Устройство для изготовления микротермопар



Устройство для изготовления микротермопар
Устройство для изготовления микротермопар
Устройство для изготовления микротермопар

Владельцы патента RU 2660323:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" (RU)

Изобретение относится к устройствам для изготовления микротермопар с рабочим спаем, образованным сваркой встык, и может быть использовано для оперативного изготовления в лабораторных условиях единичных или мелкосерийных партий микротермопар различного типа из проволоки с диаметрами от 200 мк и менее при подготовке и проведении теплофизических и тепловых испытаний в условиях быстропротекающих процессов теплообмена при значительных градиентах температуры, характерных для конструкций аэрокосмической техники, ядерной энергетики и металлургии. Устройство обеспечивает точное осевое сведение свариваемых концов проволок под визуальным контролем бинокулярного микроскопа и увеличивающей цифровой камеры, подсоединенной к монитору, и содержит электронный блок для формирования и выдачи регулируемого по форме, амплитуде и длительности сварочного импульса. Технический результат - повышение качества спая и оперативности изготовления в лабораторных условиях микротермопар различного типа из проволок различного диаметра. 4 ил.

 

Изобретение относится к устройствам для изготовления термоэлектрических преобразователей, а именно термопар с рабочим спаем, образованным сваркой встык и может быть использовано при изготовлении микротермопар различного типа из проволок с диаметром менее 200 мк.

При исследовании теплофизических характеристик конструкционных, теплозащитных и теплоизоляционных материалов, а также тепловых режимов конструкций на их основе в условиях высокоинтенсивного динамического нагрева, характерного для материалов и конструкций, используемых в аэрокосмической технике, ядерной энергетике и металлургии для измерения температур широко используются термопары различного типа. Термопары размещаются на поверхности и/или внутри образцов исследуемых материалов и элементов конструкций. При использовании современных нестационарных методов определения теплофизических свойств материалов и диагностики тепловых режимов конструкций в широком диапазоне температур и темпов нагрева, например методов, основанных на решении обратных задач теплообмена (Алифанов О.М. Обратные задачи теплообмена, М., Машиностроение, 1988, 280 с.) важными факторами, влияющими на точность этих методов, являются искажения, вносимые термопарами, а также инерционность измерений, связанная с теплоемкостью материала термопар. Особое значение эти факторы приобретают при исследовании быстропротекающих процессов теплообмена и материалов с низкой теплопроводностью, в которых возникают значительные градиенты температур. Наши исследования показали, что в этих случаях предпочтительно использовать микротермопары с диаметром проволок 100 мк и менее (например 50 мк, или 30 мк), сваренные способом встык и с диаметром горячего спая термопары, равным диаметру проволоки, что позволяет уменьшить инерционность термопары и обеспечит минимальное искажение поля температур в месте установки термопары в исследуемом материале. Серьезной проблемой изготовления таких микротермопар является сложность работы с очень тонкой проволокой. Предлагаемое устройство позволяет изготавливать спаи микротермопар сваркой встык, и может быть использовано при изготовлении микротермопар различного типа (например Хромель-Копель, Хромель-Алюмель, Вольфрам- Рений и др.) из проволок с диаметром менее 200 мк в лабораторных условиях.

Известны различные устройства (Евтифеев Л.П. Стыковая сварка металлов в приборостроении. М, Машгиз 1963, с. 93-102) для стыковой сварки тонких проволок с диаметром 0,4 мм и более, в том числе термопарных, реализованные в виде промышленных машин и автоматических станков большой мощности и производительности.

Общими недостатками этих устройств являются их большая материалоемкость и сложность конструкции, трудоемкость переналадки и регулировки при переходе на другие материалы и диаметры проволок, сложность и нецелесообразность использования в лабораторных условиях при изготовлении небольшого количества различных термопар, невозможность сварки очень тонких проволок с диаметром менее 200 мк с обеспечением стабильного качества и требуемого диаметра горячего спая.

Известно устройство для контактной стыковой сварки SU 1107980 для сварки проволоки или прутков. В нем отсутствуют возможности для высокоточной соосной установки свариваемых проволок малого диаметра, сварка осуществляется путем смещения одного из зажимов на заданную длину, что приводит к утолщению места сварки с необходимостью последующей зачистки образовавшегося грата.

Известна машина для контактной стыковой сварки проволок сопротивлением SU 1673342. В нем тоже отсутствует возможность точной установки проволок (точно устанавливаются только зажимы), сварка также осуществляется путем осадки подвижного зажима под действием пружины на заданную величину и требует последующей зачистки. Машина отличается очень большой сложностью, большим количеством ручного труда, сложностью перенастройки под разные диаметры проволок.

