Устройство для измерения температуры поверхности объекта

 

Использование: в термометрии, в частности в устройствах для измерения температуры поверхности тел биологических объектов, например температуры кожи или тела человека, или для измерения объемной температуры жидких или сыпучих сред. Сущность изобретения: устройство содержит приемник тепла с чувствительными элементами в виде термопары, закрепленной в тонкостенной металлической оболочке ( наконечнике ) и контактирующей с поверхностью тела. Геометрические размеры оболочки и термопар обеспечивают продолжительность прогрева зоны спая термопары за время менее 1 с. Устройство имеет габариты и вес, обеспечивает высокое быстродействие и точность измерений и обладает удобством в эксплуатации. 1 ил.

Изобретение относится к термометрии и может быть использовано для измерения температуры поверхности различных упругих объектов, например биологических объектов, или объемной температуры жидких и сыпучих сред.

Известно устройство, включающее основание, на котором с одной стороны установлены приемник тепла в виде пружинящего лепестка, с которым соединены в центральной части термоэлектроды и кожух, защищающий теплоприемник, на противоположной стороне основания жестко установлен держатель, в основании выполнен канал для термоэлектродов [1].

Однако это устройство, содержащее перечисленные конструктивные признаки, характеризуется сложностью конструкции и негерметичностью, что усложняет его стерилизацию. При измерении температуры поверхности тела биологического объекта пациенту может быть причинено неудобство и болевые ощущения краем защитного кожуха и теплоприемника. Термопара чувствительного элемента контактирует с поверхностью объекта не непосредственно, а через лепесток упругого элемента, что повышает инерционность и увеличивает погрешность измерений.

Известно также устройство, включающее корпус, связанный с упругим элементом, соединенным с гибкой пластиной, и размещенную внутри корпуса термопару с выводами, горячий спай которой закреплен на поверхности гибкой пластины [2]. Упругий элемент выполнен сплошным с опорной частью в виде усеченного конуса, большее основание которого жестко соединено с гибкой пластиной по всей поверхности контакта между ними, а выводы термопары размещены в канале, выполненном в упругом элементе по его вертикальной оси, а вблизи горячего спая расположены по спирали в центральной части поверхности гибкой пластины со стороны ее соединения с опорной частью упругого элемента.

Это устройство содержит защитный кожух, что уменьшает возможность травмирования пациента, однако за счет того, что упругий элемент (основание) плотно прилегает к приемнику тепла, возрастает скорость оттока тепла из приемного элемента в основание. Это отрицательно влияет на быстродействие прибора в целом.

Цель изобретения - повышение достоверности результатов измерения и скорости измерения, а также упрощение конструкции.

Сущность изобретения состоит в следующем.

Устройство содержит приемник тепла, соединенный с термопарой, расположенной в корпусе. Приемник тепла, связанный механически непосредственно с корпусом, выполнен в виде полусферического наконечника, выводы термопары электрически соединены с внутренней поверхностью наконечника в его вершине, причем диаметр его полусферы D_п,его толщина h_п и диаметр термоэлектродов термопары d_т выбраны из соотношений: 50, 15.

В изобретении включение упругого элемента, выполняющего функции основания, компенсировано выполнением приемника тепла в виде полусферического наконечника. Это сохраняет механическую прочность устройства в целом и уменьшает отток тепла от приемника из-за отсутствия дополнительных поддерживающих конструктивных элементов, что обеспечивает повышение достоверности результатов измерений. Выполнение приемника тепла в виде полусферического наконечника улучшает тепловой контакт зоны спая термопары с исследуемой поверхностью, что уменьшает время прогрева спая и увеличивает быстродействие устройства.

Геометрические размеры приемника тепла и термоэлектродов термопар выбираются с учетом необходимости сохранения прочности наконечника при внешних механических воздействиях, уменьшения времени прогрева наконечника и уменьшения потерь тепла по термоэлектродам термопар.

Диаметр D_п или толщина h_п наконечника приемника тепла определяются по формуле, полученной путем решения уравнения теплопроводности для мгновенного поверхностного источника (стока) тепла в виде диска диаметром D_п: = 1 - 1-exp- , где = - уровень прогрева наконечника приемника тепла; t_к( ) - текущая температура поверхности тела; t_к^о, t_п^о - начальные температуры поверхности тела и приемника тепла; _п, С_п - плотность и теплоемкость материала наконечника приемника тепла; ,С, а - плотность, теплоемкость и температуропроводность тела.

Задаваясь уровнем прогрева и временем его достижения , определяются значения D_п и h_п. Полученные значения проверяются на прочность и устойчивость по формулам теории упругости для тонкостенных оболочек, либо экспериментально, Отток тепла по термоэлектродам термопар оценивается по формулам для пятачковых термопар.

Приведенные выше соотношения размеров (наконечника) оболочки h_п и термоэлектродов термопар d_т получены опытным путем для случая измерений температуры биологических объектов и обеспечивают за время менее 1 с прогрев зоны спая приемника тепла измерительного устройства до уровня 0,9 от исходной температуры поверхности объекта.

Выполнение конструктивных элементов устройства и их взаимосвязей указанным образом обеспечивает получение дополнительного результата - упрощение конструкции устройства.

На чертеже показано устройство для измерения температуры.

Устройство содержит приемник 1 тепла, выполненный в виде полусферического наконечника, механически непосредственно связанного с корпусом 2 и вершиной 4 соединенного внутренней поверхностью с выводами термопары, которые свиты в жгут 3 и выведены к регистратору 5.

Устройство работает следующим образом.

При измерении температуры поверхности объекта устройство прижимают выпуклой наружной поверхностью приемника 1 тепла к поверхности объекта. Чувствительный элемент устройства (наконечник) слегка вдавливается в поверхность объекта, чем обеспечивается хороший тепловой контакт между поверхностью и наконечником и быстрый нагрев рабочего спая вершины 4 . Степень разогрева рабочего спая регистрируется измерительным прибором (регистратором 5).

Устройство может быть также использовано и для измерения объемной температуры сыпучих материалов и жидкостей.

Устройство содержит всего три конструктивных элемента, обладает малыми габаритами и весом, отличается высоким быстродействием и точностью измерений.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ ОБЪЕКТА, содержащее упругий теплоприемник, соединенный с термопарой, основание которого жестко связано с основанием корпуса, отличающееся тем, что упругий теплоприемник выполнен в виде полусферического наконечника, термопара соединена с наконечником через спай, жестко прикрепленный к вершине внутренней поверхности полусферического наконечника, при этом диаметр его полусферы D_n больше или равен 50 его толщинам и больше или равен 15 диаметрам выводов термопары.

РИСУНКИ

Рисунок 1