ТЕРМОПАРА С НАГРЕВОМ СПАЯ

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована в схемах с нагревом спая термопары, например, для определения скорости однофазного потока жидкости при ламинарных и турбулентных режимах течения.
Известен датчик для измерения скорости, включающий спай термопары и нагреватель, отделенный от нагреваемого спая электроизолятором (Б.И. Леончик, В.П. Маякин "Измерение в дисперсных потоках", М.: Энергоатомиздат, 1981, С. 92.).
Основной недостаток датчика заключается в том, что датчик имеет большую инерционность, в том числе и за счет наличия электроизоляционного слоя между спаем термопары и отдельным нагревателем. Конструкция датчика сложна из-за наличия элементов электроизоляции, отдельного нагревателя. Рабочие температуры датчика ограничены свойствами электроизоляции и не превышают 200-250°С.
Известна термопара с нагревом спая, содержащая зону нагрева через подсоединительные провода, подключенную к источнику питания и спай термопары, расположенный в зоне нагрева, через термоэлектродные провода подключенный к измерителю термо-ЭДС (П.А. Коротков, Д.В. Беляев, Р.К. Азимов Тепловые расходомеры. Издательство «Машиностроение», 1968 г. С. 109).
Основные недостатки термопары с нагревом спая следующие:
Зона нагрева достаточно велика и не позволяет обеспечить локальные измерения.
Для обеспечения выделения большого количества тепла зона нагрева должна иметь большое сопротивление, т.е. быть достаточно тонкой. С уменьшением диаметра нити уменьшается ее прочность, ресурс работы уменьшается.
Известна термопара, содержащая термоэлектроды, с одной стороны образующие спай, а с другой через узел разводки, подсоединительные провода, подключенные к источнику питания и через узел разводки и термоэлектродные провода к измерителю термо-ЭДС (Б.И. Леончик, В.П. Маякин "Измерение в дисперсных потоках", М.: Энергоатомиздат, 1981, С. 92.).
Основной недостаток термопары заключается в том, что условие Rсп.>>Rп.п. может быть обеспечено на небольшом участке измерения.
Rсп - электрическое сопротивление спая;
Rп.п - электрическое сопротивление подсоединительных проводов.
В этом случае работа термопары не обеспечивается. Поскольку часть термопары, находящейся на участке измерения может быть достаточно длинной в ней будет выделяться большое количество тепла. Это тепло влияет как на точность измерений, так и на живучесть термопары. В конечном итоге термопара просто выйдет из строя из-за перегрева - сгорит. Кроме того, невозможно обеспечить большую плотность теплового потока на спае, и, соответственно, большую чувствительность датчика. Последнее связано с тем, что при пропускании большого тока на участке спай - подсоединительные провода (до узла разводки) выделяется большое количество тепла. Выделение большого количества тепла может привести к выходу датчика из строя, кроме того переток тепла по подсоединительным проводам изменяет тепловой поток на спае, затрудняет интерпретацию результатов, снижает точность результатов.
Кроме того, малый диаметр спая снижает надежность работы термопары, увеличивает вероятность выхода ее из строя. Таким образом, термопара может быть выполнена в лабораторных условиях, когда участок измерения мал, нет необходимости защиты термопары от измерительной среды (вода, пар при высоких давлениях и температурах).
Известна термопара, содержащая термоэлектроды, с одной стороны образующие спай, а с другой через узел разводки, подсоединительные провода, подключенные к источнику питания и через узел разводки и термоэлектродные провода к измерителю термо-ЭДС (Патент России 2289107 МПК3 G01K 7/0Термопара / Д.Э. Болтенко, Н.Н. Кирин, Э.А. Болтенко, В.П. Шаров // Заявка №2004123231 от 29.07.2004. Бюл. №34. 2006 г.).
Недостаток термопары в том, что она может быть выполнена в лабораторных условиях, когда нет необходимости защиты термопары от измерительной среды (вода, пар при высоких давлениях и температурах).
Известна кабельная термопара, содержащая термоэлектроды, образующие спай, помещенные в стальную оболочку, заполненную электротехническим периклазом, закрытую стальной пробкой со стороны спая. (Термоэлектрические преобразователи температуры. Теория, практика, развитие / Под общей ред. А.В. Каржавина, - Изд. 2-е, доп. - Обнинск. - 2004. - 84 с.).
Недостаток - использовать термопару для нагрева непосредственно невозможно ввиду большого сопротивления термоэлектродных проводов, а зона нагрева всегда больше зоны измерения.
з.и
з.н,
Предлагается термопара с нагревом спая, содержащая термоэлектроды, образующие спай, помещенные в стальную оболочку, заполненную электротехническим периклазом и закрытую стальной пробкой со стороны спая отличающаяся тем, что термоэлектродные провода и спай, образующие зону нагрева, через дополнительные спаи, образованные термоэлектродами и подсоединительными проводами, подключены к источнику питания и измерителю термоэдс, термоэлектрический спай отделен от стальной пробки электроизолирующей прокладкой, торец стальной оболочки закрыт силиконовым герметиком, причем сопротивление зоны нагрева намного больше сопротивления подсоединительных проводов, Rз.н>>Rп.п, а длина зоны измерения больше или равна длины зоны нагрева L≥L
з.н
где R - электрическое сопротивление зоны нагрева;
п.п
R - электрическое сопротивление подсоединительных проводов;
з.н
L - длина зоны нагрева;
з.и
L - длина зоны измерения.
