Термоелектричний спосіб вимірювання температури

1. Термоелектричний спосіб вимірювання температури, при якому розміщують робочий кінець термопари на об'єкті вимірювання температури, поміщають вільні кінці термопари в зону з відомою температурою, вимірюють термо-ЕРС на вільних кінцях термопари, пропускають через термопару постійний струм у напрямі, при якому робочий кінець охолоджується, збільшують струм до компенсуючого значення, при якому термо-ЕРС підігрітого робочого кінця досягає свого початкового значення, переривають компенсуючий струм і визначають температуру за формулою, який відрізняється тим, що переривання компенсуючого струму здійснюють періодичним перемиканням вільних кінців термопари з джерела постійного струму на вимірювач постійної напруги, в один півперіод перемикання формують послідовність імпульсів компенсуючого струму, а в інший півперіод формують послідовність імпульсів термо-ЕРС підігрітої термопари, вимірюють середнє значення імпульсів термо-ЕРС знеструмленої термопари і середнє значення імпульсів падіння напруги в термопарі від компенсуючого струму, а температуру Tx визначають за формулою: Корисна модель належить до виміру температур за допомогою термопар і може бути використана для підвищення чутливості і точності термоелектричних термометрів шляхом надмірних вимірів з використанням компенсуючого струму через робочий кінець термопари. Відомий термоелектричний спосіб вимірювання температури (Патент України № 28733А, МПК G10K07/02,1997 р.), у якому після вимірювання термо-ЕРС робочий кінець термопари охолоджують постійним струмом за час, що менше теплової постійної часу термопари, змінюють напрям постійного струму і нагрівають робочий кінець термопари за той же час, а температуру визначають по формулі, в яку входять додатково виміряні термоЕРС і калібрувальна температура. Проте, через зміни параметрів термопари внаслідок її старіння і зносу додатково виміряні термо-ЕРС в процесі калібрування також змінюються. В результаті виникає значна похибка у визначенні температури за поточними додатково виміряними термо-ЕРС. Відомий термоелектричний спосіб вимірювання температури (Патент України № 48611 А, МПК G01K 7/00,2002р.), при якому додатково до виміряних термо-ЕРС при охолодженні і нагріванні робочого кінця термопари вимірюють електричну потужність, що розсіюється в термопарі при калібруванні і вимірюванні, і вимірювану температуру UE  T0, U  3 E де U - падіння напруги в термоелектродах від компенсуючого струму; E - первинна термо-ЕРС знеструмленої термопари; T0 - температура вільних кінців. (19) UA (11) 66924 Джоуля; П - теплова постійна часу термопари по теплоті Пельтьє. (13) 2. Термоелектричний спосіб вимірювання температури за п. 1, який відрізняється тим, що періодичне перемикання вільних кінців термопари здійснюють з частотою F , за умови, що: 1 0,1  Д   3  П, F де:  Д - теплова постійна часу термопари по теплоті U Tx  3 визначають по формулі з урахуванням калібрувальної температури і результатів додаткових вимірювань. Проте, і цей спосіб не забезпечує високу точність вимірювання, оскільки не враховує зміни в теплообміні охолодженого і нагрітого, робочого, кінців термопари з контрольованим об'єктом між калібруванням і поточними вимірюваннями. Відомий також термоелектричний спосіб вимірювання температури (Патент України № 54500, МПК G01K 7/10,2010 р.), при якому розміщують робочий кінець термопари на об'єкті вимірювання температури, поміщають вільні кінці термопари в зону з відомою температурою, вимірюють термоЕРС на вільних кінцях термопари, пропускають через термопару постійний струм у напрямі, при якому робочий кінець охолоджується, збільшують струм до компенсуючого значення, при якому термо-ЕРС підігрітого робочого кінця досягає свого початкового значення, переривають компенсуючий струм і визначають температуру за формулою. Крім того, у відомому способі переривають компенсуючий струм, щоб виміряти термо-ЕРС нагрітої, але знеструмленої термопари, додатково включають компенсуючий струм, вимірюють збільшене значення термо-ЕРС, змінюють напрям протікання компенсуючого струму через робочий кінець, вимикають