Термоэлектрический датчик

Предлагаемая полезная модель относится к средствам сигнализации и контроля и может быть использована для дистанционного обнаружения обледенения и определения условий окружающей среды, схожих с условиями для образования или предрасположенности к образованию обледенения различных поверхностей, например, дорожного покрытия, взлетно-посадочных полос, поверхностей летательных аппаратов, ветроустановок, линий электропередач и т.п.
Образование наледи или появление условий для образования ледяного покрова напрямую влияет на безопасность эксплуатации техники.
Льдообразование на поверхности летательных аппаратов затрудняет их эксплуатацию и увеличивает риски аварийных ситуаций.
Наледи на линиях электропередач увеличивают аварийность и являются причиной частого выхода из строя из-за обрывов проводов.
В настоящее время применяются разнообразные датчики обледенений, работа которых основана на различных прямых или косвенных методах определения наличия обледенения или предрасположенности к обледенению.
В основном используются сигнализаторы обледенения, которые, на основе различных физических принципов определяют наличие льда или вероятность льдообразования.
Среди датчиков обледенения заметным преимуществом обладают датчики способные фиксировать факт фазового превращения вода-лед и наоборот лед-вода.
В таких датчиках с помощью встроенного элемента Пельтье (термоэлектрический охладитель) реализуется цикл нагрева-охлаждения в измерительной кювете. И с помощью встроенного термодатчика фиксируется факт фазового превращения вода-лед происходящего с выделением или поглощением значительного количества тепла при фиксированной температуре данного фазового перехода.
Характеристиками обледенения, которые должны обнаруживаться такими датчиками, являются сам факт обледенения или предрасположенность к нему, температура обледенения и интенсивность обледенения.
Недостатком многих датчиков обледенения является то, что они не позволяют надежно обнаруживать одновременно все указанные признаки обледенения. Особенно это касается количественных характеристик - температуры льдообразования и интенсивности (количество льда).
Причиной таких недостатков являются как косвенные методы определения наступления события фазового перехода, так и оценочные методы определения интенсивности.
Например, из уровня техники известны способ и система обнаружения вероятности образования льда на поверхности транспортного средства (см. US 4570881, МПК B64D 15/20, опубл. 18.02.1986 г.). Способ подразумевает размещение диафрагмы на поверхности транспортного средства, попеременное охлаждение и нагрев с помощью элемента Пельтье указанной диафрагмы до температур ниже и выше температуры окружающей среды в соответствии с определенным циклом, создающим, а затем растапливающим лед, в случае если температура окружающего воздуха вблизи или ниже точки замерзания. В упомянутом цикле происходит поочередное и многократное охлаждение и нагревание диафрагмы, при этом фиксируется любое изменение резонансной частоты вибрации диафрагмы. Изменение резонансной частоты свидетельствует о фазовом переходе вода-лед. Таким образом, льдообразование определяется качественно, без количественной интерпретации.
Из уровня техники известен термоэлектрический датчик обледенения (см. RU 2534493, МПК B64D 15/20, опубл. 27.11.2014 г.). Известный термоэлектрический датчик обледенения содержит термоэлектрический модуль, выполненный в виде элемента Пельтье, выполняющий функцию теплового насоса, и датчик температур, установленный на внешней чувствительной поверхности.
Элемент Пельтье по заданному алгоритму, в зависимости от температуры окружающей среды и ее близости к температуре замерзания, нагревает или охлаждает чувствительную поверхность. Температурный датчик отслеживает изменение температуры. В случае наличия льда на поверхности и наличия условий для образования льда, температура чувствительной поверхности на период фазового перехода вода-лед стабилизируется и выделяется или поглощается скрытая теплота льдообразования. Известный термоэлектрический датчик фиксирует указанную температуру фазового перехода, определяя тем самым наличие льдообразования, а интенсивность льдообразования оценивается по величине мощности питания теплового насоса (элемент Пельтье) в этот период, так как это коррелирует напрямую с выделяемой или поглощаемой теплотой фазового перехода.
Также, косвенное определение интенсивности, к тому же чревато большими погрешностями, поскольку мощность питания элемента работающего элемента Пельтье сильно зависит от переменных условий эксплуатации (в частности, температуры окружающей среды, теплообмена с окружающей средой).
