Термоэлектрический датчик актинометра

(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 датчик актинометра, содержащий теплоотводящую оправу и приемник солнечной радиации, включающий диск, на приемной и обратной ей плоских поверхностях которого нанесено электроизолирующее покрытие, и первую термобатарею с термопарами, образованными из концов последовательно соединенных между собой ленточных отрезков, уложенных в одной плоскости зигзагообразно в виде кольца таким образом, что периферийные и центральные термопары образуют соответственно внешнюю и внутреннюю концентрические окружности кольца, причем периферийные термопары через электроизолирующий слой присоединены к теплопроводной оправе, а центральные термопары через электроизолирующий слой присоединены к приемной поверхности диска вторую термобатарею, периферийные термопары которой через электроизолирующий слой присоединены к теплопроводной оправе, а центральные термопары через электроизолирующий слой присоединены к обратной поверхности диска, при этом первая и вторая термобатареи электрически соединены между собой последовательно, а между их ленточными отрезками размещен электроизолирующий слой, 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, а указанная теплопроводная оправа содержит компенсационную обмотку из тонкой электропроводной 100922014.06.30 проволоки с изоляционным покрытием, причем по одной свободной клемме от указанных первой и второй термобатарей подключены ко входу дифференциального операционного усилителя, выход которого подключен ко входу усилителя мощности, выход которого через измерительный резистор подключен к компенсационной обмотке.(56) 1. Патентна полезную модель 5751, МПК 01 1/00, 2009. 2. Патентна полезную модель 8723, МПК 01 1/12, 2012 (прототип). 3. 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, в частности к актинометрии, и является основным конструктивным элементом актинометра, который предназначен для измерения величины прямой солнечной радиации. Известен термоэлектрический преобразователь актинометра 1, который содержит теплоотводящую оправу и приемник солнечной радиации, включающий диск с почерненной со стороны солнца приемной поверхностью, электроизолирующий слой и термобатарею,образованную из соединенных между собой ленточных отрезков, уложенных зигзагообразно в виде кольца таким образом, что центральные и периферийные термопары образуют соответственно внутреннюю и внешнюю концентрические окружности кольца, причем центральные термопары через электроизолирующий слой присоединены к диску со стороны, обратной его приемной поверхности, а периферийные термопары через электроизолирующий слой присоединены к теплоотводящей оправе, причем диск приемника солнечной радиации и теплоотводящая оправа выполнены из алюминиевого сплава, а электроизолирующий слой выполнен на диске и теплоотводящей оправе из окиси алюминия. Термобатарея образована из соединенных между собой методом пайки или точечной сварки ленточных отрезков из манганина и константана длиной 7 мм и толщиной 35 мкм. Недостатком 1 является невысокая точность измерений из-за низкой чувствительности прибора, т.е. низкого значения коэффициента преобразования термоэлектрического преобразователя актинометра. Значения коэффициента преобразования термоэлектрического преобразователя невысоки из-за незначительных величин разности температур Т между концами термопар 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. Кроме того, количество термопар не является заниженным, например, в 2 их число увеличено вдвое при тех же геометрических размерах конструкции, что эквивалентно увеличению чувствительности практически в два раза. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является термопреобразователь актинометра, описанный в 2 (прототип). Согласно 2, термопреобразователь актинометра содержит теплопроводящую оправу и приемник солнечной радиации, включающий диск, на приемной и обратной ей плоских поверхностях которого нанесено электроизолирующее покрытие, и термобатарею с термопарами, образованными из концов последовательно соединенных между собой ленточных отрезков, уложенных в одной плоскости зигзагообразно в виде кольца таким образом,что периферийные и центральные термопары образуют соответственно внешнюю и внутреннюю концентрические окружности кольца, причем периферийные термопары через электроизолирующий слой присоединены к теплопроводной оправе, а центральные термопары через электроизолирующий слой присоединены к приемной поверхности диска,2 100922014.06.30 причем, в отличие от 1, в конструкцию прототипа введена дополнительная термобатарея,периферийные