Термоэлектрический нуль-термостат

Изобретение относится к измерительной технике и применяется для термостатирования контрольных спаев дифференциальных термопар. Сущность: устройство состоит из внутренней и внешней цилиндрических камер. Внутренняя камера заполнена дистиллированной водой, разделенной границей раздела фаз на твердую и жидкую фазы. Боковые стенки внутренней камеры выполнены из материала с малой теплопроводностью, а основания - из материала с высокой теплопроводностью. Термоэлектрический модуль холодным спаем приведен в тепловой контакт с нижним основанием внутренней камеры. Горячий спай термоэлектрического модуля находится в контакте с нижним основанием внешней камеры. Внешняя камера является тепловодом, контактирующим своим верхним основанием с верхним основанием внутренней камеры и радиатором, установленным на верхнее основание внешней камеры. В жидкой фазе находится кольцеобразное грузило. В центре у нижнего основания грузила расположен контрольный спай дифференциальной термопары, который постоянно находится в зоне замерзания (таяния) льда. Для определения текущего положения границы раздела фаз у верхнего основания внутренней камеры закреплены излучатели и приемники, а к верхнему основанию грузила прикреплен кольцеобразный отражатель. Изобретение позволяет повысить надежность конструкции и точность термостатирования при длительной эксплуатации. 2 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и применяется для термостатирования контрольных спаев дифференциальных термопар.

Важным элементом любой системы измерения температуры является температурный преобразователь-датчик, параметры и схема включения которого во многом определяют точность всей системы. В качестве датчиков температуры широко применяются дифференциальные термопары, которые выделяются некоторыми своими положительными качествами, основными из которых являются высокая достижимая точность измерений, широкий диапазон рабочих температур, возможность длительной эксплуатации в условиях агрессивных внешних сред с сохранением основных параметров. К их недостаткам можно отнести необходимость в термостабилизации опорных спаев для достижения высокой точности измерений - их контрольный спай должен находиться в условиях с известной температурой. Как правило, для повышения удобства в вычислении измеряемого значения температуры в качестве опорной точки выбирают температуру плавления льда (0°С). Известны несколько конструкций, позволяющих осуществлять термостатирование контрольных спаев дифференциальных термопар.

Принцип работы конструкции [1] основан на применении малогабаритного ртутного реле, которое включено в схему двухпозиционного регулирования. Недостаток устройства заключается в высокой зависимости точности поддержания температуры от точности датчика. Принцип действия другой термоэлектрической системы [1] с термостабилизацией на уровне 0°С основан на регистрации изменений в объеме воды при ее переходе в твердую фазу. Используется высокочувствительное контактное реле, реагирующее на изменения в объеме. Недостатками обеих конструкций являются большие габариты устройств, сложность схемы управления и конструкции.

Гораздо более удачным решением можно считать подход, при котором контрольный спай дифференциальной термопары при помощи поплавковой конструкции размещается на границе раздела твердой и жидкой фазы вещества. Малогабаритный прецизионный нуль-термостат [2] состоит из двустенной цилиндрической камеры из материала с высокой теплопроводностью, внутренний объем которой заполнен дистиллированной водой. Термоэлектрический модуль, закрепленный холодным спаем к верхнему основанию камеры и подводящий тепло от горячего спая к нижнему основанию, используется для образования твердой и жидкой фаз воды и их границы раздела во внутреннем объеме. Однако подвод тепла к нижнему основанию камеры при невысокой плотности рабочего вещества способствует возникновению развитой естественной конвекции, которая приводит к снижению точности термостатирования. Действие вертикально-направленных конвекционных потоков вызывает неравномерное вымывание нижней кромки ледяной массы, снижает точность позиционирования подводимого контрольного спая дифференциальной термопары, приводит к непрерывным изменениям температурного поля, геометрически совпадающего с границей раздела фаз. Применение свободно плавающей поплавковой конструкции при длительной эксплуатации вызывает изменения в направлении нарастания льда и способствует появлению наклона поплавка, смещению контрольного спая от границы фазового раздела или обмерзанию поплавка с боков и снизу.

Исполнение внутренней цилиндрической камеры из материала с высокой теплопроводностью увеличивает теплоотдачу в окружающую среду, что приводит к снижению максимального рабочего времени устройства. Кроме того, данное свойство стенок камеры может способствовать замораживанию воды, находящейся выше границы раздела фаз непосредственно у боковых стенок внутренней камеры при расположении границы раздела фаз вблизи нижнего основания и подтапливанию льда у стенок камеры при расположении границы раздела фаз поблизости от верхнего основания. На данный процесс также могут оказать влияние различные теплопроводности льда и воды и связанные с ними разные условия теплопередачи от боковых стенок к твердой и жидкой фазам вещества. Действие данных факторов может привести к нарушению равномерности границы раздела фаз, застреванию или перекосу поплавка.