компенсуючий струм і знову вимірюють термо-ЕРС знеструмленої термопари. Температуру визначають по формулі, в яку входять п'ять значень виміряних термо-ЕРС як при перериванні, так і при протіканні компенсуючого струму в протилежних напрямах. Додатковий нагрів і охолодження робочого кінця термопари здійснюється за рахунок теплових ефектів Пельтьє і Джоуля. Якщо ефект Джоуля характеризується великою тепловою постійною часу (до десятків секунд), то ефект Пельтьє має малу теплову постійну часу (долі секунд). Тому при перериванні компенсуючого струму за допомогою перемикача, керованого оператором, теплота Пельтьє швидко розсмоктується, а теплота Джоуля зберігається. В результаті цього в знеструмленій термопарі не зберігається тепловий стан, при якому охолодження (ефект Пельтьє) компенсується нагрівом (ефект Джоуля). Тому виміряні значення термо-ЕРС знеструмленої термопари не повністю відображають стан теплової компенсації, який поставлений в основу розрахункової формули. Внаслідок цього виникає велика похибка вимірювання температури, яку важко врахувати. В основу корисної моделі поставлена задача створити такий термоелектричний спосіб вимірювання температури, в якому введення нових операцій і розрахункової формули забезпечувало б збереження теплоти Пельтьє і Джоуля в моменти виміру термо-ЕРС знеструмленої термопари, що забезпечить підвищення точності вимірювання температури. Поставлена задача вирішується тим, що в термоелектричний спосіб вимірювання температури, при якому розміщують робочий кінець термопари на об'єкті вимірювання температури, поміщають вільні кінці термопари в зону з відомою температурою, вимірюють термо-ЕРС на вільних 66924 4 кінцях термопари, пропускають через термопару постійний струм в напрямі, при якому робочий кінець охолоджується, збільшують струм до компенсуючого значення, при якому термо-ЕРС підігрітого робочого кінця досягає свого початкового значення, переривають компенсуючий струм і визначають температуру за формулою, згідно з корисною моделлю, переривання компенсуючого струму здійснюють періодичним перемиканням вільних кінців термопари з джерела постійного струму на вимірювач постійної напруги, в один півперіод перемикання формують послідовність імпульсів компенсуючого струму, а в інший півперіод формують послідовність імпульсів термо-ЕРС підігрітої термопари, вимірюють середнє значення імпульсів термо-ЕРС знеструмленої термопари і середнє значення імпульсів падіння напруги в термопарі від компенсуючого струму, а температуру Tх визначають за формулою: UE Tx   T0 , U  3 E де U - падіння напруги в термоелектродах від компенсуючого струму; Е - первинна термо-ЕРС знеструмленої термопари; T0 - температура вільних кінців. Доцільно частоту перемикання вільних кінців термопари здійснювати з перемикання вільних кінців термопари з частотою F, за умови, що: 1 0,1  Д   3  П, F  де: Д - теплова постійна часу термопари по теплоті Джоуля; П - теплова постійна часу термопари по теплоті Пельтьє. Введення в термоелектричний спосіб операції періодичного, із заданою частотою, перемикання вільних кінців термопари від джерела компенсуючого струму до вимірювача постійної напруги забезпечує точну індикацію стану компенсації теплоти Пельтьє, що поглинається, в робочому кінці теплотою Джоуля, що виділяється, в термоелектродах термопари. Вимір середніх значень імпульсів термо-ЕРС, що формуються в процесі періодичного перемикання і середніх значень імпульсів падінь напруги в термоелектродах термопари від компенсуючого струму, що переривається, дозволяє безперервно контролювати їх в процесі роботи термопари на об'єкті і використовувати в розрахунковій формулі визначення температури без калібрувальних даних, що, в свою чергу, забезпечує підвищення точності вимірювання температури. На кресленні приведена електрична схема, яка дозволяє вимірювати температуру запропонованим способом. Робочий кінець 1 термоелектродів 2 і 3 термопари знаходиться в зоні вимірюваної температури Тх. Вільні кінці електродів термопари розміщені на мідних колодках 4 і 5 з відомою температурою Т0. Мідні колодки 4 і 5 з'єднані з керованими входами автоматичних