Термоелектричний перетворювач із можливістю імітації заданої похибки

Реферат: Термоелектричний перетворювач із можливістю імітації заданої похибки складається із чохла, головки з контактами та підключеної до цих контактів термопари, електроди якої ізольовані від чохла чотириканальними керамічними бусами. До одного з електродів підключені два відводи з металу, термоелектричні властивості якого різко відрізняються від термоелектричних властивостей електродів термопари, виведені через вільні канали бус та підключені до розміщених у головці контактів. Місця підключення відводів вибирають так, щоб при імітації експлуатації вони потрапили у зону градієнта профілю температурного поля вздовж електродів термопари. UA 115931 U (54) ТЕРМОЕЛЕКТРИЧНИЙ ПЕРЕТВОРЮВАЧ ІЗ МОЖЛИВІСТЮ ІМІТАЦІЇ ЗАДАНОЇ ПОХИБКИ UA 115931 U UA 115931 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до засобів вимірювання температури і може бути використана для дослідження способів і пристроїв корекції похибок найбільш розповсюджених [1] первинних вимірювальних перетворювачів (давачів, сенсорів) температури - термоелектричних перетворювачів, чутливим елементом яких є термопари. Широке розповсюдження термоелектричних перетворювачів і термопар зумовлене їх широким діапазоном вимірювання (від мінус 200 до 2500 °C [1]), простотою конструкції (два провідники зварені одними кінцями), механічною міцністю та невисокою ціною. Однак точність термопар доволі невисока, їм притаманні наступні основні види похибок: 1. великі початкові відхилення їх функції перетворення від номінальної - для найбільш поширених термопар типу хромель-алюмель (ХА) досягають 5,5 °C при 600 °C та 8 °C при 1100 °C [2]; 2. значний дрейф функції перетворення термопар в процесі тривалої експлуатації при високих температурах - для термопар типу ХА досягає 0,5 °C при 600 °C та 10 °C при 1100 °C за час експлуатації 1000 годин [3]; 3. велика похибка від набутої в процесі тривалої експлуатації при високих температурах термоелектричної неоднорідності електродів термопар - для термопар типу ХА досягає 2 °C при 600 °C та 11 °C при 1100 °C за час експлуатації 1000 годин [3]. Відомі способи корекції початкових відхилень функції перетворення термопар зводяться до їх первинної повірки та корекції похибок за її результатами [4]. Способи корекції похибок від дрейфу функції перетворення термопар в процесі тривалої експлуатації зводяться до їх періодичної повірки в умовах експлуатації [4] та побудові індивідуальної математичної моделі дрейфу. Найбільш досконалі індивідуальні математичні моделі дрейфу будують за допомогою нейронних мереж [5]. Способи корекції похибки від набутої в процесі тривалої експлуатації при високих температурах термоелектричної неоднорідності електродів термопар зводяться до створення штучного постійного профілю температурного поля вздовж термоелектродів термопари, що вимірює температуру об'єкта [6], або до повірки термопари у декількох профілях температурного поля та навчанні нейронної мережі, яка повинна прогнозувати похибку термопари у всіх інших профілях температурного поля [7]. Властивості та межі застосування всіх перелічених вище способів підвищення точності вимірювання температури вимагають детального дослідження. Відомі два найбільш розповсюджені способи дослідження - імітаційне моделювання [8] та проведення натурного експерименту [9]. Перевагою імітаційного моделювання є простота реалізації, тобто відсутність необхідності у використанні спеціалізованих засобів. Також цей метод дає можливість дослідити можливості способів у різноманітних умовах (навіть таких, які або дуже складно, або і неможливо реалізувати). Його недоліком є необхідність спеціального обґрунтування адекватності моделей, які використовуються при дослідженні, та імовірність не врахування факторів, що суттєво впливають на результати дослідження (наприклад впливу різноманітних