ТЕРМОМЕТР Российский патент 2020 года по МПК G01K1/16 G01K13/00 G01K15/00 

Изобретение относится к устройству для определения и/или мониторинга температуры среды и к способу изготовления устройства по данному изобретению. Устройство включает, по меньшей мере, один температурный датчик и, по меньшей мере, один измерительный элемент, причем температурный датчик и измерительный элемент расположены в одной сенсорной головке. Под измерительным элементом подразумевается, предпочтительно, другой сенсорный элемент, например дополнительный температурный датчик, ячейка постоянной точки или эталонный элемент.

Из публикации DE4318486A1 известен, например, температурный датчик с двумя измерительными элементами, реагирующими на температуру, расположенными оба на дне корпуса щупа.

Для калибровки установленного в рабочее положение термометра из DE19941731 A1 известна мини-ячейка с фиксированной точкой, встроенная в термометр, заполненная веществом фиксированной точки, например металлом или эвтектическим сплавом. Также для калибровки и/или проверки термометра в ЕР 1247268В2 описан, например, способ калибровки по месту нескольких встроенных температурных датчиков на основе характеристик одного или нескольких эталонных элементов в виде вторичных температурных датчиков, причем эталонные элементы встроены в комплект термометра дополнительно к первичному температурному датчику.

Далее из DE102010040039A1 известны устройство и способ калибровки по месту термометра с температурным датчиком и эталонным элементом для калибровки температурного датчика, в котором эталонный элемент, по меньшей мере, частично состоит из ферроэлектрического материала, у которого в релевантном для калибровки температурного датчика диапазоне температур происходит преобразование фазы. Таким образом, калибровку осуществляют на основе специфической температурной точки фазового перехода ферроэлектрического материала, т.е. на основе специфичного для материала свойства. Аналогичное устройство раскрыто в пока не опубликованной германской патентной заявке с регистрационным номером 1020151 12425.4. Описанный в ней термометр имеет, по меньшей мере, температурный датчик и, по меньшей мере, два эталонных элемента с контактами точно на двух контактных проводах, состоящие, по меньшей мере, частично из двух разных материалов, у которых в релевантном для калибровки температурного датчика диапазоне температур фазовый переход, по меньшей мере, второго порядка происходит при соответственно заданной температуре фазового перехода. Ниже последует в полном объеме ссылка на DE102010040039A1, а также на патентную заявку с регистрационным номером 1020151 12425.4.

При использовании термометра с температурным датчиком и с дополнительным, расположенным в той же самой сенсорной головке измерительным элементом для среды, с, по меньшей мере, временно негомогенным температурным профилем, например для текучей среды, температурный датчик и дополнительный измерительный элемент, расположенные соответственно в разных местах внутри сенсорной головки, подвергаются, по меньшей мере, временно воздействию разных температур. Температурный датчик и измерительный элемент находятся, по меньшей мере, временно не в тепловом равновесии, что обуславливает ошибки и неточности измерения.

Задача предлагаемого изобретения состоит в создании устройства с высокой точностью измерения для определения и/или мониторинга температуры среды, а также способа его изготовления.

Эта задача решается посредством устройства согласно пункту 1 и посредством способа согласно пункту 15 формулы изобретения.

Устройство согласно данному изобретению предназначено для определения и/или мониторинга температуры среды и содержит, по меньшей мере, один температурный датчик и измерительный элемент, причем, по меньшей мере, температурный датчик и измерительный элемент расположены в одной общей сенсорной головке. Также, по меньшей мере, частично внутри сенсорной головки расположен элемент из материала с анизотропной теплопроводностью.

Для определения и/или мониторинга температуры соответствующей среды головку датчика контактируют, в частности термически, со средой. Происходит теплообмен между устройством и средой до установления теплового равновесия. После этого головка датчика и среда имеют по существу равную температуру, что далее названо температурным равновесием. В головке датчика происходит распространение тепла от ее обращенной в сторону среды поверхности вовнутрь сенсорной головки. Под распространением тепла понимают в этом случае, как тепловой поток от среды к сенсорной головке, соответственно, если температура среды превышает температуру сенсорной головки, так и в обратном направлении, если температура сенсорной головки превышает температуру среды. При температурном равновесии температурный датчик и измерительный элемент также имеют главным образом одинаковую температуру.

Таким образом, в обычных термометрах, по меньшей мере, с двумя измерительными элементами в головке датчика, из которых, по меньшей мере, один измерительный элемент является температурным датчиком, возможны различные ситуации, в которых состояние теплового равновесия присутствует не в любой момент времени. Таким образом, температурный датчик и измерительный элемент подвержены в определенные моменты времени, соответственно до моментов наступления температурного равновесия, воздействию разных температур. Это обусловлено, с одной стороны, ассиметричным, в частности из-за конструкции, расположением температурного датчика и измерительного элемента в сенсорной головке. Например, температурный датчик и измерительный элемент могут иметь разное отстояние от внешней стенки сенсорной головки. В другом случае устройство подвержено воздействию теплового поля, по меньшей мере, временного, и/или частично динамического, и/или негомогенного, например, при использовании в текучей среде. В этом случае, при изменении температуры среды с первой температуры на вторую температуру, обращенная в направлении потока зона сенсорной головки подвергается воздействию второй температуры раньше зоны сенсорной головки, обращенной от направления потока. Вследствие этого температурный датчик и измерительный элемент в определенный момент времени до момента установления температурного равновесия также подвержены воздействию разных температур. Понятно, что разница температур между температурным датчиком и измерительным элементом, по меньшей мере временная, возможна и во множестве других случаев. Например, если температуру, измеренную температурным датчиком, и температуру, зафиксированную измерительным элементом, в частности температуру физического или химического свойства, в частности величину, зависящую от температуры, например также температуру, соотнести между собой, в частности математически, например для выявления измеренного параметра температуры или для проведения калибровки/валидации, то следствием этого могут быть ошибки и/или неточности измерения.

Для предотвращения указанных проблем в данном изобретении предложена структура, по меньшей мере, из материала с анизотропной теплопроводностью. Теплопроводность структуры зависит от направления. Таким образом, на тепловой поток внутри сенсорной головки можно воздействовать, предпочтительно целенаправленно, посредством конструкции структуры, предусмотренной в отдельных случаях для специального применения.

В одном из предпочтительных вариантов выполнения структура предназначена для обеспечения возможности главным образом теплового равновесия, по меньшей мере, температурного датчика и измерительного элемента в любой момент времени. Таким образом, структура предпочтительно обеспечивает процесс гомогенного распространения тепла внутри сенсорной головки, в частности, независимо от теплового окружения устройства. Структура выполнена, в частности, предпочтительно таким образом, чтобы при изменении температуры среды в зоне температурного датчика и в зоне измерительного элемента в любой момент времени была обеспечена главным образом одинаковая температура. Если измерительным элементом является, например, дополнительный температурный датчик, то не возникает отклонений измеренных величин температуры, определенной обоими температурными датчиками, например, из-за их ассиметричного расположения внутри головки датчика или при использовании текучих сред. Структура также обеспечивает в случае наличия в качестве измерительного элемента ячейки с фиксированной точкой или эталонного элемента для калибровки и/или валидации температурного датчика возможность сравнения температуры, определенной посредством эталонного элемента, непосредственно с температурой температурного датчика, измеренной главным образом в тот же момент времени.

В одном из вариантов выполнения устройства измерительным элементом является второй температурный датчик. Первый и второй температурные датчики предназначены, например, для обеспечения избыточности при определении и/или мониторинге температуры среды.

В одном из альтернативных вариантов выполнения устройства согласно данному изобретению измерительным элементом является эталонный элемент для калибровки по месту и/или валидации, по меньшей мере, температурного датчика, причем эталонный элемент состоит, по меньшей мере, частично из материала, у которого в температурном диапазоне, релевантном для калибровки первого температурного датчика, возникает, по меньшей мере, переход фаз, по меньшей мере, при заданной температуре фазового перехода, при котором материал остается в постоянной фазе.