перемикачів 6 і 7,виходи яких з'єднано з протилежними плечами мультивібратора 8. Одні виходи автоматичних перемикачів 6 і 7 спо 5 лучені з однією парою вхідних клем двополюсного перемикача 9, другі виходи автоматичних перемикачів 6 і 7 з'єднані з іншою парою вхідних клем двополюсного перемикача 9. Вихідні клеми двополюсного перемикача 9 з'єднано з входами фільтру нижніх частот 10, до виходу якого підключений мілівольтметр 11. Джерело компенсуючого струму 12 з'єднано з іншими виходами автоматичних перемикачів 6 і 7. Термоелектричний спосіб вимірювання температури здійснюється таким чином. Робочий кінець 1 термопари з термоелектродами 2 і 3 розміщений на об'єкті з вимірюваною температурою Тх, а вільні кінці поміщають в зону з відомою температурою T0, наприклад, в термостат, або закріплюють на мідних колодках 4 і 5. Термо-ЕРС на вільних кінцях термопари дорівнює: E    (Tx  T0 )  S  (Tx  T0 ), (1) де  - коефіцієнт термо-ЭРС Зеєбека, що визначає чутливість S термопари (S=  ). Термо-ЕРС (1) вимірюється мілівольтметром 11, який підключено до вільних кінців термопари через автоматичні перемикачі 6 і 7 і двополюсний перемикач 9. Пропускають через робочий кінець 1 і термоелектроди 2 і 3 постійний струм від джерела компенсуючого струму 12 у напрямі, при якому робочий кінець 1 охолоджується за рахунок поглинання теплоти Пельтьє. Проходження електричного струму через термоелектроди 2 і 3 викликає їх нагрів за рахунок виділення теплоти Джоуля. Із-за теплопровідності термоелектродів 2 і 3 частина тепла, що виділяється, поступає в робочий кінець 1 термопари, а інша частина - в мідні колодки 4 і 5, в яких розсіюється. Термо-ЕРС на вільних кінцях:   p  I    I2  r E 2  S   Tx   T0 ,    F   (2) де р - коефіцієнт Пельтьє робочого кінця 1 термопари; r - електричний опір термоелектродів 2 і 3; І - сила постійного струму; k - коефіцієнт, що враховує долю теплоти Джоуля, яка безпосередньо поступає в робочий кінець 1;  - коефіцієнт тепловіддачі робочого кінця 1 в довкілля; F - площа поверхні теплообміну робочого кінця 1. Збільшують постійний струм до компенсуючого значення IK, при якому теплота Пельтьє, що поглинається, повністю компенсується теплотою Джоуля, що виділяється. В цьому випадку температура робочого кінця 1 набуває первинного значення Тх, а термо-ЕРС: E2=E1. (3) Рівність (3) означає, що . .2 . p lk-k l k r=0, (4) звідки отримаємо . . p=k Іk r. (5) Рівність (3) справедлива при перериванні компенсуючого струму Іk, при якому відсутнє падіння напруги на термоелектродах 2 і 3 від струму Іk. Тому контролювати виконання рівності (3) по зна 66924 6 ченнях термо-ЕРС Е1 і Е2 слід при перериванні компенсуючого струму Іk. При цьому потрібно врахувати, що теплота Пельтьє поглинається в невеликому об'ємі контактного шару робочого кінця 1. Теплота Джоуля виділяється в усьому об'ємі і по довжині термоелектродів 2 і 3. Тому теплова постійна часу теплоти Пельтьє набагато менша за теплову постійну часу по теплоті Джоуля. В результаті цього при перериванні компенсуючого струму теплота Пельтьє швидко розсмоктуються (за долі секунди), а теплота Джоуля зберігається відносно довго (одиниці секунди). При ручному перериванні струму оператором виникає велика методична похибка в забезпеченні рівності (4). У запропонованому термоелектричному способі вимірювання температури переривання компенсуючого струму Іk здійснюється періодичним перемиканням вільних кінців термопари (колодки 4 і 5) з джерела компенсуючого струму 12 на вимірювач постійної напруги (фільтр нижніх частот 10 і мілівольтметр 11), при безперервній роботі автоматичних перемикачів 6 і 7, які керуються напругою плечей мультивібратора 8. У один півперіод перемикання формується послідовність імпульсів термо-ЕРС. У інший півперіод перемикання формується послідовність імпульсів компенсуючого струму, які здійснюють охолодження і нагрів робочого кінця 1 термопари. Послідовність імпульсів термо-ЕРС усереднюється фільтром нижніх частот 10, а середнє значення термо-ЕРС (1) і (2) вимірюється мілівольтметром 11. Тому при поступовому збільшенні компенсаційного струму можна з високою точністю зафіксувати рівність термо-ЕРС (2) її первинному значенню (1). При досить швидкому перемиканні методична похибка від розсмоктування теплоти Пельтьє буде відсутня. Відповідно до першого термоелектричного співвідношення Томсона, коефіцієнт Пельтьє p і коефіцієнт Зеєбека  пов'язані співвідношенням: p    Tx  S  Tx , (6) де Tx - температура контактного шару робочого кінця 1. З урахуванням виразу (5) співвідношення (6) набирає вигляду: . . . S Tx=k Ik r, (7) звідки чутливість термопари: k  Ik  r S . Tx (8) Підставляючи чутливість (8) у вираз (1), отримуємо: T k  Ik  r E1   (Tx  T0 )  k  Ik  r(1  0 ). Tx Tx (9) Розв'язуючи рівняння (9) відносно температури Тх, остаточно отримаємо: k  Ik  r Tx   T0. k  Ik  r  E1 (10) У більшості випадків термоелектроди 2 і 3 ізолюються від інших деталей термометра. Тому можна вважати, що за рахунок теплопровідності термоелектродів 2 і 3 половина теплоти Джоуля поступає в робочий кінець 1 термопари, а друга 7 половина (теплота Джоуля) - в мідні колодки 4 і 5, де і розсіюється. Приймаючи k=0,5, отримуємо: Ik  r Tx   T0. Ik  r  2  E1 (11) . Добуток Іk r є падінням напруги на термоелектродах 2 і 3 термопари від компенсуючого струму Іk. Для вимірювання цієї величини двополюсний перемикач 9 переводять в протилежне положення. В цьому випадку на фільтр нижніх частот 10 починають поступати імпульси падінь напруги в термопарі від компенсуючого струму. Мілівольтметром 11 фіксується середнє значення послідовності імпульсів: . U=Ik r+E, (12) де Е=Е1 - термо-ЕРС робочого кінця 1 термопари у момент компенсації, визначається за умовою (4). З виразу (12) виходить: . Ik r=U-E. (13) З врахуванням (13), розрахункова формула для визначення температури набирає вигляду: UE Tx   T0. U  3 E (14) З приведеної формули (14) виходить, що шукана температура Tx визначається по відомій температурі Т0 вільних кінців термопари з урахуванням виміряної первинної термо-ЕРС Е і падіння напруги U на термоелектродах 2 і 3 термопари в режимі компенсації теплоти Пельтье теплотою Джоуля. В порівнянні з відомими термоелектричними способами вимірювання температури в розрахунковій формулі не використовуються результати калібрування, які змінюються в процесі старіння і зносу термопари, значення компенсуючих струмів при вимірюванні і калібруванні, електричні потужності, що розсіюються в термоелектродах і робочому кінці 1 термопари, а інші параметри, які змінюються в процесі експлуатації термопари. Результат вимірювання визначається тільки поточним значеннями напруги на момент вимірювання. 66924 8 Режим періодичного переривання вимірюваної термо-ЕРС і компенсуючого струму забезпечують високу точність вимірювання поточних параметрів термопари. Доцільно частоту перемикання вільних кінців термопари здійснювати з урахуванням її теплової інерційності по теплоті Пельтьє, що виділяється, і теплоті Джоуля, що поглинається. Мірою інерційності термопари є її теплова постійна часу, відбиваюча експоненціальний процес нагріву і охолодження. Тому частоту мультивібратора 8 будемо вибирати з умови: 1 0,1  Д   3  П, F (15) де: F - частота перемикання в Гц, Д - теплова постійна часу термопари по теплоті Джоуля; П - теплова постійна часу термопари по теплоті Пельтьє. Практично частота перемикань для стандартних термопар знаходиться в діапазоні 20-40 Гц. Використання в термометрії запропонованого термоелектричного способу вимірювання температури дозволить: використовувати високочутливі, але нестабільні термопари з напівпровідниковими термоелектродами, параметри яких значно змінюються в процесі експлуатації; виключити вплив нелінійності характеристик термопар, яка обумовлена залежністю чутливості (коефіцієнта Зеєбека) від температури і зовнішніх умов; здійснювати повірку термопар безпосередньо на контрольованому об'єкті без демонтажу за виміряними параметрами термопари і відомою температурою її вільних кінців; продовжити термін експлуатації термопар до їх повного зносу, оскільки деградація чутливості термопари від окислення і інших фізико-хімічних чинників не впливає на результат вимірювання. 9 Комп’ютерна верстка І. Скворцова 66924 Підписне 10 Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601