термопары которой через электроизолирующий слой присоединены к теплоотводящей оправе, а центральные термопары через электроизолирующий слой присоединены к обратной поверхности диска, при этом указанные две термобатареи электрически соединены между собой последовательно, а между их ленточными отрезками размещен электроизолирующий слой. Причем по одной свободной клемме от указанных первой и второй термобатарей подключены к гальванометру или другому измерительному прибору. Термобатарея изготовлена методом последовательной пайки между собой или точечной сварки ленточных отрезков из манганина и константана толщиной 35 мкм. Недостатком прототипа является невысокая точность измерений актинометра из-за невысокой чувствительности прибора, т.е. низкого значения коэффициента преобразования термопреобразователя, хотя число термопар, по сравнению с 1, было увеличено вдвое. Значения коэффициента преобразования актинометра невысоки из-за незначительных величин разности температур Т между концами термопар 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 настоящей полезной модели является повышение точности измерений за счет увеличения чувствительности термоэлектрического датчика. Термоэлектрический датчик актинометра содержит теплопроводную оправу и приемник солнечной радиации, включающий диск, на приемной и обратной ей плоских поверхностях которого нанесено электроизолирующее покрытие, и первую термобатарею с термопарами, образованными из концов последовательно соединенных между собой ленточных отрезков, уложенных в одной плоскости зигзагообразно в виде кольца таким образом, что периферийные и центральные термопары образуют соответственно внешнюю и внутреннюю концентрические окружности кольца, причем периферийные термопары через электроизолирующий слой присоединены к теплопроводной оправе, а центральные термопары через электроизолирующий слой присоединены к приемной поверхности диска вторую термобатарею, периферийные термопары которой через электроизолирующий слой присоединены к теплопроводной оправе, а центральные термопары через электроизолирующий слой присоединены к обратной поверхности диска, при этом первая и вторая термобатареи электрически соединены между собой последовательно, а между их ленточными отрезками размещен электроизолирующий слой. Датчик 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 фаз, а указанная теплопроводная оправа содержит компенсационную обмотку из тонкой электропроводной проволоки с изоляционным покрытием, причем по одной свободной клемме от указанных первой и второй термобатарей подключены ко входу дифференциального операционного усилителя, выход которого подключен ко входу усилителя мощности, выход которого через измерительный резистор подключен к компенсационной обмотке. 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. 3 100922014.06.30 По мнению авторов, термоэлектрический датчик актинометра 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 на фиг. 1, 2. На фиг. 1 схематично изображен в разрезе термоэлектрический датчик актинометра с двумя термобатареями, установленный на основании корпуса актинометра. На фиг. 2 представлена электрическая блок-схема термоэлектрического датчика актинометра. Термоэлектрический датчик актинометра содержит теплопроводящую оправу 1, изготовленную из алюминиевого сплава в виде кольца. На ее кольцевой поверхности методом анодного оксидирования алюминия создан высокотеплопроводный электроизолирующий слой 5 из окиси алюминия толщиной 510 мкм. Диск 2 приемника солнечной радиации выполнен из фольги алюминиевого сплава толщиной 2030 мкм. На диске 2 методом анодного оксидирования созданы высокотеплопроводные электроизолирующие слои 6 из окиси алюминия толщиной 56 мкм. Термобатареи 3 и 4 образованы из соединенных между собой методом пайки или точечной микросварки обоих концов ленточных отрезков из быстрозакристализовавшейся фольги сплава висмут-сурьма с соответствующими легирующими компонентами длиной 7 мм, шириной 0,35 мм и толщиной 3040 мкм, уложенных зигзагообразно в виде кольца таким образом, что центральные термопары 7, 8 и периферийные термопары 9, 10 обеих термобатарей образуют соответственно внутреннюю и внешнюю воображаемые концентрические окружности кольца. Центральные термопары 7 через электроизолирующий слой 6 присоединены с помощью клея к диску 2 со стороны падающего на него солнечного излучения, а центральные термопары 8 через электроизолирующий слой 6 присоединены к обратной стороне диска 2. Между ленточными отрезками обеих термобатарей 3 и 4 размещен электроизолирующий слой 11 из конденсаторной бумаги толщиной 0,012 мм. Обращенные