В качестве наиболее близкого аналога (прототипа) предлагаемого термоэлектрического датчика выбран термоэлектрический датчик обледенения, раскрытый в патенте на полезную модель RU 162213, опубликованном 27.05.2016 г., МПК B64D 15/20. Известный термоэлектрический датчик обледенения содержит термоэлектрический модуль, выполненный в виде элемента Пельтье, который нижней частью соединен с термоэлектрическим датчиком теплового потока, а его противоположная верхняя часть образует внешнюю, чувствительную к образованию льда, поверхность и снабжена датчиком температуры.
Термоэлектрический модуль, выполненный в виде элемента Пельтье, обеспечивает режим циклического нагрева - охлаждения чувствительной внешней поверхности верхней части датчика теплового потока в температурном диапазоне образования ледяного покрова.
Термоэлектрический датчик теплового потока, в случае наличия льда или предрасположенности к льдообразованию на чувствительной поверхности верхней части, фиксирует выделение или поглощение скрытой теплоты льдообразования появлением сигнала, соответствующего тепловому потоку через него, а датчик температуры при этом фиксирует температуру льдообразования.
Известный термоэлектрический датчик обледенения позволяет определять интенсивность льдообразования интегрированием тепла, прошедшего через встроенный датчик теплового потока за период времени льдообразования. Данное количество тепла при известной удельной теплоте льдообразования позволяет определить количество льда или воды (или толщины слоя в измерительной кювете).
Недостатком такого датчика обледенения являются значительные погрешности в определении температуры льдообразования. Связано это с тем, что расположенный непосредственно на поверхности датчика теплового потока датчик температуры над охлаждающей (или нагревающей) поверхностью элемента Пельтье (фиг. 1) фиксирует температуру фазового перехода неточно. Его промежуточное расположение между температурными зонами, зоной температуры окружающей среды и зоной температуры, создаваемой элементом Пельтье, приводит к фиксированию промежуточной температуры в момент льдообразования. Для воды и водных растворов характерно заметное переохлаждение перед спонтанной кристаллизацией, а это значит, что в момент начала кристаллизации температура элементов конструкции датчика вблизи зоны кристаллизации заметно ниже температуры кристаллизации.
Таким образом, в силу промежуточного расположения, между окружающей средой и элементом Пельтье, датчик температуры фиксирует температуру ниже истинной температуры кристаллизации льда. В частности эта ошибка возрастает с уменьшением пробы «лед-вода» на чувствительной поверхности.
Для увеличения точности измерений таких датчиков вносятся заметные эмпирические поправки, учитывающие паразитные влияния окружающей температуры, что снижает точность и достоверность получаемых результатов.
Техническая проблема, на решение которой направлена настоящая полезная модель, заключается в повышении точности измерения количественных характеристик определения льдообразования термоэлектрическим датчиком.
Технический результат, достигаемый при решении технической проблемы, заключается в повышении чувствительности к льдообразованию или предрасположенности к нему при одновременном повышении точности определения льдообразования или предрасположенности к его появлению.
Техническая проблема решается, а технический результат достигается за счет того, что термоэлектрический датчик обледенения включает первый термоэлектрический блок, датчик температуры, второй термоэлектрический блок, теплопроводящую пластину, защитную оболочку и основание. Первый термоэлектрический блок содержит первый термоэлектрический элемент и установленный на нем первый термоэлектрический датчик теплового потока, а второй термоэлектрический блок содержит второй термоэлектрический элемент и установленный на нем второй термоэлектрический датчик теплового потока. Первый и второй термоэлектрические блоки смонтированы на основании, отстоящими друг от друга. Поверх первого и второго термоэлектрических блоков установлена теплопроводящая пластина, причем в зазоре между первым и вторым термоэлектрическими блоками на внутренней стороне теплопроводящей пластины обособлено размещен датчик температуры. Первый и второй термоэлектрические элементы электрически соединены между собой, а первый и второй термоэлектрические датчики теплового потока электрически последовательно соединены между собой. Первый и второй термоэлектрические блоки, датчик температуры и теплопроводящая пластина заключены в защитную оболочку, разомкнутую в области теплопроводящей пластины с образованием кюветы, дном которой является внешняя сторона теплопроводящей пластины, а стенками защитная оболочка.
