УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ И КОНТРОЛЯ УРОВНЯ КРИОГЕННЫХ ЖИДКОСТЕЙ В ГИПЕРЗВУКОВЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТАХ

Полезная модель относится к термометрии и может быть использована в криогенной технике, криомедицине и других областях, где необходимо измерение низких температур и точечное определение уровня криогенных жидкостей.
Известно применение термопар для измерения температуры [ГОСТ Р50431-92]. Наибольшее применение имеют термопары хромель-копель (-200+800°С) и хромель - алюмель (-200+1300°С). Нижний предел измерения температуры обеими термопарами (-200°С) определяется тем, что при температуре ниже -200°С уменьшается чувствительность, следствием чего будет увеличение погрешности в определении
температуры. При тщательной градуировке в криостате нижний предел можно понизить до -253°С [см. D.Suslow et al "Measurement techniques for investigation of heat transfer processes at European research and technology test facility P8." European conference for aerospace science (Eucass), июль 2005 г, г.Москва]. Это не всегда удобно и определить температуру ~20 К можно только со значительной погрешностью.
Для лабораторных исследований при низких температурах применяются термопары хромель-золото + железо, медь-золото + железо, хромель-медь + железо и медь-медь + железо. Термопары с отрицательным электродом золото + железо разработаны специально для измерений при низких температурах, имеют самую высокую чувствительность при температуре ~10 К, высокую стабильность, что позволяет использовать их с обычной измерительной аппаратурой [см. Rosenbaum R.L. Rev. Sci Instrum, 1968. v.39, p.890-899]. Основным недостатком данных термопар является дороговизна отрицательного электрода (сплав золота с железом) В технике использование таких термопар авторами не отмечено.
Аналогами отрицательных электродов золото - железо являются электроды медь-железо. Эти термопары разрабатывались как рабочие средства измерений специально для измерения низких температур, имеют достаточно высокую стабильность, максимальную чувствительность при ~30 К, низкую стоимость [см. Медведева Л.А., Орлова М.П., Рабинькин А.Г. ПТЭ, 1970 г №5, с 208-210; Cryogenics, 1971, v.11, №4, р.316-317].
Основным недостатком данных технических решений является дороговизна устройств.
Технической задачей полезной модели является создание устройства для измерения низких температур (например, водородного холода) и уровня криогенных жидкостей в гиперзвуковых летательных аппаратах.
Технический результат достигается в заявляемом устройстве, содержащем чувствительный элемент, измерительную аппаратуру, при этом в качестве чувствительного элемента используется термопара с обратной зависимостью термоэдс (тэдс) от температуры, например, термопара Cu-Cu+Fe.
То есть чувствительность термопары увеличивается при понижении температуры, что дает возможность определять температуру с необходимой точностью.
Используя термопару с обратной зависимостью, например, термопару Cu-Cu+Fe, погрешность в определении температуры составляет ±0,5 К, а погрешность определения уровня в точке - ±5 мм.
Термопары располагают в нужных местах и в нужном количестве на поверхности объекта, температуру и уровень в котором необходимо измерить. Рабочие спаи термопар приводятся в тепловой контакт с поверхностью одним из известных способов, например, прижимаются металлической фольгой, приваренной к поверхности точечной сваркой. Так как термопара всегда определяет разность температур, температура
свободных концов должна быть либо измерена, либо введена компенсация на отклонение температуры свободных концов от 0°С.
Все используемые термопары предварительно тщательно отбираются и градуируются в криостате. Отбор заключается в том, что подбираются термопары с близкими значениями ТЭДС в реперной точке. Это упрощает введение поправок и уменьшает возможную погрешность. При появлении жидкого водорода в объеме, термоэдс термопары достигает своего значения при температуре ванны и остается постоянной на время всего эксперимента.
Для определения уровня криогенных жидкостей проводят следующие действия.
Располагают термопары на известном расстоянии друг от друга. Последовательное достижение термопарами своего постоянного значения позволяет определить положение уровня жидкости в объеме, и погрешность определения положения жидкости будет определяться только временем инерции термопар.
Схема устройства для измерения температуры и контроля уровня криогенных жидкостей в гиперзвуковых летательных аппаратах представлена на фигуре, где показано расположение термопар, например, Cu-Cu+Fe.
На фигуре показаны следующие конструктивные элементы:
1 - криогенный бак.
2, 3, 4, 5, 6 - термопары, например, медь-медь + железо
7, 8, 9, 10, 11 - усилители
12,13, 14, 15, 16 - компараторы
17, 18, 19, 20, 21 - генераторы импульсов
22, 23, 24, 25, 26 - световые индикаторы
На самом дне сосуда 1 располагается термопара 6, тэдс которой достигнет значения, соответствующего температуре ~(20,4 К) после захолаживания сосуда и появления на дне жидкого водорода.
Сигнал с термопары 6 подается на усилитель 11. Сигнал усиливается до срабатывания компаратора 16, который включает генератор импульсов 21 и светодиод 26.
Аналогичный процесс происходит с остальными термопарами 2, 3, 4, 5, усилителями 7, 8, 9, 10, 11, компараторами 12, 13, 14, 15, 16, генераторами импульсов 17, 18, 19, 20, 21, световыми индикаторами 22, 23, 24, 25, 26.
Термопары 2, 3, 4, 5 при этом будут иметь тэдс, соответствующие некоторым промежуточным температурам. При повышении уровня жидкого водорода тздс термопары 6 остается постоянной в пределах погрешности измерения, следующая термопара 5 достигнет своего значения тэдс, ответствующего температуре ~20,4 К, и тоже останется постоянной.
Последняя термопара 2 не достигает температуры жидкого водорода из-за значительных теплопритоков по арматуре. Но при сильном кипении жидкого водорода на рабочий спай термопары 2 может попадать жидкость и в силу малой инерционности термопары (первичного преобразователя) возможно достижение тэдс, соответствующей водородной температуре.
Весь процесс повторится, и индикатор 22 будет мигать. Это мигание является сигналом для прекращения заправки криогенной емкости
Таким образом, применение предложенного устройства для измерения температуры и контроля уровня криогенных жидкостей в гиперзвуковых летательных аппаратах позволяет выполнять измерения температуры с погрешностью ±0,5 К и определять уровень с погрешностью 5 мм.