Застосування тіла розжарення лампи накалювання як термочутливого елемента швидкодіючих датчиків температури

Застосування тіл розжарення ламп накалювання без колб як термочутливих елементів швидкодіючих датчиків температури. (19) (21) u201012156 (22) 14.10.2010 (24) 26.12.2011 (46) 26.12.2011, Бюл.№ 24, 2011 р. (72) ЛІННИК ЄВГЕН ВАСИЛЬОВИЧ, БАБЕНКО ПАВЛО ГРИГОРОВИЧ, МАНОЙЛО ВОЛОДИМИР МАКСИМОВИЧ, СЕРЕДА ВАЛЕНТИНА ГОРДІЇВНА, ТУРІВНЕНКО ІВАН ПЕТРОВИЧ, ЩЕРБАКОВ ЮРІЙ АНАТОЛІЙОВИЧ 3 ртість й повністю задовольняє всім вимогам при вимірі температури, що повільно змінюється, середовища з високою хімічною агресивністю. Недоліками датчика є його низька швидкодія через те, що час його реакції дуже великий (сотні секунд) завдяки великій теплоємності захисного корпуса, відсутності безпосереднього контакту термістора з контрольованим середовищем, відносно великим масогабаритним показникам самого термістора при невеликій площі поверхні теплообміну, і великий розкид (до 20%) характеристик. Швидкодію датчика можна істотно підвищити, якщо видалити частину захисного корпуса й занурити термістор безпосередньо у середовище з невисокою електропровідністю (величина провідності середовища в цьому випадку має велике значення, оскільки власний опір термістора досить великий). При цьому час реакції скоротиться до одиниць секунд. Однак керамічна напівпровідникова маса термістора хімічно нестійка, і він повністю розчиняється, наприклад, у потоці газової суміші «пропан-бутан» за кілька десятків хвилин. Якщо захистити термістор хімічно стійким покриттям, наприклад, епоксидною смолою, то час його реакції відразу збільшується до десятків секунд. Тому використання термісторів як швидкодіючих датчиків температури не має ніяких перспектив. Найбільш близьким до корисної моделі, що за технічною суттю прийнятий нами як прототип, є відомий металополімерний термочутливий елемент, використовуваний у термоанемометричних витратомірах повітря, виконаний за сучасною технологією тонких плівок і описаний у книзі Чижкова Ю.П. і Акимова С.В. «Електроустаткування автомобілів. Підручник для Вузів». - М.: Видавництво «За кермом», 1999. - С. 241-242, рис. 7.34. Цей малогабаритний пристрій містить вимірювальний і термокомпенсаційний терморезистори, виконані у вигляді струмопровідних металополімерних плівок з відповідними виводами, нанесених на керамічну підкладку та захищених покриттям з поліамідного ізоляційного матеріалу. У процесі роботи витратоміра електронна схема керування з метою виміру витрати підтримує постійний рівень (+70 °С) перегріву вимірювального терморезистора щодо температури вхідного повітряного потоку, а термокомпенсаційний терморезистор безпосередньо використовується для виміру температури повітря. У цьому пристрої терморезистор з невеликими масогабаритними показниками безпосередньо занурений у контрольоване середовище (повітря), завдяки чому він має задовільну швидкодію, тим більше, що температура повітря навколишнього середовища в природних умовах не може змінюватися швидко. Теплоємність термочутливого елемента невелика, а прямокутна зиґзаґоподібна форма виконання з досить широкої й тонкої плівки забезпечує досить гарний тепловий контакт із контрольованим середовищем навіть через захисне покриття, що також сприяє скороченню часу реакції (яке звичайно перебуває в межах від одиниць до десятків секунд) і, відповідно, збільшенню швидкодії витратоміра. Захисне поліамідне покриття надійно охороняє металополімерні плівки від 65905 4 впливу можливих хімічно агресивних складових у повітряному потоці. До недоліків пристрою-прототипу можна віднести його невелику швидкодію, оскільки час реакції багаторазово перевищує одну секунду. Швидкодія обмежена наявністю поліамідного захисного покриття, що істотно погіршує тепловий контакт металополімерної плівки із середовищем. Крім того, плівка тільки однією зовнішньою стороною взаємодіє із середовищем через захисне покриття, інша ж внутрішня сторона додатково відокремлена від середовища керамічною підкладкою, теплоємність якої багаторазово перевищує теплоємність самої плівки. В основу корисної моделі поставлена задача удосконалення відомого термочутливого елемента датчика температури шляхом підвищення його швидкодії. Зазначена задача вирішується шляхом використання тіла розжарення (нитки розжарення) лампи накалювання без колби як термочутливого елемента швидкодіючого датчика температури. Виконане з вольфраму або будь-якого іншого матеріалу аналогічної електропровідності, жароміцності й жаростійкості тіло розжарення (ТР) підключено до напруги постійного струму через струмообмежуючий резистор і безпосередньо занурено у потік середовища, температура якого виміряється, шляхом виміру падіння напруги на електродах, між якими включено ТР. Лампа накалювання (Див.: «Вікіпедія, Лампа накалювання») без колби (тобто напівфабрикат, що