Пристрій для відтворення реперних точок міжнародної температурної шкали

Пристрій для відтворення реперних точок міжнародної температурної шкали за температурою фазового переходу робочої речовини, виконаний у вигляді циліндричної чарунки з робочою речовиною, по осі якої розташовано циліндричний термометричний колодязь з платиновим термометром опору, а по периметру чар унки розташовано електричний нагрівач, який відрізняється тим, що додатково введено два датчики фазового стану 29723 обробки та індикації, блоку регулювання потужності, нагрівача. На фіг. 1 подано структурну схему запропонованого пристрою. На фіг. 2 подано датчик фазового стану. На фігура х зображено: 1 і 2 - датчики фазового стану робочої речовини (вони є однакові); 3 і 4 – оболонки датчиків 1 і 2, виконані з матеріалу, який не вносить домішок у робочу речовину (наприклад, скло, кварц, кераміка, ...) і являють собою трубку внизу відкриту і розширену, щоб рівень робочої речовини, яка затече у трубк у, був не набагато вище, ніж нижній край трубки, зверху тр убка також є розширена і закрита; 5 і 6 - вертикальні стержні датчиків 1 і 2, поміщені в оболонки 3 і 4 і виконані з того ж самого матеріалу, що й ці оболонки і внизу мають плоский кінець, щоб був міцнішим зв'язок з робочою речовиною; 7 і 8 - горизонтальні стержні, жорстко прикріплені до стержнів 5 і 6 і знаходяться у верхніх розширених частинах оболонок 3 і 4; 9 і 10 - стержні з магнітного матеріалу (див. фіг. 2), прикріплені до кінців стержня 7 (такі самі стержні з магнітного матеріалу прикріплено і до кінців стержня 8 у датчику 2); 11 і 12 - котушки електромагнітів, які приводять в обертально-коливний рух стержні 5 і 6 (кожна з них складається з двох частин, намотаних ізольованим дротом), втягаючи стержні з магнітного матеріалу то в одн у частин у ци х котушок, то в іншу; 13 і 14 - котушки індуктивного датчика переміщень (вони також складається з двох частин, намотаних ізольованим дротом, кожна); 15 і 16 - опірники (див. фіг. 2), які разом з двома частинами котушки 13 утворюють електричний міст, до однієї з діагоналей якого підімкнуто змінну напругу (наприклад, з частотою 50 Гц) (такий самий електричний міст утворено і в датчику 2 з використанням двох частин котушки 14); 17 і 18 - блоки обробки та індикації, підімкнені до других діагоналей електричних мостів індуктивних датчиків переміщень (кожен з цих блоків являє собою, наприклад, послідовно з'єднані між собою: випрямляч з фільтром, тригер Шмітта, одновібратор і індикатор, наприклад, світлодіод); 19 - генератор імпульсів для живлення котушок 11 і 12 електромагнітів; 20 – циліндрична чарунка з робочою речовиною; 21 – термометричний колодязь, поміщений у чар унку 20; 22 - платиновий термометр опору (який градуюють за допомогою реперних точок, побудованих на використанні температури фазового переходу робочої речовини), поміщений у термометричний колодязь 21; 23 і 24 - тверда і рідка фази робочої речовини; 25 - електричний нагрівач, розташований по периметру чарунки 20 і виготовлений з високоомного дроту; 26 - блок регулювання потужності нагрівача 25, виконаний, наприклад, з використанням електромагнітних реле або тиристорів; 27 – теплоізоляційна кришка чарунки 20. Пристрій працює так. На кожну з частин котушок 11 і 12, які прикріплено до верхніх розширених частин (які знаходяться ззовні чарунки 20 над теплоізоляційною кришкою 27) оболонок З і 4, по черзі поступають імпульси з генератора 19. На одну з діагоналей електричних мостів, які складаються з двох частин котушки 13 і опірників 15 та 16 (у датчику фазового стану 1) і з двох частин котушки 14 та відповідних опірників (у датчику фазового стану 2), подають змінну напругу. Магнітний стер жень 9 намагатиметься втягтися то в одну, то в іншу частину котушки 11. Але через те, що зараз робоча речовина перебуває у твердому стані, стержні 5 і 6 датчиків 1 і 2 нею міцно утримуватимуться і магнітний стержень 9 датчика фазового стану 1 (і відповідний магнітний стержень датчика фазового стану 2), а також стержень 7 і прикріплений до нього магнітний стержень 10 (і стержень 8 і відповідний магнітний стержень у датчику фазового