Датчик температуры

 

Изобретение относится к области измерительной техники и приборостроения, а именно к датчикам температуры. Датчик температуры содержит цилиндрический корпус, выполненный из немагнитного материала. В корпусе размещены термочувствительный элемент, выполненный предпочтительно из фторопласта Ф4 с фиксирующим элементом и ограничительным элементом в качестве средств его жесткой фиксации, катушка индуктивности с усилителем и сердечником в качестве исполнительного механизма, передаточная пластина для сообщения перемещения термочувствительного элемента механизму стопорения в виде шарикового фиксатора, подпружиненного упругим элементом. Разработка датчика температуры обеспечивает точное определение и регистрацию фактической температуры аварийного состояния среды. Технический результат: обеспечение возможности определения фактической температуры критического состояния измеряемой среды и повышение точности измерения в диапазоне температур 40 - 270^oС. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники и приборостроения, а именно к датчикам температуры, и может быть использовано для измерения критической температуры аварийного состояния среды.

Известен датчик температуры, содержащий корпус и размещенные в нем термочувствительный элемент, упругий элемент, взаимодействующий с термочувствительным элементом, исполнительный механизм (заявка на патент РФ 94026049, МПК Н 01 Н 37/20, публ. 10.05.96 г.).

Однако с использованием известного датчика представляется возможным измерение температур среды в диапазоне от 300^оС и выше, тогда как для измерения более низких критических температур чувствительность известного датчика недостаточна.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату к заявляемому датчику температуры является датчик, содержащий корпус и размещенные в нем термочувствительный элемент, сочетающий функцию элемента памяти, исполнительный механизм (патент РФ 02117354, заявка 97114594, МПК Н 01 Н 37/46, публ. 10.08.98 г.).

К недостаткам известного датчика относится отсутствие возможности измерения критической температуры среды, превышающей или лежащей ниже порогового значения температур материала с эффектом памяти, что затрудняет точное определение фактической величины параметра контролируемой среды, поскольку он работает в пороговом режиме, т.е. регистрирует только то пороговое значение температуры, на которое настроен.

Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, заключается в разработке датчика температуры, обеспечивающего точное определение и регистрацию критической температуры среды, соответствующей состоянию, предшествующему аварийной ситуации, возгоранию или началу необратимого неуправляемого процесса.

Новый технический результат, обеспечиваемый предлагаемым датчиком температуры, заключается в обеспечении возможности определения фактической температуры критического состояния измеряемой среды и повышения точности измерения в диапазоне температур от +40^oC до +270^oC.

Дополнительный технический результат заключается в повышении чувствительности датчика.

Указанные задача и новые технические результаты обеспечиваются тем, что в известном датчике температур, содержащем корпус и размещенные в нем термочувствительный элемент, элемент памяти, исполнительный механизм, в соответствии с предлагаемым датчиком термочувствительный элемент выполнен в виде полой цилиндрической детали из расширяющегося при температурах в измеряемом диапазоне значений полимера, которая установлена коаксиально исполнительному механизму в виде катушки индуктивности с усилителем, сердечник которой выполнен подвижным и взаимодействует с термочувствительным элементом с возможностью поступательного перемещения внутри полости последнего совместно с передаточной пластиной, которая жестко зафиксирована на торце сердечника, противоположном катушке индуктивности, и с элементом памяти, выполненным в виде усеченного конуса, который имеет в плоскости меньшего основания, обращенного к термочувствительному элементу, шариковый фиксатор в качестве стопорного механизма, подпружиненный упругим элементом относительно передаточной пластины, при этом основание термочувствительного элемента, обращенное к исполнительному механизму, жестко зафиксировано на неподвижном ограничительном элементе, а элемент памяти - на передаточной пластине.

Кроме того, в качестве полимерного материала, характеризующегося максимальной величиной остаточной деформации, датчик содержит фторопласт.

Устройство предлагаемого датчика температур поясняется следующим образом.

На фиг. 1 изображена конструкция предлагаемого датчика, где 1 - корпус датчика, 2 - крышка датчика, 3 - элемент фиксации ограничительного элемента, 4 - ограничительный элемент, 5 - сердечник, 6 - катушка индуктивности, 7 - термочувствительный элемент, 8 - передаточная пластина, 9 - упругий элемент, 10 - шариковый фиксирующий механизм, 11 - конический элемент шарикового фиксирующего механизма, 12 - элемент памяти, 13 - усилитель магнитного поля катушки, 14 - шарики шарикового фиксирующего механизма, 15 - каркас катушки индуктивности.

Предлагаемый датчик представляет собой устройство, содержащее размещенные в корпусе из немагнитного материала катушку индуктивности (6) с усилителем (13) и с подвижным сердечником (5) из магнитомягкого материала, который установлен с возможностью поступательного перемещения в полости термочувствительного элемента (7), который выполнен в виде полой цилиндрической детали и установлен без зазора между ограничительным элементом (4), передаточной пластиной (8), шариковым фиксирующим механизмом (10).

Термочувствительный элемент, ограничительный элемент, подвижный сердечник, передаточная пластина и упругий элемент функционально обеспечивают срабатывание шарикового фиксирующего механизма, являющегося элементом памяти, что повышает в итоге точность регистрации критической температуры измеряемой среды.

В прототипе функцию элемента памяти и термочувствительного элемента выполняет деталь из материала с эффектом памяти формы, поэтому известный датчик работает в пороговом режиме, т.е. регистрирует только то пороговое значение температуры, на которое он настроен, тогда как в предлагаемом датчике обеспечена возможность измерения произвольной температуры из заявляемого диапазона значений.

При этом в случае превышения температур той или иной измеряемой среды выше порогового значения известного датчика регистрация последней проблематична.

В предлагаемом датчике в заявляемом (достаточно широком) диапазоне температур среды регистрация последней обеспечена срабатыванием термочувствительного элемента на основе материала с высокой остаточной деформацией (например, фторопласта), и, как показано выше, механического элемента памяти, и задействующей его цепочки связанных с ним конструктивных элементов, что обеспечивает возможность измерений в аналоговом режиме, т.е. с запоминанием произвольной температуры в рабочем диапазоне ее значений.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

В момент задействования датчика при воздействии критических температур происходит расширение полимерного материала термочувствительного элемента (7), что вызывает перемещение сердечника (5) совместно с передаточной пластиной (8) во внутренней полости термочувствительного элемента, продолжающееся до момента достижения критической температуры среды.

Существенное значение имеет выбор материала для термочувствительного элемента с учетом прогнозируемой критической температуры измеряемой среды в диапазоне значений последней от +40^oC до +270^oC. Наиболее оптимальным является выбор фторопласта, поскольку этот материал, как это было показано в эксперименте, характеризуется необратимым упругим гистерезисом (максимальным значением величины остаточной деформации), что обеспечивает минимизацию погрешности при регистрации фактического значения критической температуры измеряемой среды.

Термочувствительный элемент установлен без зазора относительно всех сопрягаемых с ним элементов, что вызывает появление только одной степени свободы перемещения - только в направлении к элементу памяти, за счет чего минимизируется погрешность измерения критической температуры среды.

Перемещение сердечника относительно витков катушки индуктивности (6) вызывает изменение ее индуктивного сопротивления и величины магнитной индукции, что в свою очередь ведет к изменению параметров магнитного поля, усиленное магнитопроводом (усилителем 13), что и регистрируется измерительными приборами.

При дальнейшем изменении состояния измеряемой среды перемещения функциональных элементов датчика не происходит, что является результатом срабатывания шарикового фиксирующего механизма (10) (механизма стопорения), фиксирующая функция которого усилена упругим элементом (9) (например, пружиной).

Термочувствительный элемент совместно с фиксирующим (стопорным) механизмом функционирует как измерительное устройство аналогового типа, однозначно фиксирующее фактическое состояние среды в разрешаемом диапазоне значений температур. Точность определения измеряемого параметра основана на выборе материала, чувствительного к воздействию критической температуры в заданном диапазоне значений.

Фиксирующий шариковый механизм (механизм стопорения) срабатывает таким образом, что обратный ход сердечника предотвращается при снижении температуры среды ниже критического значения за счет заклинивания конического элемента (11) между шариками механизма стопорения с одной стороны и поджатия упругим элементом (9) шариков с другой стороны.

Срабатывание шарикового фиксирующего механизма стопорения и задействующих его элементов, а также выбор материала для термочувствительного элемента обеспечивают достижение достаточно высокой точности измерения критической температуры среды за счет надежного предотвращения обратного хода сердечника, что сводит к минимуму погрешность измерений.

Возможность промышленного использования предлагаемого устройства подтверждается следующим примером.

Пример.

Предлагаемое устройство реализовано в виде опытного образца, элементы которого изображены на фиг.1.

В условиях данного примера корпус датчика (1) выполнен в виде полого цилиндра из немагнитного материала - латуни марки ЛО 62-1 (ГОСТ 15527-70) для предотвращения замыкания магнитного потока через указанный корпус.

В корпусе установлена в качестве исполнительного механизма катушка индуктивности (6), содержащая каркас (15), выполненный также из немагнитного материала - из алюминиевого сплава марки Д16 (ГОСТ 4784-74), на котором размещен провод ПЭВ 0,07 (ГОСТ 7262-78), число витков провода - 900.

Катушка также содержит усилитель (13) а виде магнитопровода из магнитомягкой стали марки 08кп (ГОСТ 1050-88), что обеспечивает работоспособность катушки. Катушка взаимодействует с сердечником (5), выполненным из стали 08кп (ГОСТ 1050-88).

В начальный момент работы датчика при замкнутой магнитной цепи магнитопровода (13) и сердечника (5) индуктивность катушки, замеренная измерителем HRC 3050 на несущей частоте 100 Гц, равна 005 Гн.

В корпусе коаксиально исполнительному механизму установлен термочувствительный элемент (7), выполненный из фторопласта марки Ф4.

Минимизация несанкционированного теплового расширения термочувствительного элемента (7), а следовательно, и тепловой инерции датчика обеспечивается тем, что последний без зазора установлен между ограничительным элементом (4), выполненным из стали марки 30Х13 (ГОСТ 5632-72), корпусом (1) и передаточной пластиной (8), выполненной из стали марки 30Х13 и сердечником (5).

Ограничительный элемент (4) жестко зафиксирован относительно корпуса (1) элементом фиксации (3) в виде штифта.

Стопорный механизм содержит конический элемент (11), упругий элемент (9), шарики (14), которые подпружинены относительно передаточной пластины (8), и служит для фикции сердечника в положении, соответствующем измеренной температуре.

Перемещение термочувствительного элемента на конечную позицию, соответствующую критической температуре аварийного состояния среды, передается на исполнительный механизм датчика 10 (катушку индуктивности), изменение показателя магнитного потока которой трансформируется в измерительный сигнал и передается на регистрирующий прибор.

Экспериментальная проверка опытного образца датчика показала, что зависимость индуктивности катушки датчика от изменения температуры измеряемой среды (фиг.2) имеет вид крутой ветви параболы, обращенной вниз, что является свидетельством высокой чувствительности предлагаемого датчика температуры, на чем основана более высокая точность определения фактической температуры критического состояния среды.

Таким образом, в заявленном устройстве обеспечены более высокая точность измерений и возможность определения фактической температуры критического состояния измеряемой среды в диапазоне температур от +40^oC до +270^oC.

Формула изобретения

1. Датчик температуры, содержащий корпус и размещенные в нем термочувствительный элемент, элемент памяти, исполнительный механизм, отличающийся тем, что термочувствительный элемент выполнен в виде полой цилиндрической детали из расширяющегося при температурах внутри измеряемого диапазона значений полимера, которая установлена коаксиально исполнительному механизму, выполненному в виде катушки индуктивности с усилителем, сердечник которой выполнен подвижным и взаимодействующим с термочувствительным элементом с возможностью поступательного перемещения внутри полости последнего совместно с передаточной пластиной, которая жестко зафиксирована на торце сердечника, противоположном катушке индуктивности, и с элементом памяти, выполненным в виде усеченного конуса, который имеет в полости меньшего основания, обращенного к термочувствительному элементу, шариковый фиксатор в качестве стопорного механизма, подпружиненный упругим элементом относительно передаточной пластины, при этом основание термочувствительного элемента, обращенное к исполнительному механизму, жестко зафиксировано на неподвижном ограничительном элементе, а элемент памяти - на передаточной пластине.

2. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что термочувствительный элемент выполнен из фторопласта.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2