складається зі скляної ніжки лампи, гачків-тримачів, ТР, струмопідвідних електродів і цоколя, на яку колба не встановлювалася, або лампа, у якої колба вилучена вже після повного складання) являє собою закінчену конструкцію, повністю придатну без будь-яких додаткових переробок або доробок до використання як термочутливий елемент датчика температури. Висока жаростійкість матеріалу ТР дозволяє використовувати його шляхом безпосереднього занурення в контрольоване середовище без будь-якого захисного покриття, тим більше, що в такому варіанті застосування струм ТР зменшений на порядок у порівнянні з його використанням за прямим призначенням в лампі накалювання, і цей струм ТР практично не розігріває. Ця ж якість дозволяє періодично (у процесі технічного обслуговування датчика температури) очищати ТР від нальоту, що утворився в процесі експлуатації через недостатнє очищення контрольованого середовища, за допомогою прожарювання ТР, аналогічно тому, як це виконується із платиновою ниткою в термоанемометричних витратомірах повітря. Термочутливий елемент у вигляді ТР має мінімальну теплоємність з мінімальними масогабаритними показниками, оскільки воно звичайно виготовлене з вольфрамової нитки товщиною в кілька десятків мкм. При цьому його форма, особливо у випадку стрічкового виконання ТР, забезпечує максимальну площу контакту із середовищем. Однак механічна міцність стрічкових ТР при значних витратах контрольованого середовища може виявитися недостатньою для надійної протидії напору. У 5 цьому випадку варто застосовувати ТР такі, що найчастіше зустрічаються та виконані із дроту круглого перетину. Із цією ж метою колба віддаляється не повністю, а тій частині, що залишилася, надається форма захисного обтічника. Для зменшення розмірів ТР йому звичайно надається форма спіралі, іноді спіраль піддають повторній або навіть третинній спіралізації, одержуючи, відповідно, біспіраль або триспіраль. При цьому багаторазово збільшується міцність ТР, і, що особливо важливо для нашого застосування, площа поверхні контакту ТР із середовищем. Відсутність будь-якого захисного покриття, незначна теплоємність і велика площа поверхні безпосереднього контакту ТР із середовищем дозволяє легко одержати час реакції на зміну температури середовища менше однієї секунди. Електричний опір ТР відносно невеликий (від одиниць до десятків Ом), і середовища з невисокою електропровідністю практично не впливають на точність виміру температури. У той же час, при використанні напруги живлення 5,0 В прирощення падіння напруги на ТР у робочому діапазоні вимірюваних температур можна одержати до сотень мілівольтів. Це в сотні разів перевищує результат, який можна одержати в аналогічних умовах, наприклад, за допомогою термопари, і дозволяє обійтися без спеціальних джерел струму й інструментальних підсилювачів постійного струму з коефіцієнтом підсилення більше 1000. Для оцінки електричних характеристик використовуваного як термочутливий елемент ТР розглянемо напівфабрикат широко розповсюдженої комутаторної лампочки типу KM 24-90. Візьмемо джерело напруги постійного струму 5,0 В. Як джерело струму використовуємо послідовний резистор з опором 510 Ом. Комп’ютерна верстка Д. Шеверун 65905 6 Опір ТР при температурі 20 °С становить 30 Ом. Температурний коефіцієнт вольфраму при 20 °С: 0,0045. Опір ТР при перегріві від зовнішнього джерела на 60 °С складе: R=30(1+0,0045*60)=39 Ом. Падіння напруги на ТР при 20 ° С становить: V =5:(510+30)*30=0,278 В. Падіння напруги на нитці при 80°С становить: V=5:(510+39)*39=0,355 В. Збільшення напруги на нитці при перегріві на 60 °С становить: V=0, 355-0,278=0, 077 В. Отже, АЦП сучасного мікроконтролера в даному прикладі (наприклад, вимір температури газу в системі подвійного живлення «бензин-газ» сучасного інжекторного ДВС) дозволяє відслідковувати температуру в діапазоні 60 °С з точністю вище 1,0 °С. На ринку є широкий спектр ламп накалювання з найрізноманітнішими ТР, у тому числі автомобільних, особливо стійких до вібрації й різких змін температури навіть при високих температурах розжарення. Використовуючи їх без колб і при малих струмах живлення, можна створювати дуже надійні, точні й недорогі швидкодіючі датчики температури з великою точністю повторення при масовому виробництві для всіляких цілей і умов експлуатації. Технічним результатом, що досягається при здійсненні корисної моделі, є підвищення швидкодії термочутливого елемента датчика температури. При вивченні патентної й технічної літератури автори не знайшли джерела, що містить ознаки, які відрізняють рішення, що заявляється. Це дозволяє вважати його таким, що відповідає критерію «новизна». Описаний пристрій є технічно завершеним, виконаним на відомій елементній базі й може бути виготовлений промисловим способом. Підписне Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601