Контактный измеритель температуры

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована при создании термометров, предназначенных для контактного измерения температур.

Полезная модель решает задачу повышения точности градуировки, повышения надежности работы и упрощения технологии изготовления термометра.

Расположение чувствительного элемента 1 и части соединительных проводов 2, примыкающих к нему внутри упругого тела 3 обеспечивает практически одинаковую температуру упругого тела 3 и чувствительного элемента 1. При достижении точки фазового перехода в веществе, содержащемся в упругом теле 3, происходят явления, обусловленные фазовым переходом, поэтому измеряемый параметр чувствительного элемента 1 будет иметь особенность, характерную для данного фазового перехода. При этом частицы вещества с фазовым переходом, находящегося в упругом теле 3, будут находиться либо в твердом, либо в жидком состоянии, в зависимости от измеряемой температуры и особенностей используемого фазового перехода.

Обнаружив и распознав в процессе эксплуатации фазовые переходы веществ упругого тела 3, осуществляют сличение параметра чувствительного элемента или измеренной температуры с температурой фазового перехода, которая является аналогом градуировочной точки. По полученным градуировочным точкам возможно построить индивидуальную зависимость характеристики чувствительного элемента от температуры в рабочем диапазоне контактного измерителя температуры.

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована при создании термометров, предназначенных для контактного измерения температур.

Из уровня техники известен сенсор температуры с возможностью самостоятельной калибровки на основе точки плавления (http://www.imeko.org/publications/wc-2003/PWC-2003-TC12-005.pdf). Сенсором температуры в данной конструкции является термопара, горячий конец которой погружен в специальный керамический тигель, внутри которого (без непосредственного контакта с термопарой) также находится материал (сплав) с фазовым переходом - плавлением. Для выравнивания температуры вдоль проводников термопары тигель обернут теплопроводной фольгой. Вся конструкция смонтирована в керамической трубке, а от контакта с внешней средой защищена оболочкой.

Данная конструкция имеет следующие недостатки.

В случае герметичного тигля в нем возникает существенное изменение давления в процессе изменения рабочей температуры материала (сплава) с фазовым переходом вследствие различного температурного расширения материала тигля и материала (сплава) с фазовым переходом внутри тигля и газов, которые присутствуют, либо могут оказаться внутри тигля в процессе эксплуатации, а также изменением объема материала (сплава) с фазовым переходом в процессе плавления/затвердевания. Это может вызвать разрушение тигля, а также существенно изменить точку плавления материала (сплава) с фазовым переходом, т.к. температура плавления, как правило, зависит от давления.

В случае негерметичного тигля, для предотвращения вытекания материала (сплава) с фазовым переходом, термометр должен находиться в строго определенном положении, что чрезвычайно неудобно в процессе эксплуатации.

Вне зависимости от герметичности тигля, конструкция не подразумевает использование нескольких материалов (сплавов) с различными точками плавления.

Для выравнивания температуры вдоль щупа термометра, с целью уменьшения влияния тепловых потоков внутри спаев термопары на ее погрешность, тигель обернут теплопроводной фольгой, в то же время в конструкции не приняты меры для уменьшения влияния тепловых потоков по проводникам термопары (которые, как и все металлы, имеют высокую теплопроводность), что вызывает дополнительную погрешность градуировки. Кроме того, данная конструкция не предусматривает использование иных сенсоров температуры, кроме термопары.

Наиболее близким к заявляемому является контактный измеритель температуры с самостоятельной градуировкой (RU 91426, G01K 7/00, публ. 10.02.2010). Измеритель температуры содержит чувствительный элемент, соединенный проводниками с блоком электроники, и модуль с веществом или смесью веществ, температуры обратимых фазовых переходов которых находятся внутри области измерений, а температура модуля совпадает с температурой чувствительного элемента.

Однако в этом техническим решении не обеспечивается надлежащая однородность температуры между модулем из нескольких веществ с фазовыми переходами и чувствительным элементом. Ограничена возможность увеличения площади соприкосновения и уменьшения расстояния между центрами масс основного материала чувствительного элемента и нескольких веществ модуля с обратимыми фазовыми переходами. При фазовом переходе вещество обычно подвержено существенным изменениям геометрических размеров, приводящим к внутренним механическим напряжениям, которые могут вызвать разрушение термометра при фазовом переходе. Также существенно влияние тепловых потоков по проводникам чувствительного элемента, имеющим, как все металлы, высокую теплопроводность. Это вызывает дополнительную погрешность градуировки.

