Термоелектричний спосіб вимірювання температури

Термоелектричний спосіб вимірювання температури, при якому розміщують робочий кінець термопари в тепловому контакті з контрольованим об'єктом, вимірюють початкову термоЕРС E1 на вільних кінцях термопари, пропускають через неї постійний струм в напрямі, при якому робочий кінець охолоджується, поступово збільшують та періодично переривають струм, вимірюють термоЕРС E 2 знеструмленої термопари і порівнюють 2 пенсуючий струм, при перериванні якого термоЕРС E 2 досягає свого початкового значення E1 , і визначають температуру за формулою, який відрізняється тим, що попередньо фіксують температуру вільних кінців термопари TO при початковій термоЕРС E1 , додатково включають компенсуючий струм до збільшення термоЕРС E 3 , змінюють напрям протікання компенсуючого струму для нагрівання термопари, відключають компенсуючий струм, вимірюють термоЕРС нагрітої термопари E 4 , включають компенсуючий струм, вимірюють зменшене значення термоЕРС E 5 , а температуру визначають за формулою: E3 E4 E5 E1 TX TO , E3 E4 E5 5E1 де TO - температура вільних кінців термопари. S TX TO , (1) де S - чутливість термопари. У напівпровідникових термопарах чутливість S істотно залежить від різниці температур TX TO , якщо температура TO const . Тому градуювальні характеристики таких термопар нелінійні, а з врахуванням специфіки напівпровідникових матеріалів, і нестабільні в процесі експлуатації. Нелінійність і нестабільність значною мірою обмежує використання напівпровідникових термопар для точних вимірювань температури. Відомий термоелектричний спосіб вимірювання температури (Патент України № 22594А, МПК G01K7/02, 1997 p.), оснований на додатковому нагріванні робочого кінця термопари постійним струмом за рахунок виділення теплоти Пельт'є за (11) E UA ТермоЕРС на виході металевих термопар лінійно залежить від різниці температури робочого кінця TX і температури вільних кінців TO : (19) Корисна модель належить до техніки вимірювання температур за допомогою термопар і може бути використана для підвищення чутливості і точності термоелектричних термометрів за допомогою компенсуючого струму, що протікає через термопару. Для підвищення чутливості термоелектричних термометрів застосовують термопари з напівпровідникових електродів, наприклад, із сплавів вісмуту з оловом і вісмуту з сурмою, що мають високе значення термоелектрорушійної сили (термоЕРС) - 140-160 мкВ/К проти 40-60 мкВ/К у металевих термопар. Ще більші термоЕРС створюють напівпровідникові електроди з електронною та дірковою провідностями. Так, термоелектроди із сплавів сурми з цинком (SbZn) мають електронну провідність і чутливість 200-250 мкВ/К. Термоелектроди із сплаву сурми з кадмієм (SbCd) мають діркову провідність і чутливість 300-400 мкВ/К. Сумарна чутливість термопари з такими електродами досягає значення 500-600 мкВ/К. 54500 (13) U її з початковою термоЕРС E1 , встановлюють ком 3 54500 час, менший теплової постійної термопари, і визначенні температури TX за формулою: TX E1 EO 2 IO t , E2 E1 c m (2) де E1 і E 2 - термоЕРС до нагрівання і після нагрівання робочого кінця термопари; EO - термоЕРС вільних кінців термопари; IO - постійний струм через робочий кінець термопари; t - час нагрівання термопари; c і m - питома усереднена теплоємність робочого кінця термопари і його маса. У формулу (2) не входить чутливість S термопари, а, отже, на покази термоелектричного термометра не впливає її нестабільність і залежність від температури. Проте, необхідність знати теплоємність робочого кінця термопари і похибку у встановленні часу нагрівання, а також невраховування теплоти Джоуля в електродах термопари, знижує точність вимірювання температури TX . Відомий термоелектричний спосіб вимірювання температури (Патент України № 28733А, МПК G01K7/02, 1997 р.), в якому після вимірювання термоЕРС робочий кінець термопари додатково охолоджують постійним струмом за час, менший за теплову постійну термопари, змінюють напрям струму і здійснюють додатковий нагрів робочого кінця термопари за той же