Близким по техническому решению для достижения минимальной тепловой инерции термопар с одновременным повышением чувствительности является способ изготовления микротермопар RU №2539993. В нем берутся проволоки диаметром 0,3 мм, концы их сплющиваются проковкой до толщины ~ 10 мк, затем полоски свариваются точечной сваркой. Недостатками этого способа являются значительные затраты ручного труда, нестабильность получаемых размеров, излишне большая площадь чувствительного элемента, сечение отводящих проводов в 36 раз превышает по площади проволоку диаметром 50 мк. В то же время очень высокое входное сопротивление современных измерительных приборов не требует повышенной мощности источника сигнала, т.е. увеличенной площади места контакта, так как приборы измеряют соответствующий температуре потенциал, а не судят о ней по измеренному току.

Способ и устройство сварки проволок, принятые в качестве прототипа - патент RU 2544327. Устройство позволяет осуществлять сварку проволок с образованием сварного соединения, не выходящего за пределы поперечного сечения свариваемых проволок. Указанный результат достигается за счет использования лазерного источника для подачи энергии в ограниченную область, размеры которой, по существу, не выходят за радиальное поперечное сечение подлежащих сварке проволок. Сами проволоки подаются к месту сварки в прецизионных уравнительных стеклокерамических трубочках, обеспечивающих соосное сведение проволок разного диаметра при замене трубочек, которые потом удаляются разрушением после сварки. Проволоки выступают из трубочек в месте сварки на незначительную длину, обеспечивая практически незаметное увеличение размера места сварки при сведении трубочек после воздействия сварочного импульса. Диаметр проволок лежит в диапазоне от 2 до 0,5 мм и менее.

Достоинством способа и устройства является отсутствие утолщения места сварки проволок, однако это достигается путем использования достаточно мощного и дорогостоящего лазерного источника, способного разогреть до плавления место сварки за тысячные доли секунды. Использование лазера требует точного наведения узкого луча на место сварки. Желательно использование обычного электрического сварочного импульса с подачей тока к месту сварки и не требующего наведения, но так, чтобы он разогревал до плавления ограниченную область в месте контакта проволок.

К недостаткам устройства следует также отнести способ приведения в соосное состояние проволок с использованием разрушаемых потом прецизионных трубочек. В данном устройстве необходимо ввести проволоки в трубочки, трубочки в зажимные устройства, одно из которых выполнено подвижным. Проволоки в трубочках и трубочки в зажимах необходимо закреплять. Во всех подвижных соединениях обязательно имеется люфт, снижающий точность сведения проволок.

Целью предлагаемого изобретения является создание лабораторного устройства для надежного получения стабильных размеров микротермопар без утолщения места сварки с диаметром проволок менее 200 мк, например 100 мк, 50 мк и менее и повышающего производительность процесса изготовления при сварке термопар встык с помощью электрического импульса. При сварке проволок диаметром в десятки микрон требуется их сведение в соосное состояние с точностью в единицы микрон. Для сварки в лабораторных условиях ограниченных партий различных микротермопар требуется быстрый переход на другие диаметры проволок.

Указанная цель достигается с помощью устройства, содержащего узел точного без люфтов сведения до контакта термопарных проволок в соосное положение по двум направлениям: горизонтальном и вертикальном с использованием оптического бинокулярного микроскопа и цифровой увеличивающей видеокамеры и содержит специальный электронный блок для воспроизведения сварочного импульса нужной амплитуды, формы и длительности от конденсаторного накопителя энергии с ограничением места нагрева непосредственно местом контакта проволок.

Заявленное изобретение поясняется следующими чертежами и фото. На фиг. 1 показано устройство, вид сбоку, на фиг. 2 - вид сверху, на фиг. 3 - схема электронного блока, на фиг. 4 - фото сваренных проволок.