Учитывая выполнение, по меньшей мере, с эталонным элементом, необходимо указать на DE102010040039A1, а также на немецкую патентную заявку с регистрационным номером 1020151 12425.4, в которых раскрыт такой эталонный элемент. При этом температурный датчик (первичный датчик) калибруют и/или валидируют посредством, по меньшей мере, одного вторичного датчика (эталонного элемента) в режиме термометра или расположенного в сенсорной головке. При наличии, по меньшей мере, двух эталонных элементов обеспечена возможность т.н. многоточечной калибровки и/или валидации наряду с т.н. одноточечной калибровкой и/или валидацией.

При фазовом переходе в материале, остающемся в постоянной фазе, речь идет, например, по классификации Эренфеста о фазовом переходе, по меньшей мере, второго порядка. При этом в отличие от фазового перехода первого порядка во время фазового перехода не высвобождается тепло или высвобождается только несущественный объем латентного тепла. При отсутствии высвобождения или высвобождении только несущественного объема латентного тепла предпочтительно обеспечена – принципиально и независимо от выбранной классификации фазовых переходов – в том числе возможность не перепутать температуру, измеренную температурным датчиком в момент возникновения фазового перехода, в частности, с высвобождающимся латентным теплом.

В другой, в настоящее время более распространенной классификации фазовых переходов различают только дискретные (1-го порядка) и непрерывные (2-го порядка) фазовые переходы [см., например, Толковый словарь физики, академическое издание Спектрум, Хайдельберг, Берлин, том 4, словарная статья “Фазовые переходы и другие критичные феномены”]. По этой классификации, например, для различных ферроэлектрических материалов существуют фазовые переходы как 1-го порядка, так и 2-го порядка, причем в обоих случаях соответствующий материал, в котором происходит фазовый переход, остается во время фазового перехода в постоянной фазе.

Фазовый переход включает нестабильность во второй производной термодинамической величины, например в давлении, объеме, энтальпии или энтропии в качестве функции, например, температуры. Как правило, фазовые переходы начинаются с изменением определенной специфической характеристики материала, например с изменением кристаллической структуры или с изменением магнитных, электрических или диэлектрических свойств. Эти присущие материалу изменения известны для соответствующего эталонного элемента и могут быть использованы для калибровки и/или валидации температурного датчика. При этом, по меньшей мере, один эталонный элемент имеет один или несколько фазовых переходов, в частности переходов в первой фазе соответствующего применяемого материала. Каждый фазовый переход происходит при определенном, характеристическом, постоянном и продолжительно стабильном температурном параметре, за счет чего для эталонного элемента в принципе не учитывают сдвиг и/или эффекты старения.

Таким образом, предпочтительно, чтобы материалом был ферроэлектрический, ферримагнитный материал или сверхпроводник, в частности высокотемпературный сверхпроводник. Возникающие в этих материалах фазовые переходы относятся к переходам из параэлектрической фазы в ферроэлектрическую фазу и наоборот, из парамагнитной фазы в ферримагнитную фазу и наоборот, а также к переходам из нормального состояния в состояние сверхпроводника и наоборот.

Ферроэлектрический материал, называемый также ферроэлектриком – это материал, электрическая поляризация которого ниже т.н. специфичной для данного материала ферроэлектрической температуры Кури происходит и без приложения электрического поля. Этот феномен наблюдается соответственно только в случае кристаллических структур, у которых возможно образование полярной оси. При превышении ферроэлектрической температуры Кури происходит фазовый переход из ферроэлектрического состояния в параэлектрическое состояние или наоборот, начинающийся с исчезновением или образованием поляризации соответствующего материала. При таком фазовом переходе наблюдают, например, выраженный процесс изменения диэлектрической константы в качестве температурной функции, который можно использовать для калибровки и/или валидации температурного датчика. Аналогично этому и использование ферримагнитного материала. При т.н. температуре Кури происходит фазовый переход из ферримагнитного состояния в парамагнитное состояние или наоборот, причем намагничивание соответствующего материала исчезает соответственно после превышения температуры Кури.