стану 2), не рухатимуться. На виходах датчиків фазового стану 1 і 2 (на других діагоналях електричних мостів) амплітуда змінної напруги або дорівнюватиме нулеві (коли магнітний стержень 10 буде розташований симетрично відносно обох частин котушки 13), або якійсь величині (коли магнітний стержень 10 буде розташований несиметрично). На виходах випрямлячів з фільтрами блоків обробки та індикації 17 і 18 буде нульова або певна постійна напруга. А на вихода х тригерів Шмітта цих же блоків також буде 0 або постійна напруга. А на виходах одновібраторів цих же блоків напруга дорівнюватиме нулеві. На нагрівач 25 подають живлення і робоча речовина почне розтоплюватися. Межа між твердою 23 і рідкою 24 фазами робочої речовини (на фіг. 1 цю межу показано вертикальними пунктирними лініями) переміщуватиметься у бік спільної осі чарунки 20 і термометричного колодязя 21 і, отже, наближатиметься до стержня 6 датчика фазового стану 2. Коли ця межа підійде до стержня 6, він почне здійснювати обертально-коливні рухи навколо своєї осі. Магнітний стержень індуктивного датчика переміщень, який знаходиться у котушці 14, також почне рухатися і на виході електричного мосту амплітуда сигналу то зростатиме, то спадатиме до нуля, то знову зростатиме. На виході випрямляча з фільтром блоку обробки та індикації 18 матимемо напругу, яка мінятиметься між нулем і певною величиною. На виході тригера Шмітта цього ж блоку обробки та індикації з'являться прямокутні імпульси, які запускатимуть одновібратор цього ж блоку обробки та індикації, на виході якого також будуть прямокутні імпульси, які подаються на світловий індикатор блоку обробки та індикації 18. Цей індикатор сповістить, що вже можна провадити вимірювання опору ПТО 22. Імпульси з виходу блоку обробки та індикації 18 також поступають на вихід блоку 26 регулювання потужності нагрівача 25 і заставлять блок 26 зменшити потужність, яка подається на нагрівач 25. Це сповільнить переміщення межі між твердою 23 і рідкою 24 фазами робочої речовини і подовжить час, протягом якого можна провадити вимірювання опору ПТО 22. Через те, що датчик фазового стану 1 розташовано трохи ближче (приблизно на 1 мм) до спільної осі чарунки 20 і термометричного колодязя 21, біля його стержня 5 робоча речовина буде ще у твердому стані, стержень 5 не здійснюватиме обертально-коливні рухи і світловий індикатор на виході блоку обробки та індикації 17 не світитиметься. Коли межа між твердою 23 і рідкою 24 фазами робочої речовини дійде до стержня 5 датчика фазового стану 1, то він почне здійснювати обертально-коливні рухи навколо своєї осі і на виході блоку обробки та індикації 17 індикатор світити 2 29723 меться, що буде сигналом припиняти вимірювання опору ПТО 22. Теоретичне обгрунтування Як відомо [2], якщо відтворювати реперну точку, використовуючи температуру кристалізації (топлення) не зовсім чистої робочої речовини, то температура кристалізації (топлення) залежатиме від співвідношення між рідкою і твердою фазами речовини: N 1 (1) T = T0 - × A f де: Т0 - температура кристалізації (топлення) абсолютно чистої речовини; N - кількість домішки; А кріоскопічна стала; f=L/(L+M) - відносна частка рідкої фази; L - абсолютна кількість рідкої фази; М абсолютна кількість твердої фази. Похибка через незнання f дорівнює 0,5¸5 мК, що для еталона є занадто багато. Якщо вміти міряти f, то ми матимемо температуру трохи (на N/(A×f)) меншу, ніж температура кристалізації (топлення) абсолютно чистої речовини. Якщо домовитись, щоб усі використовували тільки певну величину f, то похибка через незнання f зменшиться. Знаючи Т0 і N/A, можна розрахува ти Т для заданої f. Розрахуймо похибку визначення температури Т як функцію від s=1/f і визначмо виграш від знання s. Як правило, робоча речовина знаходиться у циліндричній чарунці 20, а платиновий термометр опору 22 - у циліндричному термометричному колодязі 21 (див. фіг. 1). Якщо нагрівати чарунку 20 ззовні, то робоча речовина почне розтоплюватися. Межа між твердою 23 і рідкою 24 фазами робочої речовини переміщува тиметься від бічної стінки чарунки 20 у напрямку до спільної осі чарунки 20 і термометричного колодязя 21. Позначмо радіус цієї межі літерою r. Тоді матимемо: s= = ' ds sr × d r 2 dr = = × . 2 s s r (5) æRö ç ÷ -1 çr÷ è ø З формули (5) видно, що відносна похибка s залежить тільки від R і r (а від Н і h ні). Ми мусимо прагнути до того, щоб ця похибка була якомога менша. Цього можна досягти, вибираючи радіус R чарунки 20 по можливості більшим порівняно з іншими радіусами. Щоб одержати числові величини, наведімо такий приклад (близький до реальності). Нехай R=30 мм, r=10 мм, r=15 мм, Н=180 мм, h=7 мм. Тоді з формул (2) і (3) одержимо: s=1,19. А з формули (5) матимемо: ds/s=0,044×dr. Якщо абсолютна похибка при вимірюванні радіуса (r) межі між рідкою і твердою фазами робочої речовини становитиме, наприклад, dr=1 мм (що є цілком реально), то ds/s=0,044=4,4%. І, отже, з формули (1) матимемо: Т=Т0-(N/A)×s=T0-(N/A)×1,19. Якщо, наприклад, N/А=1,5 мК і s може мінятися в інтервалі 1¸3, то похибка через незнаття s може дорівнювати 3 мК. Тобто Т=Т0-1,5(1¸3) мК = Т0(1,5¸4,5) мК. А коли ми робитимемо вимірювання температури робочої речовини при відомому s з обчисленою вище відносною похибкою ds/s=4,4%, то матимемо: абсолютна похибка Ds=1,19×0,044=0,052, а Т=Т 0-1,5(1,19±0,052) мК. Тобто абсолютна похибка температури дорівнюватиме 1,5×0,052= =0,078 мК. Отже, виграш у точності дорівнюватиме 3/0,078=38,5 разів. Для визначеності розгляньмо випадок, коли для реперної точки використовують температуру топлення робочої речовини. Чарунку 20 нагрівають ззовні. Коли вся речовина зробиться рідкою, помістімо в неї вертикально стержень (виготовлений, наприклад, зі скла, кварцу або кераміки) на певній віддалі від спільної осі чарунки 20 і термометричного колодязя 21. Тепер припинімо нагрівання і почекаймо доки робоча речовина стане твердою. Якщо прикласти до стержня момент сили, спрямований так, щоб обертати його навколо своєї осі, то обертання не відбудеться, бо затверділа робоча речовина його міцно утримуватиме. Якщо тепер чарунку 20 нагрівати ззовні, то робоча речовина почне розтоплюватися. Межа між рідкою і твердою фазами рухатиметься у напрямку до спільної осі чарунки 20 і термометричного колодязя 21. Коли ця межа дійде до нашого стержня, то його можна буде рухати навколо своєї осі. Отже, ми знатимемо, що межа між рідкою і твердою фазами зараз знаходиться у тому ж самому місці, що і стержень. Якщо на іншому радіусі розташувати ще один такий же стержень, але трохи (наприклад, на 1 мм) ближче до спільної осі чарунки 20 і термометричного колодязя 21, то доки до нього не дійде межа між твердою 23 і рідкою 24 фазами робочої речовини, його обертати ми не зможемо. Отже, ми знатимемо, що межа між твердою 23 і рідкою 24 фазами робочої речовини знаходиться між стержнями і ми можемо провадити вимірювання опору платинового термометра опору. Ми знатимемо радіус межі між твердою 23 і рідкою 24 фазами робочої речовини з точністю порядку 1 мм. Отже, по p(R2 - r 2 )H + pr 2 h = p(R 2 - r2 )H (R2 - r 2 )H + r 2 h = (R2 - r 2 )H C æ rö 1- ç ÷ èR ø 2 , (2) де: 2 (R2 - r 2 )H + r 2h æ hö æ r ö (3) = 1- ç1 - ÷ ç ÷ ; Hø èR ø HR2 è R - внутрішній радіус чарунки 20; r - зовнішній радіус термометричного колодязя 21; r - радіус межі між твердою 23 та рідкою 24 фазами робочої речовини, відповідно; Н - висота рівня робочої речовини над дном чарунки 20; h - віддаль між дном термометричного колодязя 21 і дном чарунки 20. Знайдемо похибку s як функцію від r: 2C r s 'r = 2 × . R é æ r ö2 ù2 (4) ê1- ç ÷ ú ê èRø ú ë û Відносна похибка дорівнюватиме: C= 3 29723 хибка за рахунок незнаття співвідношення між твердою і рідкою фазами робочої речовини значно зменшиться (у кілька десятків разів). Через те, що другий кінець стержня мусить бути ззовні чарунки 20 (тобто стержень повинен проходити крізь теплоізоляційну кришку 27 чарунки 20), то стержень мусить знаходитися у оболонці. Рідка робоча речовина не повинна затікати в оболонку, щоб не заважати стержневі рухатися. Для цього оболонка повинна бути зверху герметично закрита. Тому пропонується така конструкція датчика фазового стану робочої речовини (див. фіг. 1 і фіг. 2). У запропонованому пристрої використовуються два однакових таких датчики. Стержень 5 знаходиться в оболонці 3, яка являє собою трубку внизу розширену, щоб рівень робочої речовини, яка затече у трубку, був не набагато вище, ніж нижній край трубки. Зверху тр убка також є розширена і має форму, зображену на фіг. 2 (позиція 3). Стержень 5 унизу має плоский кінець для того, щоб був міцнішим зв'язок з робочою речовиною. Зверху до стержня 5 прироблено горизонтальний стержень 7, до кінців якого прироблено стержні 9 і 10, зроблені з магнітного матеріалу. В одному кінці верхньої розширеної частини оболонки 3 знаходиться котушка 11. Вона складається з двох частин, намотаних ізольованим дротом. Якщо по черзі подавати електричну напругу то на одну частину котушки 11, то на іншу, то магнітний стержень 9 рухатиметься то до однієї частини котушки 11, то до іншої. Разом з ним рухатиметься (здійснюватиме обертально-коливні рухи навколо своєї осі) також стержень 5 і другий магнітний стержень 10. Біля стержня 10 знаходиться котушка 13, яка складається також з двох однакових частин. Дві частини котушки 13 і опірники 15 і 16 створюють електричний міст. На одну з діагоналей цього мосту подають змінну напругу. Коли магнітний стержень 10 буде розташований симетрично відносно обох частин котушки 13, то напруга на другій діагоналі мосту дорівнюватиме нулеві. Коли ж магнітний стержень 10 переміститься з симетричної позиції, то на другій діагоналі мосту з'явиться напруга. Напруга з другої діагоналі подається на блок обробки і індикації 17, який складається, наприклад, з послідовно з'єднаних: випрямляча з фільтром, тригера Шмітта, одновібратора і індикатора, наприклад, світлодиода. На виході випрямляча будуть імпульси, які потрапляють на тригер Шмітта, на виході якого виникнуть прямокутні імпульси. Ці імпульси потрапляють на вхід одновібратора. На його виході виникатимуть прямокутні імпульси сталої тривалості тільки тоді, коли стержень 5 здійснюватиме обертально-коливні рухи навколо своєї осі. Коли стержень 5 не рухатиметься, то на виході одновібратора 16 напруга дорівнюватиме нулеві. Імпульси з виходу одновібратора потрапляють на індикатор, який сигналізує, що у місці розташування цього датчика робоча речовина знаходиться у рідкому стані. Таких датчиків фазового стану є два. Їх розташовано на різних радіусах і на різних віддалях від осі чарунки 20 (різниця цих віддалей є не велика, порядку 1 мм). Межа між твердою 23 і рідкою 24 фазами робочої речовини спочатку підходить до вертикального стержня 6 датчика фазового стану 2, розташованого далі від осі чарунки 20. Світловий індикатор блоку обробки та індикації 18, підімкненого до виходу датчика фазового стану 2, почне світитися, а світловий індикатор блоку обробки та індикації 17, підімкненого до виходу датчика фазового стану 1, не світитиметься. В цей час ми можемо міряти опір ПТО. Коли світловий індикатор і блоку обробки та індикації 17 почне світитися, то вимірювання треба припиняти. Отже, коли обидва світлові індикатори одночасно не світяться, або обидва одночасно світяться, то міряти опір ПТО не можна. Коли ж світловий індикатор блоку обробки та індикації 18 світиться, а блоку 17 ні, то міряти опір ПТО можна. Отже, ми провадитимемо вимірювання опору ПТО тільки тоді, коли межа між твердою та рідкою фазами робочої речовини знаходитиметься між датчиками фазового стану 1 і 2. А через те, що положення межі між рідкою і твердою фазами робочої речовини однозначно визначає співвідношення s між рідкою і твердою фазами робочої речовини (див. формули (2) і (3)), то вимірювання опору ПТО провадитимуться за відомого співвідношення s. Джерела інформації 1. П. Маркаріно, Р. Дематеїс (Італія), "Реалізація МТШ-90 у діапазоні використання платинових термометрів опору зі стрижневим датчиком у інституті метрології "Дж. Колонетті" (IMGC)". // Измерительная техника. - 1993. - № 12. - С. 58. 2. Александров Ю.І. та ін., "Температура реперної точки і її визначення". // Измерительная техника. - 1992. - № 5. - С. 36. 4 29723 Фіг. 1 Фіг. 2 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2002 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 35 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 5