Термопреобразователь балансомера

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Открытое акционерное общество Пеленг(72) Авторы Кривонощенко Владимир Иванович Казеев Юрий Иванович(73) Патентообладатель Открытое акционерное общество Пеленг(57) Термопреобразователь балансомера, содержащий плоскую термобатарею, образованную из соединенных последовательно одинарных термобатарей, каждая из которых выполнена в виде стержня из высокотеплопроводного металла, покрытого электроизоляционным слоем, на который намотана спиральная обмотка и на ней вдоль стержня созданы два диаметрально противоположных ряда термопар, отличающийся тем, что два участка каждого стержня, над которыми закреплены начальные и конечные витки спиральной обмотки, имеют форму усеченного конуса, а между электроизоляционным слоем и начальными и конечными витками спиральной обмотки размещены прокладки из тепло-,химически стойкого диэлектрика. Полезная модель относится к измерительной технике в области метеорологии, в частности к актинометрии, и является основным конструктивным элементом балансомера,предназначенного для определения радиационного баланса, то есть интенсивности остаточной солнечной радиации деятельной земной поверхности. Известен термопреобразователь балансомера, содержащий плоскую термобатарею,образованную из соединенных последовательно одинарных термобатарей, каждая из которых состоит из стержня, выполненного из высокотеплопроводного металла, покрытого электроизоляционным слоем, на который намотана спиральная обмотка из константановой ленты. На обмотке вдоль стержня созданы два диаметрально противоположных ряда термопар. Плоская термобатарея залита затвердевающим компаундом, на двух плоскопа 69562011.02.28 раллельных поверхностях которого над рядами термопар созданы зачерненные приемные поверхности 1. Для проведения измерений радиационного баланса термопреобразователь балансомера располагают строго параллельно поверхности земли. При этом все виды солнечной радиации, приходящей к деятельной земной поверхности, нагревают плоскую приемную поверхность термоэлектрического преобразователя балансомера, обращенную вверх, а все виды радиации, уходящей от деятельной земной поверхности, нагревают вторую плоскую приемную поверхность термопреобразователя, обращенную вниз. Разность температур этих поверхностей создает на выходе термопреобразователя балансомера термоЭДС, пропорциональную радиационному балансу деятельной поверхности земли. При подключении к выходу балансомера измерительного прибора (вольтметра) измеряют термонапряжение(мВ), пропорциональное интенсивности радиации(кВт/м 2),где- коэффициент преобразования (чувствительность) балансомера, мВм 2/кВт. Чем выше коэффициент преобразования балансомера, тем выше точность измерения радиационного баланса. Не менее важным техническим параметром балансомера является его инерционность,с уменьшением которой также увеличивается точность измерения радиационного баланса. Инерционность балансомера определяется временем, за которое выходное напряжение термопреобразователя балансомера снизится до некоторой величины после прекращения воздействия на него теплового излучения (например, при затенении балансомера облаками). Для достижения максимальной точности измерений радиационного баланса конструкция балансомера и технология изготовления его термоэлектрического преобразователя должны одновременно обеспечивать максимальный коэффициент преобразования и минимальную инерционность каждого балансомера. В известных термопреобразователях балансомера электроизоляционный слой создан на теплоотводящем стержне каждой одинарной термобатареи из тонких слоев папиросной или конденсаторной бумаги, проклеенных между собой клеем БФ-4. Начальные и конечные витки обмотки из константановой ленты образованы из плотно наложенных друг на друга и спаянных между собой нескольких витков этой ленты. Таким способом обеспечивается прочное закрепление всей обмотки на поверхности электроизоляционного слоя, но при этом начальные и конечные витки обмотки имеют толщину 0,3-0,4 мм и заметно возвышаются над всеми остальными ее витками. В дальнейшем при изготовлении термопреобразователя балансомера собранную термобатарею заливают в специальной пресс-форме затвердевающим компаундом. Слои компаунда, расположенные над обмотками одинарных термобатарей, на которых образованы приемные поверхности, должны быть значительной толщины, чтобы начальные и конечные витки обмоток не выступали за плоскости приемных поверхностей, а находились внутри компаунда. Однако чем больше толщина слоя компаунда над обмотками с термопарами, тем ниже температура нагрева термопар, ниже выходное напряжение термобатареи и, соответственно, коэффициент преобразования балансомера. Увеличение массы компаунда за счет увеличения его толщины замедляет скорость отвода тепла от термобатареи, что приводит к увеличению инерционности балансомера. Таким образом, уменьшение коэффициента преобразования и увеличение инерционности балансомера снижают точность измерения радиационного баланса. Кроме того, при формировании начальных и конечных витков обмотки бумажный электроизоляционный слой подвергается не только многократному тепловому, но и химическому воздействию, так как во время процесса пайки константановой ленты применяют кислотосодержащие флюсы. Это изначально приводит к частичному нарушению электроизоляционных свойств бумажного слоя, возникновению впоследствии токов утечки, и 2 69562011.02.28 следовательно, к снижению точности измерений выходного напряжения. С течением времени увеличиваются вероятность пробоя электроизоляционного слоя на корпус в местах расположения начальных и конечных витков обмотки и выход термобатареи из строя. Все это снижает надежность эксплуатации и уменьшает срок службы термопреобразователя балансомера. Задачей полезной модели является повышение точности измерений