к солнцу поверхности центральных термопар 7, а также участки диска 2, находящиеся между термопарами 7, покрыты черной глубокоматовой краской (на фиг. 1 не изображена), чтобы обеспечить эффект максимального поглощения поступающей на них солнечной радиации. Периферийные термопары 9 и 10 через электроизолирующий слой 5 присоединены с помощью клея к теплопроводящей оправе 1. Периферийные термопары 10 термобатареи 4 помещают между периферийными термопарами 9 термобатареи 3. В этом случае все периферийные термопары через электроизолирующий слой присоединены непосредственно к теплопроводящей оправе 1. Термоэлектрический датчик плотно установлен в корпусе 12 актинометра. Теплопроводящая оправа 1 выполнена с несквозной проточкой, в которую вложена компенсационная обмотка 13 (в несколько слоев) из тонкой электропроводной проволоки с изоляционным покрытием, причем по одной свободной клемме от указанных первой и второй термобатарей подключены через резисторы 1 ко входу дифференциального операционного усилителя 14(на фиг. 2- резистор отрицательной обратной связи), выход усилителя подключен ко входу усилителя мощности 15, выполненного на двух транзисторах 1 и 2, выход которого через н измерительный резистор подключен к компенсационной обмотке 13. Электрическая схема датчика питается от двухполярного стабилизированного источника постоянного напряжения (на фиг. 2 не изображен) , - со средней точкой 0. Выходное напряжение вых снимается с измерительного резистора н, по которому и определяется компенсационный ток комп, обеспечивающий выравнивание температур концов центральных термопар 7, 8 и периферийных термопар 9, 10. Дополнительно следует отметить, что фольга из сплавов висмута с сурьмой с легирующими добавками обладает однородным распределением компонентов или дисперсных фаз изготавливались путем высокоскоростной кристаллизации 3 (скорость затвердевания 106 К/с) 4 100922014.06.30 расплава необходимого состава. Указанная фольга обладает улучшенными термоэлектрическими параметрами и имеет повышенные прочностные характеристики. Термоэлектрический датчик актинометра работает следующим образом. При измерении величины прямой солнечной радиации солнечное излучение нагревает центральные термопары термобатареи, в то время когда периферийные термопары находятся в тени. При этом за счет конструкции актинометра ее термо-ЭДС периферийных термопар и центральных термопар термобатареи актинометра всегда направлены навстречу друг другу, поэтому при проведении измерений возникает выходное напряжение термобатарей датчика актинометра, равное разности суммарных термонапряжений всех ее центральных и периферийных термопар(1)1-2,где 1 - суммарное термонапряжение всех центральных 1 термопар 2 - суммарное термонапряжение всех периферийных термопар. Термо-ЭДСподается на вход дифференциального операционного усилителя 14, коэффициент усиления которого регулируется резисторами 1 и . Фактически усилитель 14 является масштабирующим. Выходной сигнал с 14 подается на усилитель мощности 15, выполненный на двух транзисторах 1 и 2, выход которого через н измерительный резистор подключен к компенсационной обмотке 13. При прохождении через компенсационную обмотку тока комп выделяется джоулевое тепло, которое вызывает через тонкую стенку теплопроводящей оправы 1 разогрев концов периферийных термопар 9 и 10. При этом термобатареи функционируют в режиме нуль-органа. В установившемся режиме автоматически поддерживается 0. Выходное напряжение вых снимается с измерительного резистора н, по которому и определяется компенсационный ток комп, обеспечивающий выравнивание температур концов центральных термопар 7, 8 и периферийных термопар 9, 10. Следовательно, выходное напряжение датчика вых оказывается прямо пропорциональным величине прямой солнечной радиации(кВт/м 2) вых 0,(2) где 0 - коэффициент преобразования (чувствительность) актинометра (мВм 2/кВт). 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 превышает в четыре раза эту величину для термопар из фольги манганин - константан, используемых в прототипе. Использование компенсационного принципа измерения величины прямой солнечной радиации за счет выравнивания температуры центральных и периферийных термопар приводит к значительному повышению точности измерений, при этом термобатареи функционируют в режиме нуль-органа, т.е. поддерживается 0. Следовательно, заявляемая полезная модель относится к измерительной технике в области метеорологии и является основным конструктивным элементом актионометра. 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. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6