проміжок часу, визначають температуру за формулою: TX EK 2EK 2 EK EK E X E X 2E X 2 E X E X EK TK , (3) де EK , E X - термоЕРС в процесі калібрування і початку вимірювань; EK , E X - термоЕРС після охолодження в процесі калібрування і вимірювань; EK , E X - термоЕРС після нагрівання в процесі калібрування і вимірювань; TK - температура калібрування термопари. В процесі експлуатації через старіння і зношення термопари змінюються значення термоЕРС, отримані в процесі калібрування перед початком експлуатації EK , EK , EK при температурі TK . Тому в процесі вимірювання робочих температур TX неминуче виникає похибка. Повторне калібрування в робочих умовах ускладнене, що обмежує можливість високоточних вимірювань температури напівпровідниковими термопарами. Відомий також термоелектричний спосіб вимірювання температури (Патент України № 48611А, МПК G01K7/10, 2002 р.), при якому розміщують робочий кінець термопари в тепловому контакті з контрольованим об'єктом, вимірюють початкову термоЕРС E1 на вільних кінцях термопари, пропускають через неї постійний струм в напрямі, при якому робочий кінець охолоджується, поступово збільшують та періодично переривають струм, вимірюють термоЕРС E 2 знеструмленої термопа 4 ри і порівнюють її з початковою термоЕРС E1 , встановлюють компенсуючий струм, при перериванні якого термоЕРС E 2 досягає свого початкового значення E1 і визначають температуру за формулою. Крім того, відомий термоелектричний спосіб вимірювання температури включає такі операції, як зменшення компенсуючого струму в два рази, повторне охолодження робочого кінця термопари цим струмом на протязі часу, меншого за теплову постійну термопари, нагрівання робочого кінця цим струмом, вимірювання компенсуючого струму і електричної потужності, яка розсіюється в термопарі, і визначення температури, що вимірюється, за формулою: TX E3 E 2 E3 E 2 E3 E 2 E3 E 2 2E1 2E1 W W 2 IK IK TK ,(4) де E1, E2 і E 3 - термоЕРС, виміряні на початку додаткового охолодження і нагрівання; E1, E2 і E 3 - термоЕРС, виміряні в процесі калібрування; W і W - електричні потужності, що розсіюються в термопарі при вимірюванні та калібруванні; IK ,IK - компенсаційні струми при вимірюванні та калібруванні. Вимірювання електричної потужності, що розсіюється в термопарі, при встановленому компенсаційному струмі дозволяє врахувати зміни не тільки чутливості (коефіцієнт Зеєбека), коефіцієнта Пельт’є, але і опір електродів термопари. Проте, зміни умов теплообміну термопари з об'єктом, який контролюють, в процесі додаткового охолодження і нагрівання робочого кінця термопари не враховуються. Зокрема, не враховуються зміни еквівалентної теплоємності, яка впливає як на калібрувальні, так і на поточні значення термоЕРС. В результаті з'являється прогресуюча похибка, яка не дозволяє гарантувати високу точність вимірювання протягом тривалого часу. В основу корисної моделі покладена задача створити такий термоелектричний спосіб вимірювання температури, в якому введення нових операцій і нової розрахункової формули дозволило б виключити всі похибки, що з'являються внаслідок зміни параметрів термопари в процесі її експлуатації, що забезпечить високу точність вимірювання температури напівпровідниковими термопарами. Поставлена задача вирішується тим, що в термоелектричному способі вимірювання температури, при якому розміщують робочий кінець термопари в тепловому контакті з контрольованим об'єктом, вимірюють початкову термоЕРС E1 на вільних кінцях термопари, пропускають через неї постійний струм в напрямі, при якому робочий кінець охолоджується, поступово збільшують та періодично переривають струм, вимірюють термоЕРС E 2 знеструмленої термопари і порівнюють її з початковою термоЕРС E1 встановлюють компенсуючий струм, при перериванні якого термо 5 ЕРС E 2 досягає свого початкового значення E1 і визначають температуру за формулою, згідно з корисною моделлю, попередньо фіксують температуру вільних кінців термопари TO при початковій термоЕРС E1 , додатково включають компенсуючий струм до збільшення термоЕРС E 3 , змінюють