Термоэлектрический преобразователь пиранометра

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Авторы Шепелевич Василий Григорьевич Ярмолович Вячеслав Алексеевич(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) Термоэлектрический преобразователь пиранометра, содержащий опору с теплоотводящими ребрами и установленную на них термобатарею, на которой размещен приемник солнечной радиации, плоская приемная поверхность которого выполнена в виде черных и белых участков, расположенных в шахматном порядке, а теплопроводящие ребра опоры расположены строго под термопарами термобатареи, находящимися под белыми участками приемной поверхности, причем термобатарея выполнена в виде ленточных отрезков фольги равной длины, соединенных в ленту, уложенную в виде меандра так, что образуются ряды термопар, расположенные на одинаковом расстоянии друг от друга, при этом указанные ряды расположены вдоль средней линии черных и белых квадратов приемной поверхности так, что любые две соседние по ленте термопары термобатареи находятся под разными квадратными участками под черным или под белыми, отличающийся тем,что указанные термопары выполнены толщиной от 30 до 40 мкм в виде тонкой фольги сплавов висмута с сурьмой, -типа, и сплавов висмута с сурьмой, легированных оловом,-типа, с однородным распределением компонентов или дисперсных фаз указанная опора размещена на охлаждаемой поверхности элемента Пельтье, подключенного к источнику питания постоянного тока, управляемого микропроцессором, и выход термобатареи через аналогово-цифровой преобразователь подключен к указанному микропроцессору, выход которого соединен с дисплеем.(56) 1. Патентна полезную модель 6443 , МПК 01 1/00, 2010 (прототип). 2. Шепелевич В.Г., Цзинцзе Ван. Структура, микротвердость и стабильность быстрозатвердевшей фольги сплавов системы - // Неорганические материалы. - 2010. - Т. 46.4. - С. 393-397. Заявляемая полезная модель относится к измерительной технике в области метеорологии и является основным конструктивным элементом пиранометра, предназначенного для измерения рассеянной, отраженной и суммарной солнечной радиации, приходящей на горизонтальную поверхность. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является термоэлектрический преобразователь пиранометра, описанный в 1 (прототип). В термоэлектрическом преобразователе пиранометра 1, содержащем опору с теплоотводящими ребрами и установленную на них термобатарею, на которой размещен приемник солнечной радиации, плоская приемная поверхность которого выполнена в виде черных и белых участков, расположенных в шахматном порядке, а теплопроводящие ребра опоры расположены строго под термопарами термобатареи, находящимися под белыми участками приемной поверхности. Термобатарея квадратной формы изготовлена методом последовательной пайки между собой ленточных отрезков равной длины из манганина и константана размерами 0,59 мм и толщиной 0,03 мм, соединенных в ленту, уложенную в виде меандра так, что образуются ряды термопар, расположенные на одинаковом расстоянии друг от друга. При этом указанные ряды термопар расположены вдоль средней линии черных и белых квадратов приемной поверхности. При этом любые две соседние по ленте термопары термобатареи находятся под разными квадратными участками либо под черным, нагреваемым солнечной радиацией, либо под белым, слабо нагреваемым солнечной радиацией. Недостатком прототипа является невысокая точность измерений пиранометра из-за низкой чувствительности прибора, т.е. низкого значения коэффициента преобразования пиранометра. Значения коэффициента преобразования пиранометра невысоки из-за незначительных величин разности температур Т между термопарами, расположенными под черными и белыми участками приемной поверхности приемника солнечной радиации, и использования в качестве ветвей термопар фольги из маганина и константана, обладающих низким значением коэффициента термо-ЭДС. Коэффициент термо-ЭДС такой термопары не превышает 41 мкВ/К. Задачей, решаемой в настоящей полезной модели, является увеличение чувствительности термопреобразователя и точности измерений солнечной радиации. Термоэлектрический преобразователь пиранометра содержит опору с теплоотводящими ребрами и установленную на них термобатарею, на которой размещен приемник солнечной радиации, плоская приемная поверхность которого выполнена в виде черных и белых участков, расположенных в шахматном порядке, а теплопроводящие ребра опоры расположены строго под термопарами термобатареи, находящимися под белыми участками приемной поверхности, причем термобатарея выполнена в виде ленточных отрезков фольги равной длины, соединенных в ленту, уложенную в виде меандра так, что образуются ряды термопар, расположенные на одинаковом расстоянии друг от друга, при этом указанные ряды расположены вдоль средней линии черных и белых квадратов приемной поверхности так, что любые две соседние по ленте термопары термобатареи находятся под разными квадратными участками под черными или под белыми. Он отличается тем, что указанные термопары выполнены толщиной от 30 до 40 мкм в виде тонкой фольги сплавов висмута с сурьмой, -типа, и сплавов висмута с сурьмой, легированных оловом, -типа, с однородным распределением компонентов или дисперсных 2 100942014.06.30 фаз указанная опора размещена на охлаждаемой поверхности элемента Пельтье, подключенного к источнику питания постоянного тока, управляемого микропроцессором, и выход термобатареи через аналогово-цифровой преобразователь подключен к указанному микропроцессору, выход которого соединен с дисплеем. Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что заявителем не обнаружено аналога, характеризующегося признаками, тождественными всем признакам заявляемой полезной модели, а в прототипе позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном преобразователе, изложенных в формуле полезной модели. Следовательно, комплексный анализ изложенных отличительных признаков конструкции устройства показывает, что они являются существенными и находятся в прямой причинно-следственной связи с достигаемым техническим результатом. Из уровня техники не выявлено технических решений, отличительные признаки которых в совокупности обеспечивают решение поставленной задачи в заявляемой полезной модели. По мнению авторов, термоэлектрический преобразователь пиранометра содержит вышеприведенный ряд новых и отличительных элементов, позволяющих реализовать выполнение поставленной комплексной задачи по сравнению с прототипом. Следовательно,заявляемая полезная модель соответствует критерию новизна по действующему законодательству. Заявляемая полезная модель поясняется фиг. 1-4. На фиг. 1 схематично представлен термоэлектрический преобразователь в разрезе, установленный на основании корпуса пиранометра. На фиг. 2 схематично изображен термоэлектрический преобразователь пиранометра(вид сверху). На фиг. 3 представлена электрическая блок-схема термоэлектрического преобразователя. На фиг. 4 изображен выходной сигнал(термо-ЭДС) как функция тока , проходящего через элемент Пельтье. Термоэлектрический преобразователь пиранометра содержит опору теплоотводящими ребрами 2, например, изготовленную из алюминиевого сплава, на поверхности которой методом электрохимического окисления алюминия выполнен электроизолирующий слой 3 из окиси алюминия толщиной 1020 мкм. На теплоотводящие ребра 2 опоры 1 установлена термобатарея 4. На ленточной квадратной термобатарее 4 размещен приемник солнечной радиации 5, состоящий из тонкого слоя конденсаторной бумаги, имеющего форму квадрата, и нанесенных на бумагу в шахматном порядке черных и белых участков краски,которые образуют плоскую приемную поверхность приемника солнечной радиации 5. При установке на теплоотводящие ребра 2 опоры 1 термобатареи 4 ее термопары, находящиеся под белыми участками приемной поверхности, плотно соединяются с помощью клея с теплоотводящими ребрами 2, на которые нанесен электроизолирующий слой 3. Этим обеспечивается хороший отвод тепла от слабо нагреваемых термопар за счет высокой теплопроводности окиси алюминия. Опора 1 с противоположной стороны плотно соединена теплопроводящим компаундом с элементом Пельтье 6, который также плотно размещен на основании корпуса пиранометра 7. Термобатарея 4 квадратной формы изготовлена методом последовательной пайки или контактной микросварки между собой ленточных отрезков фольги равной длины из сплавов висмута с сурьмой, -типа, и сплавов висмута с сурьмой, легированных оловом, -типа, с однородным распределением компонентов или дисперсных фаз размерами 0,59 мм и толщиной, не превышающей 30-40 мкм, соединенных в ленту, уложенную в виде меандра так, что образуются ряды термопар 8, расположенные на одинаковом расстоянии друг от друга. При этом ряды термопар 8 расположены вдоль средней линии черных и белых квадратов приемной поверхности 5. При такой конструкции любые две соседние по ленте термопары термобатареи 4 находятся под разными 3 100942014.06.30 квадратными участками либо под черным, нагреваемым солнечной радиацией, либо под белым, слабо нагреваемым солнечной радиацией. Фольга из сплавов висмута с сурьмой с легирующими добавками и обладающие однородным распределением компонентов или дисперсных фаз изготавливались