ДАТЧИК ТЕМПЕРАТУРЫ

Полезная модель относится к термометрии, а именно, к контактным датчикам температуры и может использоваться в различных отраслях, например, в пищевой, нефтяной, химической промышленности и в коммунальном хозяйстве для измерения на малых глубинах, например, в трубах малого диаметра.
Известен датчик температуры, описанный в одноименной заявке РФ №93025623 по кл. G 01 K 7/32, з. 28.04.93, oп. 27.05.95.
Известный датчик выполнен в виде корпуса, в котором размещен кристаллический кварцевый элемент в форме усеченного конуса с ориентировкой yxb1/6°44'+_1°/+6°02'_+1°. На верхнем и нижнем основании конуса размещены пленочные электроды, а внутренний объем заполнен гелием.
Недостатком известного датчика является сложность конструкции, обусловленная сложность формы и ориентировки кварцевого элемента, а также необходимостью заполнения внутреннего объема гелием.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является датчик температуры, использованный в ЗАО ПГ «Метран», представленный в техдокументации СПГК 7050.110.00 «Термопреобразователи «Метран-299» от 25.06.04 (см. Приложение к заявке) и выбранный в качестве прототипа.
Известный датчик содержит закрепленную в трубопроводе с помощью установочной головки корпус с крышкой в верхней части, соединенную в нижней ее части резьбовым соединением с гильзой, в которой закреплен термочувствительный элемент, представляющий собой кварцевый резонатор, размещенный выводами в направлении, противоположном дну гильзы и включенный выводами в цепь генератора частоты, собранного на печатной плате, размещенной в несущей трубке. При этом свободное пространство между кварцевым резонатором и внутренней стенкой гильзы заполнено теплопроводящим материалом, штуцер и гильза выполнены из металла и имеют внутреннюю резьбу, а несущая трубка имеет наружную резьбу и выполнена из пластмассы. Печатная плата соединена с внешними цепями посредством кабеля.
Недостатком известного датчика является тот факт, что корпус выполнен из пластмассы, а установочная головка и гильза - из металла, вследствие чего они имеют разные коэффициенты теплового расширения и при нагревании в месте сочленения гильзы с трубкой в датчик начинает просачиваться вода, что делает конструкцию неработоспособной. Помимо этого, при размещении платы кварцевого генератора в несущей трубке (корпусе) из-за перегрева элементов генератора также может произойти нарушение его работоспособности. Кроме того, в известной конструкции датчика часть тепла по металлической гильзе уходит на корпус датчика, что снижает точность измерений.
Задачей заявляемого технического решения является обеспечение работоспособности датчика при повышении точности измерения.
Поставленная задача решается тем, что в датчике температуры, содержащем закрепленный в трубопроводе с помощью установочной головки корпус с наружной резьбой, закрытый в верхней части крышкой и соединенный в нижней части с металлической защитной гильзой, в которой закреплен термочувствительный элемент, представляющий собой кварцевый резонатор, выводы которого посредством проводов включены в цепь генератора частоты, собранного на печатной плате, размещенной в корпусе, СОГЛАСНО ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ, установочная головка, корпус и гильза выполнены в виде функционально последовательной цельной, полой внутри, металлической конструкции, при этом гильза выполнена с переменным по ее длине термосопротивлением - минимальным в месте съема теплопотока и максимальным - в месте отвода тепла к преобразователю, а печатная плата с кварцевым генератором размещена под крышкой и отделена от головки корпуса неметаллической втулкой - стаканом.
При этом переменное по длине гильзы термосопротивление обеспечивается за счет формы выполнения гильзы или выполнения ее из материалов с разной теплопроводностью, либо того и другого вместе.
При этом кварцевый резонатор может быть установлен в гильзе таким образом, что места крепления к нему выводов обращены к дну гильзы, либо выводами вверх от дна гильзы в случае менее высоких требований к точности измерения.
Выполнение установочной головки, корпуса и гильзы в виде цельной металлической конструкции позволяет избежать негерметичности конструкции
при нагреве из-за разного расширения элементов в датчике температуры (как это происходит в прототипе) и обеспечивает работоспособность устройства.
Этой же цели служит и размещение платы с кварцевым генератором на некотором удалении от места измерения температуры и изоляция ее от головки корпуса посредством неметаллической втулки, исключающие перегрев элементов генератора и нарушение его работоспособности. Повышение точности измерений обеспечивается за счет выполнения гильзы с переменным по ее длине термосопротивлением - минимальным в месте съема теплопотока и максимальным - в месте соединения гильзы с корпусом, уменьшая тем самым тепловой поток от гильзы к корпусу, что снижает отвод тепла от чувствительного элемента, позволяя гильзе ближе к точке замера удерживать больше тепла и снижая влияние корпуса на величину теплового потока наружу.
