Спосіб самокалібрування датчиків температури та пристрій для його здійснення

1. Спосіб самокалібрування контактних датчиків температури, за яким у калібраторі розташовують первинний датчик, що калібрується, відтворюють задану температур у шляхом плавлення реперних металів, при досягненні стану теплової рівноваги між первинним датчиком та реперним металом перетворюють датчиком тепловий вплив в електричні сигнали, за параметрами яких визначають характеристики датчика за допомогою вимірювального пристрою, який відрізняється тим, що вимірювання електричних сигналів первинного датчика здійснюють при стаціонарному температурному режимі, значення температури якого нижче від температур фазових переходів реперних металів, знаходять середнє значення вимірюваної величини термоерс чи опору датчика в двох температурних точках реперних металів, потім за допомогою інтерполяційного рівняння визначають індивідуальну статичну характеристику перетворювання даного первинного датчика, за її допомогою визначають температурну залежність термоерс чи опору датчика при вимірюванні температури контрольованого середовища і роблять висновок про придатність або непридатність даного первинного датчика для температурних вимірювань, при цьому 2 (19) 1 3 84346 Винахід належить до вимірювальної техніки, а саме до вимірювання температури методами контактної термометрії та може бути використаний при вимірюванні температур технологічних процесів у металургійному виробництві, в атомній енергетиці, коксохімічній та нафтопереробній галузях промисловості. Відомий спосіб калібрування первинних датчиків, при якому розміщують датчик, який калібрується, разом з еталонним термометром у термостаті, відтворюють постійні значення температури у заданому діапазоні у термостаті, досягають стану теплової рівноваги між датчиком, еталонним термометром та термостатованим середовищем, перетворюють датчиком та термометром тепловий вплив в електричні сигнали, за параметрами яких визначають метрологічні характеристики датчика та термометра, за допомогою вимірювального пристрою. Цей спосіб реалізується у метрологічних центрах та у лабораторіях, акредитованих на право проведення повірки (калібровки) [1,2]. Загальними недоліками цього способу є неможливість проведення калібрувальних робіт безпосередньо у місцях експлуатації, без порушення технологічного режиму, особливо в важко досяжних місцях, у те хнічно необслуговуваних приміщеннях. В якості прототипу використано спосіб калібровки за допомогою реперних точок [3]. Суть цього способу полягає у тому, що розташовують у калібраторі датчик, що калібрується, відтворюють задану температуру шляхом плавлення реперних металів, досягають стану теплової рі вноваги між датчиком та реперним металлом, перетворюють датчиком тепловий вплив в електричний сигнал, за параметрами якого визначають характеристики датчика за допомогою вимірювального пристрою [3]. До недоліків прототипу способу калібровки можна віднести відсутність можливості калібровки датчика з необхідною точністю та вірогідністю показів вимірювань при стаціонарному температурному режимі технологічного процесу, значення температури якого відрізняється від температур фазових переходів реперних металів. В основу винаходу на спосіб поставлена задача підвищення точності та вірогідності вимірювання температури технологічного процесу у заданому температурному інтервалі за допомогою датчика, який самокалібрується. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що в методі забезпечення самокалібровки датчиків температури, при якому розташовують у калібраторі датчик, що калібрується, відтворюють задану температур у шляхом плавлення реперних металів, досягають стану теплової рівноваги між датчиком та реперним металлом, перетворюють датчиком тепловий вплив в електричний сигнал, за параметрами якого визначають характеристики датчика за допомогою вимірювального пристрою, згідно з пропозицією, вимірювання електричних сигналів датчика здійснюють при стаціонарному температурному режимі, значення температури якого відрізняється від температур фазових переходів ре 4 перних металів, за допомогою інтерполяційних рівнянь для цих датчиків визначають індивідуальну статичн у характеристику перетворювання даного датчика та за її допомогою розраховують температуру те хнологічного процесу, тобто визначають температурну залежність термо - е. р. с. чи опору датчика при вимірюванні температури контрольованого середовища: - для платин ови х термопере творюва чі в опор у інтерпо ляційне рі вняння для діапазону температур від 0°С до 600°С та W100 = 1,3910 має вигляд Wt=1+At+Bt2 (1) Коефіцієнти А ти В визначаються при калібровці датчиків в дво х реперних точках температури плавлення металів. - для термоелектричних перетворювачів інтерполяційне рівняння для діапазону температур від мінус 50°С до 1064,18°С має вигляд 8 E = å ak tk (2) k =0 а0=0, а1=5,40313308631 • 10°, а2=1,25934289740 • 10-2, а3=-2,32477968689 • 10-5, а4=3,22028823036 • -8 10 , а5=-3,31465196389 • 10-11, а6=2,55744251786 • -14 10 , а7=-1,25068871393 • 10-17, а8=2,71443176145 • -21 10 . Прототипом винаходу обрано пристрій [4], який являє собою калібратор, що складається з корпусу, в якому розташовано тигель з реперним металом, на поверхні тигля установлено плівковий нагрівальний елемент, у реперному металі розміщено термометричний канал, в який вмонтовано датчик. Недоліками прототипу є: 1). калібровка вимірюва льного да тчика здійснюється в одній температурній точці, що призводить до зменшення вірогідності вимірювань температури технологічного процесу, який протікає у визначеному температурному інтервалі; 2). погіршення технічних характеристик плівкого нагрівального елементу при тривалому періоду експлуатації при температурах вище 600°С; 3). зміна структури матеріалу тигля з полікристалічного Аl2О3 при контакті з деякими реперними металами (наприклад, алюміній, мідь), в результаті дифузії реперного металу у матеріал ти гля; 4). низька корозійна стійкість тигля з полікристалічно го Аl2О3 при експлуатації у високотемпературному (більше 1000°С) агресивному середовищі. В основу винаходу на пристрій поставлена задача підвищення точності та вірогідності вимірювання температури технологічного процесу у заданому температурному інтервалі при тривалій експлуатації та підвищення надійності матеріалу тигля. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що в самокалібруючому датчику температури, який являє собою калібратор, що складається з корпусу, в якому встановлено мініатюрний ти 5 84346 гель с реперним металом, нагрівального елементу, установленого на поверхні тигля, термометричного каналу, в якому вмонтовано датчик, згідно з пропозицією, додатково введено тигель з іншим реперним металом, причому корпус виконано з металу, а тиглі зроблені з матеріалу, який має високі теплопровідність, електричний опір, хімічну стійкість при високих температура х та ти ска х у агресивни х середо ви ща х (наприклад, монокристалі чний окис алюмінію (сап фір), ні трид бор у), а нагріва ч виконано у вигляді нагрівального кабеля, який розташовано між корпусом та тиглем у окису магнію. Запропонований спосіб самокалібровки характеризується наступними операціями: - розташо вують самокалібруючий да тчик у контрольоване середови ще зі стаціонарним температурним режимом; - ви во дя ть темпера тур у на грі ва льно го елемен ту приб лизно н а 5° С ви ще температури плавлення першого реперного металу, значення якої відповідає мінімальному значенню температури контрольованого середовища; - використовують дві швидкості нагріву: а) форсований режим - 5°С/хв. до температури, яка складає 90% від температури плавлення реперного металу; б) м’який режим - 1°С/хв.; - фіксують плато плавлення по стабілізації показань датчика; - фіксують не менш трьох значень величини термо - е. р. с. або опору да тчика, які відповідають температурі плавлення першого реперного металу; - знаходять середнє значення вимірювальної величини термо - е. р. с. або опору датчика. Алгоритм отримання плато плавлення другого реперного металу, значення температури якого знаходиться біля максимального значення температури контрольованого середовища, аналогічний вищенаведеному. За одержаними середніми значеннями вимірювальної величини термо - е. р. с. або опору датчика в двох температурних точках технологічного режиму, використовуючи інтерполяційні рівняння для цих датчиків [1], визначають температурну залежність термо - е. р. с. чи опору датчика при вимірюванні температури контрольованого середовища: - для платинових термоперетворювачів опору інтерполяційне рівняння для діапазону температур ві д 0°С до 600°С та W100 = 1,3910 має вигляд Wt=1+At+Bt2 (1) Коефіцієнти А ти В визначаються при калібровці датчиків в двух реперних точках температури плавлення металів. - для термоелектричних перетворювачі в інтерполяційне рівняння для діапазону температур від мінус 50°С до 1064,18°С має вигляд 8 E = å ak tk (2) k =0 а0=0, а1=5,40313308631 • 10°, а2=1,25934289740 • 10-2, 6 а3=-2,32477968689 • 10-5, а4=3,22028823036 • 10 , а5=-3,31465196389 • 10-11, аб =2,55744251786 • 10-14, а7=-1,25068871393 • 10-17, а8=2,71443176145 • 10-21. На Фіг. показано конструкцію для реалізації запропонованого способу калібровки датчика, яка містить металевий корпус - 1, заповнений окисем магнію 2, в якому знаходиться нагрівальний елемент 3, розміщений на поверхні тигля з сапфіру 4. В тиглі заплавлено реперні метали 5, 6. Датчик 7 знаходиться у термометричному каналі, який встановлено у реперному металі 6. Запропонований пристрій працює наступним чином: - первинний датчик розміщують у термометричному каналі; - самокалібруючий датчик температури розміщують у контрольованому середовищі; - автомати чно збіль шують температур у да тчика за допомогою на грі вально го елементу до значень вище температури плавлення низькотемпературного реперного металу десь на 5°С; - при досягненні стану теплової рівноваги між датчиком та низькотемпературним реперним металом фіксують показання первинного датчика, які передаються на блок індикації; - аналогічно проводяться такі ж самі операції для фіксації плато плавлення високотемпературного реперного металу; - по отриманим значенням термо - е. р . с. або опору можна зробити висновок про придатність даного первинного датчика для температурних вимірювань та вносити відповідні корекції до показань при його використанні. З переліченого вище запропонований пристрій має наступні переваги: - зменшення похибки вимірювання в діапа зоні температур, при використанні дво х реперних металів, - підвищення надійності при тривалій експлуатації у агресивному середовищі за ра хунок застосування в якості матеріал а тигля монокристалічного Аl 2О 3, який має більш високі фізикомеханічні характери стики порі вняно с тра диційними матеріалами; - забезпечення бездемонтажної калібровки датчиків безпосередньо в місцях експлуатації в умовах те хнологічних процесів. Практична реалізація показала наступні переваги: - використання при калібровці двох реперних металів, які мають відомі характеристики та мініатюрної конструкції тигля з монокристаллічного Аl2О 3, дозволяє розта шовува ти самокалібр учий датчик ста ціонарно в різні діагн ости чні вікна об’єкта та експлуатува ти в період тривалого часу в різних агресивних середовищах; - розташування датчика та вимірювання термо -е. р. с. або опору датчика при здійсненні фазових переходів реперних металів дає можливість оцінити придатність датчика для пода льшо ї експлуатації без порушення те хно логі чного процесу та -8 7 84346 про вірогідність температурних вимірювань в будь - який момент часу; - підвищення точності та вірогідності температурних вимірювань в діапазоні температур тех Комп’ютерна в ерстка В. Клюкін 8 нологічного процесу за рахунок використання двох реперних металів. Підписне Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601