Полезная модель решает задачу повышения точности градуировки, повышения надежности работы и упрощения технологии изготовления термометра.

Это достигается тем, что в контактном измерителе температуры, содержащем чувствительный элемент, соединенный проводниками с блоком электроники, модуль с веществом или смесью веществ, температуры обратимых фазовых переходов которых находятся в области диапазона измерений контактного измерителя температуры, чувствительный элемент и часть прилегающих к нему проводников находятся в модуле, причем длина каждого проводника, находящегося в модуле, превышает периметр его сечения. При этом модуль представляет из себя упругое тело.

Для улучшения технологичности, увеличения однородности температуры внутри конструкции и использования необходимого количества точек фазовых переходов (например для полной перекалибровки чувствительного элемента в процессе эксплуатации), в качестве веществ с фазовыми переходами используются мелкие частицы различных веществ - в виде порошков в твердом состоянии, преобразующихся в капли в жидком состоянии, равномерно распределенные в твердом упругом теле. При этом обеспечивается значительное увеличение площади соприкосновения веществ с фазовыми переходами с остальной конструкцией, совпадение центров масс совокупности тел из различных веществ с фазовыми переходами и рабочих тел чувствительных элементов, что обуславливает высокую однородность температуры внутри конструкции. При этом не происходит существенных процессов перемешивания веществ с фазовыми переходами друг с другом в процессе плавления или диффузии.

Для формирования свойств диэлектрика у поверхностных частей упругого тела, на поверхностных частях упругого тела не помещают вещества с фазовыми переходами.

Нахождение части соединительных проводов, прилегающих к чувствительному элементу, в упругом теле с веществами покрывает часть проводов, поэтому их температура в части, прилегающей к чувствительному элементу, также практически совпадает с температурой чувствительного элемента, что исключает существенное влияние температуры окружающей среды на измеренную температуру. Это значительно уменьшает погрешность самостоятельной градуировки чувствительного элемента.

В упругом теле не возникают существенные механические напряжения, вызванными изменением объема частиц в процессе изменения рабочей температуры, вызванных различными коэффициентами температурного расширения веществ, изменению объема и давления газов, которые в процессе работы могут оказаться внутри упругого тела, а также изменением объема материала вещества в процессе фазового перехода. Частицы веществ с фазовыми переходами могут находиться внутри упругого тела как в твердом, так и в жидком состоянии, не перемешиваясь друг с другом, в то время как само упругое тело в процессе изготовления термометра обладает свойствами жидкости, а в процессе эксплуатации обладает свойствами твердого тела и диэлектрика, что очень удобно с технологической точки зрения. При этом упругое тело не создает существенного давления на элементы конструкции, внутри которых оно находится.

При нахождении чувствительного элемента и веществ, температуры обратимых фазовых переходов которых находятся в диапазоне измерений термометра, внутри упругого тела, обеспечивается высокая однородность температуры при фазовом переходе вещества модуля чувствительного элемента, входящего в состав упругого тела вследствие практического совпадения центров масс физического тела чувствительного элемента и веществ с фазовыми переходами, обеспечивая тем самым минимальное расстояние и максимальную площадь соприкосновения между чувствительным элементом и веществами модуля с фазовыми переходами. При этом обеспечивается высокая однородность температуры внутри предложенной конструкции, что позволяет провести калибровку чувствительного элемента с необходимой точностью.

Обнаружив и распознав в процессе эксплуатации фазовый переход, осуществляется сличение измеренной температуры с известной температурой фазового перехода, которая является аналогом градуировочной точки или точки корректировки зависимости параметров чувствительного элемента от температуры в процессе эксплуатации или их оценки в точках фазовых переходов.

Определяются параметры чувствительного элемента в достаточном количестве точек фазовых переходов, осуществляется градуировка, в противном случае производится корректировка зависимости параметров чувствительного элемента от температуры, например корректировка параметра R₀ номинальной статистической характеристики для платинового сопротивления, либо оценивается погрешность термометра в точках фазового перехода, в процессе эксплуатации.

Таким образом, заявляемое техническое решение позволяет повысить точность градуировки, надежность работы и упростить технологию изготовления термометра.

Полезная модель поясняется чертежом.

