ТЕРМОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СОПРОТИВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
RESISTIVE TEMPERATURE TRANSDUCER (VERSIONS), AND METHOD FOR ITS MANUFACTURE

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения температуры газообразных, жидких и сыпучих сред.
Известна конструкция термопреобразователя сопротивления по патенту РФ №58703 от 19.05.2006 г., содержащая корпус в виде трубки и помещенные в него чувствительный элемент в виде катушки провода с каркасом, изолятор и электрические выводы термопреобразователя. Теплопроводящий наконечник корпуса находится в тепловом контакте с каркасом, при этом катушка намотана на каркас в несколько слоев, изолятор присоединен к каркасу через переходный цилиндр и выполнен в виде пластины с контактными площадками, на которых выводы катушки провода чувствительного элемента электрически соединены с выводами термопреобразователя сопротивления. Наконечник корпуса выполнен как единое целое с каркасом.
Недостатками конструкции являются низкая надежность вследствие электрического замыкания витков катушки на корпус в условиях вибрации и большая погрешность измерения температуры, обусловленная саморазгревом чувствительного элемента под действием измерительного тока за счет большого термического сопротивления между верхними слоями катушки и корпусом.
Известна конструкция термопреобразователя сопротивления по патенту РФ №105442 от 12.01.2011, которая содержит корпус в виде трубки с теплопроводящим наконечником корпуса, помещенные в него чувствительный элемент в виде катушки провода с каркасом, изолятор с контактными площадками, электрические выводы термопреобразователя и диэлектрическую теплопроводящую трубку.
Недостатками конструкции являются низкая точность измерения температуры вследствие саморазогрева чувствительного элемента измерительным током и большое время установления температуры термопреобразователя ввиду большой общей теплоемкости, а также низкая надежность термопреобразователя, обусловленная перемещениями витков катушки и электрическим замыканием между ними в условиях вибраций.
Способ изготовления данной конструкции осуществляют намоткой катушки провода чувствительного элемента на каркас, при этом изолятор с контактными площадками присоединяют к каркасу. Контактные площадки изолятора электрически соединяют с выводами катушки провода чувствительного элемента и с выводами термопреобразователя сопротивления. Дополнительно устанавливают диэлектрическую теплопроводящую трубку, например, из фторопласта, которую располагают между корпусом и катушкой чувствительного элемента.
Недостатком способа является высокая трудоемкость изготовления термопреобразователя из-за большого количества технологических операций, что также снижает надежность его конструкции.
Задачей изобретения является повышение точности измерения и снижение времени установления температуры, а также повышение надежности термопреобразователя.
Технический результат достигается за счет уменьшения термического сопротивления между катушкой чувствительного элемента и корпусом термопреобразователя, ведущего к снижению саморазогрева чувствительного элемента измерительным током. Технический результат достигается также за счет уменьшения общей теплоемкости термопреобразователя ввиду отсутствия металлического каркаса катушки чувствительного элемента и фиксации положения витков катушки при изготовлении.
Поставленная задача достигается тем, что термопреобразователь сопротивления выполнен в виде многослойной трубки, состоящей из прилегающих друг к другу наружного металлического слоя и двух внутренних диэлектрических слоев. На ограниченном по длине участке трубки между диэлектрическими слоями расположена однослойная катушка провода чувствительного элемента, концы которой выведены через отверстия во внутреннем диэлектрическом слое внутрь трубки для присоединения к выводам термопреобразователя.
Поставленная задача достигается тем, что термопреобразователь сопротивления выполнен в виде многослойной трубки, состоящей из прилегающих друг к другу наружного металлического слоя и двух внутренних диэлектрических слоев. На ограниченном по длине участке трубки между диэлектрическими слоями расположена однослойная катушка провода чувствительного элемента, концы которой выведены через отверстия в металлическом и внешнем диэлектрическом слоях наружу для присоединения к выводам термопреобразователя.
Поставленная задача достигается также тем, что термопреобразователь сопротивления изготавливают намоткой катушки провода на диэлектрическую трубку, перед намоткой катушки диэлектрическую трубку удлиняют путем вытягивания вдоль продольной оси до диаметра, меньшего внутреннего диаметра металлической трубки, после намотки производят защиту провода катушки электроизолирующим слоем, диэлектрическую трубку помещают внутрь металлической трубки и производят нагрев всей конструкции до момента сжатия диэлектрической трубки вдоль оси и образования единого многослойного элемента.
При сжатии диэлектрической трубки при нагреве происходит увеличение ее диаметра, и она вместе с катушкой и электроизолирующим слоем плотно прилегает к металлической трубке, образуя единую многослойную трубку.
