Датчик температуры теплоносителя

Датчик температуры теплоносителя в трубе

G01K7/04 - для измерения температуры объекта, не являющегося одним из термоэлектрических материалов, составляющих термоэлемент

Вледельцы патента:

Симонов Валерий Николаевич (RU)

Изобретение относится к области приборостроения, а именно к датчикам температуры. Заявлен датчик температуры теплоносителя в трубе, содержащий корпус и гибкий щуп с термочувствительным элементом, расположенным в изогнутой гильзе. Длина гильзы превышает радиус трубы. Гибкий щуп соединяет электронную схему, расположенную в корпусе датчика, с термочувствительным элементом, расположенным на оси трубы. Гильза либо вваривается в трубу, либо является съемной и в этом случае уплотняется с помощью прокладки и гайки. В варианте исполнения гильза изогнута так, что пересекает ось трубы более одного раза. В качестве термочувствительного элемента используется термочувствительный кристаллический резонатор. Технический результат: снижение погрешности измерений. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области приборостроения, а именно к датчикам температуры.

Известны датчики температуры, содержащие корпус и помещенный в него термочувствительный элемент /Электрические измерения неэлектрических величин. Под ред. Новицкого. Изд. 6-е, перераб. и доп. Л. «Энергия», 1983./. Чувствительный элемент датчиков температуры представляет собой термозависимое сопротивление (обычно медное или платиновое), или термопару (например, хромель-копель, хромель-алюмель и т.д.), или термочувствительный пьезоэлектрический резонатор и др. Чувствительный элемент помещен в щуп, имеющий форму трубки. В некоторых случаях щуп вводится в гильзу, служащую для защиты от механического воздействия, например, гидростатическим давлением, или гидродинамического напора жидкости. Гильзу со щупом вставляют в отверстие в трубе и герметично фиксируют, например, штуцером с резьбой.

Для измерения в трубах малого диаметра длину щупа и гильзы уменьшают. Однако уменьшение длины возможно только до определенной величины из-за того, что при коротком щупе тепло (или холод) окружающей среды по корпусу гильзы и щупу передается чувствительному элементу, вызывая появление погрешности. Поэтому существует минимальная длина щупа и гильзы, меньше которой использовать нельзя из-за увеличения погрешности измерения. Эту же проблему можно трактовать и таким образом: использование относительно коротких щупов для измерения в трубах малого диаметра приводит к появлению погрешности от влияния окружающей температуры.

В определенной мере эту проблему можно решить, используя датчики с гибким щупом. Прототипом предлагаемого технического решения является погружной датчик температуры жидкости типов ТСПТ 105, ТСПТ 106, ТСПТ 206/Каталог продукции 2004 г. Производственной Компании «Тесей», г.Обнинск Калужской области, пр.Ленина 75А, http://www.tesey.com/. За счет того, что щуп прототипа выполнен из гибкого кабеля, он в средней части может быть изогнут вплоть до сворачивания в петлю. Такой датчик может быть помещен в трубе диаметром меньшим, чем длина щупа. Однако имеются ограничения по диаметру изгиба: он не должен быть меньше, чем пятикратный диаметр кабеля. Кроме того, изгиб может быть расположен не ближе 150 мм от рабочего конца щупа. В результате использование прототипа для измерения температуры в трубах диаметром меньше 175 мм без дополнительной погрешности от влияния окружающей температуры невозможно.

Задачей изобретения является расширение сферы применения датчика и снижение погрешности измерения.

Поставленная задача достигается тем, что датчик температуры теплоносителя в трубе, содержащий корпус и гибкий щуп с термочувствительным элементом, снабжен изогнутой гильзой, длина которой превышает радиус трубы, в гильзу вставлен щуп, соединяющий электронную схему, расположенную в корпусе датчика, с термочувствительным элементом, расположенным на оси трубы.

Гильза либо вваривается в трубу, либо является съемной и в этом случае уплотняется с помощью прокладки и гайки.

В варианте исполнения гильза изогнута так, что пересекает ось трубы более одного раза.

В качестве термочувствительного элемента используется термочувствительный кристаллический резонатор.

На чертеже представлен датчик температуры теплоносителя в трубе.

На чертеже используются следующие обозначения:

1 - термочувствительный элемент, кварцевый резонатор, 2 - щуп, 3 - гильза, 4 - корпус, 5 - электронная схема, 6 - труба, 7 - теплоноситель, 8 - щуп, 9 - провода, 10 - клеммы, 11 - ось трубы, 12 - ось поворота щупа при снятии датчика с трубы, 13 - накидная гайка, 14 - прокладка.