путем высокоскоростной кристаллизации 2 (скорость затвердевания 106 К/с) расплава необходимого состава. Указанная фольга обладает улучшенными термоэлектрическими параметрами и имеет повышенные прочностные характеристики. Опора 1 плотно установлена на охлаждаемой поверхности элемента Пельтье 6, подключенного к источнику питания 9 постоянного тока, управляемого микропроцессором 10. Выход термобатареи 4 через аналогово-цифровой преобразователь 11 подключен к микропроцессору 10, выход которого соединен с дисплеем 12. Термоэлектрический преобразователь пиранометра работает следующим образом. Термоэлектрический преобразователь, установленный в корпус 7 пиранометра, ориентируется горизонтально относительно земной поверхности таким образом, чтобы солнечное излучение падало на плоскую приемную поверхность термоэлектрического преобразователя сверху. При этом термопары термобатареи, находящиеся под черными квадратными участками, значительно нагреваются за счет солнечной радиации. Термопары, расположенные под белыми квадратными участками приемной поверхности, также будут нагреваться за счет прямой солнечной радиации, но существенно меньше. Кроме того, к слабо нагреваемым термопарам будет передаваться тепло от нагреваемых термопар по ленточным отрезкам термопар термобатареи 4. Суммарная термо-ЭДС термобатареи пропорциональна разности температурвсех нагреваемых и слабо нагреваемых термопар(1)1-2,где 1 - температура термопар, расположенных под черными участками приемной поверхности 2 - температура термопар, расположенных под белыми участками приемной поверхности. При подключении к выходным клеммам термобатареи пиранометра измерительного прибора, например вольтметра, измеряется пропорциональное термо-ЭДС(мВ), которое, в свою очередь, пропорционально интенсивности солнечной радиации(она высвечивается на экране дисплея 12), имеющей размерность (кВт/м), т.е.,(2) где- коэффициент преобразования (чувствительность) термоэлектрического преобразователя пиранометра (мВм 2/кВт). Таким образом,- коэффициент преобразования пиранометра пропорционален выходному напряжению, термо-ЭДС и, соответственно, разности температурмежду нагреваемыми и слабо нагреваемыми термопарами. Чем выше температура 1 термопар,расположенных под черными участками приемной поверхности, и ниже температура 2 термопар, расположенных под белыми участками, тем выше коэффициент преобразования термоэлектрического преобразователя пиранометра, т.е. его чувствительность. При фиксированном числе термопар увеличить чувствительность термоэлектрического преобразователя пиранометра можно, уменьшив температуру 2 термопар, расположенных под белыми участками. Если в прототипе она практически равна температуре корпуса, т.е. температуре окружающей среды, то в предложенной полезной модели это равенство возможно в отсутствие тока через элемент Пельтье 6 (при 0). Так как опора 1 плотно установлена на охлаждаемой поверхности элемента Пельтье 6, подключенного к источнику питания 9 постоянного тока, управляемого микропроцессором 10 в соответствии с заложенной программой, то величина 2 оказывается зависящей от проходящего тока , и по истечении времени, большего тепловой постоянной пиранометра (обычно одна две минуты), 2 стабилизируется и является существенно меньшей величиной чем в прототипе, чем и достигается решение поставленной задачи по увеличению коэффициента чувствительности . Все нелинейности 2, а следовательноот , учитываются микро 4 100942014.06.30 процессором в соответствии с ранее проведенной калибровкой термоэлектрического преобразователя пиранометра. Увеличение точности измерений солнечной радиации также способствуют измеренияс учетом компьютерной обработки этих данных. Другим существенным фактором увеличения чувствительности является выполнение термопар из фольги сплавов висмута с сурьмой, -типа, и сплавов висмута с сурьмой, легированных оловом, -типа, в которых коэффициенты дифференциальных термо-ЭДС значительно выше и в сумме превышают величину 120 мкВ/К, что практически значительно превышают эту величину для термопар из фольги маганин - константан, используемых в прототипе. Следовательно, заявляемая полезная модель относится к измерительной технике в области метеорологии и является основным конструктивным элементом пиранометра. Исходя из вышеизложенного, для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в приведенной формуле, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов,поэтому заявляемое устройство соответствует требованию промышленная применимость по действующему законодательству. Фиг. 4 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5