Устройство для измерения температуры нагреваемой поверхности электропроводящего тела Советский патент 1993 года по МПК G01K7/36 

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности, к термометрии.

Изобретение может быть использовано в устройствах с принудительным охлаждением, в частности, в мощных электронных усилителях и генераторах с воздушным или водяным охлаждением, в лазерной технике и технологии, например, для определения температуры поверхности охлаждаемых зеркал.

Целью изобретения является повышение точности измерения температуры нагреваемой поверхности.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для измерения температуры нагреваемой поверхности электропроводящего тела, содержащее термочувствительный элемент, средства для наружного охлаждения хладагентом поверхности электропроводящего тела, противоположной нагреваемой, источник магнитного поля, два токосъемных контакта для снятия сигнала с точек боковых поверхностей электропроводящего тела, расположенных на прямой, параллельной нагреваемой поверхности и регистратор, снабжено усилителем с регулируемым коэффициентом усиления, сумматором, измерителем скорости хладагента, источником регулируемого напряжения, компаратором, регулятором расхода хладагента, причем термочувствительный элемент помещен в хладагент, токосъемные контакты подключены к усилителю, выход которого соединен с первым входом сумматора, термочувствительный элемент подключен к второму входу сумматора, выход которого соединен с регистратором, выход измерителя скорости хладагента и источник регулируемого напряжения подключены к входам компаратора, выход которого соединен с управляющим входом регулятора расхода хладагента.

Обоснования работы предложенного устройства следующие.

Обозначим через (5Т погрешность выполнения равенства температур охлаждаемой поверхности Т2 и хладагента Тх.

00

ю ел ю о

Тогда Та - Тх

дт

Тепловой поток через тыльную (охлаждаемую) поверхность с учетом вынужденной конвекции равен:

QT hCT2-Tx), где h - коэффициент теплоотдачи.

Тогда с учетом (1) получим

От h 3T(2)

С другой стороны, требование стационарного режима дает условие

QT Q(3)

где Q - тепловой поток через нагреваемую поверхность.

С учетом равенства (2) и (3) получим Q(4)

Из этого выражения видно, что при неизменном Q величина 5Т зависит от величины коэффициента теплоотдачи, который в свою очередь зависит от скорости потока. Для ламинарного потока имеем

5Т

Q

lv

-т( - 1 V4

1/5

(6)

0,032

где Av - коэффициенты теплопроводности и кинематическая вязкость хладагента, соответственно,

I - характерный размер охлаждаемого тела.

Из этого выражения видно, что существует такая скорость, V, выше которой д Т АТ (где ЛТ - погрешность термоэлемента).

В этом случае можно измерять не температуру охлаждаемой поверхности, а температуру хладагента Тх. Это позволяет исключить недостатки, присущие прямому контакту поверхности с термоэлементом, а именно, теплоизоляционный эффект и искажение температурного измерения температуры нагреваемой поверхности.

Действительно, используя связь между градиентами температуры, магнитной индукцией В и термомагнитной ЭДС U, можно определять температуру нагреваемой поверхности Ti: h

UBTl+T2;

(7)

где h - толщина электропроводящего тела в направлении градиента температуры;

В - индукция магнитного поля,

а - размер электропроводящего тела в направлении термомагнитной ЭДС.

I - постоянная Нернста,

Необходимость в измерении темпера- туры Т2 с помощью термоэлемента отпадает, если измерять температуру хладагента

5

Тх, причем скорость потока хладагента обеспечить из условия навязывания охлаждаемой поверхности тела температуры потока хладагента (в пределах допустимой погрешности д Т). Тогда искомая температура определяется по следующей формуле: h

Ti

UBTT + Tx

(8)

JQ

.g

25

30

35

4540

50

55

В результате исключается необходимость обеспечения прямого контакта термопары с твердым телом и, следовательно, исключаются погрешности, связанные с теплоизоляционным эффектом и искажением температурного поля. Это, в свою очередь, позволяет повысить точность измерения температуры нагреваемой поверхности.

На фиг. 1,2 приведены схемы, отображающие предложенное устройство: на фиг.З - схема источника регулируемого напряжения.

Устройство содержит магнитопровод 1, катушку 2, электропроводящее исследуемое тело 3, токосъемные контакты 4, холодильник 5 на поверхности тела 3. противоположной нагреваемой тепловым потоком 6, измеритель скорости хладагента 7. измеритель температуры хладагента 8, усилитель 9 с регулируемым коэффициентом усиления, сумматор 10, источник регулируемого напряжения 11, компаратор 12, регулятор расхода хладагента 13. Выход измерителя температуры хладагента 8 подключен к первому входу сумматора 10, второй вход которого через усилитель 9 соединен с токосьемными контактами 4, установленными на боковых поверхностях электропроводящего исследуемого тела 3. Выход сумматора 10 подключен к средствам регистрации, на чертеже не показанным. Измеритель скорости хладагента 7 подключен к первому входу компаратора 12, ко второму входу которого подключен источник регулируемого напряжения 11, а выход компаратора 12 подключен к управляющему входу регулятора расхода хладагента 13.