Техническая проблема решается, а технический результат достигается также в следующих частных вариантах реализации термоэлектрического датчика.
Теплопроводящая пластина может быть выполнена из металла или теплопроводной керамики.
Термоэлектрические элементы могут представлять собой элементы Пельтье.
Защитная оболочка может быть выполнена из материала с низкой теплопроводностью, в частности, из полимерного материала с низкой теплопроводностью.
Теплопроводящая пластина, установленная на первом и втором термоэлектрических датчиках теплового потока, выполнена из материала, обладающего высокой теплопроводностью, например, металла или теплопроводной керамики. Такое исполнение теплопроводящей пластины позволяет максимально быстро провести измерение минимального изменения температуры в кювете, а, следовательно, повысить чувствительность к льдообразованию или предрасположенности к нему и точность определения льдообразования или предрасположенности к его появлению.
Размещение датчика температуры на внутренней стороне теплопроводящей пластины обеспечивает его непосредственный тепловой контакт с измеряемой пробой. А его обособление от термоэлектрических блоков и расположение в зазоре между ними приводит к тому, что минимизируется температурное воздействие этих элементов на датчик температуры, что в свою очередь, положительно сказывается на чувствительности к льдообразованию или предрасположенности к нему и точности их определения.
Электрическое соединение термоэлектрических элементов как параллельное, так и последовательное обеспечивает управление ими как единым комбинированным термоэлектрическим элементом. Электрическое последовательное соединение термоэлектрических датчиков теплового потока позволяет суммировать их чувствительность и регистрировать сигнал теплового потока как с единого датчика теплового потока. И то и другое обеспечивает согласованную работу обоих блоков, а, следовательно, повышает общую точность определения льдообразования или предрасположенности к его появлению.
Наличие двух термоэлектрических блоков, объединенных теплопроводной пластиной и обособленно расположенным между ними датчиком температуры позволяет более равномерно поглощать/передавать тепловую энергию пробе, находящейся на теплопроводной пластине, вследствие чего обеспечивается одинаковая температура по всей протяженности теплопроводящей пластины. Таким образом, датчик температуры, расположенный обособленно и при этом между блоками, измеряет температуру, более точно соответствующую температуре пробы.
Заключение всех элементов конструкции, расположенных на основании, в защитную оболочку и выполнение ее из материала с низкой теплопроводностью позволяет обеспечить защиту конструкции от механических и температурных воздействий извне. А одновременное формирование кюветы из диафрагмы и защитной оболочки позволяет провести адресное измерение температуры пробы с минимизацией внешних паразитных температурных воздействий. Другими словами, таким образом минимизируется влияние любых изменений температуры окружающей среды вне кюветы, а, следовательно, обеспечивается повышение чувствительности к льдообразованию или предрасположенности к нему и повышение точности их определения.
Далее настоящая полезная модель поясняется следующими чертежами.
На фиг. 1 изображена конструкция термоэлектрического датчика.
На фиг. 2 изображена схема циклического изменения температуры термоэлектрического датчика обледенения с помощью термоэлектрического элемента (a - фаза охлаждения, б - фаза нагрева).
На фиг. 3 представлен график характерных изменений температуры и величины теплового потока в работающем датчике обледенения при наличии воды в кювете (фаза охлаждения).
На фиг. 4 представлен график характерных изменений температуры и величины теплового потока в работающем датчике обледенения по прототипу при наличии воды в кювете (фаза охлаждения).
В соответствии с настоящей полезной моделью термоэлектрический датчик предназначен для установки на любую поверхность, на которой возможно льдообразование.
На фиг. 1 схематично представлена конструкция термоэлектрического датчика, который включает первый (1а) термоэлектрический элемент и второй (1б) термоэлектрический элемент, каждый из которых представляет собой термоэлектрический модуль, включающий полупроводниковые термоэлементы n- и p-типа.
На внешних сторонах первого (1а) и второго (1б) термоэлектрических элементов расположены первый (2а) и второй (2б) термоэлектрические датчики теплового потока, также включающие полупроводниковые термоэлементы n- и p-типа с образованием двух термоэлектрических блоков - «термоэлектрический элемент - датчик теплового потока» (1а-2а и 1б-2б). Первый (1а) и второй (1б) термоэлектрические элементы соединены между собой с образованием электрической цепи, а также первый (2а) и второй (2б) термоэлектрические датчики теплового потока, последовательно соединены между собой с образованием электрической цепи. Между собой каждый блок «датчик теплового потока - термоэлектрический элемент («1а-2а» и «1б-2б») могут быть соединены любыми способами известными специалисту в данной области техники, например, методом пайки металлизированных поверхностей. На внешних сторонах первого (2а) и второго (2б) термоэлектрических датчиков теплового потока расположена соединяющая их теплопроводящая пластина (4).
Для повышения чувствительности к льдообразованию оба термоэлектрических блока смонтированы на основании (6) на расстоянии друг от друга с образованием зазора. Поверх первого и второго термоэлектрических блоков установлена теплопроводящая пластина (4). На внутренней стороне теплопроводящей пластины (4) в зазоре между первым и вторым термоэлектрическим блоками обособленно размещен датчик температуры (3). Такое взаимное расположение элементов конструкции устраняет температурное влияние обоих термоэлектрических блоков на датчик температуры (3) во время измерения температуры. Для минимизации внешних механических воздействий и влияния изменений температуры окружающей среды первый (1а) и второй (1б) термоэлектрические элементы, первый (2а) и второй (2б) термоэлектрические датчики теплового потока, датчик температуры (3) и теплопроводящая пластина (4), расположенные на основании (6), заключены в защитную оболочку (5), выполненную из материала с низкой теплопроводностью, предпочтительно полимерного. Применение таких материалов для защитной оболочки позволяет минимизировать влияние изменений температуры окружающей среды за счет затруднения теплообмена между внешней средой и конструктивными элементами термоэлектрического датчика. Защитная оболочка (5) разомкнута в области диафрагмы (4) с образованием кюветы (7), дном которой является теплопроводящая пластина (4), а стенками - защитная оболочка (5). Данная кювета (7) в сочетании с теплоизоляцией остальных конструктивных элементов посредством оболочки (5) позволяет точно и своевременно проводить локальной измерение изменений температуры. Другими словами, изменение температуры окружающей среды оказывает адресное воздействие именно в той области, где термоэлектрический датчик сможет измерить его максимально точно.
Термоэлектрический датчик работает следующим образом.
В случае, когда температура окружающей среды (Та) выше диапазона температур льдообразования, на дне кюветы находится вода (А) с температурой на поверхности воды (Т1) и температурой на поверхности диафрагмы (Т2), то термоэлектрические элементы (1а и 1б) работают как охладители и охлаждают термоэлектрические датчики теплового потока (2а и 2б). Стрелками показано поглощение тепла Q термоэлектрическими датчиками теплового потока (фиг. 2а). Таким образом, внешняя поверхность теплопроводящей пластины (дно кюветы), на которой может быть слой воды, охлаждается.
Поскольку жидкость склонна к переохлаждению, то в начале процесса температура в кювете (7) на внешней чувствительной поверхности диафрагмы (4) падает ниже температуры льдообразования, происходит характерное переохлаждение пробы жидкости. Далее, при предельном переохлаждении пробы, происходит спонтанный фазовый переход жидкости в лед с выделением значительного количества тепла, при этом температура пробы поднимается до температуры фазового перехода (для чистой воды - около 0°С). Момент фазового перехода (льдообразования) фиксируют как датчик температуры (3), так и термоэлектрические датчики теплового потока (2а и 2б) по скачку своих выходных сигналов (Т) и (Flow), соответственно (фиг. 3). При этом датчик температуры (3) показывает температуру фазового перехода в максимуме скачка, а интеграл выброса теплового потока, измеренного термоэлектрическими датчиками теплового потока за время фазового перехода - это теплота кристаллизации жидкости.
В случае, когда температура окружающей среды ниже диапазона температур льдообразования, на дне кюветы (7) находится лед (Б) с температурой на поверхности слоя льда (Т1) и с температурой на поверхности диафрагмы (Т2), то термоэлектрические элементы (1а и 1б) работают как нагреватели и нагревают термоэлектрические датчики теплового потока (2а и 2б). Стрелками показано тепло Q, выделяемое термоэлектрическими датчиками теплового потока (фиг. 2б). Соответственно, дно кюветы (7), на котором может быть слой льда, нагревается.
пл
По мере нагрева пробы термоэлектрическими элементами (1а и 1б), температура увеличивается и при достижении значения температуры фазового перехода, например, для воды T=0°С, лед начинает таять. При этом изменение температуры в этом слое останавливается и поглощается теплота плавления льда. Через термоэлектрические датчики теплового потока (2а и 2б) протекает указанное тепло, при этом температурная кривая претерпевает характерный перегиб (см. фиг. 3, правая часть). Он связан с тем, что пока происходит полное расплавление пробы, поглощается значительное количества тепла, однако, по окончании процесса плавления количество тепла Q резко изменяется (изменяется направление теплового потока) и это отражается на ходе температурной кривой. Данный эффект можно использовать для определения температуры фазового перехода (плавления) путем нахождения точки перегиба по вычислению математической производной по времени температурной кривой.
Непрерывный мониторинг обледенения включает последовательные циклы нагрева и охлаждения с точным определением обледенения или предрасположенности к обледенению поверхности в обеих фазах (кристаллизация жидкости и таяние льда).
На фиг. 3 приведены типичные показания датчика температуры (3) (T) и термоэлектрических датчиков теплового потока (2а и 2б) (Flow) при равномерном охлаждении термоэлектрическими элементами (1а и 1б) (U - напряжение питания).
Для сравнения на фиг. 4 приведен аналогичный цикл измерений и типичные показания датчика температуры (T) и термоэлектрического датчика теплового потока (Flow) в датчике обледенения, изготовленном по известной полезной модели по патенту RU 162213 (прототипу).
При сравнении графиков видно, что на фиг. 3 демонстрируется более высокая точность измерения температуры кристаллизации, чем на фиг. 4. Точность измерения температуры фазового перехода «жидкость-лед», полученная при измерении с помощью настоящей полезной модели, укладывается в величину 0,5°С, что удовлетворяет требованиям практических применений. Причем измерение температуры фазового перехода возможно, как в фазе охлаждения (кристаллизация «жидкость-лед»), так и в фазе нагрева (плавление «лед-жидкость»).
Основной недостаток прототипа - большая погрешность измерения температуры фазового перехода (кристаллизации воды), которая отмечена на фиг. 4 как dT и составляет 5-10°С, что заметно искажает полученные результаты. Кроме того, в фазе нагрева нет явно выраженного перегиба температурной кривой. Такая неточность связана с тем, что датчик температуры в известном датчике расположен на чувствительной поверхности датчика теплового потока, непосредственно над холодной поверхностью элемента Пельтье. По этой причине температура поверхности элемента Пельтье сильно влияет на показания датчика температуры. В данном случае, из-за переохлаждения, предшествующего фазовому переходу, все близко расположенные конструктивные элементы вокруг датчика температуры (поверхность элемента Пельтье) будут переохлаждены относительно температуры кристаллизующейся воды в фазе охлаждения и перегреты в фазе нагрева. Поэтому датчик температуры в прототипе показывает, по существу, промежуточную температуру между температурой фазового перехода в кювете и температурой переохлажденных или перегретых элементов конструкции (элемента Пельтье и термоэлектрического датчика теплового потока).
В предлагаемой полезной модели этот недостаток устранен отдалением переохлажденных поверхностей термоэлектрических блоков от зоны измерения температуры фазового перехода. Размещение теплопроводной пластины (4) на термоэлектрических блоках, которая одновременно выполняет функцию дна кюветы (7), позволяют более равномерно поглощать/передавать тепловую энергию пробе, находящейся на теплопроводной пластине (4), тем самым обеспечивая одинаковую температуру по всей теплопроводящей пластине. При этом датчик температуры (3), расположенный на внутренней стороне теплопроводной пластины (4) измеряет температуру дна измерительной кюветы (7) в непосредственном тепловом контакте с пробой жидкости (льда).
Предлагаемый термоэлектрический датчик обнаружения обледенения или предрасположенности к обледенению поверхности может найти широкое применение в области дистанционного обнаружения обледенения или предрасположенности к обледенению различных поверхностей.