Термопарний вологомір

1. Термопарний вологомір, що містить термопару, виконану з двох електродів різнорідних термоелектричних матеріалів зі спільним робочим кінцем, вільні кінці яких розміщені на двох мідних колодках, з'єднаних з прямим та зворотним інверсними входами диференціального підсилювача, і двополюсний перемикач полярності, який відрізняється тим, що в нього додатково введені аналого-цифровий перетворювач напруги, мікропроцесорний контролер, цифро-аналоговий перетворювач зі струмним виходом, ЕОМ, подільник струму, виконаний з двох низькоомних резис U 1 3 Пельтьє робочого спаю двох термопар, а відповідно, і температури робочого кінця термопарного вологоміра. Ці температурні зміни викривляють інформативні зміни термоЕРС датчика від змінювання вологості досліджуваного матеріалу. Використання параметричної компенсації в ланці нагріву-охолодження робочого кінця термопар [Скрипник Ю.О., Каламеєць Т.П., Юрчик Г.В. Термоелектричний метод вимірювання вологості з автокорекцією температурних похибок / Вісник КНУТД, №2(40), 2008. - с.55-60] не забезпечує повної компенсації похибки від непостійності коефіцієнта Пельтьє через нестабільність і нелінійність терморезистора в колі нагріву (охолодження) вимірювальної термопари. Відомий також термопарний вологомір [Патент України №70166А, МПК G01N25/56, 2004 p.], що містить термопару, виконану з двох електродів різнорідних термоелектричних матеріалів зі спільним робочим кінцем, вільні кінці яких розміщені на двох мідних колодках, з'єднаних з прямим та зворотним інверсними входами диференціального підсилювача, і двополюсний перемикач полярності. Крім того, відомий пристрій включає генератор змінної напруги підвищеної частоти, джерело регульованої напруги постійного струму, фазочутливий випрямляч, фільтр нижніх частот і цифровий вольтметр. Нагрівання спільного робочого кінця двох термопар змінним струмом виключає вплив коефіцієнта Пельтьє на результат вимірювання вологості. Проте, нагрівання робочого кінця термопар тільки теплотою Джоуля приводить до зниження чутливості вологоміра, так як теплота Джоуля виділяється по всьому об'єму електродів термопари, а не тільки в робочому кінці. На результат вимірювання впливає непостійність температури досліджуваного матеріалу, а також нестабільність коефіцієнта підсилення диференціального підсилювача, коефіцієнтів перетворення фазочутливого випрямляча та фільтра нижніх частот. Значний вплив на точність роботи вологоміра здійснює непостійність параметрів самої термопари, які змінюються в процесі експлуатації, особливо, при роботі в агресивному середовищі або високих температурах. В основу корисної моделі поставлена задача створити такий термопарний вологомір, в якому введення нових елементів та зв'язків виключило б вплив непостійності параметрів вимірювальної схеми і навколишнього середовища на показ вологоміра, що забезпечить підвищення достовірності вимірювання вологості різних матеріалів та середовищ. Поставлена задача вирішується тим, що термопарний вологомір, що містить термопару, виконану з двох електродів різнорідних термоелектричних матеріалів зі спільним робочим кінцем, вільні кінці яких розміщені на двох мідних колодках, з'єднаних з прямим та зворотним інверсними входами диференціального підсилювача, і двополюсний перемикач полярності, згідно з корисною моделлю, додатково введені аналого-цифровий перетворювач напруги, мікропроцесорний контролер, цифро-аналоговий перетворювач зі струмним виходом, ЕОМ, подільник струму, виконаний з двох 53266 4 низькоомних резисторів та потенціометра, ключ, третя мідна колодка і додатковий електрод, який включений між робочим кінцем термопари і третьою мідною колодкою, з'єднаною через ключ з одним виходом двополюсного перемикача полярності, другий вихід якого з'єднаний з рухомим контактом потенціометра подільника струму, включеного паралельно входам диференціального підсилювача, вихід якого з'єднаний через аналогоцифровий перетворювач напруги з цифровим входом мікропроцесорного контролера, цифровий вихід якого через цифро-аналоговий перетворювач з'єднаний з входами двополюсного перемикача полярності, керуючий вхід якого з'єднаний з одним логічним виходом мікропроцесорного контролера, другий логічний вихід якого з'єднаний з керуючим входом ключа, а керуючий вхід мікропроцесорного контролера з'єднаний з виходом ЕОМ. Доцільно, щоб додатковий електрод був виконаний з того ж термоелектричного матеріалу, що і один з електродів термопари. Введення в схему термопарного вологоміра аналого-цифрового перетворювача напруги, мікропроцесорного контролера, цифро-аналогового перетворювача зі струмним виходом, ЕОМ, подільника струму з двох низькоомних резисторів та потенціометра, ключа, третьої мідної колодки і додаткового електрода, включених указаним способом, дає можливість охолоджувати і нагрівати робочий кінець термопари електричним струмом різної полярності без зміни термоЕРС вільних кінців термопари, яка підсилюється диференціальним підсилювачем з подільником струму на його вході. Програмне керування ключом та двополюсним перемикачем полярності від ЕОМ через мікропроцесорний контролер забезпечує роздільне вимірювання термоЕРС термопари при її охолодженні та нагріванні за рахунок теплоти Пельтьє в робочому кінці, яка створюється в результаті контакта додаткового електрода з електродом термопари з іншого термоелектричного матеріалу. Обчислювальна обробка результатів проміжних вимірювань при охолодженні та нагріванні робочого кінця термопари забезпечує визначення теплопровідності досліджуваного матеріалу в заданій точці з виключенням впливу непостійності потужності охолодження-нагрівання, нестабільності підсилення термоЕРС термопари, а також неконтрольовані зміни чутливості термопари внаслідок деградації її параметрів в процесі тривалої експлуатації. Визначення вологості в різних точках досліджуваного матеріалу в автоматичному режимі за допомогою ЕОМ, в пам'ять якої введена калібрувальна залежність теплопровідність - вологість, з урахуванням алгоритму автоматичної корекції похибок вимірювальної схеми забезпечує підвищення достовірності вимірювання вологості різних матеріалів та середовищ. Виконання додаткового електроду з того ж термоелектричного матеріалу, що і один з електродів, дає можливість виключити вплив непостійності параметрів вимірювальної схеми і навколишнього середовища на показ вологоміра, що 5 забезпечить підвищення достовірності вимірювання вологості різних матеріалів та середовищ. На кресленні зображена електрична схема термопарного вологоміра. Схема вологоміра містить термопару з робочим кінцем 1 та електродами 2 і 3 з різнорідних термоелектричних матеріалів. Додатковий електрод 4 виконаний з того ж матеріалу, що і один із електродів, наприклад 3, і з'єднаний з їх спільним робочим кінцем. Вільні кінці електродів 2, 3, 4 розміщені на мідних колодках 5, 7 і 6. Колодки 5, 7 з'єднані з прямим та інверсним входами диференціального підсилювача 8. Паралельно входам диференціального підсилювача 8 включений подільник струму, виконаний з низькоомних резисторів 9 і 10 та потенціометра 11. До виходу диференціального підсилювача 8 підключений аналоговоцифровий перетворювач (АЦП) напруги 12, цифровий вихід якого з'єднаний з входом мікропроцесорного контролера (МПК) 13. До цифрового виходу МПК 13 підключений цифро-аналоговий перетворювач (ЦАП) 14 зі струмним виходом. Керуючий вхід МПК 13 з'єднаний з ЕОМ 15. До різнополярних виходів ЦАП 14 підключений двополюсний перемикач полярності 16, один вихід якого з'єднаний через ключ 17 з мідною колодкою 6, другий вихід з'єднаний з рухомим контактом потенціометра 11. Керуючий вхід ключа 17 з'єднаний з першим логічним виходом МПК 13, а керуючий вхід двополюсного перемикача полярності 16 з'єднаний з його другим логічним виходом. Позицією 18 позначений досліджуваний зволожений матеріал, а позицією 19 позначена зона розсіювання тепла від робочого кінця підігрівної термопари. Термопарний вологомір працює таким чином. Робочий кінець 1 термопари приводиться в тепловий контакт з досліджуваним матеріалом 18. Алгоритм роботи термопарного вологоміра визначається програмою, що введена в мікропроцесорний контролер 13, ключ 17 розмикається і додатковий електрод 4 термопари обезструмлюється. Робочий кінець 1 приймає температуру досліджуваного матеріалу 18 в зоні контакта. ТермоЕРС на вільних кінцях термопари приймає значення (1) E1= 1T1- 0T0, де 1- коефіцієнт Зеєбека (коефіцієнт термоЕРС) робочого кінця 1 при вимірюваній температурі T1; 0- коефіцієнт Зеєбека вільних кінців термопари при температурі T0 мідних колодок 5 і 7. ТермоЕРС (1) підсилюється диференціальним підсилювачем 8 і перетворюється з допомогою АЦП 12 в цифровий код K1 N1 ( 1T1 0T0 ) , (2) q1 де K1 - коефіцієнт підсилювання диференціального підсилювача 8; g1 - одиниця молодшого розряду АЦП 12. Код (2) вводиться в МПК 13, де запам'ятовується. Далі у відповідності з програмою в ЦАП 14 вводиться цифровий код N0, який формує постійний струм заданого значення 53266 6 I0=g2N0, (3)де g2 - одиниця молодшого розряду ЦАП 14. Одночасно логічними командами МПК 13 двополюсний перемикач 16 установлюється у вихідне положення, а ключ 17 замикається. Постійний струм (3) через додатковий електрод 4 надходить в спільний робочий кінець 1 термопари. В контакті різнорідних електродів 2 і 4 за рахунок ефекта Пельтьє здійснюється поглинання тепла, і робочий кінець 1 охолоджується до температури T2 T1. При охолодженні робочого кінця 1 термопари термоЕРС на мідних колодках 5 і 7 знижується до значення (4) E2= 2T2- 0T0, де 2 - коефіцієнт Зеєбека при новій температурі T2. При цьому на вхідну напругу диференціального підсилювача 8 струм I0, що створює падіння напруги на електродах 2 і 3 та на резисторах 9 і 10 подільника струму, не впливає. Це обумовлено тим, що указане падіння напруги відносно входів диференціального підсилювача 8 мають однакову полярність і у вхідному колі диференціального підсилювача 8 взаємно віднімаються. Тому, підсилюється тільки різнополярна термоЕРС (4) термопари з додатково охолодженим робочим кінцем 1. При визначенні температури T2 робочого кінця необхідно враховувати, що одночасно з поглинанням теплоти Пельтьє здійснюється і виділення теплоти Джоуля по всій довжині електродів 2, 3 і 4, а також в самому спільному робочому кінці 1. Частина тепла, що виділяється в електродах, за рахунок теплопровідності електродів поступає в мідні колодки 5, 6 і 7, а частина тепла поступає в спільний робочий кінець 1 термопари. Тому, результуюча температура робочого кінця І при струмі I0 буде визначатись виразом 2 p2l0 K 2l0R (5) r, F де р2 - коефіцієнт Пельтьє різнорідних електродів 2 і 4 при температурі T2; K2 - коефіцієнт, що відображає частку теплоти Джоуля, яка поступає в робочий кінець 1; R - сумарний опір електродів 2, 3 і 4 з урахуванням опору робочого кінця 1; - коефіцієнт теплопровідності досліджуваного матеріалу 18 в зоні контакту з робочим кінцем 1 термопари; F - площа поверхні теплообміну робочого кінця 1 термопари з досліджуваним матеріалом 18; r - ефективний радіус зони розсіювання тепла в досліджуваному матеріалі 18. ТермоЕРС E2 підсилюється в диференціальному підсилювачі 8 і за допомогою АЦП 12 перетворюється в цифровий код. При невеликому охолодженні (T1-T2 T1) можна вважати, що 2= 1, а p2=p1. Тому значення другого цифрового коду T2 T1 2 K1 p l K 2l0R [ 1(T1 1 0 r ) 0T0 ] . (6) q1 F Цифровий код N2 також вводиться в МПК 13 і запам'ятовується в оперативній пам'яті. Наступною командою МПК 13 перемикач полярності 16 переводиться в протилежне положення. При цьо N2 7 53266 му змінюється напрямок проходження струму I0 через робочий кінець 1 термопари. В результаті зміни полярності струму I0 в робочому кінці 1 починається виділятись теплота Пельтьє, а температура робочого кінця 1 підвищується до значення T3 T1 p3l0 2 K 2l0R r. (7) F З урахуванням (7) термоЕРС термопари на вільних кінцях E3 (8) 3T3 0T0 , де 3 - коефіцієнт Зеєбека при підвищеній температурі T3. Вважаючи, як і при реальному охолодженні, що T3-T1 T1, цифровий код на виході АЦП 12 2 K1 p1l0 K 2l0R [ 1(T1 r ) 0T0 ] , (9) q1 F Цифровий код (9) також вводиться та запам'ятовується в МПК 13. Далі за програмою двополюсний перемикач полярності 16 переводиться у вихідне положення, ключ 17 розмикається і температура робочого кінця 1 термопари приймає початкове значення T1. Далі процес вимірювання повторюється. В МПК 13 на базі запам'ятованих кодів визначається відносна різниця кодів N3 N2 , Np (10) N1 Підставивши у вираз (10) значення кодів (9), (6) і (2), отримаємо N3 N2 2 1p1l0r (11) N1 F( 1T1 0T0 ) У відповідності з першим термоелектричним співвідношенням Томсона коефіцієнт Пельтьє p1 (12) 1T1 Підставивши (12) у вираз (11), отримаємо N3 2 N3 N2 2 1 T1l0r . (13) N1 F( 1T1 0T0 Як видно з виразу (13) відносна різниця кодів не залежить від нестабільності коефіцієнта підсилення диференціального підсилювача (K1), нестабільності АЦП (g1), опору електродів термопари (R), коефіцієнта нагрівання робочого кінця (K2). Так як температура робочого кінця (T1) входить в чисельник та знаменник відносної різниці, мінімізовано вплив T1 на значення відносної різниці кодів. Аналогічно знижено вплив нелінійності характеристики термопари (залежності коефіцієнта термоЕРС від температури) на це відношення. Для виключення теплофізичних параметрів термопари, які визначають інтенсивність теплообміну робочого кінця з матеріалом (F, r, T i ) проводять калібровку термопарного вологоміра у матеріалі з відомим коефіцієнтом теплопровідності (відомою вологістю) при певній калібрувальній температурі Tk. Результати калібровки можна по аналогії з (13) подати у вигляді N3k N2k N1k 2 2 1k T1kl0r , kF( 1k T1k 0T0 ) (14) 8 де k - відомий коефіцієнт теплопровідності (відома вологість) матеріалу. Відношення відносних різницевих кодів (13) і (14) (N3k N2k )N1 (N3 N2 )N1k 2 1k T k ( 1T 1 1 2 1 T ( 1k 1 0T0 ) 0T0 ) . (15) Як відмічалось вище вплив абсолютних значень температур T1 і Tk на відносні різницеві коди малий. Тому можна вважати, що при T1 T0 2 1k T1k 1k T1k 2 1 T1 0T0 1T1 0T0 . (16) Враховуючи співвідношення (16) відношення (15) відносних різницевих кодів буде пропорціональним відношенню вологостей. (N3k N2k )N1 W , (17) (N3 N2 )N1k Wk k де W і Wk вологості досліджуваного і калібровочного матеріалів. Із відношення (17) випливає, що вимірювана вологість (N3k N2k )N1 W Wk . (18) (N3 N2 )N1k В процесі калібровки коди калібровки N1k , N2k , i N3k , а також значення калібрувальної вологості, заносяться в пам'ять ЕОМ 15. Тому враховуючи коди N1, N2, i N3 , що зберігаються в оперативній пам'яті МПК 13, визначається згідно співвідношенню (18) вологость досліджуваного матеріалу. В результаті комп'ютерної обробки даних проміжних вимірювань (N1, N2 , i N3 ) за запропонованим алгоритмом виключено вплив основних параметрів термопари, а отже, і їх непостійність (коефіцієнта Зеєбека , коефіцієнта Пельтьє р та опору електродів R) на результат вимірювання вологості. Це дозволяє застосовувати менш стабільні, але більш чутливі термопари з напівпровідниковими електродами із матеріалів типу Те, РbТе, Ві2Те3, Si-Ge, CaAs та інших. Чутливість таких термопар в 50-100 раз вища металевих, а за своїми експлуатаційними властивостями вони придатні як для вимірювання низьких, так і високих температур. Так, електрод, виконаний із сплаву SbZn, має високу електронну провідність і коефіцієнт термоЕРС 1 200 250 мкВ/К. Електрод, виконаний із сплаву SbCd, має дірчату провідність і коефіцієнт термоЕРС 2 300 400 мкВ/К. ТермоЕРС напівпровідникової термопари, яка складається із електродів з електронною і дірчатою провідностями, має результуючий коефіцієнт термоЕРС 500-650 мкВ/К. Наведені параметри забезпечують можливість контролювати (вимірювати) вологість капілярно-пористих матеріалів починаючи з 1-2 %. Достоїнством термопарного вологоміра є можливість вимірювання крім вологості також і температури матеріалу. Крім вимірювання поверхневої та внутрішньої вологості текстильних і шкіряних матеріалів та виробів із них можна також вимірювати вологотемпературні параметри високотемпературних 9 53266 парогазових середовищ, де застосування вологомірів інших типів є проблематичним. Зокрема, ефективно використання термопарних вологомірів при волого-тепловій обробці швейних та взуттєвих виробів при температурі пари до 150 С. Необхідно відзначити, що результат калібровки термопарного вологоміра (формула 14) не залежить від непостійності параметрів диференціального підсилювача 8, АЦП напруги 12, параметрів самої термопари з робочим кінцем 1 та температури досліджуваного матеріалу 18. Тому калібров Комп’ютерна верстка Л.Литвиненко 10 ку термопарного вологоміра необхідно проводити перед початком його експлуатації. Цифрові коди калібрувальних операцій можна тривалий час зберігати в пам'яті ЕОМ і застосовувати їх кожного разу згідно (18) для визначення вологості багатьох матеріалів та середовищ при різних температурах. Голчата форма термопари дозволяє контролювати вологість і температуру багатьох в’язкопластичних матеріалів (харчові продукти, горючомастильні матеріали, композити та шаруваті структури) по всьому об єму матеріалу. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601