завад). Перевагою натурних експериментальних досліджень є вплив на результат всіх впливаючих факторів, притаманних умовам проведення експерименту. А недоліками - складність (часто необхідність створення спеціалізованих стендів або пристроїв), тривалий час експериментальних досліджень та неможливість реалізації широкого спектра дії на досліджуваний спосіб впливаючих факторів. Як видно з переліченого, способи імітаційного моделювання та проведення натурного експерименту є взаємно протилежними - недоліки одного перекриваються перевагами іншого. Їх доцільно використовувати одночасно та порівнювати отримані результати. Однак тоді необхідно максимально наближувати умови деяких контрольних результатів. В ідеалі доцільно провести імітаційне моделювання та натурний експеримент для одних і тих самих умов. Тоді результати повинні співпасти, а їх різниця буде характеризувати некоректності при реалізації обох способів. Але для відтворення умов імітаційного моделювання при проведенні натурного експерименту може бути непростою задачею - необхідно мати пристрої, що реалізують задані при імітаційному моделюванні параметри. Якщо для електронних вимірювальних приладів імітація заданої похибки вимірювання реалізується доволі просто, то для термопар це є складною задачею - такі термопари невідомі. Кожна термопара має свою індивідуальну похибку, яка змінюється згідно з протіканням індивідуальних процесів деградації її електродів. Задачею корисної моделі є створення термоелектричного перетворювача, в якому передбачена можливість заданої зміни поточної похибки його чутливого елемента - термопари у процесі експериментальних досліджень способів і засобів корекції похибки вимірювання температури. 1 UA 115931 U 5 10 15 20 25 30 Суть корисної моделі полягає у тому, що у стандартний термоелектричний перетворювач, що складається із чохла, головки з контактами та підключеної до цих контактів термопари, електроди якої ізольовані від чохла чотириканальними керамічними бусами, вводять два додаткові відводи, виконані з металу або сплаву, термоелектричні властивості якого різко відрізняються від термоелектричних властивостей електродів термопари. Ці виводи підключають (приварюють, припаюють твердим припоєм або зачеканюють) до одного з електродів термопари, бажано того, що при однакових температурах створює разом із платиновим електродом більшу термо-е.р.с. (має більшу чутливість). Місця підключення цих відводів вибирають так, щоб ці місця при імітації експлуатації термопари потрапили у зону градієнта профілю температурного поля вздовж електродів термопари. Згадані два відводи виводять через вільні канали бус і підключають до розміщених у головці контактів. Наприклад, для термоелектричного перетворювача типу хромель-алюмель довжиною корпусу 120 см, що розміщений у печі із стінкою товщиною 40 см так, щоб всередині печі перебував робочий кінець довжиною 20 см (ззовні печі перебуває частина корпусу довжиною 60 см), відводи слід підключати на відстані 25 см та 55 см від робочого кінця (65 см та 95 см від головки термоелектричного перетворювача). Відводи слід підключати до хромелевого електрода, його чутливість приблизно у три рази вища за чутливість алюмелевого електрода. Матеріалом, що має термоелектричні властивості різко відмінні від термоелектричних властивостей електродів термопари типу хромель-алюмель, може бути мідь (при дослідженні при температурах не вище 350 °C) або сталь (при вищих температурах). На схемі представлено термопари типу хромель-алюмель (електроди А та X1 + Х2 + Х3) з відводами М1 і М2. Профіль температурного поля вздовж електродів термопари при її експлуатації - ABCD - подано внизу схеми. У такому профілі температурного поля основну термо-е.р.с. генерує ділянка L3-L4 термопари. Ділянки L1-L2 та L2-L3, а також правіше L4, не генерують термо-е.р.