Термоелектричний пристрій для вимірювання різниці температур

Термоелектричний пристрій для вимірювання різниці температур, що вміщує в собі дві термопари, в яких вільні кінці різнополярних електродів з'єднані з чотирма мідними колодками, фазочутливий випрямляч з фільтром нижніх частот, два автоматичних перемикачі, мультивібратор, вихід якого з'єднаний із керуючими входами автоматичних перемикачів і керуючим входом фазочутливого випрямляча, і загальну заземлену шину, який 3 вміщує в себе дві термопари, в яких вільні кінці різнополярних електродів з'єднані з чотирма мідними колодками, фазочутливий випрямляч з фільтром нижніх частот, два автоматичних перемикача, мультивібратор, вихід якого з'єднаний із керуючими входами автоматичних перемикачів і керуючим входом фазочутливого випрямляча, і загальну заземлену шину. Крім того, відомий пристрій вміщує дві мідні шини, перетворювач постійної напруги в струм та міліамперметр. Підвищення чутливості пристрою до різниці температур отримано завдяки виключенню впливу теплоти Джоуля від постійного струму, який протікає через два робочих кінця диференціальної термопари в різних напрямах. Гальванічний зв'язок двох диференціальних термопар через два спільних робочих кінця призводить до того, що шкала міліамперметра за температурою несиметрична і викривлена додатковими падіннями напруги від постійних струмів, що проникають у вимірювальну диференціальну термопару через спільні робочі кінці з компенсаційної диференціальної термопари, що значно знижує чутливість відомого пристрою. В основу корисної моделі поставлена задача створення такого термоелектричного пристрою для вимірювання різниці температур, в якому введенням нових елементів і їх зв'язків забезпечувалося б підвищення чутливості пристрою. Поставлена задача вирішується тим, що термоелектричний пристрій для вимірювання різниці температур, що вміщує в собі дві термопари, в яких вільні кінці різнополярних електродів з'єднані з чотирма мідними колодками, фазочутливий випрямляч з фільтром нижніх частот, два автоматичних перемикача, мультивібратор, вихід якого з'єднаний із керуючими входами автоматичних перемикачів і керуючим входом фазочутливого випрямляча, і загальну заземлену шину, згідно корисної моделі, в нього введені автоматичний потенціометр, повторювач напруги, дільник напруги і підсилювач змінної напруги, потенціальний вхід якого з'єднано з виходом першого автоматичного перемикача, входи якого з'єднані з двома мідними колодками електродів термопар однієї полярності, дві мідні колодки електродів термопар іншої полярності з'єднані з загальною заземленою шиною, потенційний вихід повторювача напруги з'єднано з входом другого автоматичного перемикача, виходи якого з'єднано з протилежними входами першого автоматичного перемикача, при цьому вихід підсилювача змінної напруги з'єднано через фазочутливий випрямляч і фільтр нижніх частот з входом автоматичного потенціометра, а також через дільник напруги з входом повторювача напруги. Введення в схему термоелектричного пристрою для вимірювання різниці температур автоматичного потенціометра, повторювача напруги, дільника напруги і підсилювача змінної напруги, з'єднаних вказаним чином з автоматичними перемикачами та елементами вимірювальної схеми, дозволяє розділити у часі термоЕРС кожної з термопар із зустрічним постійним струмом, що викликає додаткове охолодження або нагрів її робочого 61325 4 кінця. Завдяки підсилювачу змінної напруги, що підсилює різницю термоЕРС, напрямок протікання струму через робочі кінці термопар є протилежним, що викликає в більш нагрітій термопарі додатковий нагрів робочого кінця, а в менш нагрітій термопарі виникає додаткове охолодження, що лінеарізує зворотній зв'язок. В результаті цього, різниця температур, що вимірюється, автоматично збільшується, що і сприяє підвищенню чутливості заявленого пристрою. Тимчасове розділення інформаційних термоЕРС та струмів охолодження та нагріву повністю виключає вплив падінь напруги на електродах термопар від цих струмів на результуючу термоЕРС, пропорційну вимірювальній різниці температур. Використання підсилювача змінної напруги, в якому відсутній дрейф нуля, забезпечує високу точність вимірювання малих різниць температур. Таким чином, введенні елементи і зв'язки забезпечують високу чутливість пристрою. На кресленні представлена електрична схема заявленого термоелектричного пристрою для вимірювання різниці температур. Заявлений пристрій вміщує дві термопари 1 і 2, робочі кінці яких 3 і 4 розташовані в зоні температур Т1 і Т2, що порівнюються. Вільні кінці термопар розташовані на чотирьох мідних колодках 5, 6, 7 і 8, що знаходяться при температурі То. Електроди термопар 1 і 2 однакової полярності, розташованих на колодках 5 і 7, з'єднані з входами першого автоматичного перемикача 9. Електроди іншої полярності, розташовані на колодках 6 і 8, з'єднані з загальною заземленою шиною 10. Вихід автоматичного перемикача 9 з'єднано з потенційним, відносно землі, входом підсилювача змінної напруги 11, до виходу якого під'єднано послідовно з'єднані фазочутливий випрямляч 12, фільтр нижніх частот 13 і автоматичний потенціометр 14. До виходу підсилювача змінної напруги 11 через послідовно з'єднані дільник напруги 15 і повторювач напруги 16 під'єднано вхід другого автоматичного перемикача 17. Виходи автоматичного перемикача 17 з'єднано з протилежними входами автоматичного перемикача 9. Керуючі входи автоматичних перемикачів 9 і 17, а також керуючий вхід фазочутливого випрямляча 12 з'єднано з виходом мультивібратора 18. Термоелектричний пристрій працює наступним чином. При температурі робочих кінців T1 більше T2 і температурі вільних кінців термопар 1 і 2, що дорівнює температурі навколишнього середовища T0 , і менша за T1 і T2 , термоЕРС термопар 1 і 2 визначаються різницею температур: E1  1T1  0T0 (1), E2  2T2  0T0 (2), де 1 і  2 - коефіцієнти термоЕРС (коефіцієнти Зеєбека) електродів з різних термоелектричних матеріалів при температурі T1 і T2 відповідно,  0 - коефіцієнт термоЕРС вільних кінців термопар. 5 61325 При верхньому положенні автоматичного перемикача 9 на потенційний вхід підсилювача змінної напруги 11 діє напруга (1), а при нижньому положенні - напруга (2). Підсилювач змінної напруги 11 виділяє і підсилює змінну складову напруги U3  K 1 E1  E2 sin g sin( 2Et ) 2 (3), де F – частота перемикань, що задає мультивібратор 18, signsin - прямокутна обвідна періодичного процесу, K 1 – коефіцієнт підсилення підсилювача змінної напруги 11. Підсилена змінна напруга (3) випрямляється фазочутливим випрямлячем 12, згладжується фільтром нижніх частот 13 і вимірюється автоматичним потенціометром 14. Одночасно з цим змінна напруга (3) через дільник напруги 15 і повторювач напруги (підсилювач потужності) 16 діє на вхід другого автоматичного перемикача 17. Під час вимірювання малих різниць температур можна вважати, що 1  2  3 . Тоді вхідна напруга автоматичного перемикача 17 з урахуванням (1), (2) і (3) отримає вигляд: 1 U4  K1K 2K 3(T1  T2 ) sin g sin( 2Ft ) 2 (4), де K 2 - коефіцієнт передачі дільника напруги 15, K 3 - коефіцієнт передачі повторювача напруги 16. В верхньому положенні автоматичного перемикача 17 на один з його виходів поступає напруга однієї полярності (додатна), а в нижньому положенні - іншої полярності (від'ємна). Враховуючи те, що виходи автоматичного перемикача 17 з'єднані з протилежними входами автоматичного перемикача 9, то при вказаних верхніх положеннях автоматичних перемикачів 9 і 17 до підсилювача змінної напруги 11 підключена термоЕРС термопари 1, а вихідна напруга повторювача напруги 16 - до виходу термопари 2. При нижньому положенні автоматичних перемикачів 9 і 17 на вхід підсилювача змінної напруги 11 діє термоЕРС термопари 2, а напруга протилежної полярності з виходу повторювача напруги 16 діє на вихід термопари 1. Таким чином, при періодичних переключеннях вихідних термоЕРС термопар 1 і 2, виходи відповідно непідключених термопар 2 і 1 під'єднуються до виходу повторювача напруги 16. В результаті здійснюється тимчасове розділення між імпульсами різнополярних струмів і імпульсами термоЕРС, що вимірюються. За рахунок теплової інерційності термопар відбувається їх охолодження або нагрів періодичною послідовністю імпульсів струму, а зйом інформативних термоЕРС не викривлюють падіння напруг на електродах термопар від цих струмів. З урахуванням дії різнополярних струмів на робочі кінці термопар 1 і 2, їх вихідні термоЕРС приймають значення: 6  pI  rI2  '   0T0 E1   T1   F    (5),  pI  rI2    0T0 E'2   T2  (6),  F    де p - коефіцієнт Пєльтьє матеріалів робочого спаю термопар, r - опір електродів термопар, I – струм через робочі кінці термопар,  - коефіцієнт тепловіддачі робочих кінців 3 і 4, F - площа теплообміну поверхні цих кінців. З виразів (5) і (6) видно, що при вказаній схемі перемикання термопар 1 і 2 і різної полярності струмів, що протікають через робочі кінці 3 і 4, термопара 1 додатково підігрівається, а термопара 2 - охолоджується. В результаті цього відбувається автоматичне збільшення різниці температур (T1  T)  (T2  T)  T1  T2  2T , де T - додат ковий нагрів (охолодження) робочих кінців термопар. З урахуванням цього процесу змінна напруга (3) зростає до значення U5  K1 ' E1  E'2 sin g sin(2Ft ) 2 (7). Підставляючи у вираз (7) значення термоЕРС (5) і (6), отримуємо U  1 2pI   K1 T1  T2   sin g sin(2Ft ) 2 F   (8). З виразу (8) випливає, що теплота Джоуля не впливає на змінну складову напруги. Відповідно вхідна знакозмінна напруга автоматичного перемикача 17 зростає до значення U7  1 2pI   K1K2K3 T1  T2   sin g sin(2Ft ) 2 F   (9). Струм, що протікає через електроди і робочий спай термопар 1 і 2, визначається амплітудою напруг (9), опором електродів і опором робочого кінця. Враховуючи, що останнім можна знехтувати у порівнянні з опором електродів, струм нагрівуохолодження термопар 2pI   0,5K1K 2K 3 T1  T2   (10). F   I r Вирішивши рівняння (10) відносно струму, отримаємо 0,5K1K 2K3(T1  T2 ) I (11). r  0,5K1K 2K3 2p   F    З урахуванням значення струму (11), що нагріває робочий кінець З термопари 1 і охолоджує робочий кінець 4 термопари 2, змінна напруга (9) на виході підсилювача 11 зростає і приймає вигляд U8    1 pK1K 2K 3   K11   rF  pK K K    (T1  T2 ) sin g sin(2Ft ) 2 1 2 3   (12). З порівняння виразів (3) і (12) випливає, що змінна напруга по відношенню до початкової зростає у число разів: 7 U8 pK1K 2K 3  1 U3 rF  pK1K 2K 3 61325 (13). По мірі наближення виразу rF до виразу pK1K2K3 чутливість зростає. Це підвищення фізично обумовлено збільшенням теплоти Пєльтьє, що пропорційна імпульсному струму. Практично чутливість до різниці температур можна збільшити в 100-200 разів. При більшому збільшенні струму, що проходить через термопари 1 і 2, чутливість пристрою починає знижуватись. Це пояснюється тим, що теплота Джоуля пропорційна квадрату струму. Отже при великих струмах теплота Джоуля переважає над теплотою Пєльтьє, що нейтралізує ефект охолодження робочого кінця. Таким чином, теплота Джоуля згідно виразу (8) не впливає безпосередньо на вимірювану різницю температур, але обмежує збільшення чутливості. При зміні різниці температур по знаку T1  T2 змінюється фаза змінної складової напруги (3) на 180 . В результаті цього змінюється полярність напруг і відповідних струмів, що протікають через робочі кінці термопар. Саме тому температура Т, робочого кінця 3 починає зменшуватись, а температура робочого кінця 4 зростати. Завдяки використанню фазочутливого випрямляча 12 змінюється полярність випрямленої напруги, яка вимірюється і реєструється автоматичним потенціометром 14. З урахуванням випрямлення і згладжування фільтром нижніх частот 13 напруга, що реєструється потенціометром 14, U9   (14), 1 pK1K 2K 3     K1K 4K 51   rF  pK K K    (T1  T2 ) 2 1 2 3   де K 4 - коефіцієнт випрямлення змінної напруги, K 5 - коефіцієнт передачі фільтра низьких частот. Чутливість пристрою, а саме відношення змінної напруги до початкової (13), регулюється діль Комп’ютерна верстка Н. Лиcенко 8 ником напруги (аттенюатором) 15 у вказаному вище діапазоні (1...200). Частота перемикань термоЕРС термопар і струмів, що нагрівають (охолоджують), обирається в залежності від теплової інерційності термопар. Якщо інерційність термопар за теплотою Джоуля відносно велика (декілька секунд), так як визначається масою електродів, з яких тепло поступає в робочий спай, то інерційність термопар за теплотою Пєльтьє мала (долі секунди) і визначається лише малою масою контактного робочого кінця (спаю). Виходячи з цього частота перемикань обирається достатньо високою в діапазоні 60-80Гц, що при фазочутливому випрямленні виключає завади від мережі змінного струму (50Гц) та її гармонік. Завдяки високій чутливості пристрій, що заявляється, знайде використання у вирішенні наступних задач: вимірювання теплофізичних параметрів матеріалів одягу (теплопровідність, теплоємність, температуропровідність та інше), що здійснюються за малих різниць температур (20-30°С); у мікрокалориметрії для вимірювання малих кількостей тепла, що виникає в замкнутих об'ємах (реакційних камерах). Річ у тім, що більшість фізико-хімічних процесів супроводжуються малими тепловими ефектами, вивчення яких дозволяє отримати ґрунтовні відомості стосовно характеру перетворення енергії, що протікає в системі; у практиці наукових досліджень та промислового аналізу для визначення теплот розчинення металів і утворення металевих і напівпровідних сплавів, утворення та релаксації дефектів, фазових перетворень у твердому та рідкому станах; у кінетиці хімічних реакцій при визначенні констант рівноваги, теплот гідратації, розчинення та адсорбції; для дослідження термогенезу мікроорганізмів, обміну речовин окремих органів, живих істот і впливу текстильних матеріалів на гомеостаз організму людини. Підписне Тираж 24 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601