Устройство для измерения температуры

 

Использование: измерение температуры тела. Сущность изобретения: устройство содержит размещенный в корпусе термочувствительный элемент в виде ступенчатого сильфонного вкладыша, заполненную термометрической жидкостью камеру. Ступенчатый сильфонный вкладыш выполнен из двух последовательно соединенных сильфонов с различной эффективной площадью поперечного сечения. Подпружиненная перемычка размещена на торцовой поверхности ступенчатого перехода и связана со штоком. Шток введен в мембранное днище емкости, заполненной индикаторной жидкостью и сообщенной с градуированным капилляром. 2 ил.

Изобретение относится к термометрии и может быть использовано как в системах автоматического контроля и регулирования температуры при реализации различных технологических процессов, так и в устройствах для измерения температуры окружающей среды и тела человека.

Известно устройство для измерения температуры, содержащее корпус, термочувствительный элемент - сильфон, образующий с внутренней стенкой упомянутого корпуса камеру, заполненную термометрической жидкостью, подпружиненные перемычки в виде соединенных между собой телескопической связью донышек элемента - сильфона, при этом одна из упомянутых перемычек соединена со штоком, воздействующим на узел индикации температуры, выполненный в виде блока преобразования усилий в выходной сигнал [1].

Разрешающая способность этого устройства зависит от величины эффективной площади поперечного сечения термочувствительного элемента сильфона, уменьшить которую ниже значения 1 см² в применяемых конструкциях практически невозможно из-за резкого увеличения жесткости сильфона. Это существенно ограничивает разрешающую способность устройства. Кроме того, используемые в нем термометрические жидкости типа брома не безвредны для окружающей среды.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является известное устройство для измерения температуры среды, содержащее корпус, термочувствительный элемент в виде ступенчатого сильфонного вкладыша, выполненного составным по крайней мере из двух последовательно соединенных сильфонов с разными диаметрами, образующих с внутренней стенкой корпуса камеру, заполненную термометрической жидкостью, и соединенных между собой другими торцами, на которых жестко размещена перемычка, соединенная со штоком, выведенным одним концом из корпуса к преобразователю его перемещения [2].

Недостатками этого устройства являются его практическая неработоспособность в режиме понижения температуры и низкая разрешающая способность и эффективность при работе без вторичного усилителя. Устройство также не позволяет фиксировать предельные значения измеряемых температур, что ограничивает его применение, в частности, в области медицины.

Целью изобретения является повышение разрешающей cпоcобноcти уcтройcтва и раcширение его функциональных возможностей за счет обеспечения работы в режиме понижения температуры и фиксирования ее предельных значений, а также обеспечения работы с капиллярным усилителем перемещений штока.

Цель достигается предлагаемым устройством для измерения температуры, содержащим корпус, термочувствительный элемент в виде ступенчатого сильфонного вкладыша, выполненного составным по крайней мере из двух последовательно соединенных сильфонов с разными диаметрами, образующих с внутренней стенкой корпуса камеру, заполненную термометрической жидкостью, и соединенных между собой другими торцами, на которых жестко размещена перемычка, соединенная со штоком, выведенным одним концом из корпуса к преобразователю его перемещения, в котором новым и существенным отличием является то, что в него введены центрирующий элемент и приспособление для одностороннего ограничения перемещений штока, закрепленное на корпусе, перемычка выполнена подпружиненной, а преобразователь перемещения штока выполнен в виде емкости с мембранным днищем, заполненной индикаторной жидкостью и сообщенной с градуированным капилляром, при этом центрирующий элемент выполнен в виде плоской пружины, закрепленной на торце корпуса, через которую пропущен шток.

На фиг.1 схематически изображено предлагаемое устройство для измерения температуры; на фиг.2 - схема деформации измерительного термочувствительного элемента.