Изображенный на чертеже датчик устроен следующим образом. Термочувствительный элемент - термочувствительный кварцевый резонатор - 1 помещен в щуп 2, который вставлен в гильзу 3. Корпус 4 содержит электронную схему 5, соединенную с термочувствительным элементом 1 посредством щупа 2. Из электронной схемы 5 выходят провода 9, которые соединены с клеммами 10. По клеммам 10 на датчик поступает питание и выводится выходной сигнал. Гильза 3 уплотнена в трубе 6, по которой течет теплоноситель 7, с помощью прокладки 14 и накидной гайкой 13, являющейся одновременно крышкой датчика. Гильза 3 изогнута на угол, превышающий 90 градусов, а ее наконечник лежит на оси 11 трубы 6. При такой геометрии гильзы обеспечивается максимальная длина гильзы при том, что ее наконечник находится в области наименее подверженной температуре окружающей среды. Гильза дважды пересекает ось 11 трубы, что также соответствует увеличению длины гильзы и щупа при том же диаметре трубы 6 и максимальном диаметре изгиба гильзы и щупа.

Щуп 2 выполнен из проводников, помещенных в полимерную трубку с допустимым диаметром изгиба меньше минимального диаметра самой гильзы или 5-тикратного диаметра самой полимерной трубки. Например, такой щуп может быть выполнен из кабеля контрольного марок, КРВГ, КРВГЭ, КРНГ, КВВГ, КВВГ-П и др. (ГОСТ 1508-78. Кабели контрольные с резиновой и пластмассовой изоляцией. Технические условия). Допустимый диаметр изгиба этих кабелей составляет 3-4 диаметра кабеля в зависимости от величины диаметра кабеля.

В сочетании с использованием смазки это позволяет вводить щуп (и при необходимости выводить его) в изогнутую гильзу малого диаметра без нарушения целостности щупа. При оговоренной гибкости сама по себе оболочка из гибкого кабеля не может обеспечить работоспособность кварцевого резонатора 1 и датчика в целом при воздействии гидростатического давления и протекании теплоносителя по трубе. Для того чтобы это преодолеть, в конструкцию и введена изогнутая заранее гильза 3. Ее форма произвольна, но, благодаря изогнутости, ее длина всегда больше, чем радиус трубы. Таким образом, она обеспечивает защиту резонатора от механических воздействий и позволяет удлинить щуп.

Гильза 3 может быть съемной и стационарной. В первом случае она может быть вынута из отверстия в трубе путем поворота вокруг оси 12. Во втором случае она, например, вваривается в трубу 6.

В качестве термочувствительного элемента используется термочувствительный кристаллический резонатор, который имеет небольшие размеры, что снижает минимальное расстояние от конца щупа до первого изгиба, т.е. допустимый диаметр изгиба щупа, а значит увеличивает положительный эффект в достижении задачи изобретения.

Предлагаемый датчик работает следующим образом. Электронная схема 5, к которой посредством щупа 2 подключен термочувствительный кварцевый резонатор 1, вырабатывает переменный электрический сигнал, частота которого близка к собственной частоте колебаний резонатора. При изменении температуры теплоносителя 7 изменяется температура гильзы 3 и щупа 2. Это изменение передается кварцевому резонатору 1. В результате происходит пропорциональное изменение частоты резонатора и соответственное изменение частоты выходного сигнала.

Благодаря комплексу заявляемых отличительных признаков удается существенно расширить диапазон диаметров труб в сторону их уменьшения за счет более компактного размещения датчика в трубе. При этом наконечник щупа, в котором расположен термочувствительный элемент, лежит на оси трубы, где влияние окружающей температуры минимально. В результате проникновение тепла (или холода) от окружающей среды к термочувствительному элементу остается ниже критического уровня.

1. Датчик температуры теплоносителя в трубе, содержащий корпус и гибкий щуп с термочувствительным элементом, отличающийся тем, что датчик снабжен изогнутой гильзой, длина которой превышает радиус трубы, в гильзу вставлен щуп, соединяющий электронную схему, расположенную в корпусе датчика, с термочувствительным элементом, расположенным на оси трубы.

2. Датчик температуры по п.1, отличающийся тем, что гильза либо вваривается в трубу, либо является съемной и в этом случае уплотняется с помощью прокладки и гайки.

3. Датчик температуры по п.1, отличающийся тем, что гильза изогнута так, что пересекает ось трубы более одного раза.

4. Датчик температуры по п.1, отличающийся тем, что в качестве термочувствительного элемента используется термочувствительный кристаллический резонатор.

Технология поддержания температуры теплоносителя

Теплоноситель – вода с высокой температурой, используется в теплосетях для нагрева помещений, а также расходуется в квартирах и коттеджах на бытовые нужды. Температура теплоносителя не должна быть ниже 56 градусов в системе потребления. Некоторые местные отопительные системы запрещают расход горячей воды на бытовые нужды, из-за снижения её уровня в нагревательном котле и высокой вероятности аварии.

Отсутствие горячей воды вынуждает нагревать её на бытовых электрических и газовых печах, что создаёт определённые неудобства, перерасход газа и электричества, нарушение техники безопасности.

В некоторых случаях можно подогревать воду в простых ёмкостях, установив на них водяной электронагреватель и ртутный термометр. При достижении определённой температуры в ёмкости, требуется оперативное отключение напряжения питания в целях снижения вероятности закипания воды, для таких целей устанавливается водоподогреватель.

Вода в ёмкости водоподогревателя имеет определённое давление, созданное приточной холодной водой, при превышении давления происходит автоматическое отключение нагревательных элементов.

Водоподогреватель подключается к водопроводной системе через аварийный кран, избыточное давление водопровода поддерживает систему подогрева в рабочем состоянии. Вода в ёмкости подогревателя не в состоянии закипеть, так как сообщается с внешним водопроводом, давление также не превышает рабочего состояния системы.

Классический водоподогреватель выполнен по простой схеме: выключатель электросети и водяной ТЭН, в лучшем случае добавлены датчик давления и биметаллический датчик температуры. Датчик давления защищает водоподогреватель от повышенного давления воды, а датчик температуры срабатывает от превышения температуры выше заданных пределов. Регулятор температуры подогревателя мало чем отличается от регулятора утюга, то есть при достижении заданной температуры воды датчик размыкает цепь питания электронагревателя, температура воды естественным путём или в результате потребления снижается и контакты с учётом гистерезиса вновь замыкаются на подогрев. Простота такого схемного решения часто приводит к сбою в работе подогревателя воды из-за подгорания контактов, особенно термореле, где свойства биметалла ухудшаются уже в первые месяцы эксплуатации. Контакты датчика давления прогорают незначительно, при меньшем количестве переключений. На линии водовода устанавливается аварийный кран для закрытия подачи воды при неисправностях в подогревателе.

При использовании подогревателя в системе отопления помещений дополнительно устанавливается расширительный бак и насос для подачи теплоносителя в систему отопления. Мощности водяного подогревателя в два киловатта достаточно для обогрева помещения площадью 30 квадратных метров и высотой в 5 метров, к примеру ремонтный бокс гаража.

Подогреватель воды (ТЭН) устанавливается ниже разборного крана и при прекращении поступления холодной воды, оставшаяся в баке вода закипает и схема прибора отключит подогреватель при температуре выше сто градусов. Датчик давления также выключит цепь управления.

Устранить вероятность превышения температуры и аварийного давления позволяет электронная схема. Она позволяет установить желаемую температуру теплоносителя и поддерживать её в автоматическом режиме на заданном уровне.

Все датчики находятся в низковольтной цепи и гальванически развязаны от электросети оптопарами и силовым трансформатором, и схема не представляет опасности при пробое на корпус, как в классическом варианте.

Принципиальная схема устройства поддержания температуры теплоносителя состоит. из датчика температуры RK1 – для контроля и поддержания температуры воды; оптронного усилителя линейного сигнала U1, который позволяет поднять чувствительность входной цепи при изменении температуры; аналогового программируемого таймера на микросхеме DA1; усилителя мощности на транзисторе обратной проводимости VT1; оптопары U2 - гальванической развязки цепей управления и цепей питания подогревателя; управляющего ключа на симисторе VS1 и цепей питания схемы постоянным током, на силовом трансформаторе Т1 и диодном мосте VD3.

Оптоэлектронные устройства установленные в схеме представляют собой преобразователи сигнала, работающие в видимой области спектра, В них имеются элементы обеспечивающие генерирование оптического излучения, его передачу и приём.

Для преобразования сигнала в оптопаре имеется источник света – светодиод, яркость свечения которого определяется электрическим сигналом и фотоприёмник, сопротивление которого зависит от освещённости.

Оптоэлектронные устройства обеспечивают гальваническую развязку входных и выходных цепей, имеют большое быстродействие, широкую полосу пропускания, отсутствует воздействие от внешних магнитных и электрических полей, так как носителями зарядов являются фотоны.

Входной электрический сигнал в виде импульса или перепада тока возбуждает фотоизлучатель и вызывает световое излучение, фотоприёмник на выходе которого образуется электрический импульс или перепад выходного тока усиливает сигнал.

В схеме используется два типа оптронов: U1- диодно – транзисторная пара, и U2- диодно – тиристорная пара, излучателем фотонов в обеих случаях является светодиод, а приёмником транзистор или динистор.

Оба типа оптронов используются для развязки цепей с разными уровнями напряжения, согласования электрических цепей с разными входными и выходными импендансами.

Оптопары имеют большой коэффициент усиления по току, что позволило обойтись без дополнительных цепей усиления на входе таймера и в цепях управления симистором.

Диодно-транзисторная оптопара U1 работает в линейном режиме усиления. Фотоны, излучаемые светодиодом оптопары, усиливаются изменяя сопротивление коллектор – эммитер внутреннего транзистора оптопары и время заряда конденсатора С2 внешней цепи таймера. Регулирование и установка температуры выполняется резисторами R1, R2,R7, что позволяет поддерживать любые значения температуры теплоносителя. Резистор R1 позволяет выставить десятки градусов, R2- единицы градусов, R7- мощность теплоносителя. Изменение температуры влияет на сопротивление терморезистора, длительность положительного импульса на выходе таймера изменяется, чем и стабилизируется температура воды в системе. При низкой температуре теплоносителя длительность положительного импульса на выходе таймера максимальное.

Внутренняя структура аналогового таймера представляет функциональные узлы: два операционных усилителя, RS- триггер, выходной усилитель для повышения нагрузочной способности, ключевой транзистор с открытым коллектором.

Назначение выводов таймера. 1-8 питание 5-12 вольт, 2 - вход нижнего компаратора, который используется для управления переключением выходного напряжения; вывод 5 позволяет модифицировать схему; вывод 6 - вход верхнего компаратора, который служит для переключения выхода 3 в нулевое состояние; вывод 7 предназначен для разряда внешнего конденсатора; вывод 4 – сброс, этот вывод используется для возвращения выхода 3 в нулевое состояние.

Применение интегрального таймера в принципиальной схеме устройства поддержания температуры водоподогревателя позволяет довольно просто выполнить генератор импульсов. Для работы микросхемы в режиме автогенератора выводы 2 и 6 соединяются между собой и подключаются к конденсатору С2 внешней цепи таймера. В установившемся режиме интервал в течении которого на выходе действует высокий уровень напряжения, определяется соотношением Т1= 0,69(RU1 + R4 ) С2, когда внутренний транзистор микросхемы откроется, конденсатор С2 начнёт разряжаться через резистор R5. Формируется второй интервал Т2= 0,69R5C2, значение которого не меняется от температуры, а вот значение Т1 уменьшается - при снижении сопротивления транзистора RU1 оптопары U1. Общее время импульса Т= Т1+Т2.

Скважность D = Т1/Т при повышенной температуре снижается, оказывая влияние на работу симисторного преобразователя, снижается напряжение на подогревателе и температура теплоносителя.

Частоту генератора на таймере можно изменить простым методом - модифицировать работу микросхемы путём изменения (понижения ) напряжения на выводе 5 DA1 и установке резистором R7 максимальной мощности в нагрузке при минимальной температуре теплоносителя. При понижении напряжения на выводе 5 DA1 повышается частота генерации таймера.

С ростом частоты мощность в нагрузке падает, время паузы в импульсе не меняется, а время заряда конденсатора С2 снижается, частота возрастает с сотен герц до десятков тысяч. Сигнал прямоугольной формы с выхода 3 программируемого таймера DA1 через ограничительный резистор R6 поступает на вход усилителя мощности на транзисторе VT1. Резистор R8 в цепи коллектора ограничивает импульсный ток через светодиод оптопары U2. Применение транзистора VT1 с высоким коэффициентом усиления позволяет формировать работу транзисторного ключа с минимальными искажениями выходного сигнала.

Небольшая мощность светодиода оптопары U2 усиливается динистором и управляет работой регулятора мощности на симисторе VS1, сигнал управления обеих полярностей формируется диодным мостом VD4. Оптопара U2 также выполняет функцию гальванической развязки низковольтных и высоковольтных цепей устройства.

Если динистор оптопары открыт, включение симистора происходит в начале полупериода сетевого напряжения, когда ток через управляющий электрод достигает значения открывающего тока управления, что снижает уровень помех симисторного преобразователя.

Для улучшения точности установки температуры теплоносителя, питание моста и таймера выполняется стабилизированным напряжением от источника тока,через аналоговый стабилизатор DA2. Диод VD2 защищает микросхему от возможного пробоя обратным напряжением.

Конденсаторы С3,С5 устраняют пульсации выпрямленного напряжения, конденсатор С1 защищает оптопару U1 от высокочастотных помех сети питания.

Конденсатор С6, установленный параллельно нагрузке, снижает уровень помех симисторного преобразователя.

Датчик давления «Р» замыкает импульсное напряжение на базе транзистора VT1, прекращая нагрев теплоносителя при аварийном давлении в подогревателе.

Предохранитель FU1 и выключатель SA1 необходимы для защиты и включения нагрузки.

Регуляторы температуры R1,R2 и регулятор мощности R7, для удобства, устанавливаются на передней панели корпуса прибора.

Наладка и регулировка

После сборки схемы на печатной плате и установке на подогревателе терморезистора RK1 и датчика давления «P» преступают к наладке и регулировке устройства поддержания температуры теплоносителя.

Датчик давления «Р» и терморезистор RK1 монтируются в корпусе водоподогревателя на резьбовое или сварочное соединение, водяной электронагреватель – ТЭН закрепляется фланцем через резиновую прокладку на небольшом расстоянии от дна резервуара подогревателя. Сливной кран должен находится выше нагревателя, а врезка подачи холодной воды сверху. Датчик давления устанавливается в любом удобном месте, а терморезистор чуть ниже сливного крана, для автоматического контроля и поддержания температуры теплоносителя.

Регулировку схемы можно выполнить используя электрочайник вместо резервуара с водой, время на нагрев данного объёма в 1,5 литра невелико. Вилка чайника подключается к выводам ТЭН схемы, датчик температуры RK1 поместить в кипящую воду и контролируя напряжение на конденсаторе С6 снизить его регулятором температуры R1 до 10 –15 вольт переменного тока. Резистором R2 можно уточнить это значение, если сопротивление резистора R1 будет всё выбрано. Зафиксировать положение +100С. Дополнительно напряжение и мощность на нагрузке можно откорректировать изменением номинала резистора R6 в сторону уменьшения.

Резистор R7, перед калибровкой температуры, установить в максимальное значение. После охлаждения терморезистора до комнатной температуры, следует выставить резисторами R1 и R2 максимальное значение напряжения на нагрузке и зафиксировать положение клювика ручки регулятора на панели корпуса (+ 25 С). На корпусе прибора разбить шкалу промежуточных температур: резистором R1 устанавливаться температура теплоносителя в десятки градусов, R2 - единицы. Провода подходящие к нагревателю и симистору должны соответствовать току нагрузки в 25-30 ампер, сечением 4-5 мм. и сетевому напряжению. Провода к датчикам проложить отдельно от сетевых, для исключения наводок. Резервуар подогревателя при стационарной установке следует заземлить, провод проложить в двойной изоляции с заземлением. По яркости свечения светодиода HL1 можно определить мощность в нагрузке подогревателя. Погасание светодиода указывает на аварийное состояние системы или отсутствие сетевого напряжения. В схеме устройства отсутствуют дефицитные или нестандартные радиокомпоненты.

Резисторы типа МЛТ 0.125, переменные СП-III. Конденсаторы оксидные К50-38, высоковольтный К73,остальные КМ. Датчик давления применён от автомобиля "Жигули", терморезистор типа ММТ-4. Аналог таймера серия 555. Трансформатор применён на напряжение вторичной обмотки в 10-12 вольт переменного тока. Выключатель SA1 автоматический на ток 25 ампер.При испытаниях и наладке следует соблюдать технику безопасности.

Литература:

1) М.А.Шустов. 450 полезных схем радиолюбителям. 2007г.

2) Герман Шрайбер. 400 новых радиоэлектронных схем 2006 г.

Датчик температуры теплоносителя для котлов Олимпия

Описание Характеристики

запасные части к различному отопительному оборудованию в наличии и на заказ. Котлы марки: Олимпия, Китурами, Сатурн, Навьен (ДЭУ).

Датчики NTC (Negative Tempereche Sensor), которые применяется в различных котлах для контроля температуры отопления и горячего водоснабжения.

Принцип работы этих датчиков следующий: при изменении температуры теплоносителя меняется температура датчика, при этом его электрическое сопротивление обратно пропорционально. При повышении температуры снижается сопротивление, и наоборот, при снижении температуры сопротивление увеличивается.

По величине сопротивления микропроцессор определяет температуру. Зависимость сопротивления от температуры нелинейная.

Датчики NTC в котлах бывают двух видов: погружные, которые непосредственно контактируют с теплоносителем, и накладные, которые крепятся на медную трубку. У погружных датчиков инерционность меньше, чем у накладных, но они более подвержены агрессивной среде, которая неблагоприятно влияет на их работоспособность.