Датчик температуры

 

Изобретение относится к термометрии и может быть использовано для измерения температуры расплавленных металлов. Целью изобретения является сокращение времени измерения за счет исключения этапа иррегулярного режима изменения выходного сигнала. Датчик содержит заключенный в корпус полый цилиндр 2 из термостойкого электроизолятора с осесимметричной цилиндрической полостью, снабженный с обоих торцов термоизолирующими заглушками 3 и 4, и термочувствительный элемент, выполненный, например, в виде сопрягаемых слоев 5 и 6 термоэлектродных материалов и размещенный в теле полого цилиндра 2 на заданном расстоянии от оси симметрии датчика. Конструкция датчика дает возможность использовать для процесса его нагрева одномерную RC-модель, что позволяет рассчитать по известным параметрам радиус регулярной поверхности нагрева, в точках которой с начального момента воздействия теплового возмущения осуществляется регулярный режим изменения температуры. Размещение термочувствительного элемента на этой поверхности способствует изменению выходного сигнала датчика по регуляторному закону непосредственно с момента помещения его в исследуемую среду, что позволяет сократить время, необходимое для определения ее температуры. 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„„SU„„15414 (51) 5 G 01 К 13/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4290644/24-10 (22) 23.06.87 (46) 07.02.90. Бюл. - 5 (71) Конструкторское бюро "111торм" при Киевском политехническом институте им. 50-летия Великой Октябрьской социалистической революции (72) Л.Н.Стронский, А.В.Сапрун и И.Л.Спивак (53) 536.53(088.8) (56) Сосновский А.Г., Столяров Н.И.

Измерение температуры. — M. 1970, с. 244-247.

Заводская лаборатория, 1960, т, 26, Р 6, с. 733 736.

2, (54) ДАТЧИК ТЕКПЕРАТУРЫ (57) Изобретение относится к термометрии и может быть использовано для измерения температуры расплавленных металлов. Целью изобретения является сокращение времени измерения за счет исключения этапа иррегулярного оежима изменения выходного сигнала. Датчик содержит заключенный в корпус полый цилиндр 2 из термостойкого электроизолятора с осесимметричной цилиндрической полостью, снабженный с обоих торцов термоизолирующими заглушками 3 и 4, и термочувствительный элемент, выполненный, например, в виде сопрягаемых слоев 5 и 6 термоэлект1541485

10 родных материалов и размещенный в теле полого цилиндра 2 на заданном расстоянии от оси симметрии датчика.

Конструкция датчика дает возможность использовать для процесса его нагрева одномерную RC-модель, что позволяет рассчитать по известным параметрам радиус регулярной поверхности нагрева, в точках которой с начального момента воздействия теплового

Изобретение относится к термометрии и может быть использовано, в частности, для измерения температуры расплавленных металлов.

Целью изобретения является сокра- 20 щение времени измерения за счет исключения этапа иррегулярного режима изменения выходного сигнала.

На фиг. 1 показана конструкция датчика; на фиг. 2 — RC-модель схемы замещения конструкции датчика для измерения температуры; на фиг.3— двухъемкостная RC-модель датчика, используемая для определения координат регулярной поверхности. 30

Датчик содержит защитный корпус

1, имеющий цилиндрическую форму.

Внутри корпуса 1 расположен термостойкий электроизолятор 2, выполненный, например, из керамики, При этом материалы корпуса 1 и электроизолятора 2 подбирают таким-образом, чтобы их коэффициенты линейного расширения были примерно одинаковыми.

Между корпусом 1 и электроизолятором 40

2 имеется плотная посадка, т.е, без воздушного зазора между ними. Внутри тела электроизолятора 2 с центральным воздушным каналом радиуса

rc, установлен термочувствительный 45 элемент, координаты которого совпадают с координатами регулярной поверхности устройства. Термочувствительный элемент может быть выполнен, например, в виде тонкостенного полого цилиндра, коаксиально установленного вдоль продольной оси корпуса 1. С торцов термочувствительный элемент закрыт теплоизолирующими заглушками

3 и 4, изготовленными из материала с высоким термическим сопротивлением„ например из фторопласта, стекловолокна и т.д., чтобы исключить внешний подвод тепла к термочувствительвозмущения осуществляется регулярный режим изменения температуры. Размещение термочувствительного элемента на этой поверхности способствует изменению выходного сигнала датчика по регулярному закону непосредственно с. момента помещения его в исследуемую среду, что позволяет сократить время, необходимое для определения ее температуры. 3 ил. ному элементу по его торцам. Благодаря заглушкам 3 и 4 удается уменьшить влияние концевых эффектов на конфигурацию регулярной поверхности.

