Термоэлектрический преобразователь балансомера

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Открытое акционерное общество Пеленг(72) Автор Кривонощенко Владимир Иванович(73) Патентообладатель Открытое акционерное общество Пеленг(57) Термоэлектрический преобразователь 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 на стержнях, непосредственно под каждым рядом термопар, имеется продольный слой из теплоизоляционного материала или продольная канавка. 62092010.04.30 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 термоэлектрический преобразователь 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. Ряды термопар всех одинарных термобатарей расположены под двумя плоскими зачерненными приемными поверхностями термоэлектрического преобразователя балансомера 1. Для проведения измерений радиационного баланса балансомер с термоэлектрическим преобразователем 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 термоэлектрического преобразователя, обращенную вниз. Разность температур этих поверхностей создает на выходе термоэлектрического преобразователя балансомера термо-ЭДС, пропорциональную радиационному балансу деятельной поверхности земли. При подключении к выходу балансомера измерительного прибора (вольтметра) измеряют термонапряжение(мВ), пропорциональное интенсивности радиации(кВт/м 2)(1),где К - 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. Инерционность балансомера определяется временем, за которое выходное напряжение термоэлектрического преобразователя балансомера снизится до некоторой величины после прекращения воздействия на него теплового излучения (например, при затенении балансомера облаками). Эта величина остаточного термонапряжения составляет 1 от величины максимального термонапряжения термоэлектрического преобразователя каждого балансомера, а измеренное время спада термонапряжения до этой величины должно быть как можно меньше. Согласно техническим условиям на балансомер 2, оно должно быть не более 40 с. Чем ниже инерционность балансомера, тем выше точность его измерений. 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. Для получения высокого коэффициента преобразования температура термопар и, соответственно, выходное напряжение термоэлектрического преобразователя должны быть как можно выше. Низкую инерционность известных термоэлектрических преобразователей балансомера традиционно обеспечивают за счет максимального теплового контакта между стержнями и витками константановой обмотки и, соответственно, высокой скорости теплоотвода. Это достигается плотной намоткой витков константановой ленты на электроизоляционный слой, созданный на теплоотводящих стержнях одинарных термобатарей термоэлектрического преобразователя. Однако при такой конструкции одинарных термобатарей всегда имеют место два альтернативных физических процесса. С одной стороны, поступившее солнечное тепло долж 2 62092010.04.30 но быстро отводиться от одинарных термобатарей термоэлектрического преобразователя при прекращении воздействия на него теплового излучения, чтобы обеспечить низкую инерционность балансомера, а с другой стороны, тепло должно интенсивно нагревать все термопары термоэлектрического преобразователя, чтобы получить достаточно высокие термо-ЭДС, выходное напряжение и, соответственно, коэффициент преобразования балансомера, удовлетворяющий техническим требованиям. Недостатком известных термоэлектрических преобразователей балансомера является недостаточная точность измерений, определяемая невысокими значениями коэффициента преобразования. Это обусловлено тем, что при плотном тепловом контакте между витками константановой обмотки и теплоотводящими стержнями одинарных термобатарей балансомера солнечное тепло, отводимое от внутренней поверхности каждого витка обмоткой, интенсивно отводится и от тех участков витка, на которых созданы термопары. При этом значительная часть тепловой энергии солнечной радиации не преобразуется термопарами в электрическую, а безвозвратно теряется за счет теплоотвода. Это уменьшает создаваемую термо-ЭДС, выходное термонапряжение и, соответственно, коэффициент преобразования балансомера, поэтому определяемые значения радиационного баланса будут заниженными. Задачей полезной модели является повышение точности измерений радиационного баланса за счет увеличения коэффициента преобразования термоэлектрического преобразователя балансомера. Поставленная задача решается тем, что в термоэлектрическом преобразователе 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, на стержнях, непосредственно под каждым рядом термопар, имеется продольный слой из теплоизоляционного материала или продольная канавка. В предлагаемых конструкциях одинарной термобатареи термоэлектрического преобразователя балансомера оба ряда термопар, полученных на витках константановой обмотки, отделены от теплоотводящих стержней специально созданным теплоизоляционным слоем. Поэтому теплоотвод непосредственно от нагреваемых термопар к стержням значительно снижен. При этом, за счет плотной намотки на стержни константановой ленты, отвод тепла от нагреваемых термопар к стержням осуществляется в основном через участки каждого витка ленты, под которыми нет созданного на стержнях теплоизоляционного слоя. Так как площадь той части поверхности каждого витка, на которой созданы термопары и которая примыкает к теплоизоляционному слою, значительно меньше остальной площади витка, непосредственно примыкающей через электроизоляционный слой к теплоотводящему стержню, отвод тепла в установившемся тепловом режиме при измерениях остается таким же, как в прототипе, и обеспечивает низкую инерционность балансомера. В то же время, за счет уменьшения скорости теплоотвода непосредственно от термопар,температура их будет выше, чем у известных термоэлектрических преобразователей, поэтому увеличиваются термо-ЭДС, выходное термонапряжение и, соответственно, коэффициент преобразования балансомера, что ведет к повышению точности измерений радиационного баланса. На фиг. 1 изображена в разрезе одинарная термобатарея, стержень которой имеет два продольных слоя из теплоизоляционного материала. На фиг. 2 изображена в разрезе одинарная термобатарея, на стержне которой выполнены две продольные канавки. На фиг. 3 изображен термоэлектрический преобразователь балансомера. 62092010.04.30 Все одинарные термобатареи, входящие в конструкцию термоэлектрического преобразователя балансомера, состоят из стержня 1, выполненного из меди, на котором сформирован электроизоляционный слой 2. Поверх электроизоляционного слоя 2 намотана спиральная обмотка 3 из константановой ленты. На половину каждого витка обмотки 3 нанесено металлическое покрытие 4 (из меди) для образования на каждом витке двух диаметрально расположенных термопар 5 и 6. Термопары 5 и 6, созданные на всех витках обмотки 3, образуют два диаметрально противоположных ряда из термопар 5 и 6 (фиг. 3,второй ряд не показан). На стержне 1 непосредственно под каждым рядом из термопар 5 и 6 имеется продольный слой 7 из теплоизоляционного материала (фиг. 1) либо продольная канавка 8 (фиг. 2). Термоэлектрический преобразователь балансомера содержит плоскую термобатарею,собранную из одинарных термобатарей 9, обмотки 3 которых соединены последовательно перемычками 10. Плоская термобатарея залита затвердевающим компаундом, на котором созданы две плоские приемные поверхности 11 (фиг. 3, вторая поверхность не показана). Термобатарея термоэлектрического преобразователя балансомера может включать в себя, например, десять одинарных термобатарей 9. Каждая одинарная термобатарея состоит из медного стержня 1 с созданными на нем двумя теплоизоляционными слоями, которые могут быть выполнены, например, из тонких продольных слоев (полосок) 7 бумаги шириной 1,5-2,0 мм и толщиной 0,2 мм, приклеенных к стержню с двух противоположных сторон (фиг. 1), или созданы в виде двух воздушных промежутков, образованных продольными канавками 8 шириной 1,5 мм и глубиной 0,3 мм (фиг. 2). На стержнях сформирован электроизоляционный слой 2 из трех проклеенных между собой клеем БФ-4 слоев конденсаторной бумаги КОН-2-10 толщиной 0,012 мм. Поверх электроизоляционного слоя плотно намотана обмотка 3 из 35 витков константановой ленты толщиной 30 мкм и шириной 0,8 мм. Для закрепления обмотки на ее концах образованы короткозамкнутые витки, которые пропаяны припоем. Половина обмотки гальванически покрыта слоем 4 меди толщиной 610 мкм. При этом на каждом витке обмотки начало и конец медного слоя являются диаметрально расположенными термопарами 5 и 6 медьконстантан, а все термопары на обмотке образуют расположенные вдоль стержня поверх теплоизоляционных слоев два диаметрально противоположных ряда термопар. Все одинарные термобатареи, уложенные в горизонтальной плоскости параллельно друг другу с соединенными последовательно обмотками, залиты эпоксидным компаундом К-153 с кварцевым наполнителем, после чего на двух плоско-параллельных поверхностях полученного термоэлектрического преобразователя балансомера созданы две зачерненные приемные поверхности, под которыми расположены ряды термопар. Для проверки предложенного технического решения были изготовлены три термоэлектрических термопреобразователя балансомера, у которых стержни одинарных термобатарей были выполнены в трех вариантах а) стержни без теплоизоляционных слоев или канавок б) стержни с теплоизоляционными слоями в) стержни с канавками. После этого на обе стороны каждого термоэлектрического преобразователя поочередно воздействовали световым потоком с величиной энергетической освещенности 0,4 кВт/м 2, созданным лампой накаливания мощностью 1 кВт. Одновременно измеряли с помощью вольтметра (например, В 7-38) соответствующие величины выходных напряжений и затем вычисляли коэффициенты преобразования термоэлектрических преобразователей балансомера. Коэффициент преобразования балансомера вычисляли как среднее арифметическое коэффициентов преобразования обеих его сторон 22(2) 2 где К 1 и К 2 - значения коэффициентов преобразования соответственно первой и второй сторон термоэлектрического преобразователя балансомера. 4 62092010.04.30 Значения коэффициентов преобразования К 1 и К 2 вычисляют по измеренным значениям термонапряжения при поочередном воздействии на обе стороны термоэлектрического преобразователя балансомера равным по величине потоком энергетической освещенности,(4) 0 где К 08,82 мВм 2/кВт - величина коэффициента преобразования эталонного прибора(актинометра), измеряющего величину прямой солнечной радиации 05,50 мВ - максимальное значение термонапряжения эталонного прибора (актинометра) при величине потока энергетической освещенности 0,4 кВт/м 2 1 и 2 - максимальные значения измеряемых термонапряжений каждой из сторон термоэлектрического преобразователя балансомера 1 и 2 - минимальные значения измеряемых термонапряжений каждой из сторон термоэлектрического преобразователя балансомера, когда при затенении балансомера величина потока энергетической освещенности равна нулю. Результаты измерений и расчетов параметров термоэлектрических преобразователей(ТЭП) балансомера приведены в таблице. Параметры ТЭП без теплоизоляционных слоев с теплоизоляционными слоями с канавками Анализ результатов, приведенных в таблице, показал, что выходное напряжение и, соответственно, коэффициенты преобразования термоэлектрических преобразователей балансомера, у которых стержни одинарных термобатарей имеют теплоизоляционные слои или канавки, возросли на 65 . При этом инерционность балансомера осталась на прежнем уровне, ее измеренные значения составили 10-20 с. Таким образом, предлагаемая конструкция термоэлектрического преобразователя балансомера позволяет повысить точность измерения радиационного баланса за счет повышения коэффициента преобразования. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6