Устройство содержит чувствительный элемент 1, соединительные провода 2, упругое тело 3 с находящимися внутри него веществами с фазовыми переходами в виде порошков или капель (в зависимости от измеряемой температуры), блок электроники 4 и корпус 5.

Расположение чувствительного элемента 1 и части соединительных проводов 2, примыкающих к нему внутри упругого тела 3 обеспечивает практически одинаковую температуру упругого тела 3 и чувствительного элемента 1. При достижении точки фазового перехода в веществе, содержащемся в упругом теле 3, происходят явления, обусловленные фазовым переходом, поэтому измеряемый параметр чувствительного элемента 1 будет иметь особенность, характерную для данного фазового перехода. При этом частицы вещества с фазовым переходом, находящегося в упругом теле 3, будут находиться либо в твердом, либо в жидком состоянии, в зависимости от измеряемой температуры и особенностей используемого фазового перехода.

Обнаружив и распознав в процессе эксплуатации фазовые переходы веществ упругого тела 3, осуществляется сличение параметра чувствительного элемента или измеренной температуры с температурой фазового перехода, которая является аналогом градуировочной точки.

Пример. В качестве порошков упругого тела использовали сплавы металлов.

Сплав 1: 66,5% Ga, 20,5% In, 13% Sn, температура плавления и затвердевания 11°C.

Сплав 2: 62,5% Sn, 36,1% Pb, 1,4% Ag, температура плавления и затвердевания 179°C.

Сплав 3: 100% Pb, температура плавления и затвердевания 327°C.

Для изготовления упругого тела использовали автомобильный герметик ABRO © красный, работающий до температуры 343°C.

В качестве чувствительного элемента использовали стандартное пленочное платиновое термосопротивление.

Термосопротивление вместе с частью прилегающих к нему соединительных проводов покрывали тонким слоем герметика (для предотвращения контакта термосопротивления с порошком) и дожидались его полного застывания. Затем порошки сплавов добавляли в герметик, тщательно перемешивали, полученный состав наносили поверх предыдущего слоя герметика и дожидались его полного застывания. Затем тонкий слой герметика наносили поверх предыдущего слоя и дожидались его полного застывания.

В диапазоне температур от 0°C до 11°C вещества всех сплавов с фазовыми переходами находятся в упругом теле в твердом состоянии. При переходе измеряемой температуры через точку плавления сплава 1 (11°C) наблюдается небольшой временной отрезок стабильности измеренного значения термосопротивления. Обнаружив с помощью блока электроники данную стабильность значения термосопротивления и сопоставив с полученным значением сопротивления температуру плавления сплава 1, получали первую градуировочную точку.

В диапазоне от 11°C до 179°C вещества сплава 1 находятся в жидком состоянии, а вещества сплавов 2 и 3 находятся в твердом состоянии. При переходе измеряемой температуры через точку плавления сплава 2 (179°C) наблюдается небольшой временной отрезок стабильности измеренного значения термосопротивления. Обнаружив с помощью блока электроники данную стабильность значения термосопротивления и сопоставив с полученным значением сопротивления температуру плавления сплава 2, получали вторую градуировочную точку.

В диапазоне от 179°C до 327°C вещества сплавов 1 и 2 находятся в жидком состоянии, а вещество сплава 3 находится в твердом состоянии. При переходе измеряемой температуры через точку плавления сплава 3 (327°C) наблюдается небольшой временной отрезок стабильности измеренного значения термосопротивления. Обнаружив с помощью блока электроники данную стабильность значения термосопротивления и сопоставив с полученным значением сопротивления температуру плавления сплава 3, получали третью градуировочную точку.

В диапазоне от 327°C до 340°C порошки всех сплавов находятся в жидком состоянии.

По полученным градуировочным точкам возможно построить индивидуальную зависимость характеристики чувствительного элемента от температуры в рабочем диапазоне контактного измерителя температуры.

1. Контактный измеритель температуры, содержащий чувствительный элемент, соединенный проводниками с блоком электроники, модуль с веществом или смесью веществ, температуры обратимых фазовых переходов которых находятся в области диапазона измерений контактного измерителя температуры, отличающийся тем, что чувствительный элемент и часть прилегающих к нему проводников находятся в модуле, при этом длина каждого проводника, находящегося в модуле, превышает периметр его сечения.

2. Контактный измеритель температуры по п.1, отличающийся тем, что модуль представляет из себя упругое тело.