Датчик температуры

Предлагаемая полезная модель относится к устройствам, предназначенным для измерения температуры нагрева поверхности лунок термоблоков термошейкеров в диапазоне (20…100)°С. Термошейкеры применяются в медицине, служат для перемешивания реагентов при лабораторных анализах и требуют повышенной точности поддержания температуры перемешивания. Лунки предназначены для установки микропробирок емкостью от 0,5 до 2 мл, имеют соответствующие размеры и довольно сложную форму внутренней поверхности (цилиндр, переходящий в конус, переходящий в сферу).
Для измерения температуры лунки с точностью ±0,2°С в диапазоне температур (20…100)°С датчик должен удовлетворять следующим специальным требованиям:
- рабочая область датчика должна полностью находиться в лунке;
- теплопроводность промежутка «стенка лунки - терморезистор» должна быть максимально возможной;
- теплопередача от терморезистора в окружающую среду должна быть минимально возможной.
Большинство известных описанных и выпускаемых датчиков температуры имеют конструкцию, предназначенную для применения в сугубо конкретных условиях (трубопроводы, резервуары, двигатели и т.д.). Среди них отсутствуют специализированные датчики для измерения температуры в лунках, потому что не удовлетворяют одновременно всем трем требованиям (велики по габаритам рабочей области, или же имеют неприемлемую форму рабочей области, не обеспечивающую хороший тепловой контакт, или же имеют повышенную теплоотдачу в окружающую среду за счет внешних элементов конструкции). Поэтому они неприменимы для выполнения поставленной задачи.
2
3
2
3
2
3
Известна конструкция цилиндрического датчика, описанная в патенте на полезную модель RU №111288 (МПК G01K 7/00, опуб. 10.12.2011 г.), которая может быть применена для измерения температуры поверхности лунок. Датчик состоит из платинового терморезистора, помещенного в металлическую гильзу, заполненную внутренней минеральной изоляцией на основе AlO. К открытому торцу гильзы встык присоединена кабельная вставка, через которую из датчика наружу выходят выводы терморезистора.Кабельная вставка представляет собой тонкую металлическую трубку, заполненную компаундом на основе AlO. Вся эта сборная конструкция помещена коаксиально в защитный цилиндрический чехол большего диаметра и высоты. Пустое пространство между ними заполнено внешней минеральной изоляцией на основе AlO.
Несмотря на то, что изготовление датчика требуемых размеров для поставленной задачи возможно, он не будет удовлетворять специальным требованиям. Так, будет иметь место существенная теплоотдача от терморезистора в окружающую среду по путям «терморезистор - внутренняя изоляция - кабельная вставка - внешние провода», а также «терморезистор - внутренняя изоляция - металлическая гильза - внешняя изоляция - кабельная вставка - внешние провода». Кроме того, теплоотдача датчика в окружающую среду может происходить с верхнего торца датчика из-за относительно большого поперечного сечения.
Тепловая проводимость промежутка «стенка лунки - терморезистор» будет неудовлетворительной, поскольку форма датчика не совпадает с формой внутренней поверхности лунки. Кроме того, сложная конструкция датчика (многослойная структура с четырьмя переходами между материалами) также снижает теплопроводность.
Наиболее близким к рассматриваемому устройству является термометр сопротивления ДТС014, паспорт КУВФ.405210.003ПС, выпускаемый ООО «Научно-производственная фирма ОВЕН-К». Термометр представляет собой тонкостенный латунный стакан диаметром 5 мм и высотой 20 мм. Внутри помещен платиновый терморезистор, подсоединенный к трехжильному экранированному внешнему проводу. Свободное пространство в стакане, включая и конец экранированного провода, залито теплопроводящим компаундом.
Описанная полезная модель также не соответствует специальным требованиям, которые предъявляются к датчику для измерения температуры лунки с точностью ±0,2°С в диапазоне температур (20…100)°С. Термометр сопротивления имеет значительную теплопередачу в окружающую среду по короткому пути «термистор - теплопроводящий компаунд - экранная оплетка внешнего провода».
Тепловая проводимость промежутка «стенка лунки - терморезистор» неудовлетворительна, поскольку форма датчика не совпадает с формой внутренней поверхности лунки.
