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 исследуемым рабочим веществом, в нижней части которого расположен нагреватель, согласно настоящей полезной модели, снабжено блоком термоэлементов с электрическими выводами, радиатором с вентилятором, теплопередающим блоком, при этом теплопередающий блок представляет собой теплопроводящий элемент, размещенный на поплавке, выполненном из материала, плотность которого меньше плотности исследуемого рабочего вещества, блок термоэлементов имеет верхнюю и нижнюю поверхности, которые контактируют, соответственно, с радиатором, обдуваемым вентилятором, и с теплопроводящим элементом, контактирующим с исследуемым рабочим веществом, испытывающим фазовый переход, а электрические выводы блока термоэлементов соединены с измерительной схемой. 2 ил.

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для измерения температуры фазовых переходов рабочих веществ па поверхности раствор-расплава 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 могут быть визуально наблюдаемы, что ограничивает возможности исследователей.

Аналогом также 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.

Прототипом является устройство, реализующее способ исследования фазовых превращений по патенту РФ; на изобретение 2229702, МПК G01N 25/02 от 27.05.2004, содержащее прецизионную нагревательную печь, обеспечивающую кристаллизацию в центральной точке поверхности раствор-расплава при ступенчатом медленном охлаждении по 10-5°C раствор-расплава с введением затравочного материала и выдержке 1-2 ч на каждой температурной ступени, вертикально расположенные нагреватели, тигель с раствор-расплавом, шамотную крышку, смотровое окно, окно для подсветки.

Недостатками известного устройства являются низкая точность и невысокая чувствительность измерения, связанная с субъективностью (приблизительностью) оценки точки начала кристаллизации, возмущениями от внесения затравки и вероятности запаздывания момента кристаллизации в зависимости от разности температур раствор-расплава и температурой окружающей среды и его вязкости. Температурный интервал может достигать неопределенности в 20°C.

Задачей полезной модели является повышение точности и чувствительности устройства при измерении температур фазовых переходов на поверхности расплав-раствора.

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 исследуемым рабочим веществом, в нижней части которого расположен нагреватель, согласно настоящей полезной модели, снабжено блоком термоэлементов с электрическими выводами, радиатором с вентилятором, теплопередающим блоком, при этом теплопередающий блок представляет собой теплопроводящий элемент, расположенный на поплавке, выполненном из материала, плотность которого меньше плотности исследуемого рабочего вещества, блок термоэлементов имеет верхнюю и нижнюю поверхности, которые контактируют, соответственно с радиатором, обдуваемым вентилятором и с теплопроводящим элементом, контактирующим с рабочим веществом, испытывающим фазовый переход, а электрические выводы блока термоэлементов соединены с измерительной схемой.

Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена функциональная схема предлагаемого устройства для измерения температур фазового перехода; на фиг.2 приведена зависимость напряжения U(t) на выводах блока термоэлементов в процессе нагрева исследуемого рабочего вещества: 1-U(t), 2-T(t).

На фиг.1 цифрами обозначены:

1 - блок термоэлементов,

2 - радиатор,

3 - теплопередающий блок,

4 - вентилятор,

5 - термостат,

6 - нагреватель термостата,

7 - поплавок,

8 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП),

9 - электронно-вычислительная машина (ЭВМ),

10 - принтер,

11 - источник питания вентилятора,

12 - датчик температуры исследуемого рабочего вещества,

13 - датчик температуры окружающей среды,

14 - теплопроводящий элемент,

15 - измерительная схема.

Устройство для измерения температур фазового перехода, преимущественно рабочих веществ термоэлектрического генератора, содержит измерительную схему 15, соединенную через аналого-цифровой преобразователь 8 с электронно-вычислительной машиной 9, термостат 5, заполненный исследуемым рабочим веществом, в нижней части которого расположен нагреватель 6. Устройство также содержит терморезистор контроля общей температуры исследуемого рабочего вещества, соединенный с прецизионным омметром, подключенным к аналого-цифровому преобразователю, условно показанному на фиг.1 как датчик 12 температуры исследуемого рабочего вещества, и датчик 13 температуры окружающей среды, подключенные к аналого-цифровому преобразователю 8.

Отличием предлагаемого устройства для измерения температур фазового перехода является то, что оно снабжено блоком 1 термоэлементов с электрическими выводами, радиатором 2 с вентилятором 4, теплопередающим блоком 3.

