Устройство для измерения температур фазового перехода
Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для измерения температуры фазовых переходов рабочих веществ при разработке термоэлектрических генераторов. Задачей полезной модели является повышение точности и чувствительности измерения. Технический результат достигается тем, что устройство для измерения температур фазового перехода, преимущественно рабочих веществ термоэлектрического генератора, содержащее измерительную схему, соединенную через аналого-цифровой преобразователь с электронно-вычислительной машиной, термостат, заполненный водой, в нижней части которого расположен нагреватель, термистор контроля температуры исследуемого рабочего вещества, соединенный с прецизионным омметром, подключенным к аналого-цифровому преобразователю, согласно настоящей полезной модели, снабжено блоком термоэлементов с электрическими выводами, емкостью с исследуемым рабочим веществом, теплопередающими пластинами, радиатором с вентилятором, при этом электрические выводы блока термоэлементов соединены с измерительной схемой, блок термоэлементов имеет верхнюю и нижнюю поверхность, которые контактируют, соответственно, с радиатором, обдуваемым вентилятором, и с крышкой емкости, причем на крышке емкости закреплены теплопроводящие пластины, погруженные в исследуемое рабочее вещество, испытывающее фазовый переход, а емкость с исследуемым рабочим веществом размещена в термостате, заполненном водой. 3 ил.
Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для измерения температуры фазовых переходов и выбора рабочих веществ при разработке термоэлектрических генераторов.
Аналогом является дифференциальный сканирующий калориметр (ДСК), который может быть использован для измерения температур фазовых переходов и их анализа (Емелина А.Л., ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ СКАНИРУЮЩАЯ КАЛОРИМЕТРИЯ, Лаборатория химического факультета, МГУ 2009).
Недостатками известного устройства являются низкая точность и невысокая чувствительность измерения. Погрешность ДСК составляет ±1%, но на концах диапазона приближается к ±(2-3) %.
Кроме этого, фазовые переходы в ДСК часто не могу г быть визуально наблюдаемы, что ограничивает возможности исследователей.
Прототипом является устройство, реализующее способ измерения температуры веществ при фазовых переходах по патенту РФ на изобретение 
2300097, МПК G01N 25/02 от 27.05.2007.
Способ заключается в использовании датчиков температуры с преобразованием электрического сигнала, идентификацию вида фазового перехода. При этом электрический сигнал датчика температуры корректируют на величину электрического сигнала, генерируемого фазовым переходом вещества. Причем корректирующий электрический сигнал получают с помощью дополнительного зонда.
Способ осуществляют с помощью устройства, содержащего образец вещества в диэлектрической емкости, например воды, установленной в холодильной камере. На образце зафиксирован зонд и датчик температуры - первая термопара.
В сосуде Дьюара расположена вторая термопара, погруженная в раствор воды со льдом (термостатированная и предназначенная для сравнительного измерения температуры с первой термопарой). Зонд, первая и вторая термопары соединены с помощью проводов с соответствующими контактами блок-переходника, который последовательно подключен к универсальной плате сбора и контроля ввода/вывода цифровой и аналоговой информации, расположенной внутри системного блока компьютера с монитором и принтером. Зонд выполнен в виде медной пластины, к которой припаян экранированный провод. Первый датчик температуры, выполненный в виде сварной хромель-копелевой термопары в экранированной оплетке, подключен к блок-переходнику.
Недостатком известного устройства является низкая точность измерения температур фазовых переходов, невысокая чувствительность измерений (их термоЭДС достигает всего несколько десятков мВ) и низкая информативность анализа относительно структуры фазового перехода, а также громоздкость аппаратуры. Недостатки эти вызваны наличием зонда, не защищенного от наводок, длинных соединительных проводов, использованием термопар и разделением объемов измерительного и сравнительного веществ. Разделение измеряемых веществ по разным емкостям может давать градиент температур и вносит дополнительную погрешность. Зонд и соединительные провода вследствие отсутствия фильтрующих схем, скорее всего, ловят наводки питающей сети, (на это указывает частота колебаний сигнала, равная 200 Гц, и кратная частоте сети в 50 Гц. В прототипе амплитуда колебаний на термопаре достигает значений в 10-15 мВ, дающих погрешность до 0.8°C. Кроме того, наши исследования методом ядерного магнитного резонанса показывают, что фазовые переходы сочетают ФП первого и второго рода, они имеют сложную структуру, их идентификация часто невозможна и необходимо измерять ФП в значительном интервале температур.
