Спосіб визначення кріогенної температури та пристрій для його здійснення

Изобретение относится к области контактной термометрии и может быть использовано для повышения точности измерения криогенных температур, низкотемпературными термопарами. Известен способ определения криогенной температуры [Куинн Т. Температура: пер. с англ. - М. - Мир, 1985, С. 292], заключающийся во внесении спая термопары в исследуемую среду и регистрации термо-ЭДС, генерируемой на свободных концах термопары. Известно устройство для определения криогенной температуры, содержащее низкотемпературную термопару, подключенную через усилитель к вторичному показывающему или регистрирующему прибору [Куинн Т. Температура: пер. с англ. - М.-Мир, 1985, С 292]. Недостатком способа и устройства является низкая точность из-за нестабильности измеряемой термоЭДС. Это объясняется возрастающей ролью фононов и механизмов их рассеивания, приводящих к тому, что термо-ЭДС сильнее зависит от примесей и неоднородностей в области низких температур, чем при высоких температурах, где термо-ЭДС почти целиком зависит от рассеяния электронов решеткой. Кроме того, термоЭДС при низких температурах обычно невелика и поэтому вклад охлажденной части термопары в общее напряжение мал. Неоднородности проволоки, которая находится при температуре вблизи комнатной, где чувствительность часто порядка 50 мкВ/К могут вызвать паразитные термо-ЭДС, приводящие к большой погрешности, соли термопара имеет, например, чувствительность только 3 мкВ/K при 20 К, В результате возникает большая мультипликативная и аддитивная погрешности (погрешности чувствительности и нуля термопары), которые трудно учесть из-за их прогрессирующего характера. Известен способ измерения криогенных температур, заключающийся в том, что для повышения точности и чувствительности используют не одну, а несколько низкотемпературных термопар, соединенных последовательно и образующих термобатарею, которую помещено в исследуемую среду [Орлова М.П. и др. Низкотемпературная термометрия, М.: Энерто-атомиздат, 1987, С. 186]. Устройство содержит n последовательно соединенных термопар и вторичный прибор [Орлова М.П. и др. Низкотемпературная термометрия. М.: Энергоатомиздат, 1987, С. 186] Однако это не означает, что при измерении температуры батареей, состоящей из n термопар, чувствительности ее будет в η раз выше. Дело в том, что одновременно с увеличением термо-ЭДС повышается сопротивление электрической цепи. Поэтому чувствительность измерительной схемы будет зависеть от входного сопротивления вторичного измерительного прибора. Влияние паразитных ТЭДС, возникающих из-за негомогенности проволоки в термобатарее несколько уменьшается. Однако показания вторичного прибора зависимыми от мультипликативной составляющей погрешности и, кроме того, искажаются из-за теплообмена по термоэлектродам, концы которых находятся при разных температурах. Известен также способ определения температуры [Авт. св. СССР № 1280338, кл. G 01 К 7/02,1985], заключающийся в регистрации установившегося значения термо-ЭДС термопары, помещенной в исследуемую среду, пропускании постоянного тока через термопару, охлаждения спая термопары, включении тока, пропускаемого через термопару, регистрации каждый раз установившихся значений термо-ЭДС и определении температуры среды. При этом вначале пропускают ток через спай с полярностью, вызывающей его нагрев, включают ток, принудительно охлаждают спай термопары потоком воздуха, затем одновременно с охлаждением спая потоком воздуха нагревают спай включением тока того же значения, что и при первоначальном нагреве, а температуру среды определяют из следующей зависимости: где Τх - контролируемая температура; Π - коэффициент Пельтье; С - эквивалентная теплоемкость спая; I - ток нагрева; a 1, a 2, a 3 и a 4 -соответственно первое, второе, третье и четвертое устанавившеся значение показаний термоэлектрического термометра. Устройство, реализующее этот способ, содержит термопару, свободные концы которой через усилитель соединены со входом аналого-цифрового преобразователя, кодовыми выходами подключенного к входу вычислительно-управляющего блока, выполненного на основе микро-ЭВМ и цифрового индикатора [Авт. св. СССР № 1280338. кл. G 01 К 7/02, 1985]. Известный способ и устройство не обеспечивают высокой точности измерения криогенных температур. Это объясняется большими дополнительными погрешностями, возникающими при использовании воздуха для принудительного охлаждения спая температуры, При прохождении потока воздуха под защитным чехлом термопары, который находится в зоне криогенной температуры, возникает большой температурный градиент потока. Последний сильно зависит от объемной скорости потока воздуха, его компонентного состава и обусловливает появление неконтролируемых термо-ЭДС из-за неизбежной неоