Устройство для измерения температуры поверхности твердых тел Советский патент 1988 года по МПК G01K1/16 G01K7/02 

00 О) 00 05 О5 4

Изобретение относится к области теплофизического приборостроения. Цель изобретения - повышение точности измерения. Измерительную головку 1 прикладывают к контролируемой поверхности 17. Выходной сигнал термоэлектрической батареи, находящийся в термоэлектрическом чувствительном элементе 3, пропорционален разности температур измеряемой поверхности и измерительной головки. Указанный выт ходной сигнал суммируется с выходным сигнапом, мостовой схемы 4. Сум- марньй выходной сигнал измерительной головки 1 пропорционален температуре контролируемой поверхности и не зависит от изменения температуры самой измерительной головки. Выходной сигнал измерительной головки 1 поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 7 и отображается на цифровом индикаторе 8 в единицах температуры. 3 з.п.ф-лы, 2 ил. i СЛ

Фиг.1

25

Изобретение относится к теплофизи- ческому приборостроению и может быть использовано для контроля температуры стен зданий и сооружений, поверх- 5 ности термического оборудования,теплотехнических агрегатов, отопительной арматуры, теплоизоляции трубопроводов , корпусов приборов и т.д.

Цель изобретения - повышение точ- 10 ности измерения путем снижения погрешности, обусловленной различием в степени черноты контролируемых поверхностей.

На фиг.1 приведена структурная 1f схема предлагаемого устройства; на фиг.2 - конструкция термоэлектрического чувствительного злемента, используемого в составе устройства, разрез. .20

Устройство сЬдержит измерителы ную Головку 1, снабженную установочной цилиндрической насадкой 2, выполненной из теплоизоляционного материала, например, фторопласта, тер- мбэлектрический чувствительный элемент 3, корректирующую резистивную мостовую схему 4 с терморезистором 5, включенным в одно из ее плеч, и регистрирующий прибор 6, включающий в 30 себя аналого-цифровой преобразователь 7 и блок цифровых индикаторов 8.

Корректирующая резистивная мостовая схема 4 подключена последовательно с термоэлектрическим чувствитель- 35 ным элементом 3 к входу аналого-цифрового преобразователя 7.

Термоэлектрический чувствительный элемент 3 (фиг.2) выполненный в виде пленочной термоэлектрической батареи 40 9, сформированной на тонкой диэлектрической подложке 10, например слюдяной, которая закреплена на массивном медном или алюминиевом теплопри- емном основании 11, снабженном высту- 45 пами 12, соприкасающимися с опорными спаями термоэлектрической батареи 9, поверх которой установлена прижимная накладка 13 с прорезями, перемыч14) для обеспечения хорошего теплового контакта с теплоприемным основанием 11. Кроме того, перемычки 14 предотвращают прямой нагрев опорных спаев термоэлектрической батареи 9- тепловым потоком от контролируемой поверхности.

Насадка 2 устанавливает величину воздушного зазора между термоэлектрическим чувствительным элементом 3 и контролируемой поверхностью 17 (фиг. Величина воздушного зазора зависит от степени черноты контролируемой поверхности, измеряемой температуры, требуемой точности измерения и может быть подобрана опытным путем или определена из неравенства

.:То.1.

.1E.

..6 (Tt«,c - T:)

где X.

ВОЗА

Mate

Т -

J- о

ей , . . (1)

о

удельная теплопроводность воздуха в нормальных условиях (2,6 10- Вт/см-К); постоянная Стефана-Больц- мана (5,67- 10 Вт/см - Kj; максимальная измеряемая температура;

температура теплоприемного основания 11, установленного в - измерительной головке Г:

степени черноты поверхности тела и термоэлектрического чувствительного элемента соответственно. Величина зазора с практически лежит в пределах от долей миллиметра до нескольких миллиметров. При наличии насадки и указанной величине зазора нагрев термоэлектрического ствительного элемента 3 от контролируемой поверхности осуществляется практически только за счет теплопроводности по с;1ою воздуха в зазоре.

В насадке 2 параллельно ее торцу размещено несколько пленочных мембран 18, выполненных из термостойкого полимерного материала, например тонкой (5-10 мкм) полиамидной пленки.

ки 14 между которыми совмещены с вые- 50 тонким зеркальным покрытием, отра- тупами 12 теплоприемного основания жающим излучение. Наличие мембран 11

На внешнюю поверхность термоэлектрической батареи 9 при необходимости может быть нанесен тонкий защитный изолирующий слой 15 с зеркальньм отражающим покрытием 16, например, из алюминия. Опорные спаи термоэлектрической батареи 9 прижаты к выступам 12 накладкой 13 (ее перемычками

препятствует возникновению свободной конвекции воздуха в зазоре, существенно влияющей на точность измерения 55 Устройство работает следующим образом.

Измерительную головку 1 торцом ее насадки 2 прикладывают к контролируемой поверхности I7. При этом в воз5

f 0

0

5

0 5

14) для обеспечения хорошего теплового контакта с теплоприемным основанием 11. Кроме того, перемычки 14 предотвращают прямой нагрев опорных спаев термоэлектрической батареи 9- тепловым потоком от контролируемой поверхности.

Насадка 2 устанавливает величину воздушного зазора между термоэлектрическим чувствительным элементом 3 и контролируемой поверхностью 17 (фиг.1). Величина воздушного зазора зависит от степени черноты контролируемой поверхности, измеряемой температуры, требуемой точности измерения и может быть подобрана опытным путем или определена из неравенства

.:То.1.

