RU2359240C1

RU2359240C1 - Thermometre

Info

Publication number: RU2359240C1
Application number: RU2007140261/28A
Authority: RU
Inventors: Владимир Анатольевич Гончаров (RU); Владимир Анатольевич Гончаров; Андрей Александрович Арбузов (RU); Андрей Александрович Арбузов
Original assignee: Андрей Александрович Арбузов
Priority date: 2007-10-22
Filing date: 2007-10-22
Publication date: 2009-06-20

Abstract

FIELD: instrument engineering.

SUBSTANCE: device refers to heat flow measurements and serves for measurement, control and adjustment of heated object temperature in presence of high-frequency and ultra-high frequency electromagnetic fields, for instance in microwave ovens during warming up, unfreezing and cooking processes. Also it can be used in medical equipment for interstitial temperature control at radio-frequency hyperthermia, radiospectroscopy. Thermometre includes dielectric capillar partially filled with liquid, capillar protective cover performed in a form of pipe from dielectric material and calculating control unit. Thermometre is characterised by micropump connected to the said capillar, pressure sensor and liquid meniscus position sensor, connected to the said micropump. Note that capillar is performed in open condition. Calculating control unit is connected to micropump and the said sensors.

EFFECT: improvement of device safety, elimination of ambient temperature influence at probe intermediate area, thermometre structure simplification.

3 cl, 2 dwg

Description

Устройство относится к области термометрии и предназначено для измерения, контроля и регулирования температуры нагреваемого объекта в присутствии высокочастотных (ВЧ) и сверхвысокочастотных (СВЧ) электромагнитных полей, например, в бытовых микроволновых печах в процессе разогревания, размораживания и приготовления продуктов питания, а также в медицинской технике для контроля внутритканевой температуры при радиочастотной гипертермии, в радиоспектроскопии (ЭПР, ЯМР, диэлектрические измерения) и т.д.The device relates to the field of thermometry and is intended to measure, control and regulate the temperature of a heated object in the presence of high-frequency (HF) and ultra-high-frequency (microwave) electromagnetic fields, for example, in domestic microwave ovens during heating, defrosting and cooking foods, as well as in medical techniques for controlling interstitial temperature in radiofrequency hyperthermia, in radio spectroscopy (EPR, NMR, dielectric measurements), etc.

Известен термометр для микроволновых печей - «Термометр на основе неионогенной жидкости, предназначенный для работы в микроволновых печах», US 3849622, приоритет от 19.04.1971. Термометр содержит удлиненный отрезок стеклянной трубки с заостренным концом, имеющий тонкий, герметично запаянный канал и сообщающуюся с ним полость, расположенную вблизи острия. Трубка состоит из зондирующего (погружаемого) и индикаторного участков. Индикаторный участок снабжен шкалой с градусными делениями и/или отметками «не готово», «почти готово» и «готово» для разных видов пищевых продуктов. Неионогенная жидкость, заполняющая полость и часть канала, имеет малую электропроводность и при нагревании порции продукта расширяется практически только за счет теплопроводности. По расположению мениска жидкости в канале определяют текущее значение температуры и степень готовности продукта. Устройство имеет следующие недостатки. Прибор измеряет температуру в центральной области нагреваемого объекта. Поэтому измеренное значение температуры оказывается ниже, чем ее истинное значение в приповерхностных слоях, благодаря чему возможен перегрев приповерхностной зоны объекта (подгорание пищи). Прибор рассчитан на микроволновые печи специальной конструкции, в частности лишь с неподвижным поддоном, которые не выпускаются в настоящее время. Если в термометре используется полярная неионогенная жидкость (например, толуол), то может возникнуть ощутимая погрешность за счет диэлектрического поглощения ВЧ-мощности в термометрической жидкости, поэтому в данном приборе целесообразно использовать лишь неполярные жидкости. Не предусмотрены цифровая индикация и цифровая/аналоговая обработка сигнала. Существенным недостатком является хрупкость зонда.Known thermometer for microwave ovens - "Thermometer based on non-ionic liquids, designed to work in microwave ovens", US 3849622, priority from 04/19/1971. The thermometer contains an elongated segment of a glass tube with a pointed end, having a thin, hermetically sealed channel and a cavity communicating with it located near the tip. The tube consists of probing (immersed) and indicator sections. The indicator area is equipped with a scale with degree divisions and / or marks “not ready”, “almost ready” and “ready” for different types of food products. Non-ionic liquid filling the cavity and part of the channel has low electrical conductivity and when heated, a portion of the product expands almost exclusively due to thermal conductivity. The location of the meniscus of the liquid in the channel determines the current temperature and the degree of readiness of the product. The device has the following disadvantages. The device measures the temperature in the central region of the heated object. Therefore, the measured temperature value is lower than its true value in the near-surface layers, due to which overheating of the near-surface zone of the object is possible (food burning). The device is designed for microwave ovens of a special design, in particular only with a fixed tray, which are not currently available. If a polar non-ionic liquid (for example, toluene) is used in the thermometer, then a noticeable error may occur due to the dielectric absorption of the RF power in the thermometric liquid, therefore, it is advisable to use only non-polar liquids in this device. There is no digital indication and digital / analog signal processing. A significant disadvantage is the fragility of the probe.