Задачей полезной модели является повышение точности, чувствительности и информативности анализа относительно структуры ФП. Технический результат достигается тем, что устройство для измерения температур фазового перехода, преимущественно рабочих веществ термоэлектрического генератора, содержащее измерительную схему, соединенную через аналого-цифровой преобразователь с электронно-вычислительной машиной, термостат, заполненный водой, в нижней части которого расположен нагреватель, согласно настоящей полезной модели, снабжено блоком термоэлементов с электрическими выводами, емкостью с исследуемым рабочим веществом, теплопередающими пластинами, радиатором с вентилятором, при этом электрические выводы блока термоэлементов соединены с измерительной схемой, блок термоэлементов имеет верхнюю и нижнюю поверхность, которые контактирует, соответственно с радиатором, обдуваемым вентилятором, и с крышкой емкости, причем на крышке емкости закреплены теплопроводящие пластины, погруженные в исследуемое рабочее вещество, испытывающее фазовый переход, а емкость с исследуемым рабочим веществом размещена в термостате, заполненном водой.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена функциональная схема предлагаемого устройства для измерения температур ФП; на фиг.2 приведены зависимости термоЭДС на выводах блока термоэлементов U(мВ), U(T) и температуры T, измеряемой терморезистором в процессе нагрева исследуемого рабочего вещества. Кривые на фиг.2: 1 - U(T), 2 - T(t), 3 - U(мВ)
На фиг.1 цифрами обозначены:
1 - блок термоэлементов,
2 - радиатор,
3 - теплопередающие пластины,
4 - вентилятор,
5 - термостат,
6 - нагреватель воды термостата,
7 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП),
8 - электронно-вычислительная машина (ЭВМ),
9 - принтер,
10 - прецизионный омметр,
11 - источник питания вентилятора,
12 - датчик температуры окружающей среды,
13 - терморезистор,
14 - емкость с исследуемым рабочим веществом,
15 - крышка емкости,
16 - измерительная схема.
Устройство для измерения температур фазового перехода, преимущественно рабочих веществ термоэлектрического генератора, содержит измерительную схему 16, соединенную через аналого-цифровой преобразователь 7 с ЭВМ 8, термостат 5, заполненный водой, в нижней части которого расположен нагреватель 6, который производит изменение температуры исследуемого рабочего вещества.
Устройство имеет терморезистор 13 контроля общей температуры исследуемого рабочего вещества, соединенный с прецизионным омметром 10, подключенным к АЦП 7, а также датчик 12 температуры окружающей среды, подключенный к АЦП 7.
Отличием предлагаемого устройства для измерения температур фазового перехода является то, что оно снабжено блоком 1 термоэлементов с электрическими выводами, соединенными с измерительной схемой 16, емкостью 14 с исследуемым рабочим веществом, теплопередающими пластинами 3, радиатором 2 с вентилятором 4, питаемым от источника питания 11.
Блок 1 термоэлементов имеет верхнюю и нижнюю поверхность.
Блок 1 термоэлементов верхней поверхностью контактирует с радиатором 2, обдуваемым вентилятором 4, а нижней поверхностью контактируют с крышкой 15 с теплопроводящими пластинами 3, погруженными в исследуемое рабочее вещество, испытывающее фазовый переход. Емкость 14 с исследуемым рабочим веществом размещена металлическом термостате 5, заполненном водой. Амперметр AT и вольтметр V T измерительной схемой 16, подключенные к электрическим выводам (спаям) блока 1 термоэлементов измеряют ток и напряжение термоэлектродвижущей силы ЭДС, значения которой передаются на АЦП 7, ЭВМ 8 и распечатываются принтером 9.
Для демонстрации работы устройства была использована кристаллогидратная соль CaCl2·6H2O, испытывающая фазовый переход при температуре TПср=29,7°C с удельной теплотой плавления Q=170 кДж/кг. Для исследований было использовано устройство, приведенное на фиг.1.
Измерительная схема 16, подключенная к электродам (спаям) однокаскадного термоэлемента типа ТЕС-12706 (ТУ 6349-001-79789858-2007, R=1.5 Ом; перепад температур до 
T=73°C, ток до I=6 А, размеры спаев 40×40 мм) измеряла напряжение термоЭДС и ток.
Температура в соли и воде контролируется терморезисторами с сопротивлениями 50 Ом.
На фиг.2. приведена зависимость напряжения на блоке 1 термоэлементов и на терморезисторе от времени нагрева (кривая 2), из которой видно насколько низка крутизна зависимости на терморезисторе.
Объем исследуемого рабочего вещества составляет минимум 25 см3. Время прохождения через ФП обычно составляет 15 минут, однако процесс может анализироваться и в более широком диапазоне температур и в большем интервале времени.
Анализ метрологических параметров измерения температуры T показывает следующее.
При измерении температуры терморезистором в диапазоне температур -50°C
T+180°C погрешность измерений температуры t определяется выражением:
и реально составляет ±0,6°C, что соответствует в измеряемом диапазоне приведенной погрешности 
=S/T=0.6/40=0.015.
Для блока 1 термоэлементов заявляемого устройства связь между U(T) и T, как это видно из фиг 2 задается уравнением:
и описывается с коэффициентом корреляции R2=0.9 в диапазоне до 750 мВ. Приведенная погрешность предлагаемого устройства в данном диапазоне температур ФП равна =S/U=7.86/750=0.0105, где S - стандартное отклонение, U - диапазон изменения Uв мВ.
Приведенная погрешность измерений температуры предлагаемым устройством с использованием блока 1 термоэлементов в 1.5 раз ниже, чем у устройства-аналога с использованием терморезистора, а относительный коэффициент чувствительности блока 1 термоэлементов, как это видно из фиг.2 (кривая 1), составляет k=U(T)/T=27.74, что значительно выше k=0.047 терморезистора. Как это видно из графиков, процесс ФП не может быть характеризован единой температурой. Плавление CaCl2 ·6H2O начинается при TП
28°C и заканчивается при TП35°C.
Измерения термопарой или терморезистором не выявляют структуры фазового перехода, то есть теряется важная информация об его особенностях.
Теплопередающие пластины 3 обеспечивают эффективную теплопередачу на нижний спай блока 1 термоэлементов, а радиатор 2 с вентилятором 4 обеспечивает отвод тепла в окружающую среду, обеспечивая разность температур на поверхностях блока 1 термоэлементов. Размещение в едином термостате измерительного и сравнительного объема веществ упрощает предлагаемой устройство по сравнению с прототипом.
Таким образом, введение в устройство блока 1 термоэлементов, теплопередающих пластин 3 и радиатора 2 с вентилятором 4 дает снижение погрешности в 1.5 раза, многократное повышение чувствительности (крутизны k зависимости), информативности анализа.
Устройство для измерения температур фазового перехода, преимущественно рабочих веществ термоэлектрических генераторов, содержащее измерительную схему, соединенную через аналого-цифровой преобразователь с электронно-вычислительной машиной, термостат, заполненный водой, в нижней части которого расположен нагреватель, отличающееся тем, что оно снабжено блоком термоэлементов с электрическими выводами, емкостью с исследуемым рабочим веществом, теплопередающими пластинами, радиатором с вентилятором, при этом электрические выводы блока термоэлементов соединены с измерительной схемой, блок термоэлементов имеет верхнюю и нижнюю поверхность, которые контактируют, соответственно с радиатором, обдуваемым вентилятором, и с крышкой емкости, причем на крышке емкости закреплены теплопроводящие пластины, погруженные в исследуемое рабочее вещество, испытывающее фазовый переход, а емкость с исследуемым рабочим веществом размещена в термостате, заполненном водой.
