ТЕРМОМЕТР
THERMOMETRE

Устройство относится к области термометрии и предназначено для измерения, контроля и регулирования температуры нагреваемого объекта в присутствии высокочастотных (ВЧ) и сверхвысокочастотных (СВЧ) электромагнитных полей, например, в бытовых микроволновых печах в процессе разогревания, размораживания и приготовления продуктов питания, а также в медицинской технике для контроля внутритканевой температуры при радиочастотной гипертермии, в радиоспектроскопии (ЭПР, ЯМР, диэлектрические измерения) и т.д.
Известен термометр для микроволновых печей - «Термометр на основе неионогенной жидкости, предназначенный для работы в микроволновых печах», US 3849622, приоритет от 19.04.1971. Термометр содержит удлиненный отрезок стеклянной трубки с заостренным концом, имеющий тонкий, герметично запаянный канал и сообщающуюся с ним полость, расположенную вблизи острия. Трубка состоит из зондирующего (погружаемого) и индикаторного участков. Индикаторный участок снабжен шкалой с градусными делениями и/или отметками «не готово», «почти готово» и «готово» для разных видов пищевых продуктов. Неионогенная жидкость, заполняющая полость и часть канала, имеет малую электропроводность и при нагревании порции продукта расширяется практически только за счет теплопроводности. По расположению мениска жидкости в канале определяют текущее значение температуры и степень готовности продукта. Устройство имеет следующие недостатки. Прибор измеряет температуру в центральной области нагреваемого объекта. Поэтому измеренное значение температуры оказывается ниже, чем ее истинное значение в приповерхностных слоях, благодаря чему возможен перегрев приповерхностной зоны объекта (подгорание пищи). Прибор рассчитан на микроволновые печи специальной конструкции, в частности лишь с неподвижным поддоном, которые не выпускаются в настоящее время. Если в термометре используется полярная неионогенная жидкость (например, толуол), то может возникнуть ощутимая погрешность за счет диэлектрического поглощения ВЧ-мощности в термометрической жидкости, поэтому в данном приборе целесообразно использовать лишь неполярные жидкости. Не предусмотрены цифровая индикация и цифровая/аналоговая обработка сигнала. Существенным недостатком является хрупкость зонда.
Другое известное устройство (патент КЦ 2038575) для измерения температуры в присутствии ВЧ и СВЧ электромагнитных полей содержит гибкий температурный зонд, включающий в себя запаянный на конце капилляр с термометрическим телом (газом или жидкостью, в частности, неполярной). Капилляр может свободно перемещаться внутри защитной оболочки. Устройство содержит также узел регистрации, соединенный с капилляром и включающий в себя датчик состояния термометрического тела, привод капилляра, приемник с измерителем температуры, в котором (приемнике) расположена петля капилляра, и компьютер, соединенный со всеми указанными блоками. Датчик состояния термометрического тела выполнен в виде измерителя количества термометрического тела, находящегося за пределами капилляра. Продольное реверсивное движение капилляра вдоль защитной оболочки (с запоминанием в реальном масштабе времени значений параметра состояния термометрического тела) позволяет восстановить картину распределения температур на выбранном участке зонда.
Это устройство наиболее близко к заявляемому и выбрано нами в качестве прототипа по совокупности совпадающих признаков и достигаемому техническому результату.
Его основные недостатки: присутствие подвижных механических частей, снижающее надежность устройства; ощутимое влияние температуры окружающей среды на промежуточном участке зонда; сложность конструкции; низкое разрешение по координате, отсчитываемой вдоль зонда, обусловленное тепловой инерцией капилляра (частично заполненного жидкостью).
Целью заявляемого технического решения является устранение перечисленных недостатков прототипа, а именно:
- низкая надежность устройства;
- влияние температуры окружающей среды на промежуточном участке зонда;
- сложность конструкции;
- низкое разрешение по координате, отсчитываемой вдоль зонда, обусловленное тепловой инерцией капилляра (частично заполненного жидкостью).
Реализация заявленных целей осуществляется за счет того, что термометр, включающий в себя диэлектрический капилляр, частично заполненный жидкостью, защитную оболочку капилляра, выполненную в виде трубки из диэлектрического материала, и вычислительно-управляющий блок, характеризуется тем, что в его состав входят микронасос, соединенный с указанным капилляром, а также датчик давления и датчик положения мениска жидкости в капилляре, соединенные с указанным микронасосом, причем капилляр выполнен открытым, а вычислительно-управляющий блок соединен с микронасосом и указанными датчиками; термометр характеризуется тем, что микронасос выполнен в виде микросильфона; термометр характеризуется тем, что защитная оболочка капилляра выполнена из прочного диэлектрического материала в виде полой иглы с заточкой, например, винтовой.
Поскольку тепловая инерционность жидкости в капилляре существенно меньше, чем аналогичная величина для капилляра с жидкостью, пространственное разрешение (при равных скоростях движения жидкости в неподвижном капилляре и капилляра с жидкостью в неподвижной системе отсчета), обеспечиваемое предлагаемым устройством, оказывается выше, чем аналогичная величина для прототипа. Кроме того, по той же причине время установления показаний для предлагаемого устройства меньше, чем для прототипа. С другой стороны, при том же значении пространственной разрешающей способности можно увеличить скорость движения мениска, снизив тем самым динамическую погрешность, связанную с нестационарностью температуры на промежуточном участке зонда. Отсутствие движущихся механических частей делает устройство более надежным и позволяет упростить его конструкцию.
