MD1129Z - Senzor de temperatură de inerţie mică - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la domeniul măsurărilor şi poate fi utilizată pentru măsurarea temperaturii gazelor care variază rapid.Senzorul de temperatură de inerţie mică include o carcasă inelară (1), pe partea interioară a căreia sunt fixate patru suporturi (2), unite în perechi diametral opuse cu extensii (3) din sârmă de constantan. Extensiile (3) sunt unite între ele cu un element termosensibil (4), executat dintr-un microfir de stibiu în izolaţie de sticlă.

Description

Invenţia se referă la domeniul măsurărilor şi poate fi utilizată pentru măsurarea temperaturii gazelor care variază rapid.

Este cunoscut un senzor de temperatură, în care elementul de detectare este realizat dintr-un fir subţire de platină, înfăşurat pe un cadru rigid [1].

Dezavantajul acestui senzor constă în aceea că la măsurarea schimbării rapide a temperaturii, există o denaturare în rezultatele măsurărilor, deoarece el posedă o inerţie mare, din cauza că elementul de detectare este înfăşurat pe un cadru masiv.

Este cunoscut un senzor de temperatură din sârmă cu răspuns rapid, destinat pentru măsurarea valorilor instantanee ale temperaturii gazului, cuprinzând o carcasă cu un suport al elementului de detectare a temperaturii, executat din sârmă de wolfram şi ataşat la suporturi. Senzorul îndeplineşte o funcţie de captare a temperaturii fluxului de gaz prin intermediul elementului sensibil şi de transformare a acesteia într-un semnal electric. Una dintre principalele sarcini ale elaborării senzorilor pentru măsurarea schimbării rapide a temperaturii este reducerea inerţiei termice a acestora.

Constanta de timp termodinamică a senzorului (inerţia termică) este descrisă de expresia:

(1)

unde τ - inerţia termică a senzorului;

- densitatea materialului sârmei;

D - diametrul sârmei;

С - căldura specifică a materialului sârmei;

α - coeficientul de transmitere termică.

După cum se vede din expresia (1), inerţia termică este direct proporţională cu densitatea şi căldura specifică С.

Evident că este mai preferat materialul cu produsul ·С mai mic, deoarece în condiţii egale senzorul realizat din acest material ar avea o inerţie termică mai mică. Unele proprietăţi ale materialelor termometrice sunt prezentate în tabel [2].

Tabel

Densitatea Material Temperatura de topire, К , kg/m3 Căldura specifică C, kJ/kg*K ·С kJ/m3*K Conductibitatea termică λ, kJ/m*h*K Rezistenţa specifică, ρ Om*m Coeficientul termic al rezistenţei K-1 Wolfram 3655 193000 0,134 2589 544,7 5,5 0,0046 Platină 2047 21450 0,133 2849 293,3 10,6 0,0039 Nichel 1728 8910 0,444 3959 209,5 6,84 0,006 Cupru 1356 8940 0,385 3486 1412 1,78 0,0043 Fier 1788 7870 0,440 3469 3140,25 8,9 0,004 Stibiu 903 6618 0,210 1386 96,4 35 0,0051

Dezavantajele senzorului constau în aceea că fabricarea elementului termosensibil din sârmă de wolfram nu oferă o măsurare de mare precizie a schimbării rapide a temperaturii, din cauza că wolframul are o inerţie termică mare, care este determinată de proprietăţile materialelor (densitate, căldura specifică) şi mărimile elementului sensibil. Fixarea elementului sensibil pe un suport masiv, de asemenea, reduce precizia de măsurare, deoarece aceasta afectează eroarea cauzată de afluxul de căldură de la suporturile masive la capetele elementelor sensibile. Mai mult, senzorul are o fiabilitate scăzută, din cauza numărului mare de îmbinări mecanice ale elementelor termosensibile cu suporturile.

Problema pe care o rezolvă invenţia constă în creşterea preciziei de măsurare a temperaturii care variază rapid şi mărirea fiabilităţii senzorului.