Расположение специального уплотнения у боковой стенки внутренней камеры для вывода наружу проводников опорного спая усложняет процесс замены термопары и существенно увеличивает время, необходимое для смены термопары в случае выхода ее из строя или необходимости замены на термопару с иными техническими характеристиками.

Отсутствие датчиков положения и системы автоматического регулирования положения границы раздела фаз во внутреннем объеме снижает время непрерывной эксплуатации нуль-термостата ввиду постепенного замораживания/оттаивания рабочего вещества, что накладывает значительные ограничения во многих областях применения, требующих непрерывного и продолжительного контроля температуры объекта управления.

Целью изобретения является устранение приведенных ранее недостатков конструкции [2] и разработка недорогого малогабаритного нуль-термостата, отличающегося повышенной точностью термостатирования контрольных спаев дифференциальных термопар, способностью непрерывного функционирования в длительном интервале времени и обладающего улучшенными механическими характеристиками.

Устройство (фиг.1) состоит из внешней цилиндрической камеры 1, выполненной из материала с высокой теплопроводностью, к нижнему основанию которой с внутренней стороны горячим спаем присоединен термоэлектрический модуль 2. Холодный спай термоэлектрического модуля 2 находится в хорошем тепловом контакте с нижним основанием тонкостенной цилиндрической камеры 3, основания которой выполнены из материала с высокой, а стенки из материала с низкой теплопроводностью. Внутри камеры 3 находится дистиллированная вода 4, разделенная границей раздела фаз 5 на твердую и жидкую фазы.

В жидкой фазе находится кольцеобразное грузило 6, изготовленное из материала, не смачиваемого водой и имеющее конусность в вертикальном сечении. В центре грузила натянуты капроновые нити 9, в точке пересечения которых крепится контрольный спай дифференциальной термопары 7 (фиг.2). Кабельный ввод 8 предназначен для вывода проводников опорного спая термопары 7 наружу и расположен в отверстии, выполненном в центральной области радиатора 11 и верхних основаниях внешней 1 и внутренней 3 цилиндрических камер, что обеспечивает возможность быстрой замены опорного спая дифференциальной термопары 7. Мелкоячеистая сетка 10 выполнена из капроновых нитей, не смачиваемых водой, и находится у нижнего основания грузила 6 на границе раздела фаз.

Кольцеобразный отражатель 14 закреплен у верхнего основания поплавковой конструкции 6 и совместно с источниками и приемниками сигнала 12 и 13 используется для определения текущего положения границы раздела фаз 5 во внутреннем объеме цилиндрической камеры 3.

При включении питания термоэлектрического модуля 2 начинается процесс замерзания воды в цилиндрической камере 3 у нижнего основания, при этом образуется граница раздела фаз 5, соприкасающаяся с нижним основанием грузила 6.

Грузило 6 по мере изменения объема льда скользит вдоль вертикальной оси, проведенной перпендикулярно плоскости границы раздела фаз. Сила тяжести действует на грузило 6 и прижимает его к границе раздела фаз 5, а плотность грузила, большая плотности воды, не позволяет ему всплыть за счет действия выталкивающей силы. В результате чего грузило находится в зоне замерзания/таяния воды при температуре 0°С. При этом конусная форма конструкции грузила и его исполнение в полный размер внутреннего диаметра камеры 3 повышает устойчивость грузила и снижает вероятность возникновения перекосов или застревания при его скольжении вслед за границей раздела фаз. Подобным образом реализован точный подвод контрольных спаев дифференциальных термопар к границе раздела фаз вещества.

Тепловая энергия, выделяемая на горячем спае термоэлектрического модуля 2 через стенки внешней цилиндрической камеры 1, передается на верхнее основание внутренней цилиндрической камеры 3. В результате работы термоэлектрического модуля происходит нагрев воды 4 в камере 3 с одной стороны (сверху) и охлаждение с другой стороны (снизу). Вследствие этого, в камере постоянно присутствует граница раздела фаз 5, прилегающая к нижнему основанию грузила 6, а контрольный спай 7 дифференциальной термопары постоянно находится при температуре плавления льда 0°С. При этом будут отсутствовать конвективные потоки, так как нагрев внутреннего объема производится верхним, а отвод тепла - нижним основаниями внутренней камеры.

Для отвода лишнего количества теплоты, образующегося на горячем спае термоэлектрического модуля, используется внешний радиатор 11, который предотвращает возможный выход из строя термоэлектрического модуля 2 от перегрева.