Задачей, решаемой предлагаемой полезной моделью, является измерение температуры поверхности лунки с высокой точностью вне зависимости от условий внешней среды.
Указанный технический результат достигается за счет применения цилиндрического датчика строго ограниченных размеров, в котором приняты специальные меры к минимизации утечки тепла через внешние провода и одновременно повышена теплопроводность промежутка «корпус - терморезистор».
Указанный технический результат достигается тем, что датчик температуры содержит терморезистор, находящийся вне корпуса датчика, фарфоровую двухканальную трубку, выполняющую роль корпуса датчика и одновременно теплоизолятора, защитный кожух терморезистора конической формы и соединительные проводники, соединяющие выводы терморезистора и внешние провода, отличающийся тем, что датчик не имеет внешнего металлического корпуса, терморезистор вынесен за пределы корпуса датчика и соединен с внешними проводами соединительными проводниками, проложенными в отдалении от теплопроводящих частей датчика.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором изображена схема устройства в разрезе по каналам трубки, то есть по ее диаметру.
2
3
2
3
2
Датчик температуры содержит фарфоровую двухканальную трубку 1, являющуюся основой конструкции, диаметром 3 мм и такой длины, чтобы при проведении измерений нерабочий конец датчика находился вне зоны измерений. Малый диаметр трубки (3 мм) и малая теплопроводность алюмосиликатного фарфора (1…2,6 Вт/м⋅К) обеспечивают хорошую теплоизоляцию рабочей зоны датчика от окружающей среды. Плоский платиновый терморезистор 2 (2×2 мм) установлен ребром на торце трубки 1 таким образом, что его выводы пропущены в каналы трубки 1. Терморезистор окружен коническим защитным кожухом 7, выполненным заливкой, состоящей из компаунда с наполнителем SiC или AlO. Теплопроводность наполнителя составляет для SiC 40 Вт/м⋅К, а для AlO 19-30 Вт/м*К. Поверхность кожуха 7 повторяет форму внутренней поверхности лунки, что увеличивает площадь соприкосновения и, тем самым, повышает теплопроводность промежутка «стенка лунки - терморезистор». Тонкие соединительные проводники 3 марки ПЭВ-1-0,2 ГОСТ 7262-68 припаяны к выводам терморезистора 2, места пайки 8, а свободные концы проводников 3 пропущены через каналы трубки 1 и выведены на ее внешнюю поверхность, и к ним припаяны внешние гибкие соединительные провода 5 марки МС26-0,12 ТУ16.505.530-81, места пайки 4. Места пайки 4 фиксируются заливкой цилиндрической формы 6, состоящей из изолирующего компаунда с наполнителем любого состава. Малое сечение соединительных проводников 3 (0,03 мм) обеспечивает минимальный отток тепла от терморезистора во внешние провода 5. Пределы рабочей зоны датчика ограничиваются пределами кожуха 7.
Датчик предназначен для работы с цифровым измерителем ТРМ200 по трехпроводной схеме включения. При измерениях датчик устанавливается на дно лунки в вертикальном положении. Надежное прилегание защитного кожуха рабочей зоны датчика к стенкам лунки обеспечивается автоматически за счет формы поверхности кожуха 7.
При измерениях терморезистор 2 нагревается через защитный кожух 7 и изменяет свое сопротивление. Сигнал снимается с внешних проводов 5 и фиксируется цифровым измерителем температуры ТРМ200, в котором происходит преобразование сигнала в значение температуры.
Предлагаемая конструкция полезной модели удовлетворяет всем трем специальным требованиям для измерения температуры поверхности лунок, которые описаны выше.
Конструкция датчика также отличается простотой и технологичностью в изготовлении, причем для его изготовления из нестандартного оборудования требуются всего две заливочные формы, изготовленные из фторопласта и предназначенные для формирования защитного кожуха 7 и заливки мест вывода внешних проводов 6.
Таким образом, отсутствие в предлагаемом датчике температуры внешнего металлического корпуса, применение в качестве корпуса фарфоровой трубки с низкой тепловой проводимостью, вынесение терморезистора за пределы корпуса, соединение терморезистора с внешними проводами тонкими соединительными проводниками и форма защитного кожуха терморезистора, повторяющая форму внутренней поверхности лунки, обеспечивают измерение температуры поверхности лунки с высокой точностью вне зависимости от условий внешней среды.