Структура окружает предпочтительно, по меньшей мере, частично температурный датчик и/или измерительный элемент.

В другом предпочтительном варианте выполнения устройства, согласно настоящему изобретению, структура включает слой или покрытие, состоящие, по меньшей мере, частично из материала с анизотропной теплопроводностью. Слой имеет предпочтительно в продольном направлении, т.е. вдоль плоскости, параллельной слою или покрытию, более высокую теплопроводность, чем перпендикулярно этой плоскости. За счет этого тепловой поток внутри сенсорной головки перераспределен именно вдоль структуры.

В одном из наиболее предпочтительных вариантов выполнения устройства, согласно настоящему изобретению, структура включает тонкую пленку, состоящую, по меньшей мере, частично из материала с анизотропной теплопроводностью. Пленка также предпочтительно вдоль своей продольной оси имеет более высокую теплопроводность, чем перпендикулярно ей.

В другом варианте выполнения устройства, согласно настоящему изобретению, предложен наполнитель, расположенный, по меньшей мере, частично внутри сенсорной головки и заполняющий сенсорную головку, по меньшей мере, частично, предпочтительно полностью. Структура, также расположенная, по меньшей мере, частично внутри сенсорной головки, предпочтительно окружена наполнителем также, по меньшей мере, частично.

Наполнителем является, например, цемент, в частности смесь оксида магния, силиката циркония и фосфата магния. При этом предпочтительна главным образом гомогенная теплопроводность и/или теплоемкость наполнителя. Наполнитель обеспечивает, таким образом, главным образом гомогенное распространение тепла, в частности изотропное распространение тепла внутри сенсорной головки.

Согласно одному из особенно предпочтительных вариантов выполнения материалом с анизотропной теплопроводностью является материал, по меньшей мере, с частичным содержанием углерода, в частности графит или гексагональный нитрид бора.

В другом, особенно предпочтительно варианте выполнения предложено выполнение и/или расположение структуры таким образом, чтобы ее теплопроводность параллельно контуру сенсорной головки была больше, в частности, по меньшей мере, в 10 раз больше, в частности, по меньшей мере, в 30 раз больше теплопроводности перпендикулярно контуру сенсорной головки. Такое выполнение, в частности, предпочтительно для использования в тепловом окружении, по меньшей мере, временно и/или частично динамическом и/или негомогенном, например, для использования в текучих средах.

Предпочтительно выполнение и/или расположение структуры, по меньшей мере, с частичным охватом температурного датчика и измерительного элемента. Структура обеспечивает, таким образом, распределение тепла по контуру сенсорной головки.

В одном из вариантов выполнения изобретения структура, по меньшей мере, частично закреплена на обращенном вовнутрь сенсорной головки отрезке стенки сенсорной головки. Таким образом, структура расположена в зоне поверхности сенсорной головки, обращенной в сторону рабочей среды. Структура обеспечивает распределение теплового потока по контуру вдоль поверхности сенсорной головки. От поверхности сенсорной головки, при соответствующем исполнении сенсорной головки распространение тепла происходит предпочтительно гомогенно внутрь сенсорной головки.

В этом варианте выполнения предпочтительно закрепление структуры посредством, по меньшей мере, части наполнителя и/или посредством, например, трубчатого элемента на стенке сенсорной головки. Трубчатым элементом является, в частности, керамическая трубка с наружным диаметром, главным образом соответствующим внутреннему диаметру сенсорной головки или незначительно меньшим внутреннего диаметра сенсорной головки, за счет чего трубчатый элемент главным образом может быть точно размещен внутри сенсорной головки.

Задачу данного изобретения решают также посредством способа изготовления устройства согласно настоящему изобретению, причем, по меньшей мере, температурный датчик и измерительный элемент размещены в одной единой сенсорной головке. Согласно изобретению, внутри сенсорной головки расположена, по меньшей мере, частично структура, включающая, по меньшей мере, частично материал с анизотропной теплопроводностью.

