close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY4727

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(19)
BY (11) 4727
(13)
C1
(51)
(12)
7
H 01H 37/32,
H 01H 37/46
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
ДИЛАТОМЕТРИЧЕСКОЕ РЕЛЕ
(21) Номер заявки: a 19980552
(22) 1998.06.08
(46) 2002.09.30
(71) Заявитель: Институт электроники Национальной
академии наук Беларуси (BY)
(72) Авторы: Ефремов Г.И.; Мухуров Н.И. (BY)
(73) Патентообладатель: Институт электроники
Национальной академии наук Беларуси (BY)
(56)
Ужанский В.С. Автоматизация холодильных машин и установок. - М.: Пищепром, 1973. - С. 181-182,
JP 05062575 A, 1993, JP 04115435 A, 1992, RU 2040819 C1, 1995.
(57)
1. Дилатометрическое реле, содержащее чувствительный элемент из материала с высоким значением коэффициента термического расширения, преобразователь из материала с низким значением коэффициента
термического расширения, выполненный в виде рамочного прямоугольника с V-образными длинными сторонами и закрепленный одной из коротких сторон, двигающейся при изменении температуры вдоль продольной оси симметрии, на чувствительном элементе, а другой короткой стороной на регулирующем
Фиг. 1
устройстве, расположенном в корпусе, на котором закреплен чувствительный элемент, и переключающую
систему, включающую контакты и диэлектрические втулки, размещенные на вершинах V-образных длинных
сторон преобразователя, и токопроводящие вводы, отличающееся тем, что чувствительный элемент выполнен из нескольких, но не менее чем из трех слоев, расположенных параллельно и напротив друг друга, при
этом конец каждого слоя соединен с концом последующего слоя с образованием соединения в виде меандра,
причем первый конец первого слоя закреплен на корпусе, а преобразователь закреплен короткой стороной,
двигающейся при изменении температуры вдоль продольной оси симметрии, на свободном конце последнего нечетного слоя, при этом нечетные слои выполнены из материала с более высоким значением коэффициента термического расширения, чем четные, а количество нечетных слоев n составляет:
n=
∆L
− α2
L(Tp − T)
α1 − α 2
,
где α1 - коэффициент термического расширения нечетных слоев,
α2 - коэффициент термического расширения четных слоев,
L - длина чувствительного элемента,
BY 4727 C1
∆L - величина теплового расширения чувствительного элемента,
Тp - температура срабатывания,
Т - нормальная температура.
2. Реле по п. 1, отличающееся тем, что нечетные слои чувствительного элемента выполнены из сплавов,
имеющих точку перегиба температурной зависимости линейного расширения, а четные слои чувствительного элемента и преобразователь - из материалов с коэффициентом термического расширения, близким по величине к коэффициенту термического расширения сплавов до точки перегиба, при этом Т = Тк, где Тк температура точки перегиба.
3. Реле по п. 1, отличающееся тем, что в каждом слое чувствительного элемента выполнены окна и между слоями предусмотрены зазоры.
Изобретение относится к электротехнике, теплотехнике, холодильной технике и может быть использовано, например, в системах автоматизации производственных процессов и контроля температурных параметров технологических операций.
Известен регулятор температуры, управляющий работой масляного радиатора двигателя внутреннего
сгорания [1]. В качестве чувствительного элемента он содержит опорный штифт, расположенный в полости
корпуса, заполненной наполнителем. Удлиняясь за счет наличия коэффициента термического расширения α
(к.т.р.), штифт производит переключения контактов электрической цепи управления тепловым режимом радиатора.
Регулятор не обеспечивает получения высокой чувствительности при одновременной высокой точности
срабатывания из-за малой величины абсолютного термического расширения штифта и высокой тепловой
инерционности регулятора.
Известно дилатометрическое реле температуры [2], состоящее из трубки и стержня, выполненных из материалов, отличающихся по к.т.р., и переключающей системы контактов. При изменении температуры в результате различного теплового расширения конец стержня смещается относительно торца трубки и,
переключая электрические контакты, включает аппаратуру регулировки температуры.
Реле не обеспечивает получения высокой чувствительности при одновременной высокой точности срабатывания из-за малой разности абсолютного термического расширения длины трубки и длины стержня.
Наиболее близким по технической сущности является дилатометрическое реле [3], которое содержит
чувствительный элемент, представляющий собой металлический держатель, выполненный из обладающей
большой величиной к.т.р. латунной цилиндрической трубки (αлат = 18-10-6град-1), и размещенный в нем преобразователь в виде ленточной пружины из имеющего малое значение к.т.р. сплава инвар (αинв = 1 · 10-6град1
), сформованной в вытянутый прямоугольник с V-образно изогнутыми внутрь длинными сторонами. Переключающая система состоит из контактов, размещенных на изогнутых сторонах пружины, но изолированных от нее, и монтажных проводов, соединяющих контакты с внешними клеммами. Один конец трубки
жестко закреплен в массивном корпусе, в котором размещен регулируемый узел соединения корпуса с короткой стороной сформованной пружины. Второй конец трубки оставлен незакрепленным, он соединен с
другой короткой стороной сформованной пружины. При нагревании латунная трубка удлиняется, а пружина
преобразователя практически не изменяет своей длины. Незакрепленный конец трубки растягивает длинные
стороны преобразователя, они выпрямляются и размыкают электрическую цепь. Весьма большое отношение
длины к высоте V-образной стороны преобразователя, встречное движение вершин двух сторон повышают
чувствительность реле по сравнению с аналогами. Однако получение высокой чувствительности реле ограничено реально допустимыми размерами длины. Вместе с тем механические напряжения, возникающие в
преобразователе и достигающие значительных величин при повышенных температурах, обусловливают появление в нем и нарастание со временем пластических деформаций, снижающих точность срабатывания реле
или сужающих рабочий температурный диапазон реле.
Данное реле не обеспечивает получения высокой чувствительности при одновременной высокой точности срабатывания в широком интервале температур из-за недостаточно большой разности абсолютного теплового расширения чувствительного элемента и преобразователя и возникающих в последнем пластических
деформаций.
Технической задачей изобретения является повышение чувствительности при одновременной высокой
точности срабатывания реле в широком интервале температур.
Решение технической задачи достигается тем, что в дилатометрическом реле, содержащем чувствительный элемент из материала с высоким значением к.т.р., преобразователь из материала с низким значением
к.т.р., выполненный в виде рамочного прямоугольника с V-образными длинными сторонами и закрепленный
одной из коротких сторон, двигающейся при изменении температуры вдоль оси симметрии, на чувствительном элементе, а другой короткой стороной на регулирующем устройстве, расположенном в корпусе, на котором закреплен чувствительный элемент, и переключающую систему, включающую контакты и
диэлектрические втулки, размещенные на вершинах V-образных длинных сторон преобразователя, и токо2
BY 4727 C1
проводящие вводы, чувствительный элемент выполнен из нескольких, но не менее чем из трех слоев, расположенных параллельно и напротив друг друга, при этом конец каждого слоя соединен с концом последующего слоя с образованием соединения в виде меандра, причем первый конец первого слоя закреплен на
корпусе, а преобразователь закреплен короткой стороной, двигающейся при изменении температуры вдоль
продольной оси симметрии, на свободном конце последнего нечетного слоя, при этом нечетные слои выполнены из материала с более высоким значением к.т.р., чем четные, а количество нечетных слоев n составляет:
n=
∆L
− α2
L(Tp − T)
α1 − α 2
,
(1)
где α1 - к.т.р. нечетных слоев, α2 - к.т.р. четных слоев, L - длина чувствительного элемента, ∆L - тепловое расширение чувствительного элемента, Tp - температура срабатывания, T - нормальная температура.
При этом нечетные слои чувствительного элемента выполнены из сплавов, имеющих точку перегиба
температурной зависимости линейного расширения, а четные слои чувствительного элемента и преобразователь - из материалов с к.т.р., близким по величине к к.т.р. сплавов до точки перегиба, при этом T = Tк., где Tк
- температура точки перегиба.
