Термоелектричний пристрій для вимірювання температури

Термоелектричний пристрій для вимірювання температури, який містить напівпровідникову термопару з електродами діркової та електронної провідностей, вільні кінці яких підключені до клемної колодки та до входу першого автоматичного двополюсного перемикача, до виходу якого підключені послідовно з'єднані нормуючий підсилювач, аналого-цифровий перетворювач і мікропроцесорний контролер, до виходу якого підключені послідовно з'єднані цифро-аналоговий перетво 3 вимірювання багатофункціональними термосенсорами: Навч. посібник - К.: Либідь, 2000. - с. 212 217] забезпечує підвищення точності за рахунок додаткового охолодження та наступного нагрівання робочого кінця термопари теплотою Пельтьє, яка поглинається або виділяється в робочому кінці додаткової термопари, з'єднаної робочим кінцем з робочим кінцем основної термопари. Вимірювання температури у пристрої обчислюється за результатами трьох вимірювань термоЕРС термопари, яка розміщена в тепловому об'єкті, і з урахуванням трьох вимірювань термоЕРС, які повинні проводитися перед початком експлуатації пристрою в процесі його калібровки. У відомому пристрої є додаткова похибка через гальванічний контакт робочих кінців основної та додаткової термопар. Із-за кінцевого значення опору спільного робочого кінця двох термопар струм охолодження (нагрівання) проникає із додаткової термопари в основну термопару і спотворює значення термоЕРС від вимірюваної температури. При ізоляції робочих кінців відносно один одного виникає похибка від неідентичності їх характеристик, зокрема від нерівності їх коефіцієнтів Пельтьє. Відомий також термоелектричний пристрій для вимірювання температури [Патент України № 38540А, МПК G01K 13/02, 2001 р.], який містить напівпровідникову термопару з електродами діркової та електронної провідностей, вільні кінці яких підключені до клемної колодки та до входу першого автоматичного двополюсного перемикача, до виходу якого підключені послідовно з'єднані нормуючий підсилювач, аналого-цифровий перетворювач і мікропроцесорний контролер, до виходу якого підключені послідовно з'єднані цифроаналоговий перетворювач, перетворювач напруги в струм та другий автоматичний двополюсний перемикач, виходи якого з'єднані з входами першого автоматичного двополюсного перемикача, при цьому керуючі входи автоматичних двополюсних перемикачів підключені до логічних виходів мікропроцесорного контролера, до іншого виходу якого підключений цифровий індикатор. Завдяки відключенню електродів термопари від джерела постійного струму на час вимірювання термоЕРС вільних кінців виключено вплив падіння напруги на електродах від постійного струму на результат вимірювання температури. Але при цьому виникає методична похибка від охолодження додатково нагрітого робочого кінця термопари або навпаки нагріву охолодженого робочого кінця. Особливо це стосується теплоти Пельтьє, яка виділяється або поглинається в контактному шарі робочого кінця з малою масою. Тому у відомому пристрої трудно забезпечити високу точність вимірювання температури. Крім того, результат калібровки термопари перед початком її експлуатації залежить від опору електродів термопари. В процесі роботи термопари, особливо в агресивному середовищі, змінюється не тільки коефіцієнт Зеєбека і коефіцієнт Пельтьє, а і опір напівпровідникових електродів. В результаті виникає додаткова похибка від невідповідності кількості теплоти Джоуля при вимірюваннях і калібровці. 54936 4 В основу корисної моделі покладена задача створення такого термоелектричного пристрою для вимірювання температури, в якому введення нових елементів та зв'язків забезпечило б сталість додаткового охолодження та нагрівання робочого кінця термопари при вимірюванні її термоЕРС з виключенням впливу падіння напруги в електродах від постійного струму на значення цієї термоЕРС, що забезпечить підвищення точності вимірювання температури в процесі тривалої експлуатації. Поставлена задача вирішується тим, що в термоелектричний пристрій для вимірювання температури, який містить напівпровідникову термопару з електродами діркової та електронної провідностей, вільні кінці яких підключені до клемної колодки та до входу першого автоматичного двополюсного перемикача, до виходу якого підключені послідовно з'єднані нормуючий підсилювач, аналого-цифровий перетворювач і мікропроцесорний контролер, до виходу якого підключені послідовно з'єднані цифро-аналоговий перетворювач, перетворювач напруги в струм та другий автоматичний