В одном из вариантов осуществления способа структуру закрепляют, по меньшей мере, частично в зоне, обращенной в сторону рабочей среды стенки сенсорной головки. При этом предпочтительно закрепление структуры посредством, по меньшей мере, части наполнителя и/или посредством крепежного элемента, например, в виде трубчатого элемента на стенке сенсорной головки.

Описанные для устройства варианты выполнения с соответствующими изменениями применимы также в предложенном способе.

Далее изобретение раскрыто более подробно на основе приложенных чертежей, на которых изображено:

фиг. 1 – схема термометра с двумя расположенными внутри сенсорной головки измерительными элементами согласно уровню техники;

фиг. 2 – возможные варианты расположения двух измерительных элементов внутри температурного датчика; и

фиг. 3 – предпочтительные варианты выполнения сенсорной головки согласно настоящему изобретению.

На фиг. 1 показана схема возможного выполнения термометра 1 с защитной трубкой 2 и электронным блоком 3 согласно уровню техники. Обращенный в сторону соответствующей рабочей среды 5 отрезок защитной трубки 2 называют также сенсорной головкой 3. Внутренний объем сенсорной головки 3 заполнен, в частности, электроизолирующим наполнителем 6, в частности цементом. Внутри сенсорной головки 3 также расположен температурный датчик 7 и измерительный элемент 8, электрически коммутированные соответственно двумя контактными проводами 9, 10 и соединенные с электронным блоком 4. Температурным датчиком 7 является, например, сопротивление или термоэлемент. Измерительным элементом 8 является, например, дополнительный температурный датчик, ячейка с фиксированной точкой или эталонный элемент. Измерительным элементом 8 могут быть и другие датчики.

Количество контактных проводов 9, 10, необходимых для коммутации соответствующих измерительных элементов 7, 8 может варьироваться в зависимости от используемого принципа измерения.

Для высокой точности измерения необходимо обеспечить идеально в любой момент времени тепловое равновесие обоих измерительных элементов 7, 8, один из которых является температурным датчиком 7. Чтобы это осуществить, как правило, используют различные мероприятия, некоторые из которых перечислены в качестве примеров:

1. По меньшей мере, два измерительных элемента 7, 8 размещены внутри сенсорной головки 3 симметрично, в частности симметрично виртуальной оси, проходящей в продольном направлении через центр защитной трубки 2;

2. По меньшей мере, два измерительных элемента 7, 8 по возможности хорошо термически состыковывают (например, пайкой);

3. Если оба измерительных элемента 7, 8 являются температурными датчиками, расположенными на несущем веществе [не показано], то оба несущих вещества имеют одинаковую теплопроводность;

4. Измерительные элементы 7, 8 выполнены с одинаковой теплоемкостью;

5. Окружающий измерительные элементы наполнитель 6 или расположенные в сенсорной головке 3 перегородки [не показано] выполнены для обеспечения изотропного и/или гомогенного распространения тепла внутри сенсорной головки 3;

6. Все компоненты, по меньшей мере, сенсорной головки 3 выполнены с максимально возможной теплопроводностью, чтобы тепловое неравновесие обоих измерительных элементов 7, 8 за счет, в частности, воздействия негомогенного теплового окружения сенсорной головки (например, односторонне направленного потока рабочей среды 5) возникало только на максимально короткий промежуток времени. Отрицательным для измерительных элементов 7, 8 в любом случае является полная подверженность окружающих их компонентов с высокой теплопроводностью перепадам температуры негомогенного теплового окружения.

Однако, даже при особой тщательности изготовления термометра 1, по меньшей мере, с двумя измерительными элементами 7, 8, размещенными в одной единственной сенсорной головкой 3, возможны случаи возникновения, по меньшей мере, временного теплового неравновесия температурного датчика 7 и измерительного элемента 8 и воздействия на них соответственно разных температур. Независимо от того, является ли измерительный элемент 8 дополнительным температурным датчиком, эталонным элементом, ячейкой с фиксированной точкой или другим типом датчика, посредством которого измеряют и/или мониторят, в частности, физический или химический, в частности зависимый от температуры параметр, это может привести к значительным ошибкам и/или неточностям измерения.

