаметром, несколько меньшим диаметра внутренней камеры, и имеющий конусность в вертикальном сечении. В каждой ячейке сетки, составленной из капроновых нитей и закрепленной во внутренней полости поплавка, помещаются термостатируемые контрольные спаи дифференциальных термопар. Две мелкоячеистые сетки закреплены у верхнего и нижнего оснований поплавка. Вблизи нижнего основания внутренней камеры одним концом закреплен сильфон, заваренный наглухо с другого конца, таким образом, что он представляет сообщающийся с внутренней камерой сосуд. У нижнего основания внутренней цилиндрической камеры своим нижним основанием прочно-плотно закреплено перемешивающее устройство, находящееся в непосредственном контакте с рабочим веществом. Упругие стержни, выполненные из материала, не смачиваемого водой и с низкой теплопроводностью, одной стороной прикреплены к верхнему основанию перемешивающего устройства, а другой - к верхнему основанию внутренней камеры. Упругие стержни вставлены в отверстия в поплавке. Поплавок может свободно перемещается в вертикальной плоскости и ограничен во вращении относительно своей центральной оси. Технический результат: повышение точности и надежности конструкции при длительной эксплуатации. 2 ил.

Многоканальный нуль-термостат, содержащий емкость, представляющую собой цилиндрическую камеру, выполненную из материала с высокой теплопроводностью, внутри которой находится дистиллированная вода, разделенная границей раздела фаз на твердую и жидкую фазы, где в жидкой фазе находится кольцеобразный поплавок, изготовленный из материала, имеющего плотность, меньшую, чем плотность воды, и не смачиваемого ею, в центре которого расположен контрольный спай дифференциальной термопары, крепление которого осуществляется посредством тонких капроновых ниток, закрепленных своими концами на самом поплавке, при этом контрольный спай дифференциальной термопары вследствие выталкивающей силы, действующей на поплавок, постоянно находится в зоне замерзания (таяния) льда, а термоэлектрический модуль холодным спаем приведен в тепловой контакт с верхним основанием цилиндрической камеры, причем радиатор представляет собой внешнюю цилиндрическую камеру из материала с высокой теплопроводностью, контактирующую своим нижним основанием с нижним основанием цилиндрической камеры с тающим льдом, отличающийся тем, что во внутренней полости поплавка крепятся несколько контрольных спаев дифференциальных термопар, каждый из которых закреплен в узлах сетки, натянутой в центре поплавка из капроновых нитей и закрепленной на самом поплавке, причем в каждом узле сетки расположен один контрольный спай, а поплавок, находящийся на границе раздела твердой и жидкой фаз, имеет внешний диаметр, немного меньший внутреннего диаметра цилиндрической камеры с водой, и в вертикальном разрезе имеет конусное сечение, таким образом, что поплавок свободно скользит вдоль оси, перпендикулярной плоскости границы раздела фаз, причем расстояние между контрольными спаями дифференциальных термопар, закрепленными в узлах сетки из капроновых нитей, и стенкой внутренней камеры не меняется, причем в верхнем основании поплавка закреплена мелкоячеистая сетка, составленная из не смачиваемых водой капроновых нитей, таким образом, что контрольные спаи дифференциальных термопар находятся вблизи границы раздела твердой и жидкой фаз, но не входят в прямой контакт с твердой фазой вещества, а вторая мелкоячеистая сетка, закрепленная непосредственно на поплавке и составленная из капроновых нитей, натянута вблизи нижнего основания поплавка, при этом внутренняя камера выполнена из неупругого материала и содержит сильфон, прочно-плотно закрепленный своим одним концом у нижнего основания внутренней камеры, а с другого конца имеющий заглушку, что представляет собой сообщающийся с камерой герметичный сосуд, объем которого изменяется при изменении объема твердой фазы и компенсирующий таким образом давление жидкости на стенки неупругой камеры, перемешивающее устройство, прочно-плотно закрепленное своим нижним основанием у нижнего основания внутренней цилиндрической камеры, а с другого находящееся в непосредственном контакте с рабочим веществом, с переменной скоростью вращения, упругие стержни, выполненные из материала, не смачиваемого водой и с низкой теплопроводностью, одной стороной прикрепленные к верхнему основанию перемешивающего устройства, а с другой - к верхнему основанию внутренней цилиндрической камеры, вставленные в отверстия в поплавке, выполненные с диаметром, несколько большим диаметра стержней, таким образом, что поплавок свободно перемещается в вертикальной плоскости и ограничен в перемещении в горизонтальной плоскости и во вращении относительно своей центральной оси.