устройство для определения концентраций сахаросодержащих растворов

Формула изобретения

1. Устройство для определения концентраций сахаросодержащих растворов, состоящее из теплообменника, нагревателя, основного измерительного преобразователя температуры, дополнительного преобразователя температуры, источника питания, цифрового вольтметра, отличающееся тем, что оно снабжено вторым теплообменником, охладителем, вторым основным измерительным преобразователем температуры, включенным дифференциально с первым, теплоизолятором, установленным между первым и вторым теплообменниками, таймером, задающим время подачи питания на нагреватель и охладитель.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что нагреватель и охладитель объединены в один термомодуль, состоящий из двух элементов Пельтье, включенных последовательно-встречно.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что теплообменники выполнены в виде тонких тарельчатых пластин, площадь которых на порядок превышает площади поверхностей тепловыделяющей и теплопоглощающей сторон термомодуля.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что первый основной и второй основной измерительные преобразователи выполнены в виде термопар, причем вторым электродом термопары служит теплообменник, а встречное их включение проводится соединением термоизолированных теплообменников тонким проводником, выполненным из того же материала, что и теплообменники.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что теплообменники и расположенный между ними теплоизолятор образуют герметичный блок с установленными в нем термомодулем и двумя основными измерительными преобразователями температуры, соединяющимися с источником питания и вольтметром через герметичный электрический разъем.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для определения концентраций сахаросодержащих растворов непосредственно в технологической цепи сахарного производства теплофизическим методом по зависимости интенсивности теплообмена от концентрации сахаросодержащих растворов.

Известно устройство для определения концентрации сахаросодержащих растворов [1] , которое содержит многочастотный генератор, вольтметр и амперметр на широкий диапазон частот (верхняя частота более 300 МГц).

Устройство позволяет определять импендансметрическим способом активное и реактивное сопротивления конденсаторного датчика, их зависимость от концентрации сахаросодержащих растворов, которую находят через массу сухих веществ, определяемую, например, весовым способом.

Устройство применялось только для чистых растворов (погрешность устройства до 4%), оно обладает значительной сложностью, его применение требует времени большего, чем может позволить технологический процесс, что не дает возможности оперативно контролировать концентрацию раствора в технологической цепи сахарного производства. Кроме того, отложение кальциевых солей и слоя карамели на электродах конденсаторного датчика снижает достоверность измерений и требует постоянной очистки электродов.

Ближайшим техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является устройство, состав и принцип работы которого изложены в [2].

Данное устройство содержит теплообменник, омываемый исследуемым раствором, нагреватель, основной измерительный преобразователь, измеряющий температуру теплообменника, дополнительный измерительный преобразователь, измеряющий температуру исследуемого раствора, источник питания нагревателя, цифровой вольтметр.

Данное устройство позволяет измерять концентрацию сахара в сахаросодержащем растворе при ламинарном омывании теплообменника раствором.

Это устройство проверено только на ненасыщенных растворах (плотность до 1160 кг/м³, что соответствует массе сухих веществ до 37%). В практике сахарного производства часто очень важно знать концентрацию перенасыщенных растворов (при 20^oC концентрация более 60%, а при 75^oC - более 80%).

По этой причине устройство имеет ограниченное применение и при определении концентраций сахаросодержащих растворов имеет невысокие точностные характеристики. Устройство требует создания ламинарного потока относительно теплообменника, что не всегда возможно, например, в вакуумных выпарных аппаратах.

Целью настоящего изобретения является увеличение точности определения концентрации сахаросодержащих растворов, в том числе и перенасыщенных, в технологической цепи сахарного производства.

Поставленная цель достигается тем, что устройство, содержащее теплообменник, нагреватель, основной измерительный преобразователь температуры, дополнительный измерительный преобразователь температуры, источник питания нагревателя, цифровой вольтметр, снабжено вторым теплообменником, охладителем, вторым основным измерительным преобразователем температуры, включенным дифференциально с первым основным измерительным преобразователем температуры, теплоизолятором, установленным между первым и вторым теплообменниками, таймером, задающим время (экспозиции) подачи питания на нагреватель и охладитель.

Нагреватель и охладитель объединены в один термомодуль, состоящий из двух элементов Пельтье, включенных последовательно-встречно; теплообменники выполнены в виде тарельчатых пластин, односторонняя площадь которых на порядок превышает площадь тепловыделяющей и теплопоглощающей сторон термомодуля, полностью перекрываемых плоской частью теплообменника; первый и второй основные измерительные преобразователи температуры выполнены в виде термопар, причем вторым электродом каждой термопары является теплообменник, а встречное их включение проводится соединением термоизолированных теплообменников тонким проводником, выполненным из того же материала, что и теплообменники; теплообменники и расположенный между ними теплоизолятор образуют герметичный блок с установленными в нем термомодулем и двумя основными измерительными преобразователями температуры, соединяющимися с источником питания и вольтметром через герметичный разъем. Герметизация позволяет избежать прямого контакта термомодуля и термопар с раствором, что позволяет сохранить их собственные термофизические характеристики.

