НУЛЬ-ТЕРМОСТАТ МОДИФИЦИРОВАННОЙ КОНСТРУКЦИИ
ZERO- THERMOSTAT OF MODIFIED CONSTRUCTION

Изобретение относится к измерительной технике и применяется для термостатирования контрольных спаев дифференциальных термопар.
Дифференциальные термопары широко используются в различных областях науки и техники и отличаются хорошими техническими характеристиками. К их недостаткам можно отнести необходимость в термостабилизации опорных спаев для достижения высокой точности измерений - их опорный спай должен находиться в условиях с известной температурой, как правило, в качестве опорной точки выбирают температуру плавления льда (0°С). Известны несколько конструкций, позволяющих осуществлять термостатирование опорных спаев дифференциальных термопар.
Принцип работы конструкции [1] основан на применении малогабаритного ртутного реле, которое включено в схему двухпозиционного регулирования. Недостаток заключается в высокой зависимости точности поддержания температуры от точности датчика. Принцип действия другой термоэлектрической системы [1] основан на регистрации изменений в объеме воды при ее переходе в твердую фазу, для чего используется контактное реле, реагирующее на изменения в объеме. Недостатками обеих конструкций являются большие габариты устройств, сложность схемы управления и конструкции.
Более удачным является решение, основанное на размещении опорного спая дифференциальной термопары на границе раздела твердой и жидкой фазы вещества. Малогабаритный прецизионный нуль-термостат [2] состоит из двустенной цилиндрической камеры, внутренний объем которой заполнен дистиллированной водой. Термоэлектрический модуль закреплен холодным спаем к верхнему основанию камеры и подводит тепло от горячего спая к нижнему основанию, что способствует образованию твердой и жидкой фаз воды и их границы раздела во внутреннем объеме. Однако указанный подход имеет ряд недостатков, среди них - наличие значительных конвективных потоков, приводящих к снижению точности термостатирования, что обусловлено особенностью конструкции, кроме того, способствует неравномерному вымыванию нижней кромки ледяной массы, что снижает точность позиционирования подводимого опорного спая дифференциальной термопары. Применение свободно плавающей поплавковой конструкции при длительной эксплуатации вызывает изменения в направлении нарастания льда и способствует появлению наклона поплавка, смещению опорного спая от границы фазового раздела или обмерзанию поплавка с боков и снизу. Устройство [2] позволяет организовать один канал измерения температуры, что, наряду со сложностью замены термостатируемых спаев ввиду конструктивных ограничений, является его существенными недостатками.
Целью изобретения является устранение отмеченных недостатков и разработка нуль-термостата модифицированной конструкции, отличающегося повышенной точностью термостатирования за счет устранения влияния конвективных потоков в жидкой фазе, способностью непрерывного функционирования в длительном интервале времени, позволяющего проводить одновременное термостатирование нескольких опорных спаев, а также их оперативную замену благодаря наличию ряда конструктивных решений, отличающихся простотой в реализации и приводящих к повышению надежности устройства.
Устройство состоит из цилиндрической камеры 3, имеющей прозрачные стенки с низкой теплопроводностью и заполненной рабочим веществом 4, изначально находящимся в твердой фазе. Термоэлектрический модуль 2 закреплен между двумя теплопроводящими пластинами 9 и 10, выполненными из материала с высокой теплопроводностью, причем пластина 9 закреплена у верхнего основания (горячего спая) термоэлектрического модуля, пластина 10 - находится в хорошем тепловом контакте с нижним основанием термоэлектрического модуля (холодный спай). Конструкция выполнена таким образом, что тепло от горячего спая термоэлектрического модуля 2 подводится посредством теплопроводящей пластины 9 к верхнему основанию цилиндрической камеры 3, а посредством холодного спая термоэлектрического модуля 2 через теплопроводящую пластину 10 производится охлаждение нижнего основания цилиндрической камеры 3. Для снижения влияния внешних факторов, в том числе уменьшения теплообмена с окружающей средой, конструкция размещается в теплоизоляционном кожухе 1, представляющем собой цилиндрическую камеру, выполненную из прозрачного в оптическом диапазоне частот материала с низкой теплопроводностью. Для компенсации изменений в объеме при фазовых переходах рабочего вещества используется отводная трубка 8. Проводники опорных паев дифференциальных термопар 7 размещаются на прижимной конструкции 6 из материала, не смачиваемого водой и имеющего плотность, меньшую плотности жидкой фазы рабочего вещества 4, в результате чего опорные спаи термопар 7 оказываются размещенными вблизи границы раздела твердой и жидкой фаз рабочего вещества 4. Проводники термостатируемых опорных спаев термопар выведены наружу через отводную трубку 8.
При включении питания термоэлектрического модуля 2 начинается процесс плавления льда в цилиндрической камере 3, при этом образуется граница раздела фаз 5, пролегающая по нижнему основанию прижимной конструкции 6. Тепловая энергия, выделяемая на горячем спае термоэлектрического модуля 2, через теплопроводящую пластину 9 подводится к верхнему основанию внутренней цилиндрической камеры 3, а посредством холодного спая термоэлектрического модуля 2 производится поглощение тепла от нижнего основания цилидрической камеры 3 с помощью теплопроводящей пластины 10. В результате работы термоэлектрического модуля происходит нагрев рабочего вещества 4 в камере 3 с одной стороны (сверху) и охлаждение с другой стороны (снизу). Вследствие этого в камере постоянно присутствует граница раздела фаз 5, при этом контрольные спаи 7 дифференциальных термопар постоянно находятся при температуре плавления льда 0°С.
Устройство позволяет одновременно термостатировать контрольные спаи нескольких термопар, обеспечивает высокую надежность и точность термостатирования при непрерывной и длительной эксплуатации за счет использования конструкции, исключающей появление конвективных потоков, позволяет осуществлять быструю замену термостатируемых опорных спаев дифференциальных термопар. Устройство имеет малые габариты и просто в изготовлении, может производиться серийно вместе с дифференциальными термопарами, откалиброванными на предприятии-изготовителе.
ЛИТЕРАТУРА
1. Коленко Е.А. Термоэлектрические охлаждающие приборы. Москва-Ленинград. Издательство Академии наук СССР. 1963 г., стр.135.
2. Патент РФ №2215270. Исмаилов Т.А., Аминов Г.И., Евдулов О.В., Юсуфов Ш.А. "Прецизионный малогабаритный нуль-термостат".