двополюсний перемикач, виходи якого з'єднані з входами першого автоматичного двополюсного перемикача, при цьому керуючі входи автоматичних двополюсних перемикачів підключені до логічних виходів мікропроцесорного контролера, до іншого виходу якого підключений цифровий індикатор, згідно з корисною моделлю, в нього додатково введені третій електрод діркової провідності, термостат та подільник струму, виконаний з двох послідовно з'єднаних низькоомних резисторів і потенціометра, включеного між ними, клемна колодка розміщена в термостаті, при цьому вільний кінець третього електрода діркової провідності з'єднаний з виходами автоматичних двополюсних перемикачів, інші виходи яких з'єднані з потенціометром, а низькоомні резистори підключені паралельно вільним кінцям електродів діркової і електронної провідностей. Введення в термоелектричний пристрій термостата, подільника струму із двох послідовно включених низькоомних резисторів і потенціометра, включеного між ними, та третього електрода діркової провідності, включених і розміщених указаним способом, дозволяє провести додаткові вимірювання термоЕРС термопари при охолодженні робочого кінця і його нагріванні без переривання постійного струму різної полярності. За рахунок нових зв'язків між входами і виходами автоматичних двополюсних перемикачів можна з вимірюванням термоЕРС охолодженою і підігрітою термопарою одночасно вимірювати падіння напруги на її електродах при двох напрямках проходження струму. Обчислювальна обробка результатів вимірювання трьох значень термоЕРС та двох значень падінь напруг на електродах термопари за запропонованим алгоритмом дозволяє виключити вплив на результат вимірювання температури нестабільностей основних параметрів напівпровідникової термопари, а саме: коефіцієнта Зеєбека (чутливості), коефіцієнта Пельтьє (рівня охолодження та додаткового нагрівання) і опору електродів з електронною та дірочною провіднос 5 тями. Результат вимірювання після запропонованої обробки проміжних вимірювань визначається тільки цифровими кодами, отриманими в процесі автоматичних вимірювань. Це дозволяє відмовитися від калібрувальних вимірювань, які дають інформацію про невиключені із вимірювального рівняння параметри термопари (електричний опір, теплоємність та інші теплофізичні параметри). Завдяки введенню указаних елементів і новим зв'язкам з елементами, що використовувалися раніше, досягнуто підвищення точності вимірювання температури в процесі тривалої експлуатації без періодичних калібровок і підстройок. На фігурі зображена електрична функціональна схема термоелектричного пристрою для вимірювання температури. Пристрій містить напівпровідникову термопару із електродів 1 і 2 з дірковою та електронною провідностями, одні кінці яких утворюють робочий кінець 3 термопари, розміщений в зоні вимірюваної температури ТХ, а вільні кінці термопари виведені на клемну колодку 4, яка розміщена в термостаті 5 з температурою Т0. В термопару введений третій електрод 6 з дірковою провідністю, включений між робочим кінцем 3 термопари і клемною колодкою 4. До клем вільних кінців електродів 1 і 2 паралельно підключений подільник струму, який містить послідовно з'єднані низькоомні резистори 7, 8 і потенціометр 9, включений між ними. Одна пара входів першого автоматичного двополюсного перемикача 10 з'єднана з вільними кінцями електродів 1 і 2, друга пара входів цього перемикача з'єднана з вільним кінцем третього електрода 6 і рухомим контактом потенціометра 9. Виходи автоматичного двополюсного перемикача 10 з'єднані з різнополярними входами нормуючого підсилювача 11, вихід якого через аналого-цифровий перетворювач (АЦП) 12 з'єднаний з цифровим входом мікропроцесорного контролера (МПК) 13, цифровим виходом з'єднаного зі входом цифроаналогового перетворювача (ЦАП) 14. Вихід цифро-аналогового перетворювача 14 з'єднаний з входом перетворювача напруги в струм 15, різнополярні виходи якого з'єднані з входами другого автоматичного двополюсного перемикача 16. Протилежні виходи кожної із пар цього перемикача з'єднані між собою і утворюють загальні різнополярні виходи. Один із виходів з'єднаний через клемну колодку 4 з третім електродом 6 діркової провідності напівпровідникової термопари, другий вихід з'єднаний з рухомим контактом потенціометра 9. Керуючі входи обох автоматичних двополюсних перемикачів 10, 16 підключені до логічних виходів мікропроцесорного контролера 13. Результат обчислювальної обробки проміжних вимірювань в мікропроцесорному контролері 13 виводиться на цифровий індикатор 