Размещение кварцевого резонатора местами крепления выводов вниз обеспечивает расположение его наиболее термочувствительной точки как можно ближе к месту измерения, уменьшая при этом длину погружаемой части датчика, что актуально при измерении температуры в трубах малого диаметра, и одновременно повышает точность измерения. Если особо высокой точности измерения не требуется, то достаточная точность измерения достигается и при обычном расположении кварцевого резонатора выводами вверх от дна гильзы.
Технический результат - обеспечение герметичности устройства и надежной работы генератора, обеспечение замера температуры в центре потока жидкости при минимальных потерях тепла через элементы конструкции.
В сравнении с прототипом заявляемый датчик температуры обладает новизной, отличаясь от него наличием таких существенных признаков как выполнение нескольких функциональных узлов в виде единой цельнометаллической конструкции, выполнение гильзы с переменным по ее длине термосопротивлением и размещение платы с преобразователем сигнала на некотором удалении от места измерения температуры и изоляции его от металлического корпуса с помощью неметаллической втулки, обеспечивающими в совокупности достижение заданного результата.
Заявляемый датчик температуры может найти широкое применение в термометрии для измерения температуры в различных отраслях, например, в пищевой, химической, металлургической промышленности и в коммунальном
хозяйстве, в частности, в трубах малого диаметра, а потому соответствует критерию «промышленная применимость».
Заявляемая полезная модель иллюстрируется чертежами, где показаны на:
- фиг.1 - общий вид датчика с кварцевым резонатором, установленным выводами вниз;
- фиг.2 - общий вид датчика с кварцевым резонатором, установленным выводами вверх.
Корпус 1 датчика температуры имеет наружную резьбу, закреплен в трубопроводе (на чертежах не показан) с помощью установочной головки 2 и закрыт в верхней части крышкой 3. Он соединен в нижней части с металлической защитной гильзой 4, в которой закреплен термочувствительный элемент 5, представляющий собой кварцевый резонатор. Выводы 6 последнего посредством проводов 7 включены в цепь генератора 8 частоты (на чертежах не показан), собранного на печатной плате 9, размещенной в корпусе 1. При этом установочная головка 2, корпус 1 и гильза 4 выполнены в виде функционально последовательной цельной, полой внутри, металлической конструкции. Гильза 4 выполнена с переменным по ее длине термосопротивлением - минимальным в месте съема теплопотока и максимальным - в месте отвода тепла к преобразователю. Кварцевый резонатор 5 при требовании повышенной точности измерений может быть установлен в гильзе 4 таким образом, что места крепления к нему выводов 6 обращены к дну гильзы 4 (фиг.1 ), или установлен выводами 6 вверх от дна гильзы (фиг.2), если особо высокая точность измерений не требуется. Печатная плата 9 с кварцевым генератором 8 размещена под крышкой 3 и отделена от головки 2 корпуса 1 неметаллической втулкой-стаканом 10 с отверстием 11 в центре, совпадающим по диаметру с диаметром отверстия в единой металлической конструкции.
Пространство между стенками отверстия в гильзе 4 и резонатором 5 заполнено теплопроводящим материалом 12, например, кварцевым песком или теплопроводящей пастой, до уровня чуть выше верхней кромки корпуса резонатора 5. Пространство части отверстия в корпусе 1, расположенное выше этого уровня, заполнено виксинтом 13.
Переменное термосопротивление гильзы 4 по ее длине обеспечивается, в частности, за счет ее формы. Это достигается, например, тем, что при
переходе от корпуса 1 к гильзе 4 имеется сужающаяся шейка 14 для уменьшения отвода тепла от чувствительного элемента, а в средней части гильзы 4 диаметр ее увеличивается, образуя дополнительное кольцевое расширение 15 для увеличения теплового потока из центра потока жидкости (или другого локального места).
Датчик температуры работает следующим образом.
При размещении датчика в среде, температуру которой он должен измерить, защитная металлическая гильза 4 нагревается, при этом тепло передается на кварцевый резонатор 5, который при изменении температуры меняет частоту выходного сигнала. При этом чувствительная часть кварцевого резонатора 5, обращенная к месту замера тепла, получает большую часть тепла через повернутые внутрь потока среды выводы 6, которые сообщаются с платой 9 генератора 8 проводами 7, проходящими внутри кольцевого расширения 15, что прогревает их, уменьшая влияние холодных частей датчика на его показания.
Иногда достаточная точность измерений обеспечивается и при установке кварцевого резонатора 5 выводами вверх. В обоих случаях упомянутой установки кварцевого резонатора 5 наличие кольцевого расширения 15 на гильзе 4 в месте, близком к центру потока жидкости, позволяет снять максимальное количество тепла, а сужающаяся шейка 14 гильзы уменьшает влияние оттока тепла от выводов кварца 5 на показания датчика.
В сравнении с прототипом заявляемая полезная модель обеспечивает надежную работу датчика и повышение точности измерения температуры.