Устройство для измерения температуры содержит корпус 1, термочувствительный элемент в виде ступенчатого сильфонного вкладыша 2, выполненного составным по крайней мере из двух последовательно соединенных сильфонов с разными диаметрами, образующих с внутренней стенкой корпуса камеру 3, заполненную термометрической жидкостью. Другими торцами сильфоны вкладыша 2 соединены между собой с образованием ступенчатого перехода 4, представляющего собой кольцевой уступ, на котором жестко размещена подпружиненная, например, с помощью пружины 5 растяжения перемычка 6, соединенная со штоком 7.

Шток 7 оснащен центрирующим элементом 8, выполненным в виде плоской пружины, закрепленной на торце корпуса 1, через которую пропущен упомянутый шток.

Своим верхним концом шток 7 на выходе из корпуса 1 связан с толкателем 9, который своей выпуклой сферической поверхностью 10 контактирует с мембранным днищем емкости 11, заполненной индикаторной жидкостью и сообщающейся с градуированным капилляром 12. Толкатель 9 снабжен приспособлением 13 для одностороннего ограничения его перемещения. При этом приспособление 13 закреплено на корпусе 1 и может быть выполнено в виде зубчатых планки или ролика с фиксатором. Определенную часть боковой поверхности толкателя 9 целесообразно выполнить с односторонней насечкой, рифлением или ворсистостью 14, позволяющих ему свободно перемещаться в одном направлении и тормозящих его перемещения в обратную сторону.

В предлагаемой конструкции устройства для измерения температуры в качестве рабочей жидкости могут использоваться спиртовые растворы, водно-глицериновые и другие дешевые и безвредные смеси. При необходимости эти смеси допускают перестройку и использование термометра при любых температурах в диапазоне 100...400 К.

Предлагаемое устройство для измерения температуры работает следующим образом.

Корпус 1 предлагаемого устройства погружают в контролируемую жидкость или приводят в контакт с контролируемым объектом. При повышении температуры контролируемого объекта на Δ Т соответственно возрастает и температура термометрической жидкости, находящейся в камере 3. Это приводит к увеличению ее объема на ΔV_{ж и}, соответственно, к повышению давления в замкнутой полости камеры 3 на величину Δ Р. В результате на кольцевой уступ ступенчатого перехода 4 начинает действовать сила F= Δ S ˙Δ P, (1) где Δ S - площадь кольцевого уступа.

Под действием этой силы перемычка 6 и связанный с ней шток 7 смещаются на величину Δ h в направлении силы F. При этом перемещения штока 7 центрируются центрирующим элементом 8, выполненным в виде плоской пружины, закрепленной на торце корпуса 1, через которую пропущен соответствующий конец штока 7, и тормозятся, а точнее фиксируются при достижении им максимальных значений с помощью приспособления 13 для одностороннего ограничения перемещений толкателя 9. При контакте выпуклости 10 толкателя 9 с выемкой мембранного днища емкости 11 индикаторная жидкость силой давления вытесняется в градуированный капилляр 12 до отметки, соответствующей измеряемой температуре. Для возврата устройства после проведенных измерений в исходное положение толкатель 9 выводят из контакта с мембранным днищем, воздействуя на приспособление 13 снаружи корпуса 1.

Работоспособность предлагаемого устройства подтверждается схемой деформации измерительного элемента, представленной на фиг.2. Согласно фиг.2, общая длина термочувствительного элемента равна Н=h₁ + h₂, где h₁и h₂ - длины составляющих этот элемент сильфонов; S₁ и S₂=S₁ + ΔS - их эффективные площади поперечного сечения; Средняя площадь эффективного сечения измерительного сильфонного элемента при этом равна <S> = · S₁+ · S₂= S₁+ · ΔS Если положение размещенной на кольцевом уступе сильфонов перемычки 6 в плоскости А-А соответствует исходному состоянию термочувствительного сильфонного вкладыша 2, в котором средняя эффективная площадь его поперечного сечения равна <S>, тогда каждое отклонение перемычки 6 от плоскости А-А вдоль оси Х на расстояние Δ h(T) приводит к изменению <S> на величину δ <S>.

