Датчик температуры

(51) 5 ПИСАНИ БРЕТЕНИЯ 31 ГПАВ: Д ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Дбюро "111 торм"ническом инстиликой ОктябрьсреволюцииА.В,Сапрун 6) Сосновский А.Г., Столяров Н.И.мерение температуры. - М 1970,244-247,рия, 1960,6. я лабора с. 733 аводск 6, Р 6 т ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(71) Конструкторскоепри Киевском политехтуте им. 50-летия Векой социалистической(57) Изобретение относится к термометрии и может быть использовано дляизмерения температуры расплавленныхметаллов. Целью изобретения являетсясокращение времени измерения за счетисключения этапа иррегулярного оежимизменения выходного сигнала. Датчиксодержит заключенный в корпус полыйцилиндр 2 из термостойкого электроизолятора с осесимметричной цилиндрической полостью, снабженный с обоих торцов термоизолирующими заглушками 3 и 4, и термочувствительный элемент, выполненный, например, в видесопрягаемых слоев 5 и 6 термоэлект1541485 5О родных материалов и размещенный в теле полого цилиндра 2 на заданном расстоянии от оси симметрии датчика,Конструкция датчика дает возможностьиспользовать для процесса его нагрева одномерную КС-модель, что позволяет рассчитать по известным параметрам радиус регулярной поверхностинагрева, 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 щение времени измерения за счет исключения этапа иррегулярного режима изменения выходного сигнала.На фиг. 1 показана конструкция датчика; на Фиг. 2 - КС-модель схемы замещения конструкции датчика для измерения температуры; на фиг,3 - двухъемкостная КС-модель датчика, используемая для определения координат регулярной поверхности. 30Датчик содержит защитный корпус 1, имеющий цилиндрическую Форму.Внутри корпуса 1 расположен термостойкий электроизолятор 2, выполненный, например, из керамики. При этом материалы корпуса 1 и электро- изолятора 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 г 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 регулярныйрежим изменения температуры. Размещение термочувствительного элемента наэтой поверхности способствует изменению выходного сигнала датчика по регулярному закону непосредственно смомента помещения его в исследуемуюсреду, 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 датчикатермочувствительный элемент можетбыть изготовлен путем запрессовывания одного в другой двух полых цилиндров электроизолятора 2, на сопрягаемые поверхности которых предварительно напыляют слой различных термоэлектродных материалов 5 и б (например, хромель и капель), Термоэлектродные слои 5 и б соединяютмежду собой диффузионной сваркой подбольшим давлением либо в результатетермообработки, Возможна другая технология изготовления термочувствительного элемента: на внешнюю поверхностьполого цилиндрического элемента, изготовленного из керамики, напыляютсначала один, а затем другой термоэлектродный (термопарный материал),На изготовленный таким образом термочувствительный элемент накладываютполовинки наружного керамическогоэлемента с последующим прижимом, Такую сборку запрессовывают в защитныйкорпус 1, проложив предварительно поторцам теплоизолирующие заглушки3 и 4. Сверху корпус 1 закрываюткрышкой с отверстиями для выводакомпенсационных проводов.В случае термометра сопротивления термочувствительный элемент изготавливают путем навивки терморезисторной проволоки на электроизоляционный стержень нужного диаметра.Диаметр навивки подбирают так, чтобыон совпадал с диаметром регулярнойповерхности устройства.Защитный корпусобычно изготавливают из металла. Для высокотемпературных измерений корпус 1 может1541485 трег(")= (1-е ") . 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 составляющая описывается экспонентной, коэф фициент показателя которой представляет темп Р 1 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 55 с, =с+с+с. 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 лярная поверхность, точки которой характеризуются отсутствием иррегулярного компонента переходного процесса, т.е. с начального момента воздействия теплового возмущения они 25 осуществляют регулярный режим последнего, С удалением точек объекта от регулярной поверхности влияние иррегулярных компонентов на их переходные процессы растет. 30 где С, - ожидаемая установившаясятемпература по окончаниипереходного процессамитермодинамический напор в момент приложения тепловоговозмущения);с) - 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 Вс-моделирования тепловых процессов. Определим координаты регулярной поверхности (цилиндра) датчика для измерения температуры спомощью двухъемкостной Яс-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 Кс-модели: 00 - геометрическая ось симметрии датчика;О О - образующая цилиндрической поверхности с условно сосредоточенной теплоемкостью С, .определяемой как сумма теплоемкостей отдельных элементов с=с +с +с - +с+со О О - образующая цилиндрическойповерхности с условно сосредоточеннойтеплоемкостью С, определяемой каксумма теплоемкостей Отдельные составляющие теплоемкостей вычисляют следующим образом:"(кСн,е12 2 е су-(с +с)1; сяь=(Ггде Ь - высота цилиндра термочувствительного элемента; 1 стоте у,( - плотности материала защитного кожуха 1 и внутреннейэлектроизолирующей части 2; С Ск - удельные теплоемкости элементов 1 и 2.Радиусы г определяют из условий теплоемкостной симметрии по отношению к гсг+гг+гсг =(. ф е г и э гсс(= 2 Аг+г 3й.2Теплоемкость Ст термочувствительного элемента, состоящего из термоэлектродов 5 и 6 с теплоемкостями Ст(и Ст, можно принять равной:Ст=2 - - .) 1 д(1 ( -- ) г с+г ь цет,+ (т,Ст +Сто 2 2 2 где т у т и С С т- плотности иудельные теплоемкости термоэлектродов 5 и 6 термочувствительного элемента соответственно;.8 - 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 Кр, образующая регулярной цилиндрической поверхности обозначена символом Р. Согласно фиг. 2 и 3 термическое сопротивление К равно:К, =К+К+К(,ффективное термическое согде К- э п ивление теплоотдаче от ряемой среды (напримеррасплавленного металла) кбоковой наружной поверхности датчика (по длине Ь термочувствительного элемента);эффективное термическое сопротивление через цилиндрическую стенку соответствующих частей устройства.К, вычисляют следующим об 5 К, К, -1 О Значение разом:1К(,=2 г, Ь м где Ж - коэффициент теплоотдачи отвертикальной цилиндрической поверхности к окружающей среде, температура которой измеряется. 20 Аналогично 1 1 п 2 П 1.1 г1 п - ; К,2 (стп ггР = --- 1 п-2 Ь гс г( гс,25 Значение Рравно бесконечности1так как в рассматриваемой областиотсутствует связь с каким-либо температурным возмущением.30 Согласно РС-модели (Фиг. 3)находят сначала лапласову трансформантутемпературы Г(р) в цилиндрическойповерхности с координатой К, отсчитываемой от поверхности с образующейгл Н0 0 , с последующим переходом в область оригиналов"к (с) =1 ( Г(р) 1 для нахождения выражения Кра=Е (КС параметров модели) и вычисления соответствующего ему значения геометрического радиуса.Структура математической моделиАналогично составляют выражениеи для коэффициента Аг,.Для выражения Крд коэффициент А,1должен быть равен - 1 (в этом случае,т,е. для регулярного процесса, Ао 1 р==О) . Следовательно, Крз находят изуравнения Л, = -1; 1РКрег+ (+Крег/Кд)Са 1 О 1С,Р,Р. Р(Р, -Р ) К, +Кг+К- = - 1 Крег+К15 откудаВгиду того, что для рассматриваемого случая Р.= л, значение координаты Р.р з будет равно:Крфз= 1 /Р С грег гол ехР(2 Крег Знй После подставления приведенных выше выражений, описывающих значениявходящих в указанную формулу величин,и ряда алгебраических преобразований,получается окончательное выражениедля определения г , вошедшее в Формулу изобретения,Допущение в отношении пренебрежения величиной теплоемкости Ст и термическим сопротивлением Кт (в радиальном направлении) является вполнеприемлемьв, поскольку упрощенная аппроксимация системы устройство - среда50КС-моделью второго порядка (имеющейдва сосредоточенных энергонакопительных элемента с теплоемкостями С иСо) обусловливает некоторую приближенность искомого решения. Однако55это оправдано, так как позволяет существенно упростить процедуру вычислений и математические выкладки расчета. В то же время экспериментальКрз можно рассматривать как термическое сопротивление, действующее в радиальном направлении от образующей О О условного сосредоточения тепло- емкости С до образующей ОрееОрег, характеризующейся регулярностью переход-ЗО ных тепловых процессов (Фиг. 2).Соответствующий этой координате Крез радиус грз образующей Ор,фр регулярной поверхности вычисляют следующим образом: ная проверка расчета дает возможность произвести дополнительную корректировку значения гр найденного ранее расчетным путем.Для гецераторного 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 резцсторцая 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 взаимокомпенсцрующий 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 элемента 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 термочувствительцого 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 ди(25463 к)Як С(г -.г 3 )ЕРе 2 0,5 т, Зг ехра (а+аз)+азаЬ (а+аз)+аа, -4 а, аа 3 а неи стенки где хн - р клотностч удел ости и теплопр водности материалов корпус и термостойкого электроизо лятора датчика соответстве;-г,)+0,5 кС к(4-го В наружной о- радиус пуса, - высота термочувс элемента;- коэффициент тепл наружной поверки ка к измеряемой+ те отдачи отсти датчиреде.(2 Ь ) к) /1 п намической погрешности) с запрограммированным временным дискретом. Поскольку переходная кривая С(Й) термочувствительного элемента описываетРл ся регулярным законом 1-е ", то каждое текущее значение через промежуток времени й ь можно считать началом отлсчета ее изменения в последующий отрезок времени дь. Тогда где (л 1 и с 21- значения температурыизмеряемой среды;15 йи 1 - текушне значения температуры термочувствительногоэлемента. 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 ется, Иррегулярность переходного процесса не сказывается на точности из 2 Ь Ф вт и ееюввмтюи1 2мерения температуры среды, так кактемпературный сигнал сразу, с момента начала нагрева, является регулярным. При этом значительно сокращается время погружения, необходимое дляопределения температуры среды. Формула и з обретения Д атчик температуры, содержащийкорпус цилиндрической формы, внутри которого в тепловом контакте с ним расположен термостойкий электроизолятор, в теле которого размещен термочувствительный элемент, о т л ич а ю щ и й с я 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 ЬР,ц от оси симметрии датчика, определяемом выражением1541485Составитель Е.Рязанцев Редактор В.Петращ Техред М,Дидык Корректор А.Обручар Заказ 275 Тираж 495 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раущская наб д, 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101