Предлагаемое устройство (фиг. 1 и 2) содержит зажимные приспособления 1 и 2 с медными губками для термопарных проволок 3, расположенные оппозитно, установленные на основании 4 из диэлектрического материала, приспособление 1 закреплено на упругой пластине 5, расположенной на основании вертикально и перпендикулярно к зажимной плоскости губок и закрепленной на нем, другое, регулируемое приспособление 2 закреплено на пластине 6, параллельной основанию, установленной на ввернутые в основание три шпильки 7 с пружинами 8 и закрепленной сверху маховичками 9 на шпильках, две из шпилек ввернуты в основание параллельно упругой пластине, третья шпилька смещена от них в сторону от приспособления и расположена в зажимной плоскости губок. Над приспособлениями расположен объектив бинокулярного микроскопа 10, сбоку от них - объектив цифровой увеличивающей видеокамеры 11, подсоединенной к монитору, их достаточное увеличение несколько десятков раз. На место контакта проволок направлено сопло 12 для подачи нейтрального газа. Каждое зажимное приспособление электрически соединено с выходами электронного блока, схема которого приведена на фиг. 3. Он содержит источник питания постоянного тока 14, подающий плюс напряжения на приспособление 1 и через переключатель 14 на конденсаторные накопители энергии 15 (показаны два для двух типов проволок, например, 100 мк и 50 мк), приспособление 2 соединено с нулем питания через включатель 16 на полевом транзисторе, соединенном с выходом микросхемы-таймера 17, снабженной регулятором длительности сварочного импульса на RC-цепочке с переменным резистором 18, постоянным 19 и конденсатором 20, сигнал на запуск таймера соединен кнопкой 21 с плюсом питания, для развязки питания таймера от силовой части при подаче импульса использован диод 22 с конденсатором 23, для защиты источника питания 13 от броска тока зарядки конденсаторов при его включении установлен резистор 24. В схеме использован полевой транзистор IRF44N и микросхема-таймер NE555, отечественный аналог КР1006 ВИ1.

На фиг. 4 приведены фото термопар при сварке проволок диаметром 100 мк и 50 мк без утолщения места сварки.

Использование устройства осуществляется следующим образом. С помощью маховичка третьей шпильки регулируемое зажимное приспособление 2 устанавливается так, чтобы между губками было расстояние порядка 0,5-1,5 мм. Проволоки обрезаются так, чтобы плоскость среза была возможно более перпендикулярна оси проволоки. С помощью видеокамеры 11 одна из проволок зажимается между губками так, чтобы она была зажата немного ниже верхнего края губок и выступала из них горизонтально на, примерно, 2-3 диаметра проволоки, аналогично в другом приспособлении закрепляется вторая проволока. Далее с помощью оптического микроскопа 10 для перемещения проволоки в регулируемом приспособлении по горизонтали и видеокамеры 11 для перемещения по вертикали с использованием маховичков 9, выступающие части проволок выставляются соосно при сведении проволок до контакта нажатием на приспособление 1 с упругой пластиной 5. Проволоки можно слегка постучать друг о друга для смятия возможных заусенцев от обрезки, при указанном выше выступании сами проволоки при этом не сминаются. Далее легким нажатием на приспособление 1 проволоки сводятся до соприкосновения и нажатием кнопки 21 на место контакта подается от подключенного конденсатора 15 сварочный импульс нужной длительности, регулируемой в широких пределах с помощью таймера 17. Необходимая емкость конденсатора 15 и длительность импульса для конкретного диаметра и типа проволок определяется опытным путем, прочность сварки при отладке можно проверить, отжимая приспособление 1 на упругой пластине. Оптимальные условия для сварки реализуются при падении напряжения на конденсаторе в течение импульса примерно до двух и более раз. Например при напряжении питания 16 В для сварки ХА термопар из проволок 50 мк длительность составляет приблизительно 5 мсек при емкости конденсатора 10 мкф. При малых длительностях утолщение места сварки - королек отсутствует, увеличивая длительность, можно при необходимости получать королек в месте сварки. При сварке место контакта проволок может обдуваться струйкой нейтрального газа.

В указанной схеме использованы конденсаторы, воспроизводящие сварочный импульс со спадающей характеристикой, что способствует защите места сварки от разрушения, они также позволяют использовать маломощный источник питания, его достаточное напряжение (5-16 В) соответствует диапазону питания микросхемы-таймера. В качестве источника питания может быть использован маломощный адаптер для зарядки миниаккумуляторов с регулировкой выходного напряжения в указанных пределах, что позволяет изменять также амплитуду сварочного импульса. Полевой транзистор пропускает импульс тока до десятков ампер с минимальной потерей напряжения на нем. Плотный тепловой контакт проволок в медных губках рядом с местом сварки позволяет локализовать место нагрева в ограниченной области и получать место сварки проволок, не выходящее за их диаметр. Узел сведения проволок с использованием упругой пластины позволяет полностью устранить люфты при сведении. При замене диаметра проволок достаточно только переключателем подключить соответствующий конденсатор с требуемыми установками по параметрам импульса.

