Малогабаритный нуль-термостат на эффекте пограничного слоя плавления

Малогабаритный нуль-термостат на эффекте пограничного слоя плавления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

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 применяемого 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 окружающей среды, влажности и других параметров окружающей среды, что способствует смещению границы за допустимые пределы и приводит к ограничению срока непрерывной эксплуатации нуль-термостата за счет полного замораживания/расплавления рабочего вещества (дистиллированной воды).

Целью изобретения является устранение вышеуказанных недостатков. Для достижения указанной цели предлагается малогабаритный нуль-термостат на основе эффекта пограничного слоя плавления, конструкция которого приведена на фиг.1. Устройство состоит из теплоизоляционного цилиндра 1, выполненного из материала с низкой теплопроводностью, с закрепленными на нем теплопроводящими прокладками 13 и 14, причем прокладка 13 находится в хорошем тепловом контакте с горячим спаем термоэлектрического модуля 2 и радиатором 12.

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. 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). Нагревательный элемент 10 плотно закреплен к теплопроводящей прокладке 14, закрепленной к нижнему основанию внутренней цилиндрической камеры, с которой находится в хорошем тепловом контакте. Внешняя камера 11 предназначена для защиты конструкции от внешних воздействий, а также предназначена для повышения механической прочности устройства.

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 теплопроводящую прокладку 13, передается на радиатор 12 и выделяется в окружающую среду. При этом отсутствие теплопередачи от горячего спая термоэлектрического модуля 2 к нижнему основанию внутренней цилиндрической камеры 3 позволяет снизить зависимость влияния внешних факторов на стабильность положения границы раздела фаз 5. Дополнительную устойчивость положению границы раздела фаз 5 придает использование теплоизоляционного цилиндра 1, который позволяет снизить теплообмен между внешней поверхностью внутренней цилиндрической камеры 3 и окружающей средой. Тепловая энергия, выделяемая нагревательным элементом 10 через теплопроводящую прокладку 14, подводится к нижнему основанию внутренней цилиндрической камеры 3. В результате работы термоэлектрического модуля 2 и нагревательного элемента 10 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 нагревательного элемента 10. Количество теплоты, выделяемой нагревательным элементом 10, изменяется таким образом, чтобы положение границы раздела фаз 5 во внутреннем объеме цилиндрической камеры 3, вне зависимости от количества теплоты, поглощаемой холодным спаем термоэлектрического модуля, а также температуры окружающей среды, всегда оставалось неизменным и на заданном пользователем уровне.

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.

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 на эффекте пограничного слоя плавления, содержащий емкость, представляющую 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 внутренней цилиндрической камеры, отличающийся тем, что содержит цилиндр, выполненный из теплоизоляционного материала для снижения теплообмена с окружающей средой, плотно закрепленный основаниями к пластинам, выполненным из материала с высокой теплопроводностью, одна из которых находится в хорошем тепловом контакте с горячим спаем термоэлектрического модуля и радиатором, а другая - в хорошем тепловом контакте с нагревательным элементом и нижним основанием внутренней цилиндрической камеры, с нагревательным элементом, плотно закрепленным к нижнему основанию внешней цилиндрической камеры, представляющей собой защитный кожух из материала с низкой теплопроводностью, с нагревательным элементом с регулируемым количеством выделяемой теплоты, таким образом, чтобы количество теплоты, подводимое к нижнему основанию внутренней цилиндрической камеры, оставалось неизменным.