радиационного баланса, увеличение надежности эксплуатации и срока службы балансомера. Поставленная задача решается тем, что в термопреобразователе балансомера, содержащем плоскую термобатарею, образованную из соединенных последовательно одинарных термобатарей, каждая из которых выполнена в виде стержня из высокотеплопроводного металла, покрытого электроизоляционным слоем, на который намотана спиральная обмотка и на ней вдоль стержня созданы два диаметрально противоположных ряда термопар, в отличие от прототипа, два участка каждого стержня, над которыми закреплены начальные и конечные витки спиральной обмотки, имеют форму усеченного конуса, а между электроизоляционным слоем и начальными и конечными витками спиральной обмотки размещены прокладки из тепло-, химически стойкого диэлектрика. В предлагаемой конструкции одинарной термобатареи термопреобразователя балансомера начальные и конечные витки спиральной обмотки сформированы в области меньших оснований обоих конусных участков теплоотводящего стержня, сечение которых меньше сечения всего стержня, и поэтому начальные и конечные витки после их формирования не возвышаются над остальной частью обмотки. Благодаря этому отпадает необходимость создания более толстого слоя затвердевающего компаунда над обмотками с термопарами, что способствует повышению температуры термопар при нагреве их солнечной радиацией, увеличению выходного напряжения термобатареи и коэффициента преобразования балансомера. Уменьшение толщины и, соответственно, массы компаунда увеличивает скорость отвода тепла от термобатареи и уменьшает инерционность балансомера. Все это приводит к увеличению точности измерений радиационного баланса. Введение в конструкцию одинарных термобатарей прокладок из тепло-, химически стойкого диэлектрика, размещенных между электроизоляционным слоем и начальными и конечными витками спиральной обмотки, предотвращает деградацию бумажного электроизоляционного слоя на теплоотводящих стержнях и последующее его разрушение в результате термического и химического воздействия во время процесса пайки. Это увеличивает надежность эксплуатации и срок службы балансомера. На фиг. 1 изображен теплоотводящий стержень, который имеет два участка конусной формы. На фиг. 2 изображена одинарная термобатарея. На фиг. 3 изображено сечение конусного участка стержня, на котором имеется прокладка из тепло-, химически стойкого диэлектрика и выполнен начальный или конечный виток спиральной обмотки. Все одинарные термобатареи, входящие в конструкцию термопреобразователя балансомера, состоят из медного стержня 1, два участка 2 которого имеют форму усеченного конуса. На стержне 1 сформирован электроизоляционный слой 3. Поверх электроизоляционного слоя 3 намотана спиральная обмотка 4 из константановой ленты с начальными и конечными витками 5. Между электроизоляционным слоем 3 и начальными и конечными витками 5 спиральной обмотки 4 размещены прокладки 6 из тепло-, химически стойкого диэлектрика. На половину каждого витка обмотки 4 нанесено металлическое покрытие 7 (из меди) для образования на каждом витке двух диаметрально расположенных термопар 8 и 9. Термопары 8 и 9, созданные на всех витках обмотки 4,образуют два диаметрально противоположных ряда термопар 8 (фиг. 2, второй ряд не показан). 3 69562011.02.28 Термобатарея термопреобразователя балансомера может включать в себя, например,десять одинарных термобатарей. Каждая одинарная термобатарея состоит из медного стержня 1, на котором сформирован электроизоляционный слой 3 из проклеенных между собой клеем БФ-4 слоев конденсаторной бумаги КОН-2-10 толщиной 0,012 мм. Поверх электроизоляционного слоя 3 плотно намотана обмотка 4 из 35 витков константановой ленты толщиной 30 мкм и шириной 0,8 мм. Для крепления обмотки на стержне ее концы образованы в виде короткозамкнутых витков 5 из трех наложенных друг на друга витков ленты которые пропаяны припоем. Прокладки 6, размещенные между электроизоляционным слоем 3 и начальными и конечными витками 5 спиральной обмотки 4, выполнены в виде двух слоев ленты из фторопласта Ф-4 шириной 4 мм и толщиной 0,02 мм. Половина каждого витка обмотки гальванически покрыта слоем 7 меди толщиной 6-10 мкм. При этом начало и конец медного слоя на каждом витке являются диаметрально расположенными термопарами 8 и 9 медь-константан, а все термопары на обмотке образуют расположенные вдоль стержня два диаметрально противоположных ряда термопар. Для изготовления термопреобразователя балансомера все одинарные термобатареи уложены в специальной пресс-форме в горизонтальной плоскости параллельно друг другу и залиты эпоксидным компаундом К-153 с кварцевым наполнителем. После выемки из прессформы на двух плоскопараллельных поверхностях затвердевшего компаунда, под которыми расположены ряды термопар, созданы две зачерненные приемные поверхности. Термопреобразователь балансомера работает следующим образом. Балансомер ориентируется термопреобразователем горизонтально относительно земной поверхности и закрепляется на метеорологической стойке. Конструктивно термобатарея термопреобразователя создана таким образом, что суммарные термоЭДС верхнего и нижнего ряда термопар 8 и 9, расположенных, соответственно, под верхней и нижней приемными поверхностями, направлены навстречу друг другу. Поэтому при нагревании их солнечным излучением и излучением, отраженным от земли, выходное напряжение термопреобразователя балансомера будет равно разности этих термоЭДС и соответствовать радиационному балансу деятельной земной поверхности. Это напряжение поступает на вход измерительного прибора и регистрируется оператором. Таким образом, предлагаемая конструкция термопреобразователя балансомера позволяет повысить точность измерений радиационного баланса, увеличить надежность эксплуатации и срок службы балансомера. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4