напрям протікання компенсуючого струму для нагрівання термопари, відключають компенсуючий струм, вимірюють термоЕРС нагрітої термопари E 4 , включають компенсуючий струм, вимірюють зменшене значення термоЕРС E 5 , а температуру визначають за формулою: E3 E4 E5 E1 TX TO , (5) E3 E4 E5 5E1 де TO - температура вільних кінців термопари. Введення в термоелектричний спосіб вимірювання температури нових операцій по нагріванню термопари компенсуючим струмом, вимірюванню термоЕРС при відключеному і включеному компенсуючому струмі, дозволяє виявити вплив падіння напруги на електродах термопари від компенсуючого струму на термоЕРС як в режимі вимірювання температури контрольованого об'єкту, що нагріває робочий кінець термопари, так і при додатковому нагріві робочого кінця термопари компенсуючим струмом. Переривання компенсуючого струму забезпечує можливість вимірювання термоЕРС тільки в залежності від теплового стану робочого кінця термопари. Подальші включення компенсуючого струму і протікання його по електродах термопари дозволяє врахувати вплив опору термопари на тепловий баланс її робочого кінця. Запропонована формула для визначення температури, що вимірюється, включає тільки термоЕРС, які безпосередньо вимірюються в процесі контролю без використання результатів попереднього калібрування. Це дозволяє врахувати всі зміни параметрів термопари в процесі її експлуатації, а також нелінійну залежність чутливості термопари від значень температури, що забезпечує високу точність вимірювання. На рисунку приведена електрична схема, що дозволяє вимірювати температуру запропонованим способом. На малюнку робочий кінець 1 термопари з електродів 2 і 3 знаходиться в зоні температури, що вимірюється, а її вільні кінці розташовані на мідних колодках 4 і 5 з температурою TO . До потенційних затискачів мідних колодок 4 і 5 підключений мілівольтметр 6, а до струмових затисків мідних колодок 4 і 5 через трипозиційні перемикачі 7 і 8 та реостат 9 підключено джерело 10 постійної напруги. Суть термоелектричного способу вимірювання температури полягає в наступному. На початку вимірювань трипозиційні перемикачі 7 і 8 встановлюють в середньому положенні, і постійний струм від джерела 10 постійної напруги через термопару не протікає. Через різницю тем 54500 6 ператур TX і TO на вільних кінцях термопари виникає термоЕРС, яка згідно (1) дорівнює: E1 TX TO S TX TO , (6) де - коефіцієнт термоЕРС Зеєбека, що визначає чутливість S термопари S . ТермоЕРС (6) вимірюється мілівольтметром 6. Далі трипозиційні перемикачі 7 і 8 переводяться у верхнє положення, і через електроди 2 і 3 та робочий кінець 1 термопари починає протікати постійний струм в напрямку, який викликає охолодження робочого кінця 1 термопари за рахунок поглинання теплоти Пельт'є. Проходження електричного струму через електроди 2 і 3 викликає їх нагрівання за рахунок виділення теплоти Джоуля. Якщо теплота Пельт’є поглинається в контактному переході електродів 2 і 3 в зоні робочого кінця 1 термопари, то теплота Джоуля виділяється по всій довжині електродів 2 і 3. За рахунок теплопровідності електродів 2 і 3, які зазвичай ізолюються, половина теплоти поступає в робочий кінець 1 термопари, а інша половина - в мідні колодки 4 і 5, в яких розсіюється. ТермоЕРС, що виникає в охолодженій термопарі, можна представити як: E2 S TX pI 0.5I2R F TO , (7) де p - коефіцієнт Пельт’є матеріалів електродів, які створює робочий кінець 1 термопари; R - опір електродів 2 і 3 при їх послідовному з'єднанні; I - постійний струм, що задається реостатом 9 і джерелом 10 постійної напруги; - коефіцієнт тепловіддачі робочого кінця 1 термопари в контрольоване середовище; F - площа поверхні теплообміну робочого кінця 1 термопари. При збільшенні струму I спочатку відбувається охолодження робочого кінця 1 термопари. При збільшенні струму починає переважати теплота Джоуля через квадратичну залежність її від струму I2R . В результаті охолодження робочого кінця 1 термопари початкова термоЕРС E1 починає зменшуватися. Процес охолодження і подальшого нагрівання