В соответствии с приведенной на фиг.2 схемой эта величина равна δ <S> = <S> - <S> = S₁+ · ΔS - S₁+ · ΔS = ΔS (3) При этом изменение объема V_c, который занимает в камере 3 ступенчатый сильфонный вкладыш 2, можно определить как ΔV_c=H˙δ˙<S>=Δh˙ΔS (4) Графически это изменение объема показано на фиг.2 в виде заштрихованной области. Согласно представленной на фиг.2 схеме, для увеличения средней эффективной площади поперечного сечения термочувствительного элемента, выполненного составным по крайней мере из двух последовательно соединенных сильфонов, необходимо смещение соединительной перемычки 6 в сторону сильфона с меньшим диаметром. При этом объем, занимаемый в камере 3 термочувствительным сильфонным элементом, увеличивается, а объем, занимаемый термометрической жидкостью, соответственно уменьшается.

При смещении соединительной перемычки 6 в сторону сильфона с большим диаметром, что происходит в случае повышения температуры термометрической жидкости, наоборот, средняя площадь поперечного сечения сильфонного элемента и занимаемый им в камере 3 объем уменьшаются, а объем, занимаемый термометрической жидкостью, возрастает. Естественно, что при этом выполняется равенство Δ V_c= Δ V_ж (5) Выражение (5) позволяет для перемещений штока 7, которые сопровождают процесс деформации сильфонного элемента, записать Δh = (6) В свою очередь, смещение штока 7 на Δ h приводит к изменению высоты столба индикаторной жидкости в калиброванном капилляре 12 на величину ΔL = K · h = K · , (7) где S_м и S_к - площади поперечного сечения мембранного днища и капилляра 12 соответственно; К - коэффициент формы мембранного днища. Учитывая, что
Δ V_ж= V_o ˙β˙Δ T, (8) где V_o - объем термометрической жидкости в камере 3; β - коэффициент ее теплового объемного расширения, для разрешающей способности заявляемого термометра имеем
δT = (9) Здесь δ L - разрешающая способность при определении изменений высоты столба индикаторной жидкости в капилляре 12. Подставляя в выражение (9) легко достижимые на практике значения параметров термометра:
δ L = 0,1 см; S_к = 10^-2 см²; Δ S = 0,1 см²; к=1;
S_м = 2 см²; V_o = 5 см³; β = 10^-3 град^-1
имеем
δ Т ≃ 0,01 град.

Таким образом, предлагаемое изобретение при относительно простой конструкции и безвредных термометрических жидкостях обеспечивает высокую разрешающую способность, позволяющую применять его в различных областях науки и техники. Данное устройство одинаково эффективно работает при изменениях как в режиме повышения, так и в режиме понижения температуры. Оно обеспечивает фиксирование предельных значений измеряемой температуры, что позволяет использовать устройство в качестве экологически чистого медицинского термометра.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ, содержащее корпус, термочувствительный элемент в виде ступенчатого сильфонного вкладыша, выполненного составным по крайней мере из двух последовательно соединенных сильфонов с разными диаметрами, образующих с внутренней стенкой корпуса камеру, заполненную термометрической жидкостью, и соединенных между собой другими торцами, на которых жестко размещена перемычка, соединенная со штоком, выведенным одним концом из корпуса к преобразователю его перемещения, отличающееся тем, что, с целью повышения эффективности за счет расширения разрешающей способности устройства, в него введены центрирующий элемент и приспособление для одностороннего ограничения перемещений штока, закрепленное на корпусе, перемычка выполнена подпружиненной, а преобразователь перемещения штока выполнен в виде емкости с мембранным днищем, заполненной индикаторной жидкостью и сообщенной с градуированным капилляром, при этом центрирующий элемент выполнен в виде плоской пружины, закрепленной на торце корпуса, через которую пропущен шток.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2