Диференційний вимірювач теплопровідності

Корисна модель відноситься до області теплотехнічних вимірювань і може бути використана для вимірювання різниці теплопровідностей двох речовин з допомогою підігрівних хрестоподібних термоелементів. Диференціальні вимірювачі теплопровідності широко застосовуються для визначення складу і концентрації окремих компонентів різних речовин і матеріалів за різницею теплопровідності контрольованого і еталонного матеріалів. Для цього один підігрівний термосенсор розміщують в контрольованій речовині, а другий - в еталонну речовину (речовину порівняння). Різницевий сигнал, одержують за допомогою мостових і компенсаційних схем [див. Спектор С.А. Электрические измерения физических величин: методы измерений. -Л.; Энергоатомиздат, Ленинградское отделение, 1987.- С.295-296]. Як сенсори часто використовують підігрівні термоелементи, робочі кінці яких додатково нагріваються або охолоджуються електричним струмом [див. патент РФ №2011979, МПК G01N25/32, 1997, Бюл. №8]. Коефіцієнт тепловіддачі від нагрітого чи охолодженого робочого кінця термоелемента залежить від теплопровідності речовини, в яку виділяється чи поглинається тепло. Термоелектрорушійна сила (ТЕРС), яка виникає на вільних кінцях термоелемента, залежить від потужності нагрівання (охолодження) і тепловіддачі в оточуюче середовище. Зміна теплопровідності контрольованої речовини викликає відповідну зміну ТЕРС, за якою і оцінюють зміни у його складі. Однак, непостійність температури робочих кінців термоелементів від струму, що протикає не дозволяє достовірно оцінювати зміни в складі контрольованої речовини. Відомий диференційний вимірювач температури [див. Коротков П.А., Лондон Г.Е. Динамические контактные измерения тепловых величин. -Л.: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1974. -С.161-164] складається із двох термоелементів, джерела нагрівання змінної напруги і мілівольтметра постійної напруги. При цьому вільні кінці термоелементів з'єднані зустрічно і підключені до мілівольтметра, а робочі кінці термоелементів з'єднані послідовно з джерелом змінної напруги. Недостатня розв'язка ланцюгів змінної і постійної напруг приводить до необхідності введення в схему додаткових розв'язуючих резисторів, що знижує чутливість пристрою і не забезпечує можливості вимірювання малих змін теплопровідності. Відомий також диференційний вимірювач теплопровідності [див. Термоелектричні прилади контролю / В.П.Гондюл, Д.Б.Головко, Ю.О.Скрипник, A.I.Хімічева, Л.О.Глазков: Навч. посібник. -К.: Либідь, 1994. -С.46-48], що містить два хрестоподібних термоелемента з високоомного і низькоомного термоелектродів, робочі кінці яких розміщені в контрольованій і еталонній речовинах, перша пара вільних кінців одного термоелемента з'єднана з одною парою мідних колодок, друга пара вільних кінців цього термоелемента і перша пара вільних кінців другого термоелемента з'єднані зустрічно на мідних шинах, до яких підключене джерело змінної напруги, друга пара вільних кінців другого термоелемента з'єднана з другою парою мідних колодок, а також двох перемикачів і диференційного підсилювача. Крім того, пристрій включає реостат, ще два перемикача і два мілівольтметра, один з яких ввімкнений на вході диференційного підсилювача, а другий - на його виході. Через низьку напругу різницевої ТЕРС двох підігрівних термоелементів важко зареєструвати малі відхилення у складі контрольованої речовини відносно еталонної. Можливість підсилення різницевої ТЕРС обмежується неминучим дрейфом нуля диференційного підсилювача і його власними шумами. Тому відомий диференційний вимірювач теплопровідності має низьку чутливість і точність вимірювання малих змін теплопровідності контрольованої речовини. В основу корисної моделі покладена задача створити такий диференційний вимірювач теплопровідності, в якому шляхом введення нових елементів і зв'язків підвищилась би чутливість до різницевої ТЕРС двох підігрівних хрестоподібних термоелементів, що забезпечило б підвищення точності вимірювання малих змін теплопровідності контрольованої речовини відносно еталонної. Поставлена задача вирішується тим, що в диференційний вимірювач теплопровідності, що містить два хрестоподібні термоелементи з високоомного і низькоомного термоелектродів, робочі кінці яких розміщені в контрольованій і еталонній речовинах, перша пара вільних кінців