с. - на їх кінцях відсутня різниця температур. Похибку поданої на схемі термопари можна змінювати шляхом закорочення контактів 3 і 4. Тоді, при умові, що відводи мідні, отримуємо максимальну зміну генерованої термо-е.р.с, тобто максимальну задану похибку. Адже вся ділянка Х2 перестає генерувати термо-е.р.с. Значення цієї похибки можна визначити шляхом вимірювання напруги на контактах 3 і 4. Якщо до виводів 3 і 4 підключити змінний резистор, можна буде створювати проміжні значення похибки термопари шляхом зміни опору цього резистора. При цьому значення створеної похибки завжди можна контролювати шляхом вимірювання напруги на контактах 3 і 4 (на виводах змінного резистора) та порівняння її з напругою, створеною на контактах 3 і 4 без навантаження. ZAD Абсолютне значення похибки  TP , яка задається, можна обчислити за формулою: 35 34 ZAD  E3  4  ERN , TP VIL 34 40 45 50 55 34 де E VIL - напруга на вільних виводах 3 і 4 (без навантаження); ERN - напруга на виводах 3 і 4 при підключенні резистора навантаження. Таким чином, задача корисної моделі - можливість заданої зміни поточної похибки чутливого елемента термоелектричного перетворювача - термопари - під час експериментальних досліджень досягнута. Пропонований термоелектричний перетворювач може знайти широке застосування при експериментальному дослідженні способів і пристроїв корекції похибки термопар, що використовуються у прецизійних системах вимірювання температури. Джерела інформації: 1. Енциклопедія термометрії / Я.Т. Луцик, Л.К. Буняк, Ю.К. Рудавський, Б.І. Стадник. - Львів: Видавництво Національного університету "Львівська політехніка", 2003. - 428 с. 2. Перетворювачі термоелектричні. Номінальні статичні характеристики перетворення: ДСТУ 2837-94. - [Чинний від 1986-04-01] - К.: Держстандарт України, 1994. - (Національний стандарт України). 3. Васильків Н.М. Підвищення точності вимірювання температури термопарами в процесі експлуатації автореф. дис. … канд. техн. наук: 05.11.04 / Н.М. Васильків. - Львів, 2011. - 20 с. 4. J.E. Brignell, "Digital compensation of sensors, " Journal of Physics E: Scientific Instruments, 1987. - Vol. 20, № 9. - Р. 1097-1102, http://iopscience.iop.Org/article/10.1088/0022-3735/20/9/005. 5. Патент № 50830 Україна, МПК 7 G06F 15/18. Спосіб формування навчальної вибірки прогнозуючої дрейф пристрою збору даних нейронної мережі / Саченко А., Кочан В., Турченко В., (Україна) Головко В., Савіцький Ю. (Білорусь), Лаопоулос Т. (Греція) - заявл. 04.01.2000; Опубл. 15.11.2002. - 14 с. 6. Пат. № 97464 Україна, МПК G01K 15/00. Термоелектричний перетворювач / Кочан О.В., Кочан Р.В. - заявл. 22.02.2007. 2 UA 115931 U 5 10 15 7. Пат. 92192 Україна, МПК G01K 7/02. Спосіб корекції похибки неоднорідності термопар / Васильків М., Кочан О.В., Кочан В.В. - № а200805623; заявл. 29.04.2008; опубл. 10.11.09, Бюл. № 21. 8. Е. Winsberg. Simulated Experiments: Methodology for a Virtual World. Philosophy of Science, 70 (January 2003) Р. 105-125. http://www.unibi.de/ZIF/FG/2006Application/PDF/Winsberg_essay.pdf. 9. G.W. Oehlert. A First Course in Design and Analysis of Experiments. 2010. http://users.stat.umn.edu/~gary/book/fcdae.pdf. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Термоелектричний перетворювач із можливістю імітації заданої похибки, що складається із чохла, головки з контактами та підключеної до цих контактів термопари, електроди якої ізольовані від чохла чотириканальними керамічними бусами, який відрізняється тим, що до одного з електродів підключені два відводи з металу, термоелектричні властивості якого різко відрізняються від термоелектричних властивостей електродів термопари, виведені через вільні канали бус та підключені до розміщених у головці контактів, причому місця підключення відводів вибирають так, щоб при імітації експлуатації вони потрапили у зону градієнта профілю температурного поля вздовж електродів термопари. Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3