Исполнение боковых стенок внутренней камеры 3 из материала с малой теплопроводностью позволяет снизить влияние нежелательной теплопередачи на точность термостатирования, предотвращая также таяние слоев льда или замораживание слоев воды, соприкасающихся со стенками внутренней камеры. Это способствует образованию равномерной границы раздела фаз, а также, наряду с использованием грузила и полностью герметичной камеры, дополнительно защищает конструкцию от всплывания льда к поверхности из-за уменьшения прочности его сцепления со стенками внутренней камеры при возможном воздействии внешних механических возмущений.

Мелкоячеистая сетка 10, изготовленная из несмачиваемого водой материала и проходящая по границе раздела фаз 5, предотвращает прямой контакт с твердой фазой 4 термостатируемых контрольных спаев дифференциальных термопар, защищая последние от смерзания со льдом.

Для определения текущего положения границы раздела фаз используется система из кольцеобразного отражателя 14 и источников 12 и 13, совмещенных с приемником сигнала. В качестве источников/приемников 12 и 13 могут выступать различные типы излучателей/датчиков, работающих в инфразвуковом, звуковом, ультразвуковом, радиочастотном или оптическом диапазонах. Для измерения расстояния до кольцеобразного отражателя 14, а следовательно, и до текущего положения границы раздела фаз 5 может быть использован эффект Доплера или свойство сигнала затухать при распространении в жидкости. Подключение источников/приемников сигнала 12 и 13 вместе с термоэлектрическим модулем Пельтье 2 к системе автоматического управления позволяет регулировать текущее положение границы раздела фаз путем изменения величины и направления протекания тока через термоэлектрический модуль, что влечет за собой изменение количества теплоты, выделяемой/поглощаемой поверхностью термоэлектрического модуля.

Устройство обеспечивает высокую точность термостатирования при непрерывной и длительной эксплуатации за счет устранения развитой естественной конвекции в жидкости и связанных с ней нежелательных эффектов непрерывного изменения температуры и неравномерного вымывания льда вблизи границы раздела фаз, а также позволяет повысить равномерность нарастания ледяной массы во времени.

Дополнительная надежность системы обеспечивается за счет использования радиатора, который предотвращает выход из строя термоэлектрического модуля от перегрева.

Устройство имеет малые габариты и просто в изготовлении, может производиться серийно вместе с дифференциальными термопарами, откалиброванными на предприятии-изготовителе.

ЛИТЕРАТУРА

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

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

Термоэлектрический нуль-термостат, содержащий емкость, представляющую собой внутреннюю цилиндрическую камеру, у которой боковая стенка обладает эластичностью за счет небольшой толщины, в которой находится дистиллированная вода, разделенная границей раздела фаз на твердую и жидкую фазы, термоэлектрический модуль, холодным спаем приведенный в тепловой контакт с основанием внутренней цилиндрической камеры, а горячим спаем - с основанием емкости, представляющей собой внешнюю цилиндрическую камеру, выполненную из материала с высокой теплопроводностью, контактирующую другим своим основанием с основанием внутренней цилиндрической камеры, отличающийся тем, что в жидкой фазе находится кольцеобразное грузило, изготовленное из материала с плотностью, большей плотности воды, и не смачиваемое ею, в центре которого находится контрольный спай дифференциальной термопары, закрепленный у нижнего основания грузила, при этом контрольный спай дифференциальной термопары вследствие силы тяжести, действующей на грузило, постоянно находятся в зоне замерзания (таяния) льда, термоэлектрический модуль холодным спаем приведен в тепловой контакт с нижним основанием внутренней цилиндрической камеры, а горячим спаем находится в контакте с нижним основанием внешней цилиндрической камеры, которая представляет собой тепловод, контактирующей своим верхним основанием с верхним основанием внутренней цилиндрической камеры и радиатором, установленным прочно-плотно на верхнее основание внешней цилиндрической камеры и имеющим отверстие в центральной части, совмещенное с отверстиями в верхних основаниях внутренней и внешней цилиндрических камер, в которые установлен кабельный ввод для вывода наружу проводников опорного спая дифференциальной термопары, причем боковые стенки внутренней цилиндрической камеры выполнены из материала с малой теплопроводностью, а основания внутренней цилиндрической камеры выполнены из материала с высокой теплопроводностью, у верхнего основания внутренней цилиндрической камеры закреплены излучатели и приемники, а к верхнему основанию грузила прикреплен кольцеобразный отражатель таким образом, что позволяет отражать сигнал с излучателей по направлению к приемникам.