Другое известное устройство (патент КЦ 2038575) для измерения температуры в присутствии ВЧ и СВЧ электромагнитных полей содержит гибкий температурный зонд, включающий в себя запаянный на конце капилляр с термометрическим телом (газом или жидкостью, в частности, неполярной). Капилляр может свободно перемещаться внутри защитной оболочки. Устройство содержит также узел регистрации, соединенный с капилляром и включающий в себя датчик состояния термометрического тела, привод капилляра, приемник с измерителем температуры, в котором (приемнике) расположена петля капилляра, и компьютер, соединенный со всеми указанными блоками. Датчик состояния термометрического тела выполнен в виде измерителя количества термометрического тела, находящегося за пределами капилляра. Продольное реверсивное движение капилляра вдоль защитной оболочки (с запоминанием в реальном масштабе времени значений параметра состояния термометрического тела) позволяет восстановить картину распределения температур на выбранном участке зонда.Another known device (patent KC 2038575) for measuring temperature in the presence of high-frequency and microwave electromagnetic fields contains a flexible temperature probe, which includes a capillary sealed at the end with a thermometric body (gas or liquid, in particular, non-polar). The capillary can move freely inside the containment. The device also contains a recording unit connected to the capillary and including a state sensor for the thermometric body, a capillary drive, a receiver with a temperature meter, in which (the receiver) the capillary loop is located, and a computer connected to all these units. The state sensor of the thermometric body is made in the form of a meter for the number of thermometric body located outside the capillary. The longitudinal reverse movement of the capillary along the protective shell (with real-time storing of the values of the state parameter of the thermometric body) allows you to restore the picture of the temperature distribution in the selected portion of the probe.

Это устройство наиболее близко к заявляемому и выбрано нами в качестве прототипа по совокупности совпадающих признаков и достигаемому техническому результату.This device is the closest to the claimed one and we have chosen as a prototype for the totality of matching features and the achieved technical result.

Его основные недостатки: присутствие подвижных механических частей, снижающее надежность устройства; ощутимое влияние температуры окружающей среды на промежуточном участке зонда; сложность конструкции; низкое разрешение по координате, отсчитываемой вдоль зонда, обусловленное тепловой инерцией капилляра (частично заполненного жидкостью).Its main disadvantages: the presence of movable mechanical parts, which reduces the reliability of the device; tangible effect of ambient temperature in the intermediate portion of the probe; design complexity; low resolution along the coordinate measured along the probe due to the thermal inertia of the capillary (partially filled with liquid).

Целью заявляемого технического решения является устранение перечисленных недостатков прототипа, а именно:The purpose of the proposed technical solution is to eliminate the listed disadvantages of the prototype, namely:

- низкая надежность устройства;- low reliability of the device;

- влияние температуры окружающей среды на промежуточном участке зонда;- the influence of ambient temperature in the intermediate portion of the probe;

- сложность конструкции;- design complexity;

- низкое разрешение по координате, отсчитываемой вдоль зонда, обусловленное тепловой инерцией капилляра (частично заполненного жидкостью).- low resolution along the coordinate measured along the probe, due to the thermal inertia of the capillary (partially filled with liquid).