Согласно другому варианту датчика термочувствительный элемент может быть изготовлен путем запрессовывания одного в другой двух полых цилиндров электроизолятора 2, на сопрягаемые поверхности которых предварительно напыляют слой различных термоэлектродных материалов 5 и 6 (на пример, хромель и капель). Термоэлектродные слои-5 и б соединяют между собой диффузионной сваркой под большим давлением либо в результате термообработки, Возможна другая технология изготовления термочувствительного элемента: на внешнюю поверхность полоrо цилиндрического элемента, изготовленного из керамики, напыляют сначала один, а затем другой термоэлектродный (термопарный материал), На изготовленный таким образом термочувствительный элемент накладывают половинки наружного керамического элемента с последующим прижимом. Такую сборку запрессовывают в защитный корпус 1, проложив предварительно по торцам теплоизолирующие заглушки

3 и 4. Сверху KQDIIvc 1 закрывают крышкой с отверстиями для вывода компенсационных проводов.

В случае термометра сопротивления термочувствительный элемент изготавливают путем навивки терморезисторной проволоки на электроизоляционный стержень нужного диаметра.

Диаметр навивки подбирают так, чтобы он совпадал с диаметром регулярной поверхности устройства.

Защитный корпус 1 обычно изготавливают из металла. Для высокотемпературных измерений корпус 1 может

1541485 с,„(С) =t, >(1-е ") .

С, -С, +с(а+С43 ° быть выполнен из плавленого кварца.

В случае использования термоэлектрического термочувствительного элемента он связан с вторичным прибором с помощью компенсационных проводов, 5 электрически подключенных соответственно каждый к своему термоэлектроду.

По мере протекания переходного теплового процесса, влияние начальных условий уменьшается и повышается степень регуляризации переходного процесса. При этом в каждой точке объекта переходный процесс нагрева асимптотически приближается к регулярному, характеризующемуся постоянством относительной скорости нагрева, т.е. постоянным темпом, называемым регулярным. В то же время в любом реальном объекте существует регу- 20 лярная поверхность, точки которой характеризуются отсутствием иррегулярного компонента переходного процесса, т.е. с начального момента воз-. действия теплового возмущения они 25 осуществляют регулярный режим последнего. С удалением точек объекта от регулярной поверхности влияние иррегулярных компонентов на:их переходные процессы растет. 30

Процесс нагрева, вызванный скачкообразным воздействием единичного теплового возмущения. (например, при помещении устройства в измеряемую среду), можно представить в общем виде суммой отдельных экспоненциальных компонентов регулярной и иррегулярных составляющих. Регулярная составляю-. щая описывается экспонентной, коэф- 40 фициент показателя которой представляет темп Р< регулярного переходного процесса и отсчет которой сдвинут во времени на значение с по отношению к моменту скачкообразного изменения 45 возмущения. Математическая форма записи регулярного компонента в общем виде имеет вид:

50 где t<, — ожидаемая установившаяся температура по окончании переходного процесса(ермодинамический напор в момент приложения теплового возмущения); (ь ) — текущее значение температуры при нагреве; — время.

Если с самого начала имеет место регулярный режим переходного процесса, то указанный сдвиг ь, равен нулю, что соответствует А,,= -1. Таким образом, для регулярной поверхности указанное выражение имеет вид:

Для цилиндрического объекта, к которому приближается реальный термометр в кожухе, при внешнем тепло-обмене по образующей корпуса регулярная поверхность представляет собой цилиндр, расположенный внутри тела.

Таким образом, для того, чтобы исключить влияние иррегулярных составляющих переходного процесса, термочувствительный элемент (например, рабочий спай термоэлектродов — для термопары, или проволочную навивку — для термометра сопротивления) следует располагать на регулярной поверхности. Геометрическое место точек, образующих регулярную поверхность устройства для измерения температуры, имеющего форму цилиндра, можно определить на основе RC-моделирования тепловых процессов. Определим координаты регулярной поверхности (цилиндра) датчика для измерения температуры с помощью двухъемкостной RC-модели (что позволит существенно упростить математические выкладки при одновременном обеспечении достаточной точности вычисления). Для этого на сечении половины датчика обозначим координаты (радиусы) составных элементов, необходимые при синтезе RC-модели:

00 — геометрическая ось симметрии датчика;

0 0 — образующая цилиндрической поверхности с условно сосредоточенной теплоемкостью С, .определяемой как сумма теплоемкостей отдельных элементов с,=c«+C«+c, +C«+c ;

0 0 — образующая цилиндрической поверхности с условно сосредоточенной теплоемкостью С, определяемой как сумма теплоемкостей

Отдельные составляющие теплоемкостей вычисляют следующим образом:

1541485

5 к«. к<2

-«,1)» < „, С «, 2

10 Значение разом:

С<2 =Се C„(((r<-г )h,„С,.;

2 1((«22 r ) h g ° C„ -1с((г -«2)

2 м fice«ь

=С

22 22 2 (С22-(С2 +222)l; С22=12(2 расплавленного металла) к боковой наружной поверхности датчика (по длине h термочувствительного элемента); эффективное термическое сопротивление через цилиндрическую стенку соответствующих частей устройства.