17. Термоелектричний пристрій працює наступним чином. У відповідності з програмою, записаною в мікропроцесорному контролері 13, автоматичні двополюсні перемикачі 10 і 16 установлюються у вихідну позицію, яка показана на рисунку. При цьому цифрові перетворювачі 12 і 14 обнулені. ТермоЕРС Е,, яка генерується робочим кінцем 3 термо 54936 6 пари відносно її вільних кінців на клемній колодці 4, підсилюється нормуючим підсилювачем 11. Підсилена напруга U1=KE1=Кε1(Т1-Т0), (1) де K - коефіцієнт підсилення нормуючого підсилювача 11; ε1 - коефіцієнт термоЕРС (коефіцієнт Зеєбека) напівпровідникових електродів 1, 2 з дірковою та електронною провідностями при температурі T1; Т1=ТX - вимірювана температура. Напруга (1) перетворюється за допомогою АЦП 12 в код K 1 N1 T1 T0 q1 , (2) де q1 - одиниця молодшого розряду АЦП 12. Код (2) вводиться в МПК 13, де запам'ятовується. Далі за програмою МПК 13 в ЦАП 14 вводиться код N0, який формує на його виході напругу U0, яка в перетворювачі напруги в струм 15 перетворюється в електричний струм I0=q2N0, (3) де q2 - одиниця молодшого розряду ЦАП 14. Постійний струм (3) через другий автоматичний двополюсний перемикач 16 поступає в електроди 1, 2 і 6. В робочому кінці 3 термопари в контакті різнорідних електродів 1 і 6 за рахунок ефекту Пельтьє при вихідному напрямку струму виникає поглинання тепла, і робочий кінець 3 термопари охолоджується до температури Т2=Т1-ΔТ1, (4) де ΔT1 - температура охолодження робочого кінця 3 термопари. При цьому напруга на виході нормуючого підсилювача 11 зменшується за рахунок зниження термоЕРС термопари. Але падіння напруги на електродах 1 і 2 від охолоджуючого струму на це зменшення не впливає, так як падіння напруги на низькоомних резисторах 7 і 8 подільника струму I0 направлені в різні сторони. Проте, необхідно врахувати, що одночасно з поглинанням теплоти Пельтьє в зоні контакту здійснюється і виділення теплоти Джоуля в самих електродах 1 і 2. Тому реальна температура охолодження робочого кінця 3 термопари буде визначатися сумарним теплом: 2 0,5I0R F , (5) де р2- коефіцієнт Пельтьє робочого кінця 3 термопари при температурі Т2; R - сумарний опір електродів 1, 2 і 6 з урахуванням поділу струму між електродами 1 і 2; λ - теплопровідність середовища контролю температури ТX; F - площа теплообміну робочого кінця 3 термопари; δ - глибина розсіювання тепла в середовищі контролю. Коефіцієнт 0,5 у виразі (5) відображає той факт, що половина теплоти Джоуля із електродів поступає в робочий кінець 3 термопари, а половина - в клемну колодку 4, де вона розсіюється в термостаті 5. T1 p 2I0 7 54936 Згідно з співвідношенням (5) код підсиленої нормуючим підсилювачем 11 напруги охолодженої термопари приймає значення N2 Т2. K 2 T1 q1 p 2I0 2 0,5I0R F T0 , (6) де ε2 - коефіцієнт термоЕРС при температурі Код (6) вводиться в МПК 13 і запам'ятовується. За черговою командою МПК 13 перший автоматичний двополосний перемикач 10 переводиться в протилежне значення. При цьому на нормуючий підсилювач 11 впливає падіння напруги від струму (3) на електродах 1,2 і 6. На виході АЦП 12 формується черговий код K N3 I0R Uk q1 , (7) де Uk - контактна різниця потенціалів робочого кінця 3 термопари. Код N3 (7) також запам'ятовується в МПК 13. Далі командою МПК 13 другий автоматичний двополюсний перемикач 16 переводиться в протилежне положення, що приводить до зміни напрямку струму (3) через робочий кінець 3 термопари. Відповідно змінюється і полярність падіння напруги на електродах 1, 2 термопари. Значення коду на вході АЦП 12 K N4 I0R Uk q1 , (8) який також запам'ятовується в МПК 13. У зв'язку зі зміною напрямку струму через робочий кінець 3 термопари в ньому здійснюється виділення теплоти Пельтьє. Температура робочого кінця 3 зростає до значення T3=T1+ΔT2, (9) де ΔT2 - температура додаткового нагрівання робочого кінця 3 термопари. Командою МПК 13 перший автоматичний двополосний перемикач 10 знову повертається у вихідну позицію. Підвищене значення термоЕРС термопари підсилюється нормуючим підсилювачем 11 і перетворюється АЦП 12 в код N5 K 3 T1 q1 p 3I 0 2 0,5I0R F T0 , (10) де ε3 і p3 - коефіцієнт Зеєбека і Пельтьє при температурі Т3. Код N5 (10) вводиться та запам'ятовується в МПК 13. Після виконання указаних операцій обнуляється ЦАП 14, автоматичний двополюсний перемикач 16 повертається у вихідну позицію і цикл вимірювання повторюється. Необхідно врахувати, що реальне охолодження і додаткове нагрівання електричним струмом (0,5-1,5 А) робочого кінця 3 термопари не перевищує 3-5К, тобто ΔT