одного хрестоподібного термоелемента з'єднана з одною парою мідних колодок, друга пара вільних кінців цього хрестоподібного термоелемента і перша пара вільних кінців другого хрестоподібного термоелемента з'єднані зустрічно на мідних шинах, до яких підключене джерело змінної напруги, друга пара вільних кінців другого хрестоподібного термоелемента з'єднана з другою парою мідних колодок, а також два перемикача і диференційний підсилювач, згідно з корисною моделлю, в нього введені вибірковий підсилювач, фазочутливий випрямляч, фільтр нижніх частот, перетворювач постійної напруги в струм, міліамперметр постійного струму і мультивібратор, при цьому одна пара протилежних входів перемикачів з'єднана між собою і підключена до мідної колодки низькоомного електрода одного хрестоподібного термоелемента, друга пара протилежних входів перемикачів також з'єднана між собою і підключена до мідної колодки низькоомного електрода другого хрестоподібного термоелемента, виходи перемикачів з'єднані із входами диференційного підсилювача, до виходу якого підключені послідовно з'єднані вибірковий підсилювач, фазочутливий випрямляч, фільтр нижніх частот і перетворювач постійної напруги в струм, прямий вихід якого з'єднаний з мідною колодкою високоомного електрода одного хрестоподібного термоелемента, інверсний вихід з'єднаний через міліамперметр постійного струму з мідною колодкою високоомного електрода другого хрестоподібного термоелемента, а керуючі входи перемикачів і фазочутливого випрямляча з'єднані із виходом мультивібратора. Введення в схему диференційного вимірювача теплопровідності вибіркового підсилювача, фазочутливого випрямляча, фільтра нижніх частот, перетворювача постійної напруги в струм, міліамперметра постійного струму і мультивібратора та з'єднання їх зазначеним чином дозволяє за рахунок періодичного перемикання полярностей низькоомних термоелектродів зустрічно з'єднаних хрестоподібних термоелементів одержати на виході диференційного підсилювача змінну напругу, пропорційну різниці температур робочих кінців хрестоподібних термоелементів, які розміщені в контрольованій і еталонній речовинах. Змінну напругу підсилюють вибірковим підсилювачем і після фазочутливого випрямлення перетворюють в постійний струм. Пропускаючи постійний струм через робочі кінці хрестоподібних термоелементів у протилежних напрямках, забезпечують додаткове нагрівання робочого кінця одного з термоелементів, нагрітого змінним струмом, і охолодження робочого кінця другого менш нагрітого хрестоподібного термоелемента, що збільшує різницю ТЕРС нагрітих хрестоподібних термоелементів, і, як наслідок, збільшують вхідну напругу диференційного підсилювача. Наступне підсилення збільшеної напруги приводить до подальшого збільшення постійного струму, яким ще більше збільшують різницю температур робочих кінців хрестоподібних термоелементів. В результаті в замкнутій схемі виникає додатковий зворотний зв'язок за теплотою Пельтьє, що підвищує чутливість вимірювача до різниці теплопровідності контрольованої і еталонної речовин. На Фігурі приведена електрична схема диференційного вимірювача теплопровідності. Вона складається з двох хрестоподібних термоелементів 1 і 2, які виконані із високоомних 3 і 4 і низькоомних 5 і 6 термоелектродів. Робочі кінці хрестоподібних термоелементів розміщені в комірках 7 і 8, заповнених контрольованою і еталонною речовинами. Перша пара вільних кінців першого хрестоподібного термоелемента з'єднана з одною парою мідних колодок 9 і 10. Друга пара вільних кінців цього хрестоподібного термоелемента і перша пара вільних кінців другого хрестоподібного термоелемента з'єднані зустрічно на мідних шинах 11 і 12, до яких підключене джерело 13 змінного струму. Друга пара вільних кінців другого хрестоподібного термоелемента з'єднана з другою парою мідних колодок 14 і 15. Протилежні входи перемикачів 16 і 17 попарно підключені до мідних колодок 10 і 15. Виходи перемикачів 16 і 17 підключені до протилежних входів диференційного підсилювача 18, до виходу якого підключені послідовно з'єднані: вибірковий підсилювач 19, фазочутливий випрямляч 20, фільтр нижніх частот 22, перетворювач постійної напруги в струм 23 і міліамперметр постійного струму 24. Перемикачі 16 і 17, як і фазочутливий випрямляч 20 керуються прямокутними імпульсами мультивібратора 21. Прямий вихід перетворювача постійної