Датчик температуры Советский патент 1990 года по МПК G01K13/00 

Изобретение относится к термометрии и может быть использовано, в частности, для измерения температуры расплавленных металлов.

Целью изобретения является сокра- щение времени измерения за счет исключения этапа иррегулярного режима изменения выходного сигнала.

На фиг. 1 показана конструкция датчика; на Лиг. 2 - RC-модель схемы

замещения конструкции датчика для измерения температуры; на фиг.З двухъемкостная RC-модель датчика, используемая для определения координат регулярной поверхности.

Датчик содержит защитный корпус 1, имеющий цилиндрическую Лорму. Внутри корпуса 1 расположен термостойкий электроизолятор 2, выполненный, например, из керамики. При этом материалы корпуса 1 и электроизолятора 2 подбирают таким образом, чтобы их коэффициенты линейного расширения были примерно одинаковыми. Между корпусом 1 и электроизолятором

2имеется плотная посадка, т.е, без воздушного зазора между ними. Внутри тела электроизолятора 2 с центральным воздушным каналом радиуса

Го установлен термочувствительный элемент, координаты которого совпадают с координатами регулярной поверности устройства. Термочувствительный элемент может быть выполнен, например, в виде тонкостенного полого цилиндра, коаксиально установленного вдоль продольной оси корпуса 1. С торцов термочувствительный элемент закрыт теплоизолирующими заглушками

3и 4, изготовленными из материала с высоким термическим сопротивлением например из фторопласта, стекловлокна и т.д., чтобы исключить внешний подвод тепла к термочувствительному элементу по его торцам. Благодаря заглушкам 3 и 4 удается уменьшить влияние концевых эффектов на конфигурацию регулярной поверхности.

Согласно другому варианту датчика термочувствительный элемент может быть изготовлен путем запрессовыва- ния одного в другой двух полых цилиндров электроизолятора 2, на сопрягаемые поверхности которых предварительно напыляют слой различных термоэлектродных материалов 5 и 6 (на пример, хромель и капель). Термоэлектродные слои 5 и 6 соединяют между собой диффузионной сваркой под большим давлением либо в результате термообработки, Возможна другая технология изготовления термочувствителного элемента: на внешнюю поверхност полого цилиндрического элемента, изготовленного из керамики, напыляют сначала один, а затем другой термоэлектродный (термопарный материал). На изготовленный таким образом термочувствительный элемент накладывают половинки наружного керамического элемента с последующим прижимом. Такую сборку запрессовывают в защитный корпус 1, проложив предварительно по торцам теплоизолирующие заглушки

3 и 4. Сверху корпус 1 закрывают крышкой с отверстиями для вывода

компенсационных проводов.

В случае термометра сопротивления термочувствительный элемент изготавливают путем навивки терморе- зисторной проволоки на электроизоляционный стержень нужного диаметра. Диаметр навивки подбирают так, чтобы он совпадал с диаметром регулярной поверхности устройства.

Защитный корпус 1 обычно изготавливают из металла. Для высокотемпературных измерений корпус 1 может

51

быть выполнен из плавленого кварца. В случае использования термоэлектрического термочувствительного элемента он связан с вторичным прибором с помощью компенсационных проводов, электрически подключенных соответственно каждый к своему термоэлектроду

По мере протекания переходного теплового процесса, влияние началь- ных условий уменьшается и повышается степень регуляризации переходного процесса. При этом в каждой точке объекта переходный процесс нагрева асимптотически приближается к регулярному, характеризующемуся постоянством относительной скорости нагрева, т.е. постоянным темпом, называемым регулярным. В то же время в любом реальном объекте существует регулярная поверхность, точки которой характеризуются отсутствием иррегулярного компонента переходного процесса, т.е. с начального момента воздействия теплового возмущения они осуществляют регулярный режим последнего. С удалением точек объекта от регулярной поверхности влияние иррегулярных компонентов на их переходные процессы растет.

Процесс нагрева, вызванный скачкообразным воздействием единичного теплового возмущения (например, при помещении устройства в измеряемую среду), , математические выкладки при одновреможно представить в общем виде суммой отдельных экспоненциальных компонентов регулярной и иррегулярных составляющих. Регулярная составляюменном обеспечении достаточной точности вычисления). Для этого на сечении половины датчика обозначим координаты (радиусы) составных элеменЕсли с самого начала имеет место регулярный режим переходного процесса, то указанньй сдвиг Ј0 равен нулю, что соответствует -1 . Таким образом, для регулярной поверхности указанное выражение имеет вид:

Lper

(С)

Wl-eftt.

Для цилиндрического объекта, к которому приближается реальный термометр в кожухе, при внешнем теплообмене по образующей корпуса регулярная поверхность представляет собой цилиндр, расположенный внутри тела. Таким образом, для того, чтобы исключить влияние иррегулярных составляющих переходного процесса, термочувствительный элемент (например, рабочий спай термоэлектродов - для термопары, или проволочную навивку - для термометра сопротивления) следует располагать на регулярной поверхности. Геометрическое место точек, образующих регулярную поверхность устройства для измерения температуры, имеющего форму цилиндра, можно определить на основе КС-моделирования

тепловых процессов. Определим координаты регулярной поверхности (цилиндра) датчика для измерения температуры с помощью двухъемкостной RC-модели (что позволит существенно упростить

менном обеспечении достаточной точности вычисления). Для этого на сечении половины датчика обозначим координаты (радиусы) составных элемен

Изобретение относится к термометрии и может быть использовано для измерения температуры расплавленных металлов. Целью изобретения является сокращение времени измерения за счет исключения этапа иррегулярного режима изменения выходного сигнала. Датчик содержит заключенный в корпус полый цилиндр 2 из термостойкого электроизолятора с осесимметричной цилиндрической полостью, снабженный с обоих торцов термоизолирующими заглушками 3 и 4, и термочувствительный элемент, выполненный, например, в виде сопрягаемых слоев 5 и 6 термоэлектродных материалов и размещенный в теле полого цилиндра 2 на заданном расстоянии от оси симметрии датчика. Конструкция датчика дает возможность использовать для процесса его нагрева одномерную RC-модель, что позволяет рассчитать по известным параметрам радиус регулярной поверхности нагрева, в точках которой с начального момента воздействия теплового возмущения осуществляется регулярный режим изменения температуры. Размещение термочувствительного элемента на этой поверхности способствует изменению выходного сигнала датчика по регуляторному закону непосредственно с момента помещения его в исследуемую среду, что позволяет сократить время, необходимое для определения ее температуры. 3 ил.

щая описывается экспонентной, коэф- 0 тов, необходимые при синтезе RC-мо- фициент показателя которой представляет темп Р1 регулярного переходного процесса и отсчет которой сдвинут во времени на значение по отношению к моменту скачкообразного изменения возмущения. Математическая форма записи регулярного компонента в общем виде имеет вид:

t(t)-t,fl-ep W-fi J-t((0)(KAlh.eM).

дели:

00 - геометрическая ось симметрии датчика;

45 О О - образующая цилиндрической поверхности с условно сосредоточенной теплоемкостью С, определяемой как сумма теплоемкостей отдельных элементов

ЧсЛ)1

где t

х«о

t(Ј)

Ч«ДГ

ожидаемая установившаяся температура по окончании переходного процесса термодинамический напор в момент приложения теплового возмущения);

текущее значение температуры при нагреве; время.

50

.( +Cett+C-n +Сте+Сг« ;

О 0 - образующая цилиндрической

поверхности с условно сосредоточенно теплоемкостью С, определяемой как 55 сумма теплоемкостей

С,-С и +C t+C«3 .

Отдельные составляющие теплоемкостей вычисляют следующим образом:

тов, необходимые при синтезе RC-мо-

дели:

00 - геометрическая ось симметрии датчика;

О О - образующая цилиндрической поверхности с условно сосредоточенной теплоемкостью С, определяемой как сумма теплоемкостей отдельных элементов

50

.( +Cett+C-n +Сте+Сг« ;

О 0 - образующая цилиндрической

поверхности с условно сосредоточенной теплоемкостью С, определяемой как сумма теплоемкостей

С,-С и +C t+C«3 .

Отдельные составляющие теплоемкостей вычисляют следующим образом:

71541485

С,«-С0 -ft()h.flfrctr; С,а Кг -гД).п J CK--ft(r2-r«)h.fK« ,-г).п..(г«-г|) h« 5

Сг -Сг«- J ()J; С

as

l/(r

-r$)h -jvc.

где h - высота цилиндра термочувствительного элемента;

Ко f плотности материала защитного кожуха 1 и внутренней электроизолирующей части 2; Qtr С к Удельные теплоемкости элементов 1 и 2.