.1E.

..6 (Tt«,c - T:)

где X.

ВОЗА

Mate

Т -

J- о

ей , . . (1)

о

удельная теплопроводность воздуха в нормальных условиях (2,6 10- Вт/см-К); постоянная Стефана-Больц- мана (5,67- 10 Вт/см - Kj; максимальная измеряемая температура;

температура теплоприемного основания 11, установленного в - измерительной головке Г:

степени черноты поверхности тела и термоэлектрического чувствительного элемента соответственно. Величина зазора с практически лежит в пределах от долей миллиметра до нескольких миллиметров. При наличии насадки и указанной величине зазора нагрев термоэлектрического ствительного элемента 3 от контролируемой поверхности осуществляется практически только за счет теплопроводности по с;1ою воздуха в зазоре.

В насадке 2 параллельно ее торцу размещено несколько пленочных мембран 18, выполненных из термостойкого полимерного материала, например тонкой (5-10 мкм) полиамидной пленки.

тонким зеркальным покрытием, отра- жающим излучение. Наличие мембран

препятствует возникновению свободной конвекции воздуха в зазоре, существенно влияющей на точность измерения. Устройство работает следующим образом.

Измерительную головку 1 торцом ее насадки 2 прикладывают к контролируемой поверхности I7. При этом в воз31368664

душном зазоре величиной L, задаваегд

мом насадкой 2, устанавливается линейное распределение температуры, так что температура рабочих спаев Трр термоэлектрической батареи 9, находящихся на расстоянии 1 от основания измерительной головки (тепло- приемного основания 11), определяемом высотой выступов 12, определяется уравнением

Т., Т, + (Т - Тг) (2)

РС г V U L

где Т - температура измерительной

головки;

Ту - температура поверхности. Нагрев рабочих спаев термоэлектрической батареи 9 вызьшает -появление ЭДС, величина которой пропорциональна разности температур ее рабочих и опорных спаев, т.е.

Е п V.(Tp,- Т„,), (3) где п - число термопар в термоэлектрической батарее; с/ - коэффициент термо-ЭДС одной

термопары;

Tjjj.- температура опорных спаев. Так как опорные спаи термоэлек- трической батареи 9 практически имеют температуру измерительной головки, т.е. TOJ-I T, то выражение (3) приводится к виду

Е п (Т ре- Т,). (4) Объединяя выражения (2) и (4), можно получить

Б « Е -(Т,- т,). (5)

Выражение (5) показьюает, что выходной сигнал термоэлектрической батареи 9 пропорционален разности температур измеряемой поверхности и измерительной головки. Коэффициент К

п 0/ - определяет крутизну вольт- амперной характеристики термоэлектрической батареи.

Корректирующая резистивная мосто- вая схема 4 с включенным в нее термо резис тором 5 балансируется при Т,. 0°С. При изменении температуры измерительной головки 1 изменяется сопротивление размещенного в ней терморезистора 5 и в измерительной диагонали мостовой схемы возникает напряжение Е

, равное E,.I,-T

г

(6)

где о/р - температурный коэффициент сопротивления терморезистора;

о сопротивление терморезистора при

1ц - величина тока питания моста.

Формула (6) приведена для равно- плечего моста. Коэффициент К, 1/4У.

R,

TO определяет крутизну вы

ходной характеристики корректирующей мостовой схемы.

Выходной сигнал термозлектрическо- 15 го чувствительного элемента 3 суммируется с выходным сигналом Е. коррекМ

тирующей мостовой схемы 4, при этом

суммарный выходной сигнал Е рительной головки 1

изме

. 20

,-T,) + К,Т. (7)

Из (7) следует, что при суммарный выходной сигнал измерительной головки 1 пропорционален темпера25 туре Т контролируемой поверхности и не зависит от изменения температуры самой измерительной головки, обусловленного как нагревом от контролируемой поверхности, так и изменением

30 температуры окружающей среды, т.е.

Bir Г6 Т и

Выходной сигнал измерительной головки 1 поступает на вход аналого- цифрового преобразователя 7 и отобра- 35 жается на цифровом индикаторе 8 непосредственно в единицах температуры,

Формула изобрете ния

40 1. Устройство для измерения температуры поверхности твердых тел, содержащее измерительную головку с ра.змещенньм в ней термоэлектрическим чувствительным элементом, снабженную

45 насадкой, и регистрирующий прибор, подключенный к термоэлектрическому чувствительному элементу, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений, в него

50 введена включенная последовательно с термоэлектрическим чувствительным элементом корректирующая резистивная мостовая схема с терморезистором, включенным в одно из ее плеч и раз55 мещенным в измерительной головке, а термоэлектрический чувствительный элемент выполнен в виде пленочной термоэлектрической батареи, сформированной на тонкой диэлектрической

подложке, размещенной на массивном , теплоприемном основании, снабженном выступами, соприкасающимися с опорными спаями термоэлектрической батареи, поверх которой установлена прижимная накладка с прорезями, перемычки между которыми совмещены с выступами теплоприемного основания, при этом в насадке параллельно ее торцу установлены пленочные мембраны, .выполне1И1ые из термостойкого полимерного материала, а на поверхность

-

64

термоэлектрической батареи или на

пленочные мембраны нанесено зеркальное отражающеее покрытие. 2, Устройство по п. I, о т л и - чающееся тем, что мембраны выполнены из тонкой полиамидной пленки.

;;

Фиг.2