Теплопередающий блок 3 представляет собой теплопроводящий элемент 14, размещенный на поплавке 7, выполненном из материала, плотность которого меньше плотности исследуемого рабочего вещества. Блок 1 термоэлементов имеет верхнюю и нижнюю поверхности, которые контактируют, соответственно с радиатором 2, обдуваемым вентилятором 4, и с теплопроводящим элементом 14, контактирующим с исследуемым рабочим веществом, испытывающим фазовый переход. Электрические выводы блока 1 термоэлементов соединены с измерительной схемой 15.

Амперметр A_T и вольтметр V_T, измерительной схемы 15, подключенные к электрическим выводам (спаям) блока термоэлементов 1, измеряют ток и напряжение термоэлектродвижущей силы ЭДС, значения которой передаются на АЦП 8, ЭВМ 9.

Для демонстрации работы предлагаемого устройства была использована кристаллогидратная соль CaCl₂·6H₂O, испытывающая фазовый переход первого рода при температуре T_Пср=29,7°C с удельной теплотой плавления Q=170 кДж/кг.

Для измерений было использовано устройство, приведенное на фиг.1. Температура в кристаллогидратной соли контролируется терморезистором с сопротивлениями 50 Ом (на фиг.1 условно не показан). Измерительная схема 16, подключенная к электродам (спаям) однокаскадного термоэлемента типа TEC-12706 (R=1.5 Ом, перепад температур до T=73°C, ток до I=6 A) измеряет напряжение термоЭДС.

На фиг.2. приведена зависимость напряжения на ТЭ от времени остывания (кривая 1). На кривой 1 четко видно начало фазового перехода на 60-й минуте в виде начала экзотермического пика, изменяющего термоЭДС U(t) с 140 мВ до 325 мВ. Кристаллизация соли начинается при T_К20°C и заканчивается при T_П35°C.

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 терморезистором T(t) и по термоЭДС блока 1 термоэлементов U(t) показывает, что для терморезистора в диапазоне температур -50°CT+180°C погрешность измерений температуры определяется выражением:

и реально составляет в среднем ±0,6°C, что соответствует приведенной погрешности =S/T=0.6/40=0.015.

Измерение термопарой отличается низкой чувствительностью, поскольку составляет, например для одной из лучших термопар хромель-копель в исследуемом диапазоне температур всего 39 мВ.

Для блока 1 термоэлементов предлагаемого устройства U(t) имеет диапазон до 750 мВ. Приведенная погрешность термоэлектрического датчика в данном диапазоне температур ФП равна =S/U=7.86/750=0.0105, где U - диапазон изменения U.

Приведенная погрешность измерений температуры с использованием блока 1 термоэлементов в 1.5 раз ниже, чем у терморезистора и тем более ниже при визуальном определении температуры фазового перехода по устройству-прототипу (патенту РФ 2229702).

Относительный коэффициент чувствительности блока 1 термоэлементов составляет k=U(T)/T=27.74. что значительно выше k=0.047 терморезистора.

Датчик температуры T_ОС окружающей среды позволяет вносить коррекцию в результаты анализа, поскольку от T_ОС зависит теплопередача от блока 1 термоэлементов и термостата 5.

Поплавок 7 постоянно поддерживает блок 1 термоэлементов на поверхности раствор-расплава.

Теплопроводящий элемент 14 обеспечивает 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.

Таким образом, введение в устройство блока 1 термоэлементов, поплавка 7, теплопроводящего элемента 14, радиатора 2 с вентилятором 4 дает повышение точности в 1.5 раза, чувствительности (крутизны k зависимости), выявить истинный диапазон температур фазового превращения.

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 исследуемым рабочим веществом, в нижней части которого расположен нагреватель, отличающееся тем, что оно снабжено блоком термоэлементов с электрическими выводами, радиатором с вентилятором, теплопередающим блоком, при этом теплопередающий блок представляет собой теплопроводящий элемент, размещенный на поплавке, выполненном из материала, плотность которого меньше плотности исследуемого рабочего вещества, блок термоэлементов имеет верхнюю и нижнюю поверхности, которые контактируют, соответственно, с радиатором, обдуваемым вентилятором, и с теплопроводящим элементом, контактирующим с исследуемым рабочим веществом, испытывающим фазовый переход, а электрические выводы блока термоэлементов соединены с измерительной схемой.