Источник регулируемого напряжения 11 может быть выполнен в виде пяти независимых источников 14 регулируемых напряжений, пяти логарифмических преобразователей 15, делителя 16, усилителей 17 и источника опорного напряжения 18. Источник опорного напряжения 18 и выходы источников 14 регулируемого напряжения подключены к соответствующим входам сумматора 19 в следующей последовательности: первый источник 14 регулируемого напряжения соединен с неинвертирующим входом сумматора 19 через логарифмический преобразователь.

второй источник 14 напряжения подключен к второму неинвертирующему входу сумматора 19 через последовательно соединенные логарифмический преобразователь и делитель 16с коэффициентом деления 1:4. 5 Третий и четвертый источники 17 регулируемого напряжения подключены, соответственно, к первому и второму инвертирующему входам сумматора 19 через последовательно соединенные лога- -л рифмический преобразователь 15 и усилитель 17. Источник опорного напряжения подключен к третьему инвертирующему входу сумматора. Пятый источник регулируемого напряжения 14 подключен к третьему неинвертирующему входу сумматора 19 че- ° рез последовательно соединенные логарифмический преобразователь и усилитель 17.

Предложенное устройство работает следующим образом..20

На первый вход компаратора 12 подается сигнал от измерителя 7 скорости хладагента, а на второй его вход - напряжение с выхода источника регулируемого напряжения 11. Если напряжение с выхода измери- 25 теля скорости 7 меньше величины напряжения с выхода источника 11. то на выходе компаратора 12 формируется сигнал, поступающий на управляющий вход ре- гулятора 13 расхода, вызывающий Q увеличение расхода хладагента. При равенстве сигналов с выходов измерителя скорости 7 и источника 11 компаратор выдает сигнал на прекращение увеличения расхода хладагента.

Напряжение с контактов 4 подается на 5 вход усилителя 9 с регулируемым коэффициентом усиления. Перед измерениями коэффициент усиления усилителя 9 устанавливается равным h/alB. С выхода усилителя 9 сигнал подается на вход сумма- 40 тора 10, на второй вход которого подается сигнал с термочувствительного элемента 8. Сумматор 10 осуществляет операции суммирования сигналов, и, как следует из формулы (8), на его выходе формируется сигнал. 45 соответствующий температуре нагреваемой поверхности электропроводящего тепа.

В качестве примера рассмотрим определение температуры поверхности пласти- gg ны из закиси меди СиаО, нагреваемой лазерным излучением с тепловым потоком через поверхность Q 102Вт/м2. Наложение внешнего магнитного поля 4650 гс вызывает появление термомагнитной ЭДС U 55

9мкВ при разности температур Ti-T2 117 С и размерах пластины а 6 мм и h 8,5 мм Постоянная Нернста I 2,3 10 7 В/тл град Для воздуха

Я 257 104 Вт/м.град v 1,33 105м/с

Допустимая погрешность ЗТ 1 град Тогда по формуле (6) получим V 8,4 м/с.

Полагая, что измеренная температура хладагента Тх 20°С, получим по формуле (8) искомую температуру Т1 158°С.

Если в данных условиях термоизоляционный эффект приводит к ошибке измерения охлаждаемой поверхности в 5 град, то данное техническое решение позволяет повысить точность измерения температуры нагреваемой поверхности, соответственно в 5 раз. При этом предполагается, что погрешность в формуле (8), связанная с измерением термомагнитной ЭДС и магнитной индукции, меньше бТ, т.е. 5U ,L 6 В U ,.

(ЗТ:

где 6 U, б В - погрешность измерения термомагнитной ЭДС и магнитной индукции, соответственно.

Формула изобретения Устройство для измерения температуры нагреваемой поверхности электропроводящего тела, содержащее термочувствительный элемент, средства для наружного охлаждения хладагентом нагреваемой поверхности электропроводящего тела, источник магнитного поля, два токосъемных контакта для снятия сигнала с точек боковых поверхностей электропроводящего тела, расположенных на прямой, параллельной нагреваемой поверхности, и регистратор, отличающееся тем. что, с целью повышения точности измерения, устройство снабжено усилителем с регулируемым ко- эффициентом усиления, сумматором, измерителем скорости хладагента, источником регулируемого напряжения, компаратором, регулятором расхода хладагента, концы токосъемных контактов подсоединены к усилителю, выход которого соединен с входом сумматора. другому его входу подключен термочувствительный элемент, помещенный в хладагент, выход сумматора соединен с регистратором, а выходы измерителя скорости хладагента и источника регулируемого напряжения подключены к входам компаратора, выход которого соединен с управляющим входом регулятора расхода хладагента.

А

С

6

J

(Pud

ftfttt

6 Фиг.г

Устройство измерения температуры электропроводящих тел может быть использовано в устройствах с принудительным охлаждением, в частности в мощных электронных усилителях и генераторах, в лазерной технике. Устройство снабжено источником постоянного магнитного поля, то- косъемными контактами, термоэлементом, усилителем, сумматором, компаратором, регулятором расхода хладагента и регистратором. 3 ил. (Л С

фигЗ