Радиусы г определяют из условий теплоемкостной симметрии по отношению к г, :

. r ,-jEhEi . г Гс Ч 2 Гс

Теплоемкость Ст термочувствительного элемента, состоящего из термоэлектродов 5 и 6 с теплоемкостями Ст, и С-Г2, можно принять равной:

CT.2Tf(M.)h.5(SlilffKClliCTe)j

где Јтч, УТ2 и СТ4 , Стд- плотности и

удельные теплоемкости термоэлектродов 5 и 6 термочувствительного элемента соответственно;

о - толщина термочувствительного элемента.

Следует отметить, что ввиду малого относительного значения Сг значением теплоемкости термочувствительного элемента можно пренебречь.

Местонахождение искомой регулярной цилиндрической поверхности определяют по координате термического сопротивления Ррек(Фиг. 2). Образующая регулярной цилиндрической поверхности обозначена символов Rpgg, образующая регулярной цилиндрической поверхности обозначена символом Орег. Согласно фиг. 2 и 3 термическое сопротивление RJ равно:

где R - эффективное термическое сопротивление теплоотдаче от измеряемой среды (например,

8

расплавленного металла) к боковой наружной поверхности датчика (по длине h термочувствительного элемента); RH эффективное термическое сопротивление через цилиндрическую стенку соответствующих частей устройства. Значение R вычисляют следующим образом:

0

Rts

2(Гг,. h-&

5 где ОС - коэффициент теплоотдачи от вертикальной цилиндрической поверхности к окружающей среде, температура которой измеряется.

1

, г 23стЬ Jn

Аналогично R(

1г , I г,,

- ггл 1п ; -2Г,-н Ј

ГС4

25 R.

Значение Р равно бесконечности, так как в рассматриваемой области отсутствует связь с каким-либо температурным возмущением.

Согласно PC-модели (Фиг. 3)находят сначала лапласову трансформанту температуры tR(p) в цилиндрической поверхности с координатой R, отсчитываемой от поверхности с образующей , с последующим переходом в область оригиналов

tR(t)L tR(p)

для нахождения выражения (RC- параметров модели) и вычисления соответствующего ему значения геометрического радиуса.

Структура математической модели t(t) имеет вид:

tR(t)-tft(co)(l+A,/0. +A,,0ePet), где «,Ј -aib;

Ui-4- - - - i

2

Re Ca R(

Re

hJa«- ZuiRsiZi

D Г C,C,R,- RBPc

A,(o

P, R+ (+R/R«)

}

P, (

С R 1R c

R.

Аналогично составляют выражение и для коэффициента А2(0.

Для выражения коэффициент А,/„ должен быть равен -1 (в этом случае, т.е. для регулярного процесса, АС/О 0). Следовательно, Rpe3находят из уравнения -1:

Р. Rp«2+ Ј-U+Rpe2/Rg) j

МР ) ч

« 5ll5«15i -1 Rpez+P i

откуда

кр«г

PQCa+l/P.j

Вриду того, что для рассматриваемого случая Р„г с/э, значение коорди- наты Р.рез будет равно:

RpeT -1/РвСа.

RpЈ3 можно рассматривать как терми- ческое сопротивление, действующее в радиальном направлении от образующей О О условного сосредоточения теплоемкости Сс до образующей ОрегОрег характеризующейся регулярностью переход ных тепловых процессов (фиг. 2).Со- ответетвующий этой координате Rp«g радиус Грез образующей ОрегОрег регулярной поверхности вычисляют следующим образом:

rpee re«exP(2RPe2 flKh),

После подставления приведенных выше выражений, описывающих значения входящих в указанную формулу величин, и ряда алгебраических преобразований, получается окончательное выражение для определения Гре3, вошедшее в формулу изобретения.

Допущение в отношении пренебреже- ния величиной теплоемкости Ст и термическим сопротивлением RT (в радиальном направлении) является вполне приемлемым, поскольку упрощенная аппроксимация системы устройство - сред RC-моделью второго порядка (имеющей два сосредоточенных энергонакопительных элемента с теплоемкостями С и CQ) обусловливает некоторую приближенность искомого решения. Однако это оправдано, так как позволяет су щественно упростить процедуру вычислений и математические выкладки расчета. В то же время эксперименталь,-

10

15

25 -, 35

40

., а55

ная проверка расчета дает возможность произвести дополнительную корректировку значения грвй, найденного ранее расчетным путем.

