Патент на полезную модель Республики Беларусь

1. (19) BY (11) 6956
(13) U
(46) 2011.02.28
(51) МПК (2009)
G 01W 1/00
G 01J 5/12
ОПИСАНИЕ
ПОЛЕЗНОЙ
МОДЕЛИ К
ПАТЕНТУ
(12)
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54) ТЕРМОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ БАЛАНСОМЕРА
(21) Номер заявки: u 20100514
(22) 2010.06.01
(71) Заявитель: Открытое акционерное
общество "Пеленг" (BY)
(72) Авторы: Кривонощенко Владимир Ива-
нович; Казеев Юрий Иванович (BY)
(73) Патентообладатель: Открытое акцио-
нерное общество "Пеленг" (BY)
(57)
Термопреобразователь балансомера, содержащий плоскую термобатарею, образован-
ную из соединенных последовательно одинарных термобатарей, каждая из которых вы-
полнена в виде стержня из высокотеплопроводного металла, покрытого электро-
изоляционным 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 спи-
ральной обмотки, имеют форму усеченного конуса, а между электроизоляционным слоем
и начальными и конечными витками спиральной обмотки размещены прокладки из тепло-,
химически стойкого диэлектрика.
(56)
1. Патент РБ 6209, МПК G 01W 1/00 (прототип).
Фиг. 1
Полезная модель относится к измерительной технике в области метеорологии, в част-
ности к актинометрии, и является основным конструктивным элементом балансомера,
предназначенного для определения радиационного баланса, то есть интенсивности оста-
точной солнечной радиации деятельной земной поверхности.
Известен термопреобразователь балансомера, содержащий плоскую термобатарею,
образованную из соединенных последовательно одинарных термобатарей, каждая из ко-
торых состоит из стержня, выполненного из высокотеплопроводного металла, покрытого
электроизоляционным слоем, на который намотана спиральная обмотка из константано-
вой ленты. На обмотке вдоль стержня созданы два диаметрально противоположных ряда
термопар. Плоская термобатарея залита затвердевающим компаундом, на двух плоскопа-
BY6956U2011.02.28

2. BY 6956 U 2011.02.28
2
раллельных поверхностях которого над рядами термопар созданы зачерненные приемные
поверхности [1].
Для проведения измерений радиационного баланса термопреобразователь балансоме-
ра располагают строго параллельно поверхности земли. При этом все виды солнечной ра-
диации, 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, про-
порциональную радиационному балансу деятельной поверхности земли.
При подключении к выходу балансомера измерительного прибора (вольтметра) изме-
ряют термонапряжение U (мВ), пропорциональное интенсивности радиации J (кВт/м2
)
U = K⋅J,
где K - коэффициент преобразования (чувствительность) балансомера, мВ⋅м2
/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 конструк-
ция балансомера и технология изготовления его термоэлектрического преобразователя
должны одновременно обеспечивать максимальный коэффициент преобразования и ми-
нимальную 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 конеч-
ные витки обмотки из константановой ленты образованы из плотно наложенных друг на
друга и спаянных между собой нескольких витков этой ленты. Таким способом обеспечи-
вается 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 воз-
вышаются над всеми остальными ее витками.
В дальнейшем при изготовлении термопреобразователя балансомера собранную тер-
мобатарею заливают в специальной пресс-форме затвердевающим компаундом. Слои
компаунда, расположенные над обмотками одинарных термобатарей, на которых образо-
ваны приемные поверхности, должны быть значительной толщины, чтобы начальные и
конечные витки обмоток не выступали за плоскости приемных поверхностей, а находи-
лись внутри компаунда.
Однако чем больше толщина слоя компаунда над обмотками с термопарами, тем ниже
температура нагрева термопар, ниже выходное напряжение термобатареи и, соответст-
венно, 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 инерцион-
ности 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 хими-
ческому воздействию, так как во время процесса пайки константановой ленты применяют
кислотосодержащие флюсы. Это изначально приводит к частичному нарушению электро-
изоляционных свойств бумажного слоя, возникновению впоследствии токов утечки, и

3. BY 6956 U 2011.02.28
3
следовательно, к снижению точности измерений выходного напряжения. С течением вре-
мени 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, содер-
жащем плоскую термобатарею, образованную из соединенных последовательно одинар-
ных термобатарей, каждая из которых выполнена в виде стержня из высоко-
теплопроводного 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 за-
креплены начальные и конечные витки спиральной обмотки, имеют форму усеченного
конуса, а между электроизоляционным слоем и начальными и конечными витками спи-
ральной обмотки размещены прокладки из тепло-, химически стойкого диэлектрика.
В предлагаемой конструкции одинарной термобатареи термопреобразователя балан-
сомера начальные и конечные витки спиральной обмотки сформированы в области мень-
ших оснований обоих конусных участков теплоотводящего стержня, сечение которых
меньше сечения всего стержня, и поэтому начальные и конечные витки после их форми-
рования не возвышаются над остальной частью обмотки.
Благодаря этому отпадает необходимость создания более толстого слоя затвердеваю-
щего компаунда над обмотками с термопарами, что способствует повышению температу-
ры термопар при нагреве их солнечной радиацией, увеличению выходного напряжения
термобатареи и коэффициента преобразования балансомера. Уменьшение толщины и, со-
ответственно, массы компаунда увеличивает скорость отвода тепла от термобатареи и
уменьшает инерционность балансомера. Все это приводит к увеличению точности изме-
рений 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 элек-
троизоляционного слоя на теплоотводящих стержнях и последующее его разрушение в
результате термического и химического воздействия во время процесса пайки. Это увели-
чивает 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 про-
кладка из тепло-, химически стойкого диэлектрика и выполнен начальный или конечный
виток спиральной обмотки.
Все одинарные термобатареи, входящие в конструкцию термопреобразователя балан-
сомера, 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 константано-
вой 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 по-
казан).

4. BY 6956 U 2011.02.28
4
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 электроизоляцион-
ным 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 расположен-
ными термопарами 8 и 9 медь-константан, а все термопары на обмотке образуют распо-
ложенные 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 пресс-
формы на двух плоскопараллельных поверхностях затвердевшего компаунда, под кото-
рыми расположены ряды термопар, созданы две зачерненные приемные поверхности.
Термопреобразователь балансомера работает следующим образом.
Балансомер ориентируется термопреобразователем горизонтально относительно зем-
ной поверхности и закрепляется на метеорологической стойке. Конструктивно термобата-
рея 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 соответство-
вать радиационному балансу деятельной земной поверхности. Это напряжение поступает
на вход измерительного прибора и регистрируется оператором.
Таким образом, предлагаемая конструкция термопреобразователя балансомера позво-
ляет повысить точность измерений радиационного баланса, увеличить надежность экс-
плуатации и срок службы балансомера.
Фиг. 2 Фиг. 3
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.