Например, на фиг. 2 показаны два случая, когда температурный датчик и измерительный элемент находятся в тепловом равновесии не в любой момент времени.

Например, особенности конструкции могут определить несимметричное расположение температурного датчика 7 и измерительного элемента 8. Как показано на фиг. 2а, температурный датчик 7 и измерительный элемент 8 расположены, например, на различном расстоянии d₁ или d₂ от стенок О, поверхности сенсорной головки 3. При изменении температуры рабочей среды 5 с первой температуры Т₁ на вторую температуру Т₂ в показанном на фиг. 2а случае измерительный элемент 8 достигает температуры Т₂ раньше температурного датчика 7.

Необходимо указать на то, что на фиг. 2а показан пример обусловленной конструкцией несимметричности в устройстве соответствующего термометра 1. Понятно, что возможны и другие варианты несимметричной конструкции, для которых в контексте данного изобретения также действительна указанная проблематика.

Другой, показанный на фиг. 2b случай относится к использованию устройства, по меньшей мере, временно и/или частично в динамическом и/или негомогенном тепловом окружении. В этом случае это относится к использованию в текучей рабочей среде 5. Изменение температуры рабочей среды 5 с первой температуры Т₁ на вторую температуру Т₂ приводит к тому, что обращенный в сторону направления потока рабочей среды 5 отрезок 3а сенсорной головки 3 достигает второй температуры Т₂ раньше обращенного от направления потока рабочей среды 5 участка 3b сенсорной головки 3. Таким образом, в этом случае и измерительный элемент 8 достигает второй температуры Т₂ раньше температурного датчика 7.

Эта проиллюстрированная примерами проблематика и обусловленные ею ошибки при измерении или вытекающие из нее неточности измерения может предотвратить данное изобретение, в частности, посредством структуры 11, содержащей, по меньшей мере, частично материал с изотропной теплопроводностью.

На фиг. 3, также в качестве примера, показаны схемы двух предпочтительных вариантов выполнения устройства 1 согласно настоящему изобретению. В обоих примерах по фиг. 3 структурой 11 является тонкая пленка графита. Необходимо отметить, что возможны и другие варианты выполнения структуры 11, также подпадающие под данное изобретение. Структура 11 обеспечивает нахождение, по меньшей мере, температурного датчика 7 и измерительного элемента 8, непосредственно соединенных друг с другом, в любой момент времени главным образом в тепловом равновесии.

При этом реагирующие на температуру отрезки 7а, 8а измерительных элементов 7, 8 ориентированы в противоположных направлениях.

Структура 11 расположена в зоне внешних стенок О поверхности сенсорной головки 3, выполненной в этом варианте, например, цилиндрической. Таким образом, структура 11 окружает температурный датчик 7 и измерительный элемент 8 вдоль донной поверхности В и вдоль участка поверхности оболочки М сенсорной головки 3. Структура 11 расположена, в частности, симметрично вокруг обоих измерительных элементов 7, 8. Однако, симметричная компоновка необязательно необходима.

В варианте выполнения по фиг. 3а структура 11 закреплена внутри сенсорной головки 3, на ее стенках О. Это реализовано, например, путем выполнения из ровной графитовой пленки, с одной стороны, первого элемента, соответствующего по размерам донной поверхности В, т.е. в данном случае в форме круга, а также путем вырубки второго элемента, соответствующего по размерам, по меньшей мере, отрезку поверхности оболочки, т.е. в этом случае в форме прямоугольника (включает, таким образом, 01 и 03). Участок стенки на следующем рабочем этапе заранее деформируют, например, в соответствии с радиусом r сенсорной головки 3, например, посредством круглого прутка. Оба элемента затем вставляют в сенсорную головку 3.

