Малогабаритный нуль-термостат с регулируемым тепловым потоком

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам термостатирования контрольных спаев дифференциальных термопар. 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. В жидкой фазе свободно плавает кольцеобразный поплавок с поверхностью, изготовленной из материала, не смачиваемого водой. В центре поплавка расположен контрольный спай дифференциальной термопары, который необходимо выдерживать при температуре 0°С. Крепление контрольного спая термопары в центре поплавка осуществляется посредством двух тонких капроновых ниток. Количество теплоты, подводимой к нижнему основанию цилиндрической камеры, регулируется посредством действия вентилятора с изменяемой скоростью вращения, закрепленного к верхнему основанию внешней цилиндрической камеры, что позволяет поддерживать положение границы раздела фаз на заданном уровне. Технический результат: повышение точности термостатирования контрольных спаев дифференциальных термопар, увеличение срока непрерывной эксплуатации. 2 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам 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°С.

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 зависимость положения границы раздела фаз от точности конструктивного исполнения устройства, температуры, влажности и других параметров окружающей среды, что способствует смещению со временем границы раздела фаз за допустимые пределы и приводит к ограничению срока непрерывной эксплуатации нуль-термостата в связи с полным замораживанием/расплавлением рабочего вещества (дистиллированной воды) во внутреннем объеме цилиндрической камеры.

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, поверхность которого изготовлена из материала, не смачиваемого водой. 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). Вентилятор 10 крепится к верхнему основанию внешней цилиндрической камеры.

При включении питания термоэлектрического модуля 2 начинается процесс замерзания воды в тонкостенной цилиндрической камере 3 и образуется граница раздела фаз 5 замерзшей и незамерзшей 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.

Количество теплоты, подводимой к нижнему основанию цилиндрической камеры регулируется посредством действия вентилятора 10 с изменяемой скоростью вращения. Скорость вращения вентилятора 10 рассчитывается таким образом, чтобы при температуре окружающей среды +25°С граница раздела фаз 5 находилась в геометрическом центре внутренней цилиндрической камеры 3. При смещении границы раздела фаз 5 вдоль вертикальной оси, вызванном изменением параметров окружающей среды, изменяется скорость вращения вентилятора 10, что приводит к изменению количества теплоты, подводимой к нижнему основанию внутренней цилиндрической камеры 3 таким образом, чтобы положение границы раздела фаз 5 оставалось неизменным.

Данное устройство просто в изготовлении, надежно в работе и обеспечивает высокую точность поддержания температуры. Устройство имеет малые габариты и не дорого в изготовлении, может производиться серийно, вместе с дифференциальными термопарами, откалиброванными непосредственно на предприятии-изготовителе.

Источники информации

1. Коленко Е.А. Термоэлектрические охлаждающие приборы. М.-Л.: 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 с регулируемым тепловым потоком, 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 верхнем основании внешней цилиндрической камеры закреплен вентилятор, таким образом, что изменение скорости его вращения изменяет количество теплоты, подводимой к нижнему основанию внутренней цилиндрической камеры, таким образом, чтобы количество теплоты, подводимое к нижнему основанию внутренней цилиндрической камеры, оставалось неизменным.