Для генераторного термочувствительного элемента (термопарного) важно только совмещение контактной поверхности с регулярной. В случае параметрического термочувствительного элемента (термометра сопротивления) измерительный сигнал находится в прямой зависимости от среднеинтетральной температуры по объему термочувствительного элемента. Если резнсторная середина тела такого термочувствительного элемента совмещена с регулярной поверхностью, то отдельные его половинки располагаются симметрично по разные стороны от регулярной поверхности. Приведений темп переходного процесса одной половинки термочувствительного элемента несколько больше регулярного, а другой половинки - соответственно меньше регулярного, что обусловливает взаимокомпенсирующий эффект. Вследствие этого среднеинтегральный по объему нагрев термочувствительного элемента термометра сопротивления проходит в регулярном темпе.

Датчик работает следующим образом. Датчик погружают в измеряемую среду и фиксируют временную зависимость показаний термочувствительного элемента при нагреве термочувствительного элемента. Благодаря установленным по торцам датчика теплоизолирующим заглушкам 3 и 4 теплообмен с измеряемой средой осуществляется только по боковой образующей цилиндрического корпуса 1. Вследствие этого весь термочувствительный элемент находится на регулярной поверхности, для которой начальные условия переходного процесса не сказываются на точности определения температуры, так как в этом случае нагрев термочувствительного элемента с самого начала является регулярным. Затем устройство вынимают из измеряемой среды и по приведенным формулам регулярного режима вычисляют температуру последней .

Снабдив датчик температуры микропроцессорным контроллером, можно измерять изменяющуюся во времени температуру (т.е. отслеживать ее без ди11154148512

намической погрешности) с запрограммированным временным дискретом. Поскольку переходная кривая t(t) термочувствительного элемента описывается регулярным законом 1-ер то каждое текущее значение через промежуток времени дЈ можно считать началом отсчета ее изменения в последующий отрезок времени дЈ. ТогдаJQ

Датчик температуры, содержащий корпус цилиндрической формы, внутри которого в тепловом контакте с ним расположен термостойкий электроизолятор, в теле которого размещен тер- мочурствительныи элемент, о т л имерения температуры среды, так как температурный сигнал сразу, с момента начала нагрева, является регулярным. При этом значительно сокращается время погружения, необходимое для определения температуры среды.

Формула изобретения

fci(«)s

t,

Pbt

tf)1

tЈ-t, Т,бЈ

Т.Д.,

1-е 1-е где t4icfft и t2(ioj- значения температуры

измеряемой среды;

tx Ht4 - текущие значения температуры термочувствительного элемента.

При использовании предлагаемого датчика достаточно осуществить нагрев его при погружении в среду только в самой начальной его фазе, т.е. требуемый рабочий диапазон температур нагрева термометра существенно сужается. Иррегулярность переходного процесса не сказывается на точности из15

сокращения времени измерения за счет исключения этапа иррегулярного режи2Q ма изменения выходного сигнала, корпус датчика с обоих торцов снабжен теплоизолирующими заглушками, в электроизоляторе выполнена осесим- метричная цилиндрическая полость, а

25 термочувствительный элемент размещен на расстоянии от оси симметрии датчика, определяемом выражением

-ргг1

о,ЙГ - 6M/Ikc(iL:iO.

а,, (аЈ+аэ)+а,а4 (агг+аэ)(, ааа.

где г, - радиус внутренней стенки

корпуса;

гр - радиус осесимметричной цилиндрической полости;

а ifh ШсГТг г оТзYMrl-r jJJ

а2

2h

тгЬ + 4-1п - + 1в

a5(2h

1 + V ln

,dУ. Г., -jS+Cr./.,)

мерения температуры среды, так как температурный сигнал сразу, с момента начала нагрева, является регулярным. При этом значительно сокращается время погружения, необходимое для определения температуры среды.

Формула изобретения

сокращения времени измерения за счет исключения этапа иррегулярного режима изменения выходного сигнала, корпус датчика с обоих торцов снабжен теплоизолирующими заглушками, в электроизоляторе выполнена осесим- метричная цилиндрическая полость, а

термочувствительный элемент размещен на расстоянии от оси симметрии датчика, определяемом выражением

34

а« (т1-т1)

/Ja CtT cr 2VCt /U плотности, удельные теплоемкости и теплопроводности материалов корпуса и термостойкого электроизолятора датчика соответственно;

Г4 - радиус наружной стенки корпуса;

h - высота термочувствительного элемента;

tt - коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности датчика к измеряемой среде.

Щи г. I