Структура 11 параллельно контуру – вдоль поверхности О – сенсорной головки 3 имеет, в частности, теплопроводность, явно превосходящую теплопроводность перпендикулярно контуру. При изменении температуры рабочей среды 5 с первой температуры Т₁ на вторю температуру Т₂ тепло распространяется сначала вдоль поверхности О сенсорной головки (W₁), а затем, в частности, гомогенно от поверхности О внутрь сенсорной головки 3 и к температурному датчику 7 и измерительному элементу 8. За счет этого температурный датчик 7 и измерительный элемент 8 в любой момент времени находятся в тепловом равновесии.

Сенсорная головка заполнена внутри наполнителем 6, имеющим главным образом гомогенную теплопроводность и/или теплоемкость. При этом структура 11 посредством части наполнителя 6 внутри сенсорной головки 3 прикреплена к ее стенкам О. для этого, например, после вставления структуры 11 в сенсорную головку 3 последнюю заполняют первой порцией наполнителя, а посредством профильной детали ориентируют его таким образом, чтобы структура 11 была главным образом полностью покрыта тонким слоем наполнителя 6. В заключении в сенсорную головку 3 помещают температурный датчик 7 и измерительный элемент 8, а оставшийся внутренний объем сенсорной головки 3 также заполняют наполнителем 6.

Второй вариант выполнения устройства, согласно настоящему изобретению, показан на фиг. 3b. Этот вариант выполнения отличается от варианта по фиг. 3а только типом и способом крепления структуры 11 внутри сенсорной головки 3. Поэтому указанные в этой связи на фиг. 3а элементы повторно не описаны. В варианте выполнения по фиг. 3b структура 11 закреплена внутри сенсорной головки посредством крепежного элемента 12, предпочтительно соответствующего по размерам геометрии сенсорной головки 3. Сначала структуру 11 помещают в сенсорную головку 3, например, как и в варианте по фиг. 3а. Непосредственного после этого крепежный элемент 12 - в данном случае в форме трубчатого элемента – вставляют в сенсорную головку 3, чтобы крепежный элемент 12 главным образом полностью контактировал со структурой 11.

Перечень условных обозначений

1 комплект термометра

2 защитная трубка

3 сенсорная головка

4 электронный блок

5 рабочая среда

6 наполнитель

7 температурный датчик

8 измерительный элемент

9 контактные провода температурного датчика

10 контактные провода измерительного элемента

11 структура

12 крепежный элемент

O стенки сенсорной головки

di, d2 отстояние температурного датчика или измерительного элемента

W, Wi, W₂ распространение тепла

M поверхность оболочки

B донная поверхность

r радиус

Τ₁, T₂ первая, вторая температура.

Изобретение относится к области термометрии и может быть использовано для определения и/или мониторинга температуры среды. Предложено устройство (1) для определения и/или мониторинга температуры (Т) рабочей среды (5) и способ изготовления соответствующего устройства (1). Устройство (1) включает, по меньшей мере, температурный датчик (7) и измерительный элемент (8), причем, по меньшей мере, температурный датчик (7) и измерительный элемент (8) расположены в одной общей сенсорной головке (3). Также внутри сенсорной головки (3) расположена, по меньшей мере, частично структура (11), содержащая материал с анизотропной теплопроводностью. Технический результат – повышение точности результатов измерений. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство (1) для определения и/или мониторинга температуры (Т) рабочей среды (5), включающее, по меньшей мере, один температурный датчик (7) и один измерительный элемент (8), причем, по меньшей мере, температурный датчик (7) и измерительный элемент (8) расположены в одной общей сенсорной головке (3),

отличающееся тем, что

внутри сенсорной головки (3), по меньшей мере, частично расположена, по меньшей мере, одна структура (11), содержащая материал с анизотропной теплопроводностью, причем структура выполнена так, что на тепловой поток внутри сенсорной головки осуществляется целенаправленное воздействие для обеспечения главным образом теплового равновесия в любой момент времени, по меньшей мере, температурного датчика (7) и измерительного элемента (8) и независимо от теплового окружения устройства обеспечивается гомогенное распространение тепла внутри сенсорной головки.