контролюють по мілівольтметру 6, періодично встановлюючи трипозиційні перемикачі 7 і 8 в середнє положення. При збільшенні струму виникає компенсація ефекту Пельт’є, що охолоджує, нагріваючою теплотою Джоуля. Цей стан фіксують мілівольтметром 6, коли термоЕРС термопари E 2 стане рівною початковій термоЕРС E1 : E2 E1 . Рівності (8) відповідає умова: 2 pIK 0.5IKR звідки: p 0.5IKR , 0, де IK - компенсуючий струм. (8) (9) (10) 7 54500 Відповідно до першого термоелектричного співвідношення Томпсона, коефіцієнт Пельт’є пов'язаний з коефіцієнтом Зеєбека таким чином: p TX STX , (11) де TX - температура спаю (робочого кінця 1 термопари). Із врахуванням співвідношення (10) маємо: STX 0.5IKR . (12) Підставляючи значення чутливості S з виразу (6), отримуємо: 0.5IKR TX TX TO , (13) E1 звідки вимірювана температура: IKR TX TO (14) IKR 2E1 Для визначення падіння напруги на електродах 2 і 3 термопари від компенсуючого струму IKR вимірюють термоЕРС при протіканні через електроди 2 і 3 термопари компенсуючого струму. Для цього трипозиційні перемикачі 7 і 8 переводять у верхнє положення. Покази мілівольтметра 6 збільшуються до значення: E3 E1 IKR . (15) Далі трипозиційні перемикачі 7 і 8 переводять в нижнє положення. При цьому змінюється напрям протікання компенсуючого струму через робочий кінець 1 термопари. У цих умовах в робочому кінці 1 термопари починає виділятися теплота Пельт’є, яка додається до теплоти Джоуля. Встановлюють трипозиційні перемикачі 7 і 8 знов в середнє положення і вимірюють значення термоЕРС: E4 S TX pIK 2 0.5IKR F TO (16) Знов трипозиційні перемикачі 7 і 8 переводять в нижнє положення і вимірюють термоЕРС з урахуванням падіння напруги на електродах 2 і 3 термопари від компенсуючого струму. Але через зміну полярності падіння напруги на електродах 2 і 3 від зміни напряму протікання компенсуючого струму вимірювана термоЕРС зменшується: E5 E 4 IKR . (17) Враховуючи результати термоЕРС (6), (15), (16) і (17), що були виміряні, визначають різницю термоЕРС: E5 E3 E 4 IKR E1 IKR , (18) 8 звідки падіння напруги на електродах 2 і 3 термопари: E3 E4 E5 E1 . IKR (19) 2 Підставляючи падіння напруги (19) у вираз (14), остаточно отримуємо значення температури, що вимірюється: E3 E4 E5 E1 TX TO . (20) E3 E4 E5 5E1 В розрахункову формулу (20) входять тільки значення термоЕРС, що були виміряні. При цьому похибка мілівольтметра 6 виключається, оскільки вона входить в чисельник і знаменник отриманого виразу. Похибка визначення температури TX , в основному, залежить від стабільності температури вільних кінців термопари TO . Останню можна стабілізувати термостатуванням або застосуванням електричних схем компенсації з терморезистором. Температура, розрахована по формулі (20), не залежить від ступеня нелінійності статичної характеристики термопари. На відміну від способупрототипу, вимірювання запропонованим способом не вимагає попереднього калібрування. Тому відсутня похибка від часової і температурної деградації калібрувальних термоЕРС. Для реалізації запропонованого способу не потрібні додаткові вимірювання компенсуючого струму міліамперметром і електричної потужності, яка розсіюється в термопарі при її охолодженні і нагріванні, ватметром. Всі вимірювання здійснюються одним мілівольтметром. Запропонований спосіб може бути використаний і для підвищення точності вимірювання високих температур за допомогою термопар з тугоплавких неметалічних з'єднань (графітовольфрамові, з карбіду кремнію, з силіцид-молібдена-силіцидвольфрама і т. п.), які після 25-30 годин експлуатації різко змінюють свої параметри. Запропонований спосіб дозволяє використовувати напівпровідникові термопари до їх повного фізичного зносу, коли порушується електропровідність їх електродів. Для реалізації запропонованого способу немає нагальної потреби у спеціальних конструкціях термопар (трьохелектродні, спарені та ін.), які використовуються у відомих аналогах та прототипі. 9 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков 54500 Підписне 10 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