Пристрій для вимірювання різниці температур

Изобретение относится к измерению температур и может быть использовано для повышения точности термоэлектрических дифференциальных измерителей разности температур с вмонтированными в контролируемый объект первичными измерительными преобразователями, демонтаж которых невозможен из-за трудного доступа к ним и агрессивности окружающей среды. Известно устройство для измерения разности температур, содержащее два термоэлектрических термопреобразователя (ТЭП), соединенных по дифференциальной схеме, выход которой подключен к регистратору, при этом рабочие концы ТЭП погружаются в контролируемые среды с разными температурами, а свободные концы находятся при одинаковой температуре. По развиваемой в контуре ЭДС определяют разность температур, используя соответствующий участок градуировочной ТЭП (1). Недостатком устройства является низкая точность измерения из-за неидентичности градуировочных характеристик (ГХ) ТЭП, обусловленной их начальным технологическим разбросом и прогрессирующим случайным временным дрейфом ГХ, который сильно проявляется в процессе длительной эксплуатации ТЭП в условиях высоких температур и агрессивности контролируемых сред. Известно устройство для измерения разности температур, в котором периодически вычисляется корректирующая поправка результата измерения на основе известного закона изменения (математической модели) прогрессирующей погрешности применяемых термопреобразователей (2). Недостатком устройства является сложность получения математических моделей прогрессирующих погрешностей применяемых ТЭП, особенно, если условия эксплуатации этих ТЭП не постоянны, а изменяются. В этом случае для каждой температуры эксплуатации ТЭП коэффициенты математической модели также изменяются, что обуславливает появление существенной методической погрешности. Наиболее близким по технической сущности является устройство для измерения разности температур, которое содержит соединенные встречно первый и второй термоэлектрические преобразователи с рабочими спаями, резистор и милливольтметр [3]. Однако данное устройство обладает низкой точностью измерения из-за дрейфа номинальных ГХ термопар и невозможности коррекции в реальном масштабе времени погрешности, обусловленной этим дрейфом, при длительной их эксплуатации в тяжелых производственных условиях. В основу изобретения поставлена задача создания устройства измерения разности температур, в котором обеспечивается автоматическая коррекция погрешности измерений, обусловленной неидентичностью градуировочных характеристик термопар из-за их случайного дрейфа в процессе длительной эксплуатации, и за счет этого достигается повышение точности результата измерений. Поставленная задача решается тем, что в устройство для измерения разности температур, содержащее соединенные встречно первый и второй термоэлектрические преобразователи с рабочими спаями, резистор и милливольтметр, согласно изобретению, введены дополнительные резистор, потенциометр и реохорд с подвижными контактами, генератор низких частот, третий и четвертый термоэлектрические преобразователи, соединенные согласно, последовательно подключенные дифференциальный усилитель и фильтр нижних частот, а также последовательно связанные фильтр верхних частот, а также последовательно связанные фильтр верхних частот, усилитель низкой частоты, фазочувствительный выпрямитель и микродвигатель с редуктором, выход которого механически связан с подвижным контактом реохорда, первый и второй термоэлектрические преобразователи соединены между собой через потенциометр, электрически подсоединенный подвижным контактом к подвижному контакту реохорда, выходы генератора низкой частоты подключены к управляющим входам фазочувствительного выпрямителя и к свободным выводам третьего и четвертого термоэлектрических преобразователей, соединенных рабочими спаями с рабочими спаями, соответственно, первого и второго термоэлектрических Преобразователей, свободные выводы которых, соответственно, через резистор и дополнительный резистор связаны с входами дифференциального усилителя, между которыми включен реохорд, при этом выход фильтра нижних частот подключен к входу цифрового милливольтметра, а вход фильтра верхних частот - к выходу дифференциального усилителя. Это дает возможность достичь повышения точности результата измерения разности температур за счет автоматической коррекции составляющей погрешности нуля при неконтролируемых изменениях как чувствительности ТЭП1 и ТЭП2, так и изменения уровней сравниваемых абсолютных температур. На чертеже представлена структурная схема устройства. Устройство содержит термоэлектрические преобразователи (ТЭП) 1 и 2, соединенные своими рабочими спаями с рабочими спаями дополнительных однотипных термоэлектрических преобразователей 3 и 4, резисторы 5 и 6, через которые свободные выводы ТЭП 1 и 2, включенных встречно, соединены со входами дифференциального усилителя 7, к выходу которого через фильтр 8 нижних частот подключен цифровой милливольтметр 9, а также последовательно соединенные фильтр 10 верхних частот, усилитель 11 низкой частоты, фазочувствительный выпрямитель 12и микродвигатель 13 с редуктором 14, который механически соединен с подвижным контактом реохорда 15, включенного между входами дифференциального усилителя 7. Подвижный контакт реохорда электрически соединен с подвижным контактом потенциометра 16, который включен между одноименными электродами термоэлектрических преобразователей 1 и 2, генератор 17 низких частот, симметричные выходы которого соединены с управляющими входами фазочувствительного выпрямителя 12 и свободными выводами ТЭП 3 и 4, включенных согласно. Устройство работает следующим образом. Рабочие спаи ТЭП 1. 2, 3 и 4 соединены механически, например, сваркой и помещены в тепловое поле с температурами T1 и T2 , разность которых подлежит измерению. При встречном включении ТЭП 1 и ТЭП 2 разностная термоЭДС D U будет равна: DU = S1(1+ g1 )T1 - S2 (1+ g 2 )T2 , (1) где S1 = S 2 = S - нормированная чувствительность ТЭП 1 и 2; g1 = D S1 S и g2 = D S2 S относительные погрешности ТЭП 1 и 2, обусловленные технологическим разбросом параметров ТЭП, а также процессами износа и старения, особенно при эксплуатации их в агрессивной среде. В случае непосредственного измерения разностной термоЭДС и неравенстве погрешностей ( g1 ¹ g 2 ) имеем: DU1 = S DT + S( g1T1 - g 2T2 ) (2) При равенстве абсолютных значений температур T1 и T2 (T1 = T2 = T) , возникает погрешность нуля DU2 DU2 = S( g1 - g2 )T , (3) которая не позволяет достоверно измерять малые разности температур. Погрешность нуля (3) трудно учесть или скомпенсировать, так как она зависит от абсолютного уровня сравниваемых температур и степени идентичности ТЭП 1 и ТЭП 2. В настоящем устройстве термоЭДС ТЭП 1 и ТЭП 2 масштабируются делителями напряжения, образованными резисторами 5, 6, реохордом 15 и потенциометром 16, Если сопротивления резисторов 5 и 6 обозначить соответственно RI и R2, то коэффициенты передач K1 и K 2 этих делителей напряжения будут определяться сопротивлениями плеч реохорда в зависимости от положения подвижных контактов реохорда 15 и потенциометра 16. K1 = K2 = R' p R1 + R' n + R' p , (4) R' 'p R1 + R' 'n + R' 'p , (5) где R' p , R' 'p , R' n , R' 'n - сопротивления плеч реохорда 15 и потенциометра 16 соответственно. Тогда на один вход дифференциального усилителя 7 поступает напряжение U1 : U1 = S(1 + g1)K1T1 , (6) а на второй вход - напряжение U2 : U2 = S(1 + g2 )K 2T2 , (7) На выходе дифференциального усилителя 7 формируется разностное напряжение U3 : DU3 = S[(1+ g1 ) - K1T1 - (1+ g 2 )K 2T2 ] , (8) Если T1 = T2 = T , то погрешность нуля DU4 принимает вид: DU4 = S[(1+ g1)K1 - (1 + g 2 )K2 ]T Для автоматической коррекции погрешности измерения от неидентичности ТЭП 1 и ТЭП 2 через ТЭП 3 и ТЭП 4, включенные согласно, пропускают переменный ток от генератора 17 низкой частоты. Значение частоты ft) переменного тока выбирают в диапазоне 0,1-10, Гц, в зависимости от тепловой инерционности используемых ТЭП. Если тепловую постоянную времени ТЭП 1, 3 и ТЭП 2, 4 обозначить через Г, то необходимо при выборе частоты (У соблюдать условие: 2p = (1 + 3 )t , (10) w При выполнении условия (10) за счет эффекта Пельтье в рабочих спаях ТЭП 3 и 4 будет выделяться или поглощаться тепло в зависимости от полярности протекания тока. Так, в случае протекания через спай полуволны переменного тока в нем выделяется (поглощается) теплота Пельтье Q n : w Qn = ±П wp I cos wt dt p ò , (11) о где I - амплитуда переменного тока. В результате этого температура рабочих спаев ТЭП 1 и ТЭП 2 будет периодически с частотой перемен ного тока колебаться относительно температур спаев T1 и T2 . Максимальная температура перегрева (охлаждения) спаев определяется количеством теплоты Пелетье Q n . коэффициентом теплоотдачи спая h и поверхности спая F. При условии, что 2 2p / w >> t , имеем: ± DT = ± П w × hF p p /w П òI cos wtdt = hF × I cp , (12) о где Icp - среднее значение переменного тока. При периодическом изменении полярности протекания тока амплитуда переменной составляющей температуры, с учетом данного соотношения тепловой инерционности спая и фазы переменного тока, будет иметь вид; DT( w) = DTm exp( - 2p / w t ) cos(wt - j) , (13) где