2. Устройство (1) по п. 1, причем измерительным элементом (8) является второй температурный датчик.

3. Устройство (1) по п. 1, причем измерительным элементом (8) является эталонный элемент для калибровки по месту и/или валидации, по меньшей мере, температурного датчика, причем эталонный элемент, по меньшей мере, частично состоит из материала, у которого в температурном диапазоне, релевантном для калибровки первого температурного датчика, возникает, по меньшей мере, фазовый переход, по меньшей мере, второго порядка, по меньшей мере, при заданной температуре фазового перехода, при котором материал остается в первой фазе.

4. Устройство (1) по п. 3, причем материалом является ферроэлектрический материал, ферримагнитный материал или сверхпроводник, в частности высокотемпературный сверхпроводник.

5. Устройство (1) по любому из пп. 1 - 4, причем структура (11) имеет внешний слой или покрытие, состоящие, по меньшей мере, частично из материала с анизотропной теплопроводностью, или структура (11) включает тонкую пленку, состоящую, по меньшей мере, частично из материала с анизотропной теплопроводностью.

6. Устройство (1) по любому из пп. 1 - 5, причем имеется наполнитель (6), расположенный, по меньшей мере, частично внутри сенсорной головки (3) и заполняющий внутреннее пространство сенсорной головки (3), по меньшей мере, частично, предпочтительно полностью.

7. Устройство (1) по п. 6, причем наполнитель (6) имеет главным образом гомогенную теплопроводность и/или теплоемкость.

8. Устройство (1) по любому из пп. 1 - 7, причем материалом с анизотропной теплопроводностью является, по меньшей мере, частично материал, содержащий углерод, в частности графит или гексагональный нитрид бора.

9. Устройство (1) по любому из пп. 1 - 8, причем структура (11) выполнена и/или расположена таким образом, чтобы иметь параллельно контуру сенсорной головки (3) вдоль поверхности (О) сенсорной головки (3) более высокую теплопроводность, в частности, по меньшей мере, в 10 раз больше, в частности, по меньшей мере, в 30 раз больше, чем теплопроводность перпендикулярно контуру от поверхности (О) внутрь сенсорной головки (3) и к температурному датчику (7) и измерительному элементу (8).

10. Устройство (1) по любому из пп. 1 - 9, причем структура (11) выполнена и/или расположена таким образом, чтобы охватывать, по меньшей мере, частично температурный датчик (7) и измерительный элемент (8).

11. Устройство (1) по любому из пп. 1 - 10, причем структура (11) закреплена, по меньшей мере, частично на обращенном внутрь сенсорной головки (3) отрезке (В, М) стенок сенсорной головки (3).

12. Устройство (1) по п. 11, причем структура (11) закреплена посредством, по меньшей, части наполнителя (6) и/или посредством крепежного элемента (12), например, в виде трубчатого элемента на стенках сенсорной головки (3).

13. Способ изготовления устройства (1) по любому из пп. 1 – 12, причем, по меньшей мере, температурный датчик (7) и измерительный элемент (8) располагают в одной общей сенсорной головке (3),

отличающийся тем, что

внутри сенсорной головки (3), по меньшей мере, частично располагают, по меньшей мере, структуру (11), включающую, по меньшей мере, материал с анизотропной теплопроводностью, причем структура выполнена так, что на тепловой поток внутри сенсорной головки осуществляется целенаправленное воздействие для обеспечения главным образом теплового равновесия в любой момент времени, по меньшей мере, температурного датчика (7) и измерительного элемента (8), и независимо от теплового окружения устройства обеспечивают гомогенное распространение тепла внутри сенсорной головки.

14. Способ по п. 13, причем структуру (11), по меньшей мере, частично закрепляют на обращенном внутрь сенсорной головки (3) отрезке (В, М) стенок сенсорной головки (3).

15. Способ по п. 14, причем структуру (11) закрепляют посредством, по меньшей мере, наполнителя (6) и/или посредством крепежного элемента (12), например, в виде трубчатого элемента на стенках сенсорной головки (3).