напруги в струм 23 з'єднаний з мідною колодкою 9, а інверсний - через міліамперметр 24 з мідною колодкою 14. Диференційний вимірювач теплопровідності працює так. Робочий кінець хрестоподібного термоелемента 1, розміщений в комірці 7, заповненій контрольованою речовиною, що маєтеплопровідність l x , а робочий кінець хрестоподібного термоелемента 2 розміщений в комірці 8, заповненій еталонною речовиною, що має теплопровідність l0 . Через робочі кінці хрестоподібних термоелементів 1 і 2 протікає змінний струм від джерела 13. Температури нагрівання робочих кінців хрестоподібних термоелементів 1, 2 пропорційні потужності змінного струму, яка в них виділяється, і залежать від кількості тепла, що розсіюється з їх поверхонь, розміщених в середовищі контрольованої і еталонної речовин. Рівняння теплового балансу нагрітого робочого кінця хрестоподібного термоелемента 1 у першому наближенні можна подати у вигляді W = l xF (T1 - T0 ) d (1) де W - потужність нагрівання робочого кінця змінним струмом; l x - теплопровідність контрольованої речовини; F - площа поверхні робочого кінця хрестоподібного термоелемента 1; d - товщина шару контрольованої речовини, через який передається тепло в оточуюче середовище; T1 - температура робочого кінця хрестоподібного термоелемента 1; T0 - температура оточуючого середовища. Для нагрітого робочого кінця хрестоподібного термоелемента 2 відповідно маємо l F W = 0 (T2 - T0 ) d (2) де T2 - температура робочого кінця хрестоподібного термоелемента 2; l0 - теплопровідність еталонної речовини; F і d - площа поверхні робочого кінця хрестоподібного термоелемента 2 і товщина шару еталонної речовини, аналогічні як і для хрестоподібного термоелемента 1. Якщо температури мідних колодок 10 і 15 і поверхонь комірок 7, 8 однакові і дорівнюють температурі T0 оточуючого середовища, то різницева ТЕРС на цих колодках буде (3) E = e1T1 - e 2T2 де e1 і e2 - коефіцієнти ТЕРС робочих кінців хрестоподібних термоелементів при температурах T1 і T2 , відповідно. При невеликих значеннях різниці температур T1 і T2 , можна вважати, що e1 = e2 = e і різницева ТЕРС (4) E = e (T1 - T2 ) Перемикачі 16 і 17 з частотою перемикань F , яка задається мультивібратором 21, змінюють полярність різницевої ТЕРС на входах диференційного підсилювача 18. На його виході буде змінна напруга прямокутної форми кривої (5) U1(t ) = k1e(T1 - T2 )sign sin(2pFt - j) sign sin 2 pFt - обвідна знакозмінної напруги; де j - фаза змінної напруги; k1 - коефіцієнт підсилення диференційного підсилювача 18. З напруги (5), що має прямокутну форму кривої, вибірковим підсилювачем 19, налагодженим на частоту F , виділяється і підсилюється основна гармоніка напруги цієї частоти. Підсилена гармонічна напруга випрямляється фазочутливим випрямлячем 20, який керується прямокутною напругою від мультивібратора 21. Випрямлена напруга згладжується фільтром нижніх частот 22 і перетворюється перетворювачем 23 в постійний струм I1 = ek1k 2k3S(T1 - T2 ) (6) де k 2 - коефіцієнт підсилення вибіркового підсилювача 19; k 3 - коефіцієнт передачі фільтра нижніх частот 22; S - крутизна перетворення напруги в струм у блоці 23. Постійний струм з прямого виходу перетворювача постійної напруги в струм 23 через мідну колодку 9 по високоомному електроду 3 поступає на робочий кінець першого хрестоподібного термоелемента 1, де за рахунок ефекту Пельтьє додатково виділяється або поглинається тепло (залежно від напряму протікання струму). Далі цей струм розгалужується, але його більша частина проходить по низькоомному електроду 5. Через мідну шину 12 і низькоомний електрод 6 цей струм проходить по робочому кінцю другого хрестоподібного термоелемента 2, викликаючи за рахунок ефекту Пельтьє протилежний вплив (охолодження чи нагрівання), ніж в робочому кінці першого хрестоподібного термоелемента 1. Потім цей струм через високоомний електрод 4 поступає на мідну колодку 14, а з неї через міліамперметр постійного струму 24 - на інверсний вихід перетворювача постійної напруги в струм 23. Протікання струму по відрізках високоомних електродів 3 і 4 через мідну шину 11 практично не впливає на поглинання і виділення тепла в робочих кінцях хрестоподібних термоелементів 1, 2, тому що їх опір на порядок вищий за опір низькоомних електродів. Напрям протікання постійного струму через робочі кінці хрестоподібних термоелементів 1 і 2 вибирають таким, щоб в робочому кінці хрестоподібного термоелемента 1 з меншою температурою нагрівання, якщо T1 l 0 ) , теплота Пельтьє поглиналася. В той же час в робочому кінці хрестоподібного термоелемента 2 теплота Пельтьє буде виділятися і підвищувати його температуру. Теплота Джоуля не залежить від напряму струму і не впливає на різницю температур T1 і T2 . З врахуванням поглинання і виділення теплоти Пельтьє в робочих кінцях хрестоподібних термоелементів 1, 2 і виділення в них теплоти Джоуля, зміни їх температур можна виразити так: DT1 = d æ ç kRI 2 - pI1ö ÷ ø lxF è 1 (7) DT2 = d æ ç kRI 2 + pI1 ö ÷ ø l0F è 1 (8) де p - коефіцієнт Пельтьє електродів хрестоподібних термоелементів; R - сумарний опір високоомного і низькоомного термоелектродів (враховується частина тепла, що передається від термоелектродів, будемо вважати їх однаковими для обох хрестоподібних термоелементів 1,2). k - коефіцієнт, який враховує долю тепла, що передається від термоелектродів до робочого кінця. При близьких, але не однакових значеннях порівнюваних теплопровідностей контрольованої і еталонної речовин, можна вважати, що l x » l 0 але Dl = l x - l0 більше або менше нуля. Тоді різницева ТЕРС (4) при протіканні постійного струму через нагріті робочі кінці хрестоподібних термоелементів не залежить від теплоти Джоуля і при T1 < T2 виросте до значення æ 2pI1d ö ÷ - E2 = eç T1 - T2 ç l 0F ÷ è ø (9) При підвищенні значення різницевої ТЕРС (9), за рахунок теплоти Пельтьє відповідно збільшується і вихідний струм перетворювача постійної напруги в струм 23. Враховуючи, що при T1 < T2 різницева ТЕРС стає від'ємною, то і полярність вихідного струму (6) змінюється на протилежну æ 2pI2d ö ÷ - I2 = ek1k 2k 3Sç T1 - T2 ç l 0F ÷ è ø (10) Розв'язуючи це рівняння відносно струму I2 одержимо - I2 = ek 1k 2k 3 S (T - T ) 2e k1k 2k 3Spd 1 2 1l 0F (11) З виразів (1) і (2) визначимо залежність різниці температур від різниці теплопровідностей T1 - T2 = Wd æ l 0 - l x ç F ç l0 l x è ö ÷ ÷ ø (12) Підставивши значення різниці температур (12) у вираз (11), одержимо значення струму зворотного зв'язку - I2 = æ l0 - l x ö e k1k 2k 3SWd ç ÷ l 0F - 2e k1k 2k 3 Spd ç l x ÷ è ø (13) З виразу (13) видно, що струм I2 додатного зворотного зв'язку пропорційний відносній різниці порівнюваних теплопровідностей. Тому шкала міліамперметра може бути проградуйована у відносних одиницях, наприклад, у відсотках, що зручно при допусковому контролі домішок в одній речовині відносно другої. При зміні знаку різниці теплопровідностей ( l x > 1 = I1 1 - 2e k1k 2k 3SWd l0F (16) З виразу (16) витікає, що чим ближчий другий член знаменника до одиниці, тим більший виграш за чутливістю. При наближенні другого члена до одиниці у замкнутій схемі можливе виникнення низькочастотних автоколивань. Проте, наявність у схемі диференційного вимірювача вибіркового підсилювача 19, що налагоджений на відносно високу частоту перемикань (200-400Гц), виключає автоколивання, що дозволяє збільшити струм I2 відносно до стуму I1 у сотні разів. В макеті диференційного вимірювача теплопровідності у хрестоподібних термоелементах для низькоомних термоелектродів була застосована мідь, а для високоомних - константан. Коефіцієнти ТЕРС парі мідь-константан e =3,2мкВ/К, а коефіцієнт Пельтьє p =16мВ при температурі робочих кінців T =325K. При відсутності зворотного зв'язку і значенні коефіцієнта підсилення k =100 чутливість диференційного вимірювача до відносної різниці теплопровідності дорівнює 1мА/0,5%. Подальше підвищення чутливості за рахунок збільшення коефіцієнта підсилення неможливе через власні шуми диференційного підсилювача. Введення додатного зворотного зв'язку дозволило збільшити загальний коефіцієнт підсилення до 10000 за рахунок збільшення різницевої ТЕРС на вході диференційного підсилювача. При цьому чутливість до відносної різниці теплопровідності виросла до значення 1мА/0,005%. Як перемикачі були застосовані магнітокеровані реле (геркони), обмотки керування якими підключені до мультивібратора з частотою перемикання 200Гц. За рахунок збільшення відношення сигнал-шум на вході диференційного підсилювача похибку вимірювання можна знизити до 0,2-0,3% при вимірюванні відносної різниці теплопровідностей в діапазоні 0,05-5,00%. Мідні колодки і шини забезпечують відведення тепла, яке поглинається в одному з робочих кінців хрестоподібних термоелементів.