Для подачи нормированной энергии в термомодуль устройство снабжено таймером, позволяющим подключать источник стабилизированного напряжения на строго отмеренный промежуток времени.

Достижимость поставленной цели обусловлена тем, что заявляемые признаки в совокупности, состав, размещение и соотношения геометрических размеров элементов устройства позволяют с достаточной степенью точности определять по показаниям цифрового вольтметра концентрацию сахаросодержащих растворов непосредственно в технологической цепи сахарного производства без необходимости создания ламинарного потока раствора относительно преобразователя, что позволяет применять последний в вакуумных выпарных аппаратах.

Сравнение заявляемого устройства со своим прототипом показывает, что оно отличается наличием второго теплообменника, охладителя, второго основного измерительного преобразователя температуры, теплоизолятора и таймера, наличием герметичного блока, а также конструктивным исполнением теплообменников и их относительными размерами в сравнении с размерами термомодуля, конструктивными особенностями выполнения измерительных преобразователей температуры.

Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию "Новизна".

Сравнение же заявляемого устройства со своим прототипом и другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемое решение с прототипом, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "Изобретательский уровень".

Заявляемое устройство является промышленно применимым, т.к. оно может быть использовано в сахарном производстве и других отраслях, где необходимо измерять концентрацию растворов, а также определять охлаждающие свойства жидкости, например охлаждающие свойства трансформаторного масла в электроэнергетике или свойства теплоносителя в других энергетических установках.

На фиг. 1 представлено заявляемое устройство за исключением блока питания, таймера, ключа, цифрового вольтметра.

На фиг. 2 представлена функциональная схема устройства.

Заявленное устройство (фиг. 1 и 2) содержит два теплообменника 1, 2 , выполненных в виде тарельчатых пластин, термомодуль 3, состоящий из нагревателя 4 и охладителя 5, два основных измерительных термоэлектрических преобразователя 6 и 7, включенных дифференциально, причем первый электрод термопреобразователя выполнен проводом (например, константановым), а вторым электродом является соответствующий теплообменник 1, 2, выполненный, например, из нержавеющей стали. Встречное включение термопар осуществлено электрическим соединением теплообменников 1, 2 при помощи тонкой проводящей полоски 8 из материала теплообменников 1, 2. Теплообменники 1, 2 термоизолированы друг от друга теплоизолятором 9. Теплообменники 1,2 и теплоизолятор 9 образуют герметичный блок 10, внутри которого установлены термомодуль 3 и основные измерительные термопреобразователи 6 и 7. Герметичный разъем 11 позволяет подключать термомодуль 3 через ключ 12 с помощью таймера 13 к блоку 14 питания термомодуля, а основные измерительные преобразователи 6 и 7 - к вольтметру 15.

Заявляемое устройство работает следующим образом. Герметичный блок 10 помещают в исследуемый раствор. При этом разъем 11 находится вне раствора, а теплообменники омываются данным раствором. На определенное время (t_эксп) на термомодуль подается питание от стабилизированного источника питания. Происходит перегрев "горячей" стороны термомодуля и теплообменника, контактирующего с ней, и переохлаждение "холодной" стороны термомодуля и теплообменника, контактирующего с ней. Встречно включенные термопары подключаются к вольтметру. В данном случае показания вольтметра зависят только от разности температур "холодной" и "горячей" сторон и не зависят от температуры окружающей среды, т. к. ее влияние компенсируется за счет самокомпенсации дифференциально включенных термопар. Разность температур "холодной" и "горячей" сторон зависит практически только от конвективного теплообмена, который в жидкостях на два и более порядков превосходит диффузионный и лучистый теплообмен.

Конвективное же перемешивание жидкости (раствора) и, соответственно, отвод тепла и холода от теплообменников зависят однозначно от теплофизических свойств среды, характеризуемых интенсивностью теплообмена. Чем меньше интенсивность теплообмена, тем больше перегрев и переохлаждение соответствующих теплообменников и больше разность температур "горячей" и "холодной" сторон и выше напряжение с дифференциально включенных термопар. Напряжение, фиксируемое вольтметром, позволяет однозначно определять концентрацию сахаросодержащих растворов по полученной заранее зависимости выходного напряжения термопар от концентрации, непосредственно в технологической цепи сахарного производства (см. фиг.3).

Авторами был создан опытный образец заявляемого устройства, опробован в воздухе, воде и на сахаросодержащих растворах при различных температурах и различных концентрациях, в том числе и на перенасыщенных растворах.

Подводя итог всему сказанному, можно сделать вывод, что использование заявляемого устройства позволяет оперативно определять концентрацию сахаросодержащих растворов с повышенной точностью непосредственно в технологической цепи сахарного производства, в том числе в вакуумных выпарных установках.

Кроме того, устройство может быть применено для определения охлаждающих свойств других жидкостей, растворов и суспензий, а также определения основных свойств жидких теплоносителей, применяемых в энергетических установках.