R вычисляют следующим обгде h — высота цилиндра термочувствительного элемента, 2,.С2 у,с — плотности материала защитного кожуха 1 и внутренней электроизолирующей части 2;

С,„, С2 — удельные теплоемкости элементов 1 и 2.

Радиусы r определяют из условий теплоемкостной симметрии по отношению к rc:

+ « 22 — r 22 + Г с °

r = r ° Г

Э c< 21 2 2 cg

r +«2

С.»

Теплоемкость С термочувствительного элемента, состоящего из термоэлектродов 5 и 6 с теплоемкостями

Ст< и Ст2, можно принять равной:

Сz=-2 1((- — - - -)» д (-- ---) (-- — — — ) — r„+r gq+ <,Ст +С«2

2 2 2 где,, f>2 и С », С т2- плотности H удельные теплоемкости термоэлектродов 5 и 6 термочувствительного элемента соответственно;. толщина термочувствительного элемента.

Следует отметить, что ввиду малого относительного значения С„ значением теплоемкости термочувствительного элемента можно пренебречь.

Местонахождение искомой регулярной цилиндрической поверхности определяют по координате термического сопротивления Р «(йиг. 2) . Образующая регулярной цилиндрической поверхности обозначена символоА Rpc2, образующая регулярной цилиндрической поверхности обозначена символом Р .

Согласно фиг. 2 и 3 термическое сопротивление R равно: к< к к

Rg =2(<г< h..М где 0(— коэффициент теплоотдачи от вертикальной цилиндрической поверхности к окружающей среде, температура которой измеряется.

Аналогично

lп

2Л<С »

1 r<

lп —, R<

2(< с» (r

Rc=- — — — lп -

23„h rcq

rц гс<

Значение Р 2 равно бесконечности

1 так как в рассматриваемой области отсутствует связь с каким-либо температурным возмущением.

Согласно РС-модели (фиг. 3)находят сначала лапласову трансформанту температуры Г (р) в цилиндрической поверхности с координатой R, отсчитываемой от поверхности с образующей пцл2<

0 0, с последующим переходом в область оригиналов

,()=1, )tz(p)) для нахождения выражения R = (RC

40 параметров модели) и вычисления соответствующего ему значения геометрического радиуса.

Структура математической модели (1) имеет вид:

45 (2Е"

Г„()-«„() (1+A „(<, e +A «.e ), где Р<,2 = -а Ь;

1 1 1 1 1 1 1 1

a-- — 1-,— (-- + — )+ — (-- + — ) (, 50 2 с» Р» кс c2 Rg Rc

С, СqR, R<Р.

Р, к+ †(1+к/к,)

55 А С

R,(Р,-Р ) 1

А

C»R

R,+R +Р

Р +К

1541485

Аналогично составляют выражение и для коэффициента А2,.

Для выражения Rpee коэффициент А, должен быть равен — 1 (в этом случае, т.е. для регулярного процесса, Agp=

=О) . Следовательно, Rpeq находят из уравнения Л, „= -1:

1 рег+ (1+1 рег/Rg)

С

Р„(Р, -Р )

R i+Re+Re

-1

Rpez+R откуда

1 р

Р С +1/R q

Вгиду того, что для рассматриваемого случая R = сл, значение координаты Pp будет равно:

R„; — -1/Р,С,.

15

Rpez можно рассматривать как термическое сопротивление, действующее в радиальном направлении от образующей

0 0" условного сосредоточения теплоемкости С до образующей 0рее0рер> характеризующейся регулярностью переход-З0 ных тепловых процессов (фиг. 2) .Соответс твующий этой координате R рез радиус rpe образующей 0<,+pe регулярной поверхности вычисляют следующим образом:

r«rñ ехр(2Р-рог h„h) °

После подставления приведенных выше выражений, описывающих значения входящих в указанную формулу величин, и ряда алгебраических преобразований, получается окончательное выражение для определения r, вошедшее в формулу изобретения.

Допущение в отношении пренебрежения величиной теплоемкости Ст и термическим сопротивлением R (в радиальном направлении) является вполне приемлемым, поскольку упрощенная аппроксимация системы устройство — среда

RC- ìîäåëüþ второго порядка (имеющей два сосредоточенных энергонакопительных элемента с теплоемкостями С и

Cä) обусловливает некоторую приближенность искомого решения. Однако

55 это оправдано, так как позволяет существенно упростить процедуру вычислений и математические выкладки расчета. В то же время экспериментальная проверка расчета дает возможность произвести дополнительную корректировку значения г,, найденного ранее расчетным путем.

Для генераторного термочувствительного элемента (термопарного) важно только совмещение контактной поверхности с регулярной. В случае параметрического термочувствительного элемента (термометра сопротивления) измерительный сигнал находится в прямой зависимости от среднеинтегральной температуры по объему термочувствительного элемента. Если резисторная середина тела такого термочувствительного элемента совмещена с регулярной поверхностью, то отдельные его половинки располагаются симметрично по разные стороны от регулярной поверхности. Приведенньп темп переходного процесса одной половинки термочувствительного элемента несколько больше регулярного, а другой половинки — соответственно меньше регулярного, что обусловливает взаимокомпенсирующий эффект. Вследствие этого среднеинтегральный по объему нагрев термочувствительного элемента термометра сопротивления проходит в регулярном темпе.

Датчик работает следующим образом.

Датчик погружают в измеряемую среду и фиксируют временную зависимость показаний термочувствительного эле— мента при нагреве термочувствительного элемента. Благодаря установленным по торцам датчика теплоизолирующим заглушкам 3 и 4 теплообмен с измеряемой средой осуществляется только по боковой образующей цилиндрического корпуса 1. Вследствие этого весь термочувствительный элемент на- ходится на регулярной поверхности, для которой начальные условия переходного процесса не сказываются на точности определения температуры, так как в этом случае нагрев термочувствительного элемента с самого начала является регулярным. Затем устройство вынимают из измеряемой среды и по приведенным формулам регулярного режима вычисляют температуру последней.

Снабдив датчик температуры микропроцессорным контроллером, можно измерять изменяющуюся во времени температуру (т.е. отслеживать ее без ди1541485

t) с () 1 () рь

1-е

tC-ty

- - — — и т.д.

Р, ьс

1-е где 4,д> и t>< >- значения температуры измеряемой среды;

t< и t< - текушне значения температуры термочувствительного элемента.

При использовании предлагаемого датчика достаточно осуществить нагрев его при погружении в среду только в самой начальной его фазе, т.е. требуемый рабочий диапазон температур нагрева термометра существенно сужа- 25 ется. Иррегулярность переходного процесса не сказывается на точности изI (2 546)1к)/(3 к С„(r(( а„(а +а )+аз а„(а, aq 1-4а, а а а

g „С -„Я;,,у„,Ск, ) „- плотности, удельные теплоемкости и теплопроводности материалов корпуса и термостойкого электроизолятора датчика соответственно; радиус наружной стенки корпуса, h — высота термочувствительно го элемента;

45 М. — коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности датчика к измеряемой среде.

«h (ф тСст (г i г л)+1)53кСк<гi

4О

2h а =(2Ь jlк)/1п намической погрешности) с запрограммированным временным дискретом. Поскольку переходная кривая t() термочувствительного элемента описываетрЛ ся регулярным законом 1-е ", то каждое текущее значение через промежуток времени и ь можно считать началом отл счета ее изменения в последующий отрезок времени D Тогда где r« — радиус внутренней стенки корпуса;

r — радиус осесимметричной цилийдрической полости;

1 T г, 1 2

+ -р — 1п — + - 1п — — -- ——

«г и 3т гц Лк мерения температуры среды, так как температурный сигнал сразу, с момента начала нагрева, является регулярным. При этом значительно сокращается время погружения, необходимое для определения температуры среды.

Формула и з обретения

Д атчик температуры, содержащий корпус цилиндрической формы, внутри которого в тепловом контакте с ним расположен термостойкий электроизолятор, в теле которого размещен термочувствительный элемент, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью сокращения времени измерения за счет исключения этапа иррегулярного режи,ма изменения выходного сигнала, корпус датчика с обоих торцов снабжен теплоизолирующими заглушками, в электроизоляторе выполнена осесимметричная цилиндрическая полость, а термочувствительный элемент размещен на расстоянии L> от оси симметрии датчика, определяемом выражением

Составитель Е.Рязанцев

Редактор В.Петраш Техред М.Дидык Корректор А.Обручар

Заказ 275 Тираж 495 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Иосква, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.. Гагарина, 101