Таким образом, создано простое устройство, позволяющее получать стабильные размеры различных микротермопар при сварке встык без утолщения места сварки с минимальным участием ручного труда и затратой времени.

Устройство для сварки микротермопар с диаметром проволок 200 мк и менее встык, содержащее два расположенных оппозитно зажимных приспособления с медными губками для проволок, установленные на диэлектрическом основании, узел сведения проволок до контакта, электронный блок для формирования сварочного импульса и сопло для подачи защитного газа, отличающееся тем, что одно зажимное приспособление закреплено на упругой пластине, расположенной на основании вертикально и перпендикулярно к зажимной плоскости губок и закрепленной на нем, другое, регулируемое, закреплено на пластине, параллельной основанию и установленной на ввернутые в основание три шпильки с пружинами, и закрепленной сверху регулировочными маховичками, две из шпилек ввернуты в основание параллельно упругой пластине, третья смещена от них в сторону от зажимного приспособления и расположена в зажимной плоскости губок, над зажимными приспособлениями расположен оптический бинокулярный микроскоп, сбоку от них - цифровая увеличивающая видеокамера, подсоединенная к монитору, каждое зажимное приспособление электрически соединено с выходами электронного блока, который содержит источник постоянного тока для питания электронной схемы и зарядки конденсаторного накопителя энергии, соединенного переключателем с плюсом напряжения для подачи на одно приспособление, второе соединено с нулем питания через включатель, представленный полевым транзистором, который соединен с выходом микросхемы-таймера, снабженной регулятором длительности, запускающий вход таймера соединен кнопкой с плюсом питания, регулирующий длительность импульса вход таймера снабжен RC цепочкой с переменным резистором.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области оптико-физических измерений и касается способа неразрушающего контроля качества теплового контакта термоэлектрического модуля. Контроль осуществляется путем определения наличия/отсутствия воздушных полостей в его структуре методом спектроскопической эллипсометрии.

Изобретение относится к области полупроводниковых материалов с модифицированными электрическими свойствами. Способ получения низкотемпературного термоэлетрика на основе сплава Bi88Sb12 с добавками гадолиния включает помещение навески сплава Bi88Sb12 и металлического гадолиния в количестве 0,01-0,1 ат.% в стеклянную ампулу, из которой откачивают воздух до 10-3 мм рт.

Использование: для получения термоэлектрического элемента. Сущность изобретения заключается в том, что множество ветвей термоэлемента, изготовленных из активного материала с термоэлектрической активностью, вводят в, по сути, плоскую подложку, изготовленную из электро- и термоизоляционного материала подложки, таким образом, что ветви термоэлемента проходят через подложку, по сути, перпендикулярно плоскости подложки, и при котором активный материал заранее подготавливают в порошкообразной форме, прессуют с получением неспеченных заготовок и затем спекают внутри подложки с получением ветвей термоэлемента.

Изобретение относится к области термоэлектрического преобразования энергии. Сущность: формируют отдельные сегменты из низко-, средне- и высокотемпературных термоэлектрических материалов и соединяют их между собой.

Изобретение относится к способу изготовления термоэлектрического конструктивного элемента и термоэлектрическому конструктивному элементу (1). Термоэлектрический конструктивный элемент (1) имеет по меньшей мере одно покрытое термоэлектрическим материалом (3) волокно (4).

Изобретение относится к области термоэлектричества, а именно к технологии изготовления конструктивных элементов для термоэлектрических модулей. Сущность: способ изготовления конструктивного элемента (12) для термоэлектрического модуля (15) имеет следующие шаги: а) обеспечение по меньшей мере одной нити (1), имеющей протяженность (2), б) обеспечение трубчатого приемного элемента (13), имеющего внешнюю периферическую поверхность (14), в) нанесение термоэлектрического материала (3) по меньшей мере на одну нить (1), г) наматывание по меньшей мере одной нити (1) вокруг трубчатого приемного элемента (13), так что на внешней периферической поверхности (14) образовывается по меньшей мере один кольцеобразный конструктивный элемент (12) для термоэлектрического модуля (15).

Изобретение относится к области создания термоэлектрических модулей для прямого и обратного преобразования тепловой и электрической энергии. Сущность: на диэлектрическую подложку методом сеткотрафаретной печати наносят соединительные дорожки для одноименных элементов и коммутирующие дорожки для разноименных элементов.

Изобретение относится к области термоэлектрического преобразования энергии и может быть использовано при производстве термоэлектрических составных ветвей термоэлемента, предназначенных для изготовления генераторов электроэнергии с высоким коэффициентом преобразования.

Изобретение может быть использовано в автомобильных двигателях внутреннего сгорания. Термоэлектрический генератор размещен в выпускной системе отработавших газов двигателя внутреннего сгорания.

Изобретение относится к термоэлектричеству. Технический результат: получение термоэлектрического элемента с высоким термическим сопротивлением, который требует меньше полупроводникового материала.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для одновременной регистрации температуры и взаимного предельного перемещения составных частей изделия в условиях высокой температуры.

Изобретение относится к вибрационной метрологии. Устройство для диагностики оборудования состоит из первичного и вторичного преобразователей.

Изобретение относится к области ракетной техники, а именно к устройствам обеспечения непрерывного контроля температуры заправленного окислителя в топливном баке ракеты космического назначения (РКН) «Союз-2».

Изобретение относится к области измерения температур, в частности, измерения температуры резания при точении. Исследование процессов резания предполагает измерение и фиксирование различных явлений, протекающих в технологической системе.

Изобретение относится к способу измерения температуры намотанного компонента, содержащему подачу известного постоянного тока в калибровочный провод (1) из резистивного материала; причем сопротивление калибровочного провода меняется вместе с температурой согласно известному закону; измерение разности потенциалов между зажимами (7a, 7b) упомянутого калибровочного провода; и этап вычисления, в ходе которого разность потенциалов преобразуется в среднюю температуру калибровочного провода; причем упомянутый калибровочный провод (1) намотан внутри катушки и уложен в ряд витков «Вперед» (5) и в ряд витков «Обратно» (6), объединенных попарно по существу с одинаковыми геометрической формой и местом расположения.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в обрабатывающих установках жидкости и газа. Измерительная система включает в себя модуль (930) построения фильтра, который строит фильтр верхних частот (902) для фильтрации показаний датчика, характеризующих переменную процесса.

Изобретение относится к области термометрии и может быть использовано в медицинской технике при цифровых измерениях температуры. Предложено устройство для измерения температуры, содержащее блок индикации, кнопку "Сброс" и последовательно соединенные датчик температуры и частотный преобразователь, регистр и схему сравнения сигналов, один вход которой связан с выходом регистратора, другой - с выходом регистра, а выход - с управляющим входом регистра, установочный вход которого соединен с кнопкой "Сброс".

Изобретение относится к области измерения температуры. Предложено устройство для измерения температуры, содержащее датчик теплового потока, который состоит из чувствительного элемента, в качестве которого, например, используются термоэлектрические преобразователи, контактирующие через образцовую теплопроводную пластину с нагревателем, которые размещены в теплоизоляционном корпусе.

Изобретение относится к области термометрии, где в качестве преобразователя используется полупроводниковый диод. Цифровой измеритель температуры содержит источник 1 тока, соединенный своим выходом с термопреобразователем 2 и первым входом схемы вычитания 3, выход которой через последовательно соединенные усилитель 4, генератор управляемой частоты 5 (ГУЧ) и преобразователь частоты в напряжение 6 (ПЧН) соединен со вторым входом схемы вычитания 3.

Устройство предназначено для измерения плотности потока энергии электромагнитного излучения в миллиметровом диапазоне длин волн и может быть также использовано в качестве образцового приемника для калибровки средств измерения.

Изобретение относится к области термометрии и может быть использовано для измерения температуры технологической среды. Предложен термочувствительный элемент (10), содержащий зависимый от температуры измерительный элемент (МЕ), который может контактировать через по меньшей мере одну первую соединительную линию (1) и по меньшей мере одну вторую соединительную линию (2), причем первая соединительная линия (1) содержит первый и второй участки (Т1, Т2), состоящие из различных материалов.

Изобретение относится к устройствам для изготовления микротермопар с рабочим спаем, образованным сваркой встык, и может быть использовано для оперативного изготовления в лабораторных условиях единичных или мелкосерийных партий микротермопар различного типа из проволоки с диаметрами от 200 мк и менее при подготовке и проведении теплофизических и тепловых испытаний в условиях быстропротекающих процессов теплообмена при значительных градиентах температуры, характерных для конструкций аэрокосмической техники, ядерной энергетики и металлургии. Устройство обеспечивает точное осевое сведение свариваемых концов проволок под визуальным контролем бинокулярного микроскопа и увеличивающей цифровой камеры, подсоединенной к монитору, и содержит электронный блок для формирования и выдачи регулируемого по форме, амплитуде и длительности сварочного импульса. Технический результат - повышение качества спая и оперативности изготовления в лабораторных условиях микротермопар различного типа из проволок различного диаметра. 4 ил.

Наверх