з.и
з.н,
Технический результат, на который направлена предлагаемая полезная модель, заключается в повышении точности определения температуры и надежности датчика, что достигается тем, что термоэлектродные провода и спай, образующие зону нагрева, через дополнительные спаи, образованные термоэлектродами и подсоединительные проводами, подключены к источнику питания и измерителю термоэдс, термоэлектрический спай отделен от стальной пробки электроизолирующей прокладкой, торец стальной оболочки закрыт силиконовым герметиком, причем сопротивление зоны нагрева намного больше сопротивления подсоединительных проводов, Rз.н>>Rп.п, а длина зоны измерения больше или равна длины зоны нагрева L≥L
з.н
где R - электрическое сопротивление зоны нагрева;
п.п
R - электрическое сопротивление подсоединительных проводов;
з.н
L - длина зоны нагрева;
з.и
L - длина зоны измерения.
Достижение технического результата, заключающегося в повышении точности определения температуры, обеспечивается за счет локализации зоны нагрева. Зона нагрева включает в себя спай термопары и термоэлектродные провода, Rз.н>>Rп.п. Выполнение этого условия позволяет исключить нагрев подсоединительных проводов и, соответственно, исключить влияние нагрева на их работоспособность, снизить нагрев датчика вне зоны нагрева.
Достижение технического результата, заключающегося в повышении надежности датчика, обеспечивается за счет того, что термоэлектрический спай отделен от стальной пробки электроизолирующей прокладкой, торец стальной оболочки закрыт силиконовым герметиком. Выполнение этого условия позволяет исключить замыкание на оболочку, выполнение второго условия исключает проникновение влаги из окружающей среды в периклаз. Последнее может привести к замыканию на оболочку.
Достижение технического результата, заключающегося в повышении надежности датчика, обеспечивается также за счет того, что зона нагрева и подсоединительные провода помещены в стальную оболочку, заполненную электротехническим периклазом и закрытую стальной пробкой со стороны спая.
з.и.
з.н.
Достижение технического результата, заключающегося в повышении надежности датчика, обеспечивается также за счет того, что длина зоны измерения больше или равна длины зоны нагрева L≥L
На фиг. 1 показано схематичное изображение термопары с нагревом спая. Термопара с нагревом спая состоит из спая термопары 1, образованного термоэлектродами 2 и 3, например выполненного из термоэлектродных материалов хромель 2 и алюмель 3. Дополнительные спаи, образованы термоэлектродными материалами спая и подсоединительными проводами 6. Дополнительный спай 4 (спай хромель - медь) образован материалом подсоединительного провода (медь) и одним из материалов спая термопары - хромель 2. Дополнительный спай 5 (спай алюмель - медь) образован материалом подсоединительного провода (медь) и одним из материалов спая термопары - алюмель 3. Дополнительные спаи 4, 5 через подсоединительные провода 6 подключены к источнику питания 7. Спай термопары 1 через термоэлектроды 2 и 3 дополнительные спаи 4, 5 и подсоединительные провода 6 подключен к измерителю термо-ЭДС 8. Ток от источника питания (переменный ток) проходит по цепи 6-5-3-1-2-4-6 (либо в обратном направлении).
Зона нагрева и подсоединительные провода помещены в стальную оболочку 9, заполненную электротехническим периклазом 10 и закрытую со стороны спая 1 стальной пробкой 11. Спай 1 отделен от стальной пробки 11 электроизолирющей прокладкой 12. С торца стальная оболочка закрыта силиконовым герметиком 13.
q
0
q
0
Термопара с нагревом спая работает следующим образом. Термопара помещается в канал (зона измерения-14), где производят измерение скорости жидкости (устанавливается либо нормально к набегающему потоку, либо навстречу потоку). Измеряют температуру жидкости. Нагревают спай термопары за счет пропускания тока от источника питания (зона нагрева-15). Поддерживают ток через термопару на некотором фиксированном уровне. Измеряют термо-ЭДС. Отключают источник питания. Измеряют термо-ЭДС при отключенном источнике, определяют разность термо-ЭДС при включенном и отключенном источнике питания ΔЕ=E-Е, где Е и Е термо - ЭДС на спае датчика при подключенном и отключенном источнике питания. Далее на основе предварительно полученной путем градуировки зависимости ΔЕ=f(W), где W - скорость потока и измеренной ΔЕ определяют скорость потока.
В качестве примера рассмотрим измерение скорости воды в центре трубы. Термопара использовалась при измерении скорости воды в трубе. Термопара размещалась навстречу потоку. Характеристики термопары -сопротивление зоны нагрева 0,3-0,5 ом (спай термопары и термоэлектроды 2 и 3) (спай выполнен из термоэлектродов хромель и алюмель ХА), подсоединительные провода выполнены из медных проводов диаметром 1 мм. Ток через цепь нагрева изменяется до 5 А.. Измерения показали, что датчик позволяет создать интенсивный локальный нагрев спая, обеспечивающий высокую чувствительность при измерении скорости в диапазоне 1-3 м/с.