Спосіб бездемонтажної повірки термоелектричних перетворювачів і пристрій для його здійснення

1. Спосіб бездемонтажної повірки термоелектричних перетворювачів, який складається з реєстрації значень термоЕРС, що відповідають різниці температур робочого спаю і вільних кінців термоелектричного перетворювача, який повіряється, зміні температури робочого спаю, реєстрації значень термоЕРС після зміни температури робочого спаю і визначення похибки термоелектричного перетворювача за формулою, який відрізняється тим, що після реєстрації значення термоЕРС Е1" термоелектричного перетворювача температури об'єкта, який повіряється, робочий спай примусово охолоджують пропусканням постійного струму через електроди і робочий спай термоелектричного перетворювача протягом часу, більшого за потроєне значення теплової сталої термоелектричного перетворювача, реєструють усталене значення термоЕРС Е2", змінюють напрям пропускання постійного струму на протилежний і примусово нагрівають робочий спай відносно температури об'єкта протягом часу, більшого за потроєне значення теплової сталої термоелектричного перетворювача, реєструють усталене значення термоЕРС Е"', вимикають постійний струм, а значення похибки АГ визначають за формулою 38066 після демонтажу термоелектричних перетворювачів з об'єкту в лабораторних умовах. Якщо такий демонтаж неможливий або недоцільний, похибки термоелектричних перетворювачів оцінюють з допомогою спеціальних методів і повірочних схем. Відомий спосіб бездемонтажної повірки термоелектричних перетворювачів за а. с. СРСР № 1173206, кл. G01 К 15/00, 1985, який складається з порівняння показів однотипних термоелектричних перетворювачів, один з яких повіряють і він знаходиться на об'єкті, а інший контрольний - у термостаті, вирівнюванні температур їх робочих спаїв змінами температури термостата, пропусканні імпульсу струму через послідовно-зустрічно з'єднані електроди термоелектричних перетворювачів, що створюють диференціальну термопару, і вимірюванні приростів термоелектрорушійної сили (термоЕРС). Похибку ЛТ термоелектричного перетворювача, який повіряють, визначають за формулою æ DEK ö DT= TK ç ç DE - D E - 1÷ ÷ K è ø де ТК - значення температури контрольного термоелектричного перетворювача; DЕК і DЕ - значення приростів термоЕРС контрольного термоелектричного перетворювача і диференціальної термопари відповідно. Через неминуче технологічне розкидання характеристик навіть однотипних термоелектричних перетворювачів важко забезпечити дійсну рівність температур їх робочих спаїв за нульового значення термоЕРС диференціальної термопари, яка створена термоелектричними перетворювачами, що порівнюються. При додатковому нагріванні робочих спаїв короткочасним імпульсом струму виникає невеликий приріст термоЕРС кожної термопари, а їх різниця пропорційна похибці термоелектричного перетворювача, що повіряється, складає дуже малу величину другого порядку малості, яку важко достовірно виділити на фоні завад і шумів. Тривалість імпульсу струму не можна збільшити через неадекватність умов теплообміну робочих спаїв термоелектричних перетворювачів, що порівнюються, адже вони знаходяться в термостаті і на об'єкті у різних теплофізичних умовах. Відомий спосіб бездемонтажної повірки термоелектричних перетворювачів за а. с. № 1471089, кл. G01 К 15/00, 1989, що складається з послідовно-зустрічного з'єднання термоелектричного перетворювача, що повіряється, і зразкового термоелектричного перетворювача, вирівнюванні їх температур додатковим нагріванням або охолодженням зразкового термоелектричного перетворювача, змін температури робочих спаїв обох термоелектричних перетворювачів шляхом одночасного пропускання через них імпульсів струму заданої тривалості і амплітуди, реєстрації різницевої термоЕРС у момент часу зразу ж після закінчення додаткового нагрівання. При короткочасному нагріванні і охолодженні робочих спаїв термоелектричних перетворювачів залежно від напряму струму, коли умови наближені до адіабатичних, нагрівання термоелектродів практично відсутнє. Тому виявити адитивн у складову похибки, що викликається термоелектричною неоднорідністю термоелектродів і градієнтом температур, практично неможливо. Через різницю в умовах теплообміну зразкового термоелектричного перетворювача і того, що повіряється, достовірність повірки підвищується при зменшенні тривалості струмових імпульсів, але це призводить до зниження чутливості, тобто, і до збільшення визначення похибок термоелектричного перетворювача, що повіряється. Загальним недоліком розглянути х способів є низька точність визначення похибок термоелектричних перетворювачів через необхідність вимірювання лінійно наростаючої термоЕРС робочих спаїв у момент закінчення імпульсу стр уму. Неминуча затримка у ввімкненні вимірювача термоЕРС викликає появу великих методичних похибок. Відомий спосіб без демонтажної повірки термоелектричних перетворювачів за а. с. СРСР № 1362964, кл. G01 К 15/00, 1987, суть якого в тому, що покази термоелектричного термометра на відмітці шкали, що повіряється, порівнюють з дійсним значенням температури, яку задають, пропускаючи електричний струм через додатковий нагрівач, розміщений в зоні робочого спаю термоелектричного перетворювача. Після встановлення показу, що відповідає заданій температурі Т1 об'єкта за вторинним приладом термометра, виконують охолодження робочого спаю, пропускаючи через нього постійний струм, при цьому значення струму о холодження вибирають пропорційним струму нагрівача, реєструють усталений показ Т2 термометра, потім збільшують струм нагрівача і відповідно струм охолодження робочого спаю, реєструють усталений показ Т3 термометра, перестають пропускати постійний струм через робочий спай і реєструють усталений показ Т4 термометра, а шукану похибку DT визначають за формулою T4 - T1 ПрI1 DT = T1 × ( T4 - T3 ) - (T1 - T2 ) 2l де І1- струм нагрівача, що створює задану температур у Т 1; П - коефіцієнт Пельт'є для матеріалів, що створюють робочий спай; р - коефіцієнт пропорційності між струмом нагрівача і постійним струмом охолодження робочого спаю; l - еквівалентна теплопровідність робочого спаю. Оскільки вимірювання проводять в усталених режимах, проявляються обидві складові похибок термоелектричного перетворювача, а прирости термоЕРС збільшуються в 3-5 разів за таких же значень струму через спай. Проте, оскільки потрібний додатковий нагрівач у зоні робочого спаю, цей спосіб важко реалізувати в умовах застосування стандартних термоелектричних перетворювачів, якими обладнані більшість промислових об'єктів. Крім того, коефіцієнт Пельт'є, що входить у розрахункову формулу, непостійний, тому що він функціонально залежить від температури робочого спав і може піддаватися фізико-хімічним змінам. Відомий також спосіб без демонтажної повірки термоелектричних перетворювачів за а. с. СРСР № 1397752, кл. G01 К 15/00, 1988, який складається з реєстрації значень термоЕРС, які відповідають різниці температур робочого спаю і вільних 2 38066 кінців термоелектричного перетворювача, що повіряється, наступній зміні температури робочого спаю, реєстрації значень термоЕРС після зміни температури робочого спаю і визначення похибки термоелектричного перетворювача за формулою. Крім того, у відомому способі вимірювану термоЕРС змінюють на задане значення перемиканням вільних кінців термоелектричного перетворювача з одного термостата в інший, температуру робочого спаю змінюють на задане значення, пропускаючи під захисним кожухом термоелектричного перетворювача повітряного потоку від окремого компресора, а значення похибки AT визначають за формулою (T - T3 )D T0 DT = T1 - 1 (T2 - T1 )e де Т1-Т 3- покази термометра; DТ0 - зміна температури вільних кінців термоелектричного перетворювача; e - задана відносна зміна температури робочого спаю термоелектричного перетворювача при повітряному охолодженні. Зміни показів термометра на задане значення температури DТ0=const перемиканням вільних кінців термоелектричного перетворювача з одного термостата у інший, які мають постійну різницю температур DТ 0, справедливо тільки при лінійній характеристиці термоелектричного перетворювача. Для його реальної нелінійної характеристики такі зміни будуть різними залежно від температури робочого спаю, що викличе велику методичну похибку. Крім того, при повірці важко забезпечити задану відносну зміну температури e робочого спаю термоелектричного перетворювача з допомогою стандартного компресора і задавача витрат повітря. Таким чином, і цей спосіб не забезпечить високої точності повірки термоелектричних перетворювачів безпосередньо на об'єкті. Відомий пристрій для безмонтажної повірки термоелектричних перетворювачів за а. с. СРСР № 717564, кл. G01 К 15/00, 1980, що складається з комутатора, аналого-цифрового перетворювача, блока пам'яті, блока керування, який з'єднаний з індикатором, аналого-цифровим перетворювачем і комутатором. У цьому пристрої термоелектричний перетворювач має вбудований калібратор у вигляді зразкової речовини з відомою температурою плавлення, як правило, у ролі зразкової речовини застосовують чисті метали. Для використання калібратора необхідно температуру об'єкта, на якому встановлено термоелектричний перетворювач, довести до температури плавлення зразкової речовини. Проте на діючому об'єкті з заданим температурним режимом виконати це інколи складно. Відомий пристрій для бездемонтажної повірки термоелектричних перетворювачів за а. с. СРСР № 881982, кл. G01 К 15/00, 1981, що включає комутатор, аналого-цифровий перетворювач, блок обчислення, блоки пам'яті і керування, а також блок формування дозованих імпульсів і блок вторинних перетворювачів, включених між комутатором і аналого-цифровим перетворювачем, вхід якого з'єднаний з першим входом блока обчислення, а виходи з'єднані з індикатором і блоком фор мування дозованих імпульсів, що з'єднаний з комутатором. Нагрівання робочого спаю термоелектричного перетворювача, що повіряється, дозованими імпульсами струму дозволяє проводити повірку термоелектричного перетворювача тільки на "холодному", тобто непрацюючому об'єкті. Якщо робочий спай термоелектричного перетворювача нагрітий від об'єкта, то на тепловий потік, що йде від об'єкта, накладається Джоулеве тепло від імпульсу струму. Це не дозволяє безпосередньо порівнювати результати досліджень, що одержані на працюючому термоелектричному перетворювачі, з результатами, які раніше були зафіксовані при пусконалагоджувальних випробовуваннях нового термоелектричного перетворювача на холодному об'єкті. Відомий пристрій для без демонтажної повірки термоелектричних перетворювачів за а. с. СРСР № 1583761, кл. G01 К 15/00, 1988, що включає джерело струму, перемикач, який під'єднаний до джерела струму, зразковий термоелектричний перетворювач, розміщений у регульованому задавачі температури, блок логічної обробки і ланцюг з двох послідовно з'єднаних резисторів, середня точка яких під'єднана до першого входу блока логічної обробки, до другого і третього входу якого під'єднана середня точка послідовно з'єднаних термоелектричних перетворювачів: зразкового і того, що повіряється, а його четвертий вхід з'єднаний з вільними кінцями порівнюваних термоелектричних перетворювачів. Наявність зразкового термоелектричного перетворювача, який розміщений в регульованому задавачі температури, не дозволяє вимірювати прирости термоЕРС термоелектричного перетворювача, що повіряється, в усталеному режимі через різні умови теплообміну робочих спаїв порівнюваних термоелектричних перетворювачів. Відомий також пристрій для бездемонтажної повірки термоелектричних перетворювачів за патентом України № 12916, кл. G01 К 15/00, 1997, що складається з двополюсного перемикача, нормуючого підсилювача, з'єднаного входами з одною парою виходів двополюсного перемикача, і аналого-цифрового перетворювача, під'єднаного входом до виходу нормуючого підсилювача. Крім того, відомий пристрій має секундомір, компресор, задавач витрат повітря, що під'єднаний з'єднувальними трубками до каналів фарфорової втулки термоелектричного перетворювача, а також цифровий міліамперметр і вольтметр, включені на виходах двополюсного перемикача. Короткочасне нагрівання і охолодження робочого кінця термоелектричного перетворювача у адіабатичному режимі не дозволяє виявити складову похибки від термоелектричної неоднорідності електродів і градієнта температур, що має місце. Крім того, потреба у компресорі і задавачі витрат повітря робить повірочний пристрій громіздким і обмежує можливості повірки будь-яких стандартних термоелектричних перетворювачів незалежно від їх конструкції. Тому точність бездемонтажної повірки термоелектричним перетворювачів відомими пристроями остається низькою. В основу винаходу покладена задача створення таких способу і пристрою для бездемонтажної 3 38066 повірки термоелектричних перетворювачів, в яких введення нових операцій в способі і елементів і зв'язків у пристрої дозволяють визначити температуру об'єкта і шляхом порівняння з результатом вимірювання цієї температурю за термоЕРС термоелектричного перетворювача визначити значення похибки, завдяки чому підвищується точність без демонтажної повірки термоелектричних перетворювачів. Поставлена задача вирішується тим, що у способі бездемонтажної повірки термоелектричних перетворювачів, який складається з реєстрації значень термоЕРС, що відповідають різниці температур робочого спаю і вільних кінців термоелектричного перетворювача, який повіряаться, наступній зміні температури робочого спаю, реєстрації значень термоЕРС після зміни температури робочого спаю і визначення похибки термоелектричного перетворювача за формулою, згідно з винаходом, після реєстрації значення термоЕРС Е''1 термоелектричного перетворювача температури об'єкта, який повіряється, робочий спай примусово охолоджують пропусканням постійного струму через електроди і робочий спай термоелектричного перетворювача на протязі часу, більшого за потроєне значення теплової сталої термоелектричного перетворювача, реєструють усталене значення термоЕРС Е''2 змінюють напрям пропускання постійного струму на протилежне і примусово нагрівають робочий спай відносно температури об'єкта на протязі часу, більшого за потроєне значення теплової сталої термоелектричного перетворювача, реєструють усталене значення термоЕРС Е"3, вимикають постійний струм, а значення похибки ΔТ визначають за формулою DT = T' x цифрового індикатора, третій і четвертий виходи його з'єднані з керуючими входами двополюсних перемикачів, вхід мікропроцесорного контролера під'єднаний до кодових, виходів аналогоцифрового перетворювача. Саме примусове охолодження постійним струмом робочого спаю термоелектричного перетворювача, що знаходиться на об'єкті, після вимірювання термоЕРС під впливом поточної температури об'єкта, реєстрація усталеного зменшеного значення термоЕРС, наступний перегрів робочого спаю тим же струмом, який пропускають у протилежному напрямі, реєстрація збільшеного значення термоЕРС, обробка результатів проміжних значень термоЕРС у мікропроцесорі контролера програмне керування двополюсними перемикачами, які забезпечують почергове охолодження і нагрівання робочого спаю термоелектричного перетворювача і вимірюваний усталених значень термоЕРС при перериванні постійного струму, дозволяють визначити температур у об'єкта і шля хом порівняння з результатом вимірювання цієї температури за термоЕРС термоелектричного перетворювача визначити значення похибки, завдяки чому підвищується точність бездемонтажної повірки термоелектричних перетворювачів. На фіг. 1 представлена функціональна схема пристрою для бездемонтажної повірки термоелектричних перетворювачів, на фіг. 2 - залежність температури робочого спаю від часу пропускання через нього постійного струму у різних напрямках; на фіг. 3 - залежність усталеної температури робочого спаю термоелектричного перетворювача від значення струму, що протікає по ньому в результаті поглинання теплоти Пельт'є і виділення теплоти Джоуля; на фіг. 4 - структурна схема алгоритму роботи програмного пристрою. Пристрій складається і штепселя 1 втичного роз'єму, двополюсних перемикачів 2 і 3, нормуючого підсилювача 4, аналого-цифрового перетворювача (АЦП) 5, мікропроцесорного контролера 6, цифрового індикатора 7, цифро-аналогового перетворювача (ЦАП) 8 і перетворювача 9 напруги в струм. Позицією 10 позначений термоелектричний перетворювач, що повіряється, який розміщений на об'єкті 11, позиції: 12 - гніздо і 13 - штепсель втичного роз'єму; 14 - колодка стабілізації або компенсації впливу змін температури вільних кінців термоелектричного перетворювача, що повіряється, і 15 - вторинний прилад. Ці елементи в склад пристрою для бездемонтажної повірки термоелектричних перетворювачів не входять. Позиціями 1к-16к на фіг. 4 позначені кроки програми мікропроцесорного контролера, який керує роботою пристрою. В режимі повірки втичні контакти штепсельного роз'єму 1 з'єднують через гніздо 12 з термоелектричним перетворювачем 10, який повіряється, при цьому штепсель 13 і з'єднані з ним колодка 14 вільних кінців термоелектричного перетворювача і комплектний вторинний прилад 15 відключаються. Контакти штепсельного роз'єму 1 з'єднані із входом двополюсного перемикача 2, перша пара виходів цього перемикача з'єднана із входом нормуючого підсилювача 4, а друга пара - із входом двополюсного перемикача 3. Вихід нормуючого (E' '3 - E'' 2 )(E '2 + E' 3 - 2E'1 )2 × TH (E' 3 - E '2 )(E'' 2 + E''3 - 2E' '1 )2 де Т' х - температура об'єкта в процесі повірки, одержана за градуювальною характеристикою термоелектричного перетворювача, що повіряється, або по вторинному приладу; ТН - початкова температура об'єкту при виконанні пусконалагоджувальних робіт на об'єкті; Е' 1, Е' 2 и Е' 3 - термоЕРС, зареєстровані в процесі пусконалагоджувальних, робіт при початковій температурі об'єкта ТН. Поставлена задача вирішується також тим, що у пристрої для без демонтажної повірки термоелектричних, перетворювачів, що складається з двополюсного перемикача, нормуючого підсилювача, з'єднаного входами з одною парою виходів двополюсного перемикача, і аналого-цифрового перетворювача, приєднаного входом до виходу нормуючого підсилювача, згідно з винаходом, у нього введені штепсель втичного роз'єму, приєднаний до входу двополюсного перемикача, мікропроцесорний контролер, цифро-аналоговий перетворювач, цифровий індикатор і другий двополюсний перемикач, входи якого з'єднані з другою парою виходів першого двополюсного перемикача, перетворювач напруги в струм, ви ходи якого приєднані до протилежних ви ходів другого двополюсного перемикача, а вхід з'єднаний з виходом цифроаналогового перетворювача, кодові входи якого під'єднані до першого виходу мікропроцесорного контролера, другий ви хід якого з'єднаний із входом 4 38066 підсилювача 4 з'єднаний із входом АЦП 5, кодовий вихід якого з'єднаний із входом мікропроцесорного контроллера 6. Перший вихід контролера 6 з'єднаний з кодовим входом ЦАП 8, другий - з кодовим входом цифрового індикатора 7, третій і четвертий виходи - з керуючими входами перемикачів 2 і 3. Виходи перемикача 3 з'єднані так, що при його роботі струм від перетворювача 9 подається на затискачі "б" перемикача 2 і на термоелектричний перетворювач 10, що повіряється, у протилежних напрямках. В режимі нормальної роботи термоелектричний перетворювач 10, робочий спай якого розміщений на об'єкті 11, через гніздо 12 і штепсель 13 втичного роз'єму з'єднаний з колодкою 14 стабілізації або компенсації впливу змін температури вільних кінців термоелектричного перетворювача, до виходу якого під'єднаний вторинний вимірювальний прилад 15, шкала якого градуйована в значеннях температури. Спосіб здійснюється так. ТермоЕРС термоелектричного перетворювача 10 залежно від різниці температур його робочого і вільних кінців можна записати E = e TP - e 0 T0 (1) де e - коефіцієнт Зеебека робочого спаю термоелектричного перетворювача; e0 - коефіцієнт Зеебека вільних кінців термоелектричного перетворювача; ТР и Т0 - температури робочого спаю і вільних кінців термоелектричного перетворювача 10 відповідно. Оскільки коефіцієнт Зеебека функціонально залежить від температури, то градуювальна характеристика термоелектричного перетворювача в загальному випадку є нелінійною. В процесі експлуатації відбуваються фізико-хімічні зміни в робочому спаї термоелектричного перетворювача і в його термоелектродах, особливо на тих дільницях, які прилягають до робочого спаю, останнє призводить до додаткових змін значень коефіцієнта Зеебека і появі неоднорідностей в термоелектродах. При пусконалагоджувальних роботах на об'єкті 11 на початку експлуатації термоелектричного перетворювача вимірюють термоЕРО при початковій робочій температурі ТН об'єкта, яка відповідав його технологічному регламенту і вимірюється вторинним приладом 15. Відповідно до початкової градуювальної характеристики нового термоелектричного перетворювача, його термоЕРС буде де RC - електричний опір робочого спаю і термоелектродів, що прилягають до нього; k - коефіцієнт, що враховує долю теплоти Джоуля, що поступає в робочий спай; П - коефіцієнт Пельт'є для матеріалів, що створюють робочий спай l - еквівалентна теплопровідність робочого спаю з урахуванням теплофізичних властивостей об'єкта, на якому змонтовано термоелектричний перетворювач. Струм І0, який є оптимальним за розміром, вибирають з умов максимального охолодження робочого спаю термоелектричного перетворювача при одночасному протилежному впливі теплоти Пельт'є і Джоуля. Це буде мати місце, якщо додержати умови (фіг. 3) dE d 2 = k × I0 R C - ПІ0 / l = 0 (4) dI dI звідкіля 2kI0 R - П = 0 (5) Розв'язавши це рівняння відносно І0, одержимо значення оптимального струму П I0 = (6) 2 ×k ×R C Звичайно k=0,5, тому що приблизно половина теплоти Джоуля поступає до робочого спаю, а половина відводиться до вільних кінців. Тому можна вважати, що І 0=П/RC. У першому наближенні можна прийняти, що процеси охолодження і нагрівання робочого спаю термоелектричного перетворювача відбуваються за експоненціальним законом. Щоб одержати досить пологі значення експоненти, треба затратити час не менше 3-4 значень її сталих часу. Враховуючи інерційність стандартних термоелектричних перетворювачів і умов їх установки на реальному об'єкті, цей час буде в межах від 1 до 10 хвилин. Підставляючи в (3) відому залежність коефіцієнта Пельт'є від температури і коефіцієнта Зеебека П = eH TH (7) одержимо ( E '2 = e H[ TH + (kI2 RC - e H THI 0 ) / l - e 0 T0 ] (8) 0 Після вимірювання і фіксації значення Е' 2 по електродах термоелектричного перетворювача, пропускають струм І0 в протилежному напрямі, який викликає нагрівання робочого спаю термоелектричного перетворювача. У цьому випадку теплова енергія, яка виділяється відповідно до законів Пельт'є і Джоуля, додається (крива у проміжку часу Dt 2 на фіг. 2). Процес нагрівання ведуть до одержання усталеного значення термоЕРС E'1 = e HTH - e 0 T0 (2) Після вимірювання і фіксації значення Е' 1 по електродах термоелектричного перетворювача пропускають струм І0 у напрямі, що відповідно до закону Пельт'є викликає охолодження робочого спаю термоелектричного перетворювача (крива в проміжку часу Dt1 на фіг. 2). Значення струму 1 вибирають мінімальним, але таким, щоб одержати -DТохл =(5-7)К відносно початкової температури ТН об'єкта. Процес охолодження ведуть до появи стабільного значення температури і тормоЕРС Е' 2, яку відповідно до законів Пельт'є і Джоуля можна записати у вигляді [ ] E' 2 = e H TH + (kI 02 RC - П × I 0 ) / l - e 0 T0 ) E '3 = e H[ TH + (kI2 RC + e HTHI0 ) / l - e 0 T0 ] (9) 0 Оскільки охолодження і нагрівання робочого спаю термоелектричного перетворювача відбувається у невеликому температурному діапазоні (до 10 К),то можна вважати значення коефіцієнта Зеебека eН незмінним. Після вимірювання і фіксації значення Е' 3, струм I0 вимикають і через деякий час температура робочого спаю термоелектричного перетворювача стає рівною ТН (крива у проміжку часу Dt 3 на фіг. 2). На цьому процес налагодження нового термоелектричного перетворювача на об'єкті за (3) 5 38066 кінчується, а значення: Е' 1, Е' 2, Е' 3 і ТН заносяться в пам'ять мікропроцесорного контролера 6. В процесі експлуатації термоелектричного перетворювача, змінюється його градуювальна характеристика. Крім того, можливі зміни температури його вільних, кінців. Тому значення термоЕРС при повірці на об'єкті з новою невідомою температурою ТХ ¹ТН можна записати так Як було вказано вище, примусові зміни температури робочого спаю термоелектричного перетворювача виконують у невеликих межах (до 10 К). Це дозволяє вважати, що похибки перетворення в околицях робочої точки однакові: g1 @ g2 @ g3 @ g і d1 @ d2 @ d3 @ d. З виразів (2), (8) і (9) визначають додаткову термоЕРС від виділення теплоти Джоуля, яка мала місце в процесі пусконалагоджувальних робіт ' E1' = ( eH + De)TK - e 0 (T0 + DT ) = (10) = e H(1 + g1)TK - e0 T0 + d1 де g1=De/eН - відносна мультиплікативна похибка, обумовлена змінами коефіцієнта Зеебека; d1=e0DТ - абсолютна адитивна похибка, викликана змінами температури Т0 вільних кінців термоелектричного перетворювача, а також термоелектричною неоднорідністю його термоелектродів. Похибки g1 і d1 враховують також зміни коефіцієнта Зеебека внаслідок нелінійності характеристики термоелектричного перетворювача і нерівності температур Т Х¹ТН - фактичної і тієї, при якій проводили налагоджувальні дослідження термоелектричного перетворювача. В процесі повірки після вимірювання і фіксації значення Е"1 по електродах термоелектричного перетворювача пропускають таке ж значення струму І0 , як і при налагоджуванні у напрямі, який відповідно до закону Пельт'є викликає охолодження робочого спаю термоелектричного перетворювача (крива у проміжку часу Dt 1 на фіг. 2). Зменшене значення термоЕРС буде '' 2 E 2 = e H (1 + g 2 ){TX + [ kI 0R C - e H (1 + g 2 )TXI 0 ] / l } - e 0 T0 + d 2 (11) ' 2 E'2 + E '3 - 2E1 = e HI0 R C / l (15) Із виразів (8) і (9) визначають зміни термоЕРС, що пов'язані з теплотою Пельт'є 2 E'3 - E'2 = 2e HI 0TH / l (16) Ті ж самі величини визначають з виразів (10), (11) і (12). які одержані в процесі без демонтажної повірки: ' ' 2 E'2 + E '3 - 2E'1' = e H (1 + g )I0 RC / l ' E '3 (17) 2 2[e H (1+ g )2 I 0 = T X / l] (18) Якщо розділити значення термоЕРС з (15) на значення з (17), то одержимо ' E '2 + E '3 - 2E 1 ' E '2 + ' E '3 '' 2E 1 = 1 1+ g (19) звідкіля похибка g= ' ' '' E'2 + E'3 - 2E1 -1 (20) ' E'2 + E'3 - 2E1 Далі визначають відношення приростів термоЕРС з (16) і (18) де g2 і d2 - значення похибок при охолодженні робочого спаю. Після вимірювання і фіксації значення Е"2 по електродах термоелектричного перетворювача пропускають струм І0 в протилежному напрямі, який викликає нагрівання робочого спаю термоелектричного перетворювача відносно невідомої температури ТХ ТермоЕРС термоелектричного перетворювача виростає до значення ' E '3 = eH (1 + g 3 ){T X + [ kI2R C - e H (1 + g 3 )T X I 0 ] / l} - e 0T 0 + d 3 (12) 0 E '3 - E '2 = TH (21) T X (1 + g ) 2 Підставляючи у праву частину рівності (21) значення похибки g з (20), одержимо ' E '3 ' - E '2 E '3 - E '2 = (E'2 + E'3 - 2E '1) 2 TH ' ' ' ' '' E '3 - E '2 (E '2 + E '3 - 2E1 ) 2 TX Розв'язавши рівняння (22) відносно одержимо де g3 і d3 - значення похибок при додатковому нагріванні. Після вимірювання і фіксації значення Е"3 струм І 0 вимикають. На цьому процес повірки термоелектричного перетворювача на діючому об'єкті закінчується. Похибки термоелектричного перетворювача оцінюють як різницю між температурою Т' Х, яку визначають за градуювальною характеристикою термоелектричного перетворювача або за показами вторинного приладу 15 і дійсною температурою об'єкта ТХ TX = (22) TX, ' ' ' (E '3 - E '2 )(E'2 + E'3 - 2E1 ) 2 TH (23) ' ' ' (E '3 - E '2 )(E'2 + E'3 - 2E1' ) 2 Похибка термоелектричного перетворювача, що повіряється, оцінюють з виразу (13), враховуючи (23) ' DT = T X - TX = ' ' ' (E'3 - E'2 )(E '2 + E '3 - 2E1 ) 2 TH (24) ' ' '' (E'3 - E'2 )(E '2 + E '3 - 2E1 ) 2 де ТX - температура об'єкта при пусконалагоджувальних роботах. З одержаного виразу (24) видно, що на результат повірки не впливають мультиплікативна і адитивна складові, похибки g і d термоелектричного перетворювача, які виникли в процесі експлуатації, непотрібний зразковий термоелектричний перетворювач для порівняння термоЕРС або зразковий вимірювач температури, установлений на об'єкті в околицях робочого спаю. Порівняно з відомим способом-прототипом непотрібне конвективне охолодження робочого спаю повітряним потоком із стабілізацією його параметрів. Електричне охолодження робочого спаю не потребує додаткових змін в конструкції термоелектричного перетво ' DT = T X - TX (13) ' Якщо температуру Т Х визначають за градуювальною характеристикою відповідно до виміряного значення Е"1, то ( ) ' ' T X = F - 1 E1' (14) де F - зворотна функція від градуювальної характеристики. Дійсне значення температури ТХ об'єкту визначають шляхом виключення складових похибок вимірювання g1 і d1. -1 ' - E'2 6 38066 рювача і стабілізації кількості теплоти Пельт'є, яка виділяється у спаї. Вимірювання термоЕРО в усталеному режимі знижує вимоги до швидкодії вимірювача термоЕРС і не потребує точного часу вимикання струму через спай для забезпечення його адіабатичного нагрівання. Пристрій для без демонтажної повірки термоелектричних перетворювачів працює за програмою відповідно до фіг. 4 так. В процесі пусконалагоджувальних робіт в пам'ять мікропроцесорного контролера 6 (фіг. 1) вводять коди оптимального струму І0 і часів пропускання його через робочий спай Dt1 і Dt2, необхідних для одержання усталених значень термоЕРС при охолодженні і нагріванні робочих спаїв (фіг. 2), а також градуювальні характеристики монтованих термоелектричних перетворювачів (крок 1к програми). При пусконалагоджувальних роботах, коли новий змонтований на об'єкті термоелектричний перетворювач 10 (фіг. 1) має початкову температуру ТН об'єкта 11, проводять його налагодження. Ця температура вимірюється комплектним вторинним приладом 15 або її код, одержаний з допомогою електронної таблиці за кодом термоЕРС Е' 1, вводиться в постійну пам'ять контролера 6 (крок 2к програми). На початку налагодження термоелектричного перетворювача 10 контактами штепселя 1 втичного роз'єму виконують під'єднаний переносного повірочного пристрою замість комплектного вторинного приладу 15 до термоелектричного перетворювача 10, що повіряється. Запускають програму повірки з кроку 3к (Фіг. 4), На кроці 4к програми двополюсний перемикач 2 за командою мікропроцесорного контролера 6 переводиться у верхнє положення "а" (фіг. 1). На кроці програми 5к виконується одержання і фіксація термоЕРС Е' 1 термоелектричного перетворювача, яка підсилюється підсилювачем 4 і перетворюється у цифровий код з допомогою АЦП 5. Код термоЕРС Е' 1 поступає в оперативну пам'ять контролера 6. На кроці програми 6к за командою контролера 6 перемикач 2 переводиться в положення "б", а перемикач З установлюється в положення "а". В регістри ЦАП 8 заноситься код струму І0, який починає протікати через термоелектроди і робочий спай термоелектричного перетворювача 10. При цьому починається охолодження робочого спаю до усталеної температури Т' H-DТохл (фіг. 2), що триває протягом часу Dt1, який задається таймером контролера. На кроці програми 7к за командою контролера 6 перемикач 2 встановлюється в положення "а", струм через робочий спай переривається, а вихід термоперетворювача 10 під'єднується до нормуючого підсилювача 4. На кроці програми 8к термоЕРС Е' 2 термоелектричного перетворювача 11 підсилюється підсилювачем 4 і перетворюється у цифровий код у АЦП 5. Код термоЕРС Е' 2 поступає в оперативну пам'ять контролера 6. На кроці програми 9к перемикачі 2 і 3 встановлюються в положення "б", і через термоелектроди і робочий спай термоелектричного перетворювача 10 проходить струм І0 протилежної полярності. При цьому починається нагрівання робочого спаю до усталеної температури Т' H+DТнаг (фіг. 2), що триває протягом часу Dt2, який задається таймером контролера. На кроці програми 10к перемикач 2 встановлюється в положення "а", струм через робочий спай термоелектричного перетворювача 10 вимикається. На кроці програми 11к термоЕРС термоелектричного перетворювача 10 підсилюється підсилювачем 4 і перетворюється в цифровий код у АЦП 5. Код термоЕРС Е' 3 поступає в оперативну пам'ять контролера 6. ЦДЛ 8 обнуляється, струм І0 вимикається, коди Е' 1, Е' 2, і Е' 3 з оперативної пам'я ті контролера переносяться в постійну пам'ять (крок 3к програми), де зберігаються і використовуються при повірці. На цьому процес налагодження цифрового повірочного пристрою закінчується. Якщо на кроці 12к програма переведена в режим повірки, то пристрій працюй за командами 3к11к, при цьому в оперативну пам'ять мікропроцесорного контролера заносяться коди термоЕРС Е' 1, Е' 2, і Е' 3 . За командою 13к програми за формулами (23) і (24) проводяться обчислення дійсного значення температури ТХ і по хибки DТ термоелектричного перетворювача, що повіряється, з урахуванням його попередніх, даних: ТН, Е' 1, Е' 2 і Е' 3, які були одержані при налагодженні нового термоелектричного перетворювача. За командою 14к ці дані висвітлюються на цифровому відліковому пристрої 7 (фіг. 1). Якщо необхідно, можна процес повірки повторити багатократно (команда 15к програми) і в результаті одержати середньоарифметичні значення ТХ і DТ, що підвищить точність повірки. Налагодження можна проводити і на експлуатованих раніше термоелектричним перетворювачах, якщо змінюються термоелектричні умови їх експлуатації, але при цьому температуру ТН треба визначати з високою точністю, наприклад, за зразковим термометром, що вимірює температуру в зоні робочого спаю термоелектричного перетворювача, який буде потім повірятися. Якщо контроль термоелектричного перетворювача, що повіряється, продовжується, наприклад, при температурі ТХ, яка трохи змінюється в околицях робочої точки, при інших температурах цього ж термоелектричного перетворювача або інших термоелектричних перетворювачів, то в першому випадку знову виконують три такти програми (кроки 3к-12к) при таких же значеннях вихідних даних (Е' 1, Е' 2, Е' 3, І0, Dt1, Dt2), у другому і третьому випадках в пам'ять контролера вводять нові значення цих даних, одержані в результаті налагодження цих термоелектричних перетворювачів в процесі роботи об'єкта. Дані для всієї номенклатури термоелектричних перетворювачів, які застосовуються на підприємстві, або для різних робочих точок одного термоелектричного перетворювача можуть зберігатися на окремих дискетах або у постійній пам'яті контролера при досить великому її об'ємі. Як приклад запропонованого способу, була визначена похибка термоелектричного перетворювача на основі хромель-копелевої термопари типу ТХК-0179. Теплова стала часу термопари 7 38066 дорівнює t»90 с, оптимальне значення постійного струму І 0=0,6 А, що призводило до охолодження робочого спаю на 4 К і нагрівання на 9 К за Dt1=6 хв і Dt2=4 хв відповідно. ТермоЕРС термоелектричного перетворювача, робочий спай якого розміщували в розтопленому свинці у фазі переходу його від рідинної фази до твердої, відповідала температурі 331,46°С за його градуювальною характеристикою. Дійсна температура, обчислена за формулами (23) і (24), з врахуванням виміряних значень: Е' 1, Е' 2, Е'3 і ТН=300°С дорівнює 327,62°С, тобто похибка термоелектричного перетворювача DT1=331,46327,62=3,84 К. Температура затвердіння свинцю, як фізична константа, дорівнює 327,56°С. Тому дійсна похибка термоелектричного перетворювача дорівнює DT2=331,46-327,56=3,9 К. Таким чином, запропо нований спосіб дозволяє визначити абсолютну похибку термоелектричного перетворювача з відносною похибкою вимірювання D T - DT2 3,84 - 3,9 g= 1 × 100 = × 100 @ - 1 5% , DT2 3,9 Похибка вимірювання значення похибки термоелектричного перетворювача є величиною другого порядку малості. Тому її значення в межах до 5-10% цілком допустиме. Вимірювання усталених значень термоЕРС, як указано вище, не потребує швидкодіючих АЦП и ЦАП, а також високоточних таймерів, що задають витримки часу на охолодження і нагрівання робочого спаю термоелектричного перетворювача. Повірка здійснюється за програмою і не потребує затрат ручної праці. Фіг. 1 8 38066 Фіг. 2 Фіг. 3 9 38066 Фіг. 4 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2001 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 50 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 10