Dispozitivul, conform invenţiei, înlătură dezavantajele menţionate mai sus prin aceea că include o carcasă inelară 1, pe partea interioară a căreia sunt fixate patru suporturi 2, unite în perechi diametral opuse cu extensii 3 din sârmă de constantan, totodată extensiile 3 sunt unite între ele cu un element termosensibil 4, executat dintr-un microfir de stibiu în izolaţie de sticlă.

Folosirea în calitate de element termosensibil a microfirului în izolaţie de sticlă pe bază de stibiu, având o valoare scăzută a produsului ·С, poate reduce valoarea inerţiei termice şi îmbunătăţi precizia măsurării temperaturii care variază rapid.

Valoarea mare a rezistenţei specifice a stibiului, care semnificativ depăşeşte rezistenţa specifică a wolframului, permite reducerea lungimii elementului termosensibil în senzor, ceea ce în final măreşte fiabilitatea lui.

În plus, izolaţia din sticlă protejează elementul sensibil împotriva factorilor externi (epuizare la o temperatură ridicată a materialului, umiditate, medii corozive ş. a.), şi, de asemenea, îmbunătăţeşte rezistenţa mecanică a elementului de detectare a temperaturii şi stabilitatea parametrilor electrofizici ai lui.

Îndepărtarea contactului direct între elementul sensibil şi suporturi, prin fixarea elementului termosensibil pe extensii subţiri, având o conductivitate scăzută şi o rezistenţă termică redusă, de asemenea reduce eroarea de măsurare, care, la rândul său, duce la o precizie sporită.

Invenţia se explică prin desenul din figură, care cuprinde o carcasă 1, în care sunt instalate suporturi 2, conectate în perechi cu extensii 3 din sârmă constantan. La extensii este conectat un senzor de temperatură 4 din microconductoare în izolaţie de sticlă pe bază de stibiu.

Pentru îmbunătăţirea rezistenţei mecanice şi, respectiv a fiabilităţii senzorului, elementul termosensibil din microconductoare pe bază de stibiu în izolaţie din sticlă cu diametrul de 5 µm este conectat la extensiile din constantan cu diametrul de 30 µm prin depunerea electrochimică a nichelului, iar extensiile sunt conectate la suporturi de un milimetru prin sudarea cu condensator.

Senzorul de temperatură este destinat pentru funcţionarea într-un interval de temperaturi de la 77 К până la 573 K. Rezistenţa la 273 К este de 1200…1300 Ω, coeficientul de temperatură al rezistenţei este de 4,8xl0-3 K-1.

Inerţia senzorului propus este aproape de două ori mai mică, decât la senzorul descris în prototip şi, prin urmare, eroarea de măsurare, cauzată de inerţia termică, este de 0,8…1,2%.

Testele efectuate au demonstrat o sensibilitate şi fiabilitate ridicată a senzorului propus. Cu toate acestea, este necesar să se acorde atenţie la următoarele: senzorul poate rezista la sarcini liniare şi şoc cu acceleraţia de 500 m/s2, încărcări cu vibraţii în gama de frecvenţe de la zero până la 5000 Hz, în fiecare din cele trei direcţii; poate funcţiona într-un mediu cu o umiditate de 95% şi la o presiune a aerului de 10-3 Pa până la 103 kPa, ce permite utilizarea lui, în special, pentru sondarea stratomezosferei cu ajutorul rachetelor.

1. Киселев В. Н., Кузнецов А. Д. Методы зондирования окружающей среды. РГГМУ, Санкт-Петербург 2004, с. 60-69

2. Красиков А.З. и др. Малоинерционный проволочный термометр сопротивления для измерения мгновенных значений температуры газа в полостях ХГМ. Вопросы гидродинамики и теплообмена в криогенных системах. Физ.-тех.институт низких температур АН УССР, Харьков, 1973 г., вып. III, с. 126-129

Claims (1)

1. Senzor de temperatură de inerţie mică, care include o carcasă inelară (1), pe partea interioară a căreia sunt fixate patru suporturi (2), unite în perechi diametral opuse cu extensii (3) din sârmă de constantan, totodată extensiile (3) sunt unite între ele cu un element termosensibil (4), executat dintr-un microfir de stibiu în izolaţie de sticlă.