Вследствие наличия в заявленном техническом решении выше перечисленной совокупности признаков обеспечивается достижение заявленных технических результатов, в том числе и равномерное оттаивание, разогрев, приготовление пищи и недопущение местного недогрева, перегрева, подгорания пищи, при использовании термометра в СВЧ- и ВЧ-печах.
Заявленное техническое решение соответствует критерию «новизна», предъявляемому к изобретениям, т.к. из уровня техники не выявлены технические решения, обладающие совокупностью признаков, присущих заявленному термометру, позволяющих достигнуть заявленные цели, а именно повысить надежность устройства; устранить влияние температуры окружающей среды на промежуточном участке зонда; упростить конструкцию термометра; повысить разрешение по координате, отсчитываемой вдоль зонда.
Заявленное техническое решение соответствует критерию «изобретательский уровень», предъявляемому к изобретениям, т.к. из уровня техники не выявлены технические решения, совпадающие с отличительными признаками заявленного решения, также не установлена известность влияния отличительных признаков на указанные заявителем достигнутые технические результаты, кроме этого, по мнению заявителя, заявленное техническое решение не следует явным образом из уровня техники.
Термометр (Фиг.1) включает в себя температурный зонд, представляющий собой открытый капилляр 1 (например, гибкий капилляр, выполненный из стекла или плавленого кварца, внешним диаметром приблизительно 0,05÷0,1 мм и длиной около 0,2÷0,5 м), частично заполненный жидкостью (например, н-деканом) и снабженный защитной оболочкой 2 диаметром 0,5÷4,0 мм (выполненной, например, из керамического материала), причем пространство между капилляром и защитной оболочкой сообщается с атмосферой, а также микронасос 3 (например, микросильфон), соединенный с капилляром 1, датчик 4 давления и датчик 5 положения мениска жидкости и вычислительно-управляющий блок 6, соединенный с микронасосом 3 и датчиками 4 и 5.
Как правило, зонд расположен соосно с вращающимся поддоном 9 печи (Фиг.2) и соединен с приводным механизмом (микролифтом) 7, например роликового типа, обеспечивающим осевое вертикальное перемещение, но исключающим вращение зонда.
Предлагаемое устройство работает следующим образом (Фиг.1). По команде, поступившей с блока 6, микронасос начинает перемещать жидкость вдоль капилляра 1; датчики 4 и 5 регистрируют текущие значения разности давлений на концах капилляра 1 (датчик 4) и координаты х мениска (датчик 5); эта информация поступает на вход блока 6. Когда мениск достигает точки, близкой к открытому концу капилляра 1, направление потока жидкости в капилляре меняется на противоположное. По достижении мениском исходного положения измерительный цикл повторяется.
Градиент давления ∂Р/∂ξ, в произвольной точке ξ капилляра 1 связан со скоростью х′≡dx/dt движения мениска соотношением
где а - константа, определяемая геометрическими параметрами капилляра, и
η(ξ) - локальное значение вязкости жидкости, зависящее от температуры в данной точке ξ. Проинтегрировав соотношение (1) по ξ в пределах от О до х, получаем:
откуда
0
0
Предполагается, что температурная зависимость вязкости используемой жидкости известна заранее (для многих жидкостей она близка к зависимости вида η(Т)=b/(Т-Т), где b и Т - константы). Тогда, если функция η(х) определена из соотношения (3) для измеренных х(t) и Р[х(t)], можно, используя известную зависимость Т(η), восстановить профиль (картину распределения) температуры, Т(х), вдоль капилляра. Эта задача решается численно с помощью вычислительно-управляющего блока 6.
Таким образом, разность Р давлений на концах капилляра, текущая координата х мениска жидкости и скорость х′ движения мениска взаимнооднозначно связаны с локальной температурой зонда как функцией координаты, отсчитываемой вдоль зонда, что дает возможность восстановить эту функцию, если разность давлений и координата мениска синхронно измерены как функции времени.
В качестве примера рассмотрим практическое использование термометра в СВЧ-печи.
Нагреваемый объект 10 (Фиг.2), подлежащий размораживанию, разогреванию или приготовлению, помещают на поддон 9. Задают предельно допустимую температуру, выше которой не должны прогреваться поверхностные слои объекта, и нижний температурный предел - минимально допустимую температуру, при которой продукт достигает необходимой кондиции в любой точке своего объема (например, для размораживания - от 0 до 30°С, для разогрева - от 40 до 70°С, для приготовления - от 100 до 200°С). Задают также время (разное для различных продуктов и вида обработки), в течение которого продукт должен находиться в заданном температурном режиме. После включения микроволновой печи температурный зонд опускается микролифтом 7 и вводится в продукт 10, вращающийся вместе с поддоном 9. При помощи вычислительно-управляющего блока 6 мощность СВЧ-генератора 11 регулируется таким образом, чтобы обеспечить максимально быстрое достижение установленных температурных режимов, а затем их поддержание в течение заданного времени. По окончании технологического процесса печь автоматически выключается.