Варианты конструкции термопреобразователя сопротивления поясняются чертежами, где на фигуре 1 схематично изображен разрез термопреобразователя, предназначенного для измерения температуры газообразных, жидких и сыпучих сред путем погружения, а на фигуре 2 - разрез термопреобразователя, предназначенного для измерения температуры жидкости в транспортном трубопроводе.
Термопреобразователь сопротивления содержит многослойную трубку, состоящую из внешнего металлического слоя 1, внутреннего диэлектрического слоя 2, на который намотана катушка чувствительного элемента 3 из изолированного провода с концами 4, и электроизолирующего слоя 5, нанесенного поверх катушки чувствительного элемента 3 и внутреннего диэлектрического слоя 2.
Способ изготовления термопреобразователя сопротивления
Диэлектрическую трубку 2 из полимера, например, фторопласта с наружным диаметром, равным или большим внутреннему диаметру металлической трубки 1, образующей внешний слой термопреобразователя, вытягивают вдоль оси до диаметра, меньшего внутреннего диаметра металлической трубки 1. На поверхность диэлектрической трубки 2 наматывают однослойную катушку 3 изолированного провода, например, из меди. Поверх катушки 3 чувствительного элемента наносят слой электроизоляции 5, например, в виде диэлектрической полимерной пленки из фторопласта. Концы катушки 3 через отверстия в диэлектрической трубке 2 или в слое 5 электроизоляции и металлической трубке 1 выводят соответственно внутрь диэлектрической трубки 2 или наружу для подключения к выводам термопреобразователя. Диэлектрическую трубку 2 с чувствительным элементом 3 и слоем диэлектрика 5 помещают внутрь металлической трубки 1.
Термопреобразователь сопротивления с установленными внутрь металлической трубки 1 диэлектричекой трубкой 2, катушкой 3 и слоем диэлектрика 5 нагревают до температуры размягчения диэлектрической трубки 2. После сжатия диэлектрической трубки в осевом направлении конструкцию термопреобразователя охлаждают до температуры окружающей среды.
При сжатии диэлектрической трубки в осевом направлении диаметр ее увеличивается, что обеспечивает вытягивание витков катушки 3 и электроизолирующего слоя 5 и плотное прилегание электроизолирующего слоя 5 к металлическому слою 1, катушки 3 - к электроизолирующему слою 5 и слоя диэлектрика 2 - к катушке 3 и электроизолирующему слою 5. Также за счет нагревания снимаются внутренние механические напряжения в катушке 3 чувствительного элемента, что обеспечивает стабильность градуировочной характеристики термопреобразователя в процессе эксплуатации.
Термопреобразователь сопротивления работает следующим образом.
Путем погружения теромпреобразователь сопротивления вводится в исследуемую среду. Через катушку 3 чувствительного элемента пропускается измерительный ток. За счет мощности тока происходит выделение тепла в катушке. От катушки чувствительного элемента тепло отводится в радиальном направлении через электроизолирующий слой 5 и металлический слой 1 в среду. Тепло также отводится в среду через внутренний диэлектрический слой 2 в обход катушки 3, который за пределами катушки плотно прилегает к электроизолирующему 2 и металлическому 1 слоям. Благодаря малому термическому сопротивлению между катушкой 3 и металлическим слоем 1 термопреобразователя и малой его общей теплоемкости обеспечиваются снижение погрешности измерений температуры за счет саморазогрева измерительным током и времени установления его температуры. Конструкция термопреобразователя обеспечивает фиксацию витков катушки 3 чувствительного элемента между диэлектрическим 2 и электроизолирующим 5 слоями, что ограничивает перемещение витков и исключает межвитковые электрические замыкания в условиях вибраций и, в свою очередь, обеспечивает повышение надежности термопреобразователя.
В варианте конструкции на фигуре 2 термопреобразователь сопротивления предназначен для измерения температуры жидкости, транспортируемой по трубопроводу. При этом многослойная трубка термопреобразователя с катушкой 3 чувствительного элемента устанавливается в разрыв трубопровода, и транспортируемая жидкость пропускается через нее. Выделяющаяся при протекании измерительного в катушке 3 в виде тепла мощность тока отводится через внутренний диэлектрический слой 2 в транспортируемую жидкость и через изолирующий 5 и металлический 1 слои за пределы трубки в окружающую среду.
Исследования опытного образца предлагаемой конструкции термопреобразователя с катушкой из медного провода диаметром 40 мкм и способа его изготовления показали, что способ изготовления обеспечивает выход годных термопреобразователей не менее 95%; термопреобразователи сопротивления имеют в 3-5 раз меньшее термическое сопротивление по сравнению с прототипом и соответственно меньший саморазогрев измерительным током, а также меньшее время установления температуры. Постоянная времени тепловой инерции, измеренная в нулевом термостате по уровню 0,63, составляет не более 2 секунд.