Реализация заявленных целей осуществляется за счет того, что термометр, включающий в себя диэлектрический капилляр, частично заполненный жидкостью, защитную оболочку капилляра, выполненную в виде трубки из диэлектрического материала, и вычислительно-управляющий блок, характеризуется тем, что в его состав входят микронасос, соединенный с указанным капилляром, а также датчик давления и датчик положения мениска жидкости в капилляре, соединенные с указанным микронасосом, причем капилляр выполнен открытым, а вычислительно-управляющий блок соединен с микронасосом и указанными датчиками; термометр характеризуется тем, что микронасос выполнен в виде микросильфона; термометр характеризуется тем, что защитная оболочка капилляра выполнена из прочного диэлектрического материала в виде полой иглы с заточкой, например, винтовой.The stated goals are achieved due to the fact that the thermometer, which includes a dielectric capillary, partially filled with liquid, a capillary protective shell made in the form of a tube of dielectric material, and a computing and control unit, are characterized by the fact that it includes a micropump connected with the specified capillary, as well as a pressure sensor and a meniscus position sensor for the liquid in the capillary connected to the specified micropump, the capillary being made open, and the computing and control unit connected to a micropump and said sensors; the thermometer is characterized in that the micropump is made in the form of a micro bellows; The thermometer is characterized in that the protective shell of the capillary is made of durable dielectric material in the form of a hollow needle with a sharpening, for example, a screw.

Поскольку тепловая инерционность жидкости в капилляре существенно меньше, чем аналогичная величина для капилляра с жидкостью, пространственное разрешение (при равных скоростях движения жидкости в неподвижном капилляре и капилляра с жидкостью в неподвижной системе отсчета), обеспечиваемое предлагаемым устройством, оказывается выше, чем аналогичная величина для прототипа. Кроме того, по той же причине время установления показаний для предлагаемого устройства меньше, чем для прототипа. С другой стороны, при том же значении пространственной разрешающей способности можно увеличить скорость движения мениска, снизив тем самым динамическую погрешность, связанную с нестационарностью температуры на промежуточном участке зонда. Отсутствие движущихся механических частей делает устройство более надежным и позволяет упростить его конструкцию.Since the thermal inertia of the liquid in the capillary is significantly less than the corresponding value for a capillary with a liquid, the spatial resolution (at equal velocities of the liquid in a fixed capillary and a capillary with a liquid in a fixed reference system) provided by the proposed device is higher than the same value for the prototype . In addition, for the same reason, the time of establishment of indications for the proposed device is less than for the prototype. On the other hand, with the same spatial resolution, the meniscus speed can be increased, thereby reducing the dynamic error associated with the non-stationary temperature in the intermediate portion of the probe. The absence of moving mechanical parts makes the device more reliable and simplifies its design.

Вследствие наличия в заявленном техническом решении выше перечисленной совокупности признаков обеспечивается достижение заявленных технических результатов, в том числе и равномерное оттаивание, разогрев, приготовление пищи и недопущение местного недогрева, перегрева, подгорания пищи, при использовании термометра в СВЧ- и ВЧ-печах.Due to the presence of the above set of features in the claimed technical solution, the claimed technical results are achieved, including uniform thawing, heating, cooking and preventing local underheating, overheating, burning food, when using the thermometer in microwave and high-frequency ovens.

Заявленное техническое решение соответствует критерию «новизна», предъявляемому к изобретениям, т.к. из уровня техники не выявлены технические решения, обладающие совокупностью признаков, присущих заявленному термометру, позволяющих достигнуть заявленные цели, а именно повысить надежность устройства; устранить влияние температуры окружающей среды на промежуточном участке зонда; упростить конструкцию термометра; повысить разрешение по координате, отсчитываемой вдоль зонда.The claimed technical solution meets the criterion of "novelty" presented to the invention, because the prior art has not identified technical solutions that have a set of features inherent in the claimed thermometer, allowing to achieve the stated goals, namely to increase the reliability of the device; eliminate the influence of ambient temperature in the intermediate portion of the probe; simplify the design of the thermometer; increase the resolution along the coordinate measured along the probe.

Заявленное техническое решение соответствует критерию «изобретательский уровень», предъявляемому к изобретениям, т.к. из уровня техники не выявлены технические решения, совпадающие с отличительными признаками заявленного решения, также не установлена известность влияния отличительных признаков на указанные заявителем достигнутые технические результаты, кроме этого, по мнению заявителя, заявленное техническое решение не следует явным образом из уровня техники.The claimed technical solution meets the criterion of "inventive step" for inventions, because no technical solutions have been identified from the prior art that coincide with the distinguishing features of the claimed solution, nor has the established popularity of the influence of the distinctive features on the technical results achieved by the applicant, moreover, according to the applicant, the claimed technical solution does not follow explicitly from the prior art.

Термометр (Фиг.1) включает в себя температурный зонд, представляющий собой открытый капилляр 1 (например, гибкий капилляр, выполненный из стекла или плавленого кварца, внешним диаметром приблизительно 0,05÷0,1 мм и длиной около 0,2÷0,5 м), частично заполненный жидкостью (например, н-деканом) и снабженный защитной оболочкой 2 диаметром 0,5÷4,0 мм (выполненной, например, из керамического материала), причем пространство между капилляром и защитной оболочкой сообщается с атмосферой, а также микронасос 3 (например, микросильфон), соединенный с капилляром 1, датчик 4 давления и датчик 5 положения мениска жидкости и вычислительно-управляющий блок 6, соединенный с микронасосом 3 и датчиками 4 и 5.The thermometer (Figure 1) includes a temperature probe, which is an open capillary 1 (for example, a flexible capillary made of glass or fused silica, with an external diameter of approximately 0.05 ÷ 0.1 mm and a length of about 0.2 ÷ 0, 5 m), partially filled with liquid (for example, n-decane) and equipped with a protective shell 2 with a diameter of 0.5 ÷ 4.0 mm (made, for example, of ceramic material), the space between the capillary and the protective shell communicating with the atmosphere, and also a micropump 3 (e.g., micro bellows) connected to capillary 1, a pressure sensor 4 and a meniscus liquid position sensor 5 and a control unit 6 connected to the micropump 3 and sensors 4 and 5.

Как правило, зонд расположен соосно с вращающимся поддоном 9 печи (Фиг.2) и соединен с приводным механизмом (микролифтом) 7, например роликового типа, обеспечивающим осевое вертикальное перемещение, но исключающим вращение зонда.Typically, the probe is coaxial with the rotating pan 9 of the furnace (Figure 2) and is connected to a drive mechanism (micro-lift) 7, for example a roller type, providing axial vertical movement, but excluding the rotation of the probe.

Предлагаемое устройство работает следующим образом (Фиг.1). По команде, поступившей с блока 6, микронасос начинает перемещать жидкость вдоль капилляра 1; датчики 4 и 5 регистрируют текущие значения разности давлений на концах капилляра 1 (датчик 4) и координаты х мениска (датчик 5); эта информация поступает на вход блока 6. Когда мениск достигает точки, близкой к открытому концу капилляра 1, направление потока жидкости в капилляре меняется на противоположное. По достижении мениском исходного положения измерительный цикл повторяется.The proposed device operates as follows (Figure 1). According to the command received from block 6, the micropump begins to move the fluid along the capillary 1; sensors 4 and 5 record the current values of the pressure difference at the ends of the capillary 1 (sensor 4) and the x-meniscus coordinates (sensor 5); this information is fed to the input of block 6. When the meniscus reaches a point close to the open end of capillary 1, the direction of fluid flow in the capillary changes to the opposite. Upon reaching the meniscus initial position, the measuring cycle is repeated.

Градиент давления ∂Р/∂ξ, в произвольной точке ξ капилляра 1 связан со скоростью х′≡dx/dt движения мениска соотношениемThe pressure gradient ∂Р / ∂ξ, at an arbitrary point ξ of capillary 1, is related to the velocity x′≡dx / dt of the meniscus movement by the relation

где а - константа, определяемая геометрическими параметрами капилляра, иwhere a is a constant determined by the geometric parameters of the capillary, and

η(ξ) - локальное значение вязкости жидкости, зависящее от температуры в данной точке ξ. Проинтегрировав соотношение (1) по ξ в пределах от О до х, получаем:η (ξ) is the local value of the viscosity of the liquid, which depends on the temperature at a given point ξ. Integrating relation (1) over ξ in the range from O to x, we obtain:

откудаwhere from

Предполагается, что температурная зависимость вязкости используемой жидкости известна заранее (для многих жидкостей она близка к зависимости вида η(Т)=b/(Т-Т₀), где b и Т₀ - константы). Тогда, если функция η(х) определена из соотношения (3) для измеренных х(t) и Р[х(t)], можно, используя известную зависимость Т(η), восстановить профиль (картину распределения) температуры, Т(х), вдоль капилляра. Эта задача решается численно с помощью вычислительно-управляющего блока 6.It is assumed that the temperature dependence of the viscosity of the liquid used is known in advance (for many liquids it is close to a dependence of the form η (Т) = b / (Т-Т ₀ ), where b and Т ₀ are constants). Then, if the function η (x) is determined from relation (3) for the measured x (t) and P [x (t)], it is possible, using the well-known dependence T (η), to restore the temperature profile (distribution pattern), T (x ) along the capillary. This problem is solved numerically using the computing and control unit 6.

Таким образом, разность Р давлений на концах капилляра, текущая координата х мениска жидкости и скорость х′ движения мениска взаимнооднозначно связаны с локальной температурой зонда как функцией координаты, отсчитываемой вдоль зонда, что дает возможность восстановить эту функцию, если разность давлений и координата мениска синхронно измерены как функции времени.Thus, the pressure difference P at the ends of the capillary, the current coordinate x of the meniscus of the liquid and the velocity x ′ of the movement of the meniscus are one-to-one related to the local temperature of the probe as a function of the coordinate measured along the probe, which makes it possible to restore this function if the pressure difference and the coordinate of the meniscus are synchronously measured as a function of time.

В качестве примера рассмотрим практическое использование термометра в СВЧ-печи.As an example, consider the practical use of a thermometer in a microwave oven.

Нагреваемый объект 10 (Фиг.2), подлежащий размораживанию, разогреванию или приготовлению, помещают на поддон 9. Задают предельно допустимую температуру, выше которой не должны прогреваться поверхностные слои объекта, и нижний температурный предел - минимально допустимую температуру, при которой продукт достигает необходимой кондиции в любой точке своего объема (например, для размораживания - от 0 до 30°С, для разогрева - от 40 до 70°С, для приготовления - от 100 до 200°С). Задают также время (разное для различных продуктов и вида обработки), в течение которого продукт должен находиться в заданном температурном режиме. После включения микроволновой печи температурный зонд опускается микролифтом 7 и вводится в продукт 10, вращающийся вместе с поддоном 9. При помощи вычислительно-управляющего блока 6 мощность СВЧ-генератора 11 регулируется таким образом, чтобы обеспечить максимально быстрое достижение установленных температурных режимов, а затем их поддержание в течение заданного времени. По окончании технологического процесса печь автоматически выключается.The heated object 10 (Figure 2), to be thawed, heated or cooked, is placed on the pallet 9. Set the maximum permissible temperature above which the surface layers of the object should not be warmed, and the lower temperature limit is the minimum allowable temperature at which the product reaches the required condition at any point in its volume (for example, for defrosting - from 0 to 30 ° С, for heating - from 40 to 70 ° С, for cooking - from 100 to 200 ° С). Also set the time (different for different products and type of processing), during which the product must be in a given temperature mode. After turning on the microwave oven, the temperature probe is lowered by a micro-lift 7 and introduced into the product 10, which rotates together with the pallet 9. Using the computing and control unit 6, the power of the microwave generator 11 is regulated so as to ensure the fastest possible achievement of the set temperature conditions, and then maintaining them for a given time. At the end of the process, the furnace automatically turns off.

Claims

1. A thermometer that includes a dielectric capillary partially filled with liquid, a capillary protective shell made in the form of a tube made of dielectric material, and a computing and control unit, characterized in that it includes an additional micropump connected to the specified capillary, as well as a pressure sensor and a meniscus position sensor of the liquid in the capillary connected to the specified micropump, the capillary being made open, and the computing and control unit connected to the micropump and the indicated sensors .

2. The thermometer according to claim 1, characterized in that the micropump is made in the form of a micro bellows.

3. The thermometer according to claim 1, characterized in that the protective shell of the capillary is made of durable dielectric material in the form of a hollow needle with a sharpening, for example a screw.