При этом в каждом слое чувствительного элемента выполнены окна и между слоями предусмотрены зазоры.
Выполнение чувствительного элемента многослойным, состоящим из чередующихся слоев с большим и
малым значением к.т.р., расположенных параллельно напротив друг друга, соединенных по схеме меандра,
позволяет при той же длине чувствительного элемента увеличить его тепловое расширение за счет алгебраического суммирования теплового расширения всех слоев, что в результате значительно повышает чувствительность дилатометрического реле при одновременном повышении точности его срабатывания.
Предложенное соотношение позволяет для каждого конкретного случая определить оптимальное количество
слоев. Использование для эксплуатации при повышенных температурах слоев из сплавов с предложенным
сочетанием численных значений к.т.р. исключает возникновение в растягиваемом преобразователе пластических деформаций, приводящих к снижению чувствительности и точности срабатывания, за счет сокращения температурного диапазона, в котором происходит растяжение ветвей преобразователя с (Тр-Т) до (Тр-Тк)
и уменьшение в них механических напряжений.
Многослойная конструкция чувствительного элемента с успехом может быть использована также в дилатометрических реле с чувствительным элементом стержневого типа, подобных в приведенных аналогах.
Увеличение теплового расширения чувствительного элемента позволяет также сократить его длину, т.е.
уменьшить габариты реле, при одновременном повышении его чувствительности.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1, на которой дано продольное сечение дилатометрического реле
и где:
1 - корпус,
2 - чувствительный элемент,
3 - преобразователь,
4 - переключающая система,
5 - регулирующее устройство,
6 - первый слой чувствительного элемента,
7 - второй слой чувствительного элемента,
8 - третий слой чувствительного элемента,
9, 10, 11 - окна,
12, 13 - зазоры,
14, 15 - короткие стороны преобразователя,
16, 17 - V-образные длинные стороны преобразователя,
18 - контакты,
19 - диэлектрические втулки,
20 - токопроводящие вводы.
На фиг. 2 представлена схема термического расширения слоев преобразователя.
Дилатометрическое реле (фиг. 1) содержит корпус 1, в котором закреплен чувствительный элемент 2,
преобразователь 3 с переключающей системой 4 и регулирующее устройство 5.
Чувствительный элемент 2 (фиг. 1) состоит минимум из трех слоев 6, 7, 8. Первый, наружный, слой 6 левым концом закреплен в корпусе 1, торец его правого конца соединен с торцом правого конца второго слоя
7, расположенного внутри первого слоя 6. Торец левого конца второго слоя 7 в свою очередь соединен с
торцом левого конца третьего слоя 8, размещенного внутри второго слоя 7. Соединение концов следующих
слоев выполняется в той же последовательности по схеме меандра. Нечетные слои чувствительного элемента 2 выполняются из материала с большим значением к.т.р. α1, четные - с малым значением к.т.р. α2. Толщина слоев составляет 0,2...1,0 мм и количество их может достигать 5...10 шт. В каждом слое выполнены окна
9, 10, 11, между слоями предусмотрены зазоры 12, 13 (фиг. 1), что уменьшает массу чувствительного эле3
BY 4727 C1
мента 2, т.е. его тепловую инерционность, и обеспечивает беспрепятственный доступ нагретой атмосферы к
преобразователю 3 и равномерность прогрева всей конструкции.
Преобразователь 3 (фиг. 1) выполнен в виде рамочного прямоугольника с короткими сторонами 14 и 15 и
V-образными длинными сторонами 16 и 17, вершины которых могут быть направлены внутрь, т.е. навстречу
друг другу, или наружу, т.е. друг от друга. Короткая сторона преобразователя 14 жестко закреплена на свободном правом конце последнего слоя чувствительного элемента 2, другая короткая сторона преобразователя 15 через регулирующее устройство 5 соединена с корпусом 1. Преобразователь 3 изготавливается из
пружинной ленты, материал которой имеет малую величину к.т.р. αп.
Переключающая система 4 (фиг. 1) состоит из контактов 18 и диэлектрических втулок 19, расположенных на вершинах V-образных длинных сторон 16 и 17 преобразователя, а также токопроводящих вводов 20,
выходящих наружу через корпус 1.
Для нечетных слоев чувствительного элемента 2 используются имеющие большую величину к.т.р. известные традиционные материалы, например алюминий (α = 25 · 10-6 град-1), латунь (α = 20 · 10-6 град-1),
сталь Х18Н9Т, медь, бронза (α = 18 · 10-6 град-1), никель (α = 14 · 10-6 град-1) и др., а также сплавы, имеющие
точку Кюри Tк, в которой резко изменяется величина к.т.р. в сторону увеличения. К последним относятся,
например, сплавы Н35КТ (α' = 4 · 10-6 град-1, Tк = 250 °С), Н42 (α' = 5 · 10-6 град-1, Тк = 350 °С), Н29К18
(α' = 5,5 · 10-6 град-1, Tк = 420°C), H47D (α' = 9 · 10-6 град-1, Тк = 450 °С). В этих данных символом α' обозначен средний к.т.р. сплавов в интервале температур от нормальной до Тк. Свыше Тк к.т.р. сплавов составляет
порядка 16 · 10-6 град-1.
Четные слои чувствительного элемента 2 изготавливаются из имеющих малую величину к.т.р. также известных материалов: хромистая сталь (α = 10 · 10-6 град-1), вольфрам (α = 4,5 · 10-6 град-1), молибден (α = 5,2 · 10-6
град-1), железо - никелевые и железо - никель - кобальтовые сплавы при использовании термореле при температурах ниже Tк, стекло (α = 3...8,5 · 10-6 град-1), керамика (α = 6 · 10-6 град-1), фарфор (α = 3 · 10-6 град-1).
Пружинная лента преобразователя 3 выполняется из металлов и сплавов, указанных выше для четных
слоев чувствительного элемента 2.
Соединение торцов металлических слоев может быть получено, например, сваркой, пайкой. Пайкой могут быть соединены металлические слои с неметаллическими (керамикой, фарфором), после металлизации
торцевой поверхности последних. Для получения паяных соединений на торцах соседних слоев выполняются фаски, направленные в сторону общей поверхности. В образованное фасками углубление укладывают
впоследствии кольцо припоя, после нагрева и охлаждения которого образуется паяное соединение.
Дилатометрическое реле данной конструкции, предназначенное для использования в электрических схемах, работающих на замыкание цепи, содержит преобразователь с вершинами V-образных длинных сторон,
направленными друг от друга, т.е. от оси чувствительного элемента 2, работающих на размыкание - с вершинами, направленными друг к другу, т.е. к оси чувствительного элемента 2.
Дилатометрическое реле работает следующим образом.
При повышении температуры от нормальной Т до заданной Тр правый торец первого слоя 6 за счет температурного расширения смещается вправо на величину (фиг. 2).
∆T1 = Lα1∆T.
(2)
где ∆T = Тp-Т. На эту же величину он смещает соединенный с ним правый торец второго слоя 7. В свою очередь второй слой 7 также расширяется, но уже в обратном направлении, т.к. у него закреплен правый конец,
а левый свободен. Величина его расширения меньше, поскольку он выполнен из материала с малым к.т.р., и
составляет
∆L'2 = Lα2∆T.
(3)
В результате левый конец второго слоя 7 смещается вправо на
∆L2 = ∆L1-∆L'2
(4)
Вместе с левым концом второго слоя 7 перемещается левый торец, а следовательно, и весь третий слой 8,
который при этом также расширяется. В итоге его правый торец, как и у первого слоя, смещается вправо.
Величина перемещения составляет
∆L3 = ∆L1 + ∆L2 = (2α1-α2)L∆T,
(5)
т.е. изменение размера L при повышении температуры пропорционально сомножителю 2α1-α2, который может рассматриваться как новый, "эквивалентный", к.т.р. αэ чувствительного элемента 2 и который в общем
виде определяется соотношением
αэ = nα1-(n-1)α2 = n(α1-α2) + α2,
где n - количество нечетных слоев.
4
(6)
BY 4727 C1
Суммарное расширение многослойного чувствительного элемента 2 составляет
∆L = [n(α1-α2) + α2]L∆T.
(7)
В процессе перемещения правый торец последнего слоя растягивает соединенный с ним преобразователь
3, выпрямляя его V-образные длинные стороны 16, 17 и размыкая (или замыкая) контакты 18 при заданной
температуре.
Соотношение (6) показывает, что при одной и той же длине чувствительного элемента 2 величина эквивалентного к.т.р. αэ возрастает пропорционально количеству пар дополнительных слоев и существенно превосходит к.т.р. используемых материалов. Так, у трехслойной конструкции в сочетаниях материалов
(αал = 24 · 10-6град-1),
"латунь + инвар"
αэ = 37 · 10-6град-1
"алюминий + керамика"
αэ = 42 · 10-6град-1
-6
-1
-6
-1
-6
-1
(αлат = 18 · 10 град ), "никель + молибден" αэ = 20,8 · 10 град (αник = 13 · 10 град ), т.е. αэ почти вдвое превышает больший по величине к.т.р. используемых материалов. При увеличении количества слоев соответственно продолжается и возрастание αэ. Требуемое количество слоев при заданных и выбранных
остальных параметрах дилатометрического, реле согласно выражению (7), составляет:
∆L
− α2
L
n = ∆T
.
α1 − α 2
(8)
Чувствительность предлагаемого дилатометрического реле с учетом равенства αч = αэ определяется выражением:
S=
L[n (α1 − α 2 ) + α 2 − α n ]
.
sin γ
(9)
Поскольку α2≈αn и α1 аналогичен αч, то
S≈
L ⋅ n ⋅ (α r − α n )
,
sin γ
(10)
т.е. по сравнению с прототипом чувствительность повышается в ∼ n раз. Возможно также сокращение длины
чувствительного элемента и преобразователя при одновременном повышении чувствительности и точности
срабатывания реле.
В деформируемом преобразователе возникают напряжения, которые в случае большого температурного
диапазона могут достигать значительной величины, что с учетом одновременного снижения прочности материала преобразователя, обусловленного высокой температурой, приведет к появлению пластических деформаций, т.е. к искажению первоначальной формы преобразователя, к люфтам и, следовательно, к снижению
чувствительности и одновременно точности срабатывания реле. В дилатометрическом реле предлагаемой
конструкции, предназначенном для использования при высоких температурах, нечетные слои выполнены из
указанных выше сплавов, имеющих точку перегиба кривой температурного расширения, а четные слои и
преобразователь из материалов с малым значением к.т.р., близком к к.т.р. сплавов до Тк. Примеры таких сочетаний приведены в таблице.
№
1
2
3
Нечетные слои
Н35КТ
Н42
Н29К18
Четные слои
молибден
фарфор
керамика
Преобразователь
молибден
вольфрам
хромистая сталь
Tк °С
250
350
420
Эти сочетания обеспечивают до Tк достаточно близкое по величине расширение компонентов реле, не
приводя к возникновению сколько-нибудь значительных деформаций. Выше Тк резко возрастает αэ и обеспечивает высокую чувствительность реле при малых механических напряжениях.
Источники информации:
1. А.с. СССР 1524031, МПК4 G05 D 23/02.
2. Агейкин Д.И., Костина Е.Н., Кузнецова Н.Н Датчики контроля и регулирования. - М.: Машиностроение, 1965. - С. 801.
3. Ужанский B.C. Автоматизация холодильных машин и установок. - М.: Пищепром, 1973. - С. 181-182.
5
BY 4727 C1
Фиг. 2
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.
6
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
174 Кб
Теги
by4727, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа