Спосіб визначення температури

Способ определения температуры, заключающийся в измерении термо-ЭДС, установленной на объекте первой термопары с дополнительным термоэлектродом, идентичным по материалу одному из основных термоэлектродов,о т л и ч а ю щ и й с я тем, что измеряют термо-ЭДС второй термопары, образованный вторым основным термоэлектродом первой термопары и дополнительным термоэлектродом, выполненным с диаметром, отличным от диаметра второго основного термоэлектрода, и по измеренным термо-ЭДС находят значение коэффициента термо-ЭДС первой термопары, по которому определяют искомую температуру. С > о Изобретение относится к области термометрии и может быть использовано для измерения температуры особо ответственных объектов, эксплуатируемых без остановки в течение длительного времени (несколько тысяч часов) с помощью термопар. Известен способ измерения температуры [1], заключающийся в пропускании через термопару электрического тока соответствующей полярности, регистрации установившегося значения показаний термопары, охлаждении спая термопары потоком воздуха при отключенном токе, с последующим нагреванием спая током того же значения и определением измеряемой температуры по установившемуся значению показаний термопары. Недостатками этого способа измерения являются низкая точность, сложная проце дура выполнения измерения и необходимость в термопреобразователе специальной конс трукции. Эти недостатки обусловлены тем, что на измерение сильно сказываются малейшие колебания температуры измеряемой среды, происходящие в момент измерения, а также изменения коэффициента теплоотдачи термопреобразователя, и при измерении в потоке газа, скорость которого меньше 1 м/с, измерение температуры становится невозможным изза очень длительного (десятки минут) наступления теплового равновесия термопреобразователя. Наиболее близким по своей технической сущности к изобретению является способ определения температуры, основанный на определении погрешности термопары при измеряемой температуре. Погрешность определяется путем сравнения температу о 9774 ры, измеренной термопарой с дополнительным термоэлектродом, идентичным по материалу одному из термоэлектродов термопары, и температуры, измеренной резистором, расположенным в зоне рабочего 5 спая термопары и присоединенным к нему и дополнительному термоэлектррду, которая определяется путем измерения на нем термошумового напряжения [2]. Для измерения по этому способу требу- 10 ется сложная измерительная аппаратура, которая измеряет термошумовое напряжение, амплитуда которого составляет доли и единицы микровольта. Погрешность измерения большая, что в свою очередь приво- 15 дит к б ольшой погрешности измерения температуры термопарой. Наличие в устройстве резистора, который располагается в зоне рабочего конца термопары, приводит к увеличению габаритов устройства и, еле- 20 довательно, к динамической погрешности измерения. определения текущей систематической погрешности. На фиг.1 схематически показана термопара с добавочным термоэлектродом, на фиг.2 - температурные зависимости термоЭДС от величины отношения термо-ЭДС термопары. Основные термоэлектроды обозначены (см. фиг.1) буквами "а" и "b", a дополнительный термоэлектрод - "с", температурные зависимости термо-ЭДС Еао и Еа с термопар, образованных термоэлектродами "а" и "сп и их коэффициенты термоЭДС, равные УаЬ - Eab/T И уаС - Еас/Т, показаны на фиг.2, где Т - значение температуры. При условии, что термопары стабильные (начало эксплуатации ТП), отношение ТЭДС S при любой температуре измерения Ти равно _ УаЬ Ти _ УаЬ Еас Еас О) При реализации известного способа Ти Уас также возникает погрешность, обусловлен- 25 ная термоэлектрической неоднородностью Таким образом, величина S определяется вызванной нестабильностью термопары через коэффициенты термо-ЭДС и не завиприводящей к наличию распределения тем- сит от температуры. Под действием дестапературы по ее длине. билизирующего фактора г(длительность В основу изобретения поставлена зада- 30 эксплуатации, влияние высоких температур ча создания такого способа измерения теми т.п.) коэффициенты уаь и уас изменяются. пературы, в к отором за счет измерения Закон этих изменений от влияния фактора диаметра дополнительного термоэлектрода х неизвестен. После воздействия фактора, обеспечивается возможность определения г коэффициенты примут значения у аь\ и величины текущей систематической по- 35 Уасі. Измеряя термо-ЭДС термопар Еаы и грешности термопары, что приводит к повыEact при измеряемой температуре Ти, полшению точности измерения температуры в учим условиях длительной эксплуатации под воздействием дестабилизирующих факторов. = Eab1 _УаЫ Поставленная задача решается тем, что 40 (2) в способе определения температуры, заключающемся в измерении термо-ЭДС, ус- Если стабильность термопары "ab" тановленной на объекте первой термопары с больше, чем термопары "ас" значение Si дополнительным термоэлектродом, иден- будет меньше S2, т.к. при работе термопар тичным по материалу одному из основных 45 их термо-ЭДС уменьшается под термоэлектродов, согласно изобретению, воздействием дестабилизирующих измеряют термо-ЭДС второй термопары, факторов г. Очевидно, можно записать, что образованной вторым основным термоэлектродом первой термопары и дополнительным (3) (4) термоэлектродом, выполненным с 50 fac( ї) диаметром, отличным от диаметра второго основного термоэлектрода, и по измеренным термо-ЭДС находят значение коэффициента термо-ЭДС первой термопары, по которому и следовательно, (5) определяют искомую температу- 55 Уас Р У. Изменение диаметра дополнительного Таким образом, величина S однозначно святермоэлектрода приводит к появлению корзана с фактором г, но зависимость(5), также реляционной связи между термо-ЭДС термопар, которая используется для . 9774 как и зависимости (3) и (4) неизвестна. Зависимость (5) можно записать r=Fs (S) (6) Подставив (6) в (3), получим yab=fab[Fs(S)]-Fbs (S) (7) Таким образом, существует однозначная зависимость Fbs между коэффициентом термо-ЭДС и отношением коэффициентов термо-ЭДС двух термопар, которые изменяются под влиянием дестабилизирующего фактора г. Зная зависимость (7), можно определить действительную температуру Тд. Как следует из выражения (7) и (5), условием возможности использования способа является различная стабильность термопар. Из этого следует, что в устройстве для определения температуры по этому способу два термоэлектрода должны отличаться диаметром, т.к. стабильность их зависит от диаметра либо должны быть различными по составу. Зависимость (7) определяется для конкретной конструкции типа ТП на предприятии-изготовителе при, например, проведении ресурсных испытаний ТП. Определяя при измеряемой температуре значения термо-ЭДС термопар Еаь и Еас на основании (2) вычисляют текущее значение величины S, т.е. дет достигнута более высокая точность, т.к. величины термо-ЭДС Еаь и Еас будут примерно равными. Типичная зависимость у- F(S), постро5 енная для хромель-алюминиевой термопары с диаметром термоэлектродов 1,2 мм, с дополнительным алюмелевым электродом диаметром 1,8 мм, показана на фиг.З. Величина S изменяется от 1 до 0,95 при работе 10 термопары 12000 часов и температуре 800°С. Величина у при этом изменяется от 40 до 36 мкв/°С. Пример. Для измерения температуры 800-900°С 15 используется хромель-алюминиевая термопара с основными термоэлектродами "а", "Ь" диаметром 0,8 мм и дополнительным алюмелевым термоэлектродом "с" диаметром 1,2 мм. Термопара работает в комплек20 те с показывающим прибором типа ПСР. Через 500-600 часов необходимо определить погрешность термопары, не снимая ее с места эксплуатации. Зависимость (7) можно аппроксимиро25 вать определенным алгебраическим выражением для термопары с основными и дополнительным термоэлектродами, равного диаметра, зная поэлектродную зависимость нестабильности во времени. 30 Для термопары данной конструкции: - Fb s ( - 601£- 20. мкв/°С (III) ac tac 35 при условии, что значение отношения ТЭДС лежит в пределах от 1 до 0,95. Предположим, что прибор ПСР показываST ~ Eab/Eac ет, что измеряемая температура Ти551840°С, т.е. при условии, что начальный коэффициент По известной зависимости (7) определяют текущее значение уаь (т), а затем - измеря- 40 у3ь принят равным уаь ** 40 мкВ/°С при градуировке прибора ПСР. Требуется опредеемую температуру по формуле лить действительно значение температуры. Тд « Eab/ УаЬ(т) Для этого с помощью внешнего измери-45 тельного прибора (более точного, чем прибор Погрешность измерения будет определяться погрешностью, с которой определя- ПСР) измеряют значения термо-ЭДС Еаь и ется действительное значение текущего Еас, т.е. термо-ЭДС на термоэлектродах "ab" и "ас", соответственно. Предположим, что они коэффициента у аь (т) по зависимости (7). равны: Еаь ш 33,3 мВ и Еас я 50 =35,0 мВ. Использование термопары с дополниОпределяют отношение тельным термоэлектродом, идентичным по материалу одному из основных термоэлектEab родов, позволяет получить более высокую 0,95 3 :ас точность измерения, т.к. одинаковые по хи3,3 мическому составу термоэлектроды будут 35,0 более точно изменять свой коэффициент 55 термо-ЭДС под воздействием фактора Подставив значение S в (HI) получим Уаь = г (см. выражение 3 и 4). В этом случае на60 • 0,95 - 20 - 37 мкВ /°С (0,037 мВ /°С) чальная величина отношения термо-ЭДС Действительное значение температуры равравна S - -1. При этом следует отметить, что но при измерении величины отношения S, бу 9774 д |£ 33.3/0,037 - 900°С Абсолютная погрешность определения температуры термопарой составляет ДТ - Ти Тд * 840 - 900 - -60°С Принципиально можно измерение тер-мо-ЭДС Е8ь и Еас осуществить прибором ПСР, но в этом случае погрешность измерения величины отношения S будет равна удвоенной погрешности прибора ПСР, что нельзя считать приемлемым. Измерение температуры можно было бы провести и в случае, если бы термоэлектрод "с" по диаметру был бы меньшим диаметра термоэлектродов "а" и "Ь". В этом случае формула (Ні) выглядела бы по другому: с увеличением работы термопары величина S увеличилась бы, т.к. скорость изменения величины Еас была бы большей 8 чем Eab, т.к. нестабильность тонкого провода "с", была бы большей, чем толстого "Ь". Предложенный способ определения температуры позволяет в любой момент 5 времени определить погрешность ТП, не снимая его с работающего объекта. Для этого нет необходимости в стабилизации режима работы объекта с целью стабилизации коэффициента теплоотдачи и 10 температуры ТП, как этого требует способ [1]. Значение текущей погрешности ТП, которая является систематической погрешностью, позволяет ее учесть и этим самым резко увеличить технический ресурс ТП за 15 счет обеспечения достоверности определения действительного значения температуры объектов, в частности, атомных энергетическикустановок, с которых термопара не может б ыть с нята для проверки б ез их 20 остановки. т*ие.2 Упорядник Замовлення 4551 Техред М.Моргентал Коректор М.Самборська Тираж Підписне Державне патентне відомство України, 254655, ГСП, КиТв-53, Львівська пл . 8 Відкрите акціонерне товариство "Патент", м Ужгород, вул Гагарина, 101