Малогабаритный нуль-термостат

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам термостатирования контрольных спаев дифференциальных термопар. Технический результат - повышение точности термостатирования контрольных спаев дифференциальных термопар и увеличение достоверности в интерпретации проведенных измерений. Для достижения данного результата нуль-термостат состоит из внешней цилиндрической камеры, выполненной из материала с высокой теплопроводностью. К верхнему основанию с внутренней стороны горячим спаем присоединен термоэлектрический модуль. Холодный спай термоэлектрического модуля находится в хорошем тепловом контакте с цилиндрической камерой, выполненной из материала с высокой теплопроводностью. Внутри камеры находится дистиллированная вода, разделенная границей раздела фаз на твердую и жидкую фазы. 3 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройством термостатирования контрольных спаев дифференциальных термопар.

В промышленности и лабораторной практике для дистанционного измерения температуры обычно используются дифференциальные металлические термопары. Как известно, дифференциальная термопара имеет так называемый контрольный спай, который должен находиться при постоянной температуре. Обычно для удобства отсчета значений измеряемой температуры контрольные спаи термопар помещают в тающий лед, имеющий температуру 0°С.

В ряде случаев применение тающего льда сопряжено с определенными эксплуатационными неудобствами. В связи с этим разработано несколько вариантов термоэлектрических нуль-термостатов, которые обеспечивают поддержание температуры на уровне 0°.

Известна конструкция нуль-термостата, автоматическое поддержание температуры внутри рабочей камеры которого осуществляется специальной схемой двухпозиционного регулирования, температурным датчиком которой является малогабаритное ртутное реле [1]. Недостатком данного устройства является то, что точность регулировки температуры зависит от точности датчика, а также сложность конструкции и электрической схемы.

Известно термоэлектрическое устройство с более высокой точностью [1]. Автоматическое поддержание температуры на уровне 0°С в этом приборе основано на изменении объема воды при ее замерзании. Это изменение объема регистрируется высокочувствительным контактным реле, включенным в схему управления, аналогичную той, что используется в предыдущем устройстве. Недостатки: сложная схема управления; сложная конструкция устройства; большие габариты.

Достаточно удачным решением является подход, при котором контрольный спай дифференциальной термопары размещается на границе раздела твердой и жидкой фазы вещества.

Малогабаритный прецизионный нуль-термостат [2], реализующий указанный подход, состоит из двустенной цилиндрической камеры, внутренний объем которой заполнен дистиллированной водой. Термоэлектрический модуль, закрепленный холодным спаем к верхнему основанию камеры и подводящий тепло от горячего спая посредством тепловода к нижнему основанию, используется для образования твердой и жидкой фаз воды и их границы раздела во внутреннем объеме. Подвод контрольного спая дифференциальной термопары к границе раздела твердой и жидкой фаз осуществляется с помощью поплавковой конструкции.

Недостатком конструкции является сложность в определении и индикации текущего положения границы раздела фаз, что может привести к неверной интерпретации результатов проведенных измерений при полном проплавлении твердой фазы или полном промерзании жидкой фазы рабочего вещества.

Целью изобретения является устранение вышеуказанных недостатков. Для достижения указанной цели предлагается прецизионный малогабаритный нуль-термостат, конструкция которого приведена на фиг.1. Устройство состоит из внешней цилиндрической камеры 1, выполненной из материала с высокой теплопроводностью, к верхнему основанию которой с внутренней стороны горячим спаем присоединен термоэлектрический модуль 2. Холодный спай термоэлектрического модуля 2 находится в хорошем тепловом контакте с внутренней цилиндрической камерой 3, выполненной из материала с высокой теплопроводностью, у которой боковая стенка обладает эластичностью за счет небольшой толщины. Внутри камеры 3 находится дистиллированная вода 4, разделенная границей раздела фаз 5 на твердую и жидкую фазы, где в жидкой фазе свободно плавает кольцеобразный поплавок 6, внешняя поверхность которого изготовлена из материала, не смачиваемого водой, а внутренний объем заполнен материалом с высокой магнитной проводимостью. В центре поплавка расположен контрольный спай дифференциальной термопары 7, который необходимо выдерживать при температуре 0°С. Выводы контрольного спая термопары 7 через специальное уплотнение 8 выведены наружу из устройства. Крепление контрольного спая термопары 7 в центре поплавка 6 осуществляется посредством двух тонких капроновых ниток 9, закрепленных своими концами на самом поплавке и пересекающихся в его центре (фиг.2). Катушка индуктивности 10 закреплена на боковой стенке внутренней цилиндрической камеры 3 с одной стороны, с противоположной стороны установлена катушка индуктивности 11 с боковыми отводами а, с и центральным отводом b. Выводы катушки 10 подключены к выходу задающего генератора ЗГ, а выводы с катушки 11 подсоединены ко входам измерительного модуля ИМ, который связан с устройством индикации УИ (фиг.3).

Принцип работы предлагаемого термоэлектрического нуль-термостата следующий. При включении питания термоэлектрического модуля 2 начинается процесс замерзания воды в тонкостенной цилиндрической камере 3 и образуется граница раздела фаз 5 замерзшей и не замерзшей воды. Выталкивающая сила, действующая на поплавок 6, прижимает последний к границе раздела фаз 5, в результате чего поплавок находится в зоне замерзания (таяния) воды (т.е. при 0°С). Тепловая энергия, выделяемая на горячем спае термоэлектрического модуля 2, через стенки внешней цилиндрической камеры 1 передается на нижнее основание тонкостенной цилиндрической камеры 3. В результате работы термоэлектрического модуля происходит нагрев воды 4 в камере 3 с одной стороны (снизу) и охлаждение с другой стороны (сверху). Вследствие этого в камере 3 постоянно присутствует граница раздела фаз 5, и контрольный спай 7 дифференциальной термопары постоянно находится при температуре таяния льда, т.е. 0°С. Увеличение объема дистиллированной воды 4 в результате фазового перехода компенсируется упругими стенками камеры 3.

Задающий генератор ЗГ формирует синусоидальный сигнал с частотой, значительно превышающей значение верхней граничной частоты полосы пропускания используемого устройства измерения температуры. При этом через катушку 10 протекает ток и создается магнитный поток, пересекающий витки катушки 11, частота изменения которого совпадает с частотой выходного сигнала с задающего генератора ЗГ. Поплавок 6, внутренний объем которого изготовлен из материала с высокой магнитной проводимостью, используется в качестве подвижного сердечника между катушками 10 и 11 таким образом, что они вместе образуют трансформатор. При этом каждое возможное положение поплавка во внутреннем объеме однозначно соответствует определенному значению напряжений, измеряемому с помощью ИМ между выводами а-b и b-с катушки индуктивности 11. Подобным образом регистрируется текущее положение поплавка, а значит и границы раздела фаз во внутреннем объеме цилиндрической камеры 3. Отображение текущего положения границы раздела фаз производится с помощью УИ.

Данное устройство просто в изготовлении, надежно в работе и обеспечивает высокую точность поддержания температуры. Использование системы измерения текущего положения границы раздела фаз позволяет снизить вероятность неверной интерпретации результатов проводимых измерений. Так как устройство имеет малые габариты и недорого в изготовлении, то может производиться серийно, вместе с дифференциальными термопарами, откалиброванными непосредственно на предприятии-изготовителе.

ЛИТЕРАТУРА

1. Коленко Е.А. Термоэлектрические охлаждающие приборы. Москва-Ленинград. Издательство Академии наук СССР. 1963 г., стр.135.

2. Патент РФ №2215270. Исмаилов Т.А., Аминов Г.И., Евдулов О.В., Юсуфов Ш.А. "Прецизионный малогабаритный нуль-термостат".

Малогабаритный нуль-термостат, содержащий емкость, заполненную тающим льдом, приведенную в тепловой контакт с холодным спаем термоэлектрического модуля, горячим спаем сопряженного с радиатором, с емкостью, представляющей собой цилиндрическую камеру, выполненную из материала с высокой теплопроводностью, внутри которой находится дистиллированная вода, разделенная границей раздела фаз на твердую и жидкую фазы, где в жидкой фазе находится кольцеобразный поплавок, изготовленный из материала, имеющего плотность, меньшую, чем плотность воды, и не смачиваемого ею, в центре которого расположен контрольный спай дифференциальной термопары, крепление которого осуществляется посредством тонких капроновых ниток, закрепленных своими концами на самом поплавке, при этом контрольный спай дифференциальной термопары вследствие выталкивающей силы, действующей на поплавок, постоянно находится в зоне замерзания (таяния) льда, а термоэлектрический модуль холодным спаем приведен в тепловой контакт с верхним основанием цилиндрической камеры, причем радиатор представляет собой внешнюю цилиндрическую камеру из материала с высокой теплопроводностью, контактирующую своим нижним основанием с нижним основанием цилиндрической камеры с тающим льдом, отличающийся тем, что на внешней стенке внутренней цилиндрической камеры устанавливаются две катушки индуктивности таким образом, что магнитный поток от первой из них пересекает витки второй катушки, при этом вместе с поплавком, внутренний объем которого выполнен из материала с высокой магнитной проводимостью, они образуют трансформатор, первичная обмотка которого подключается к задающему генератору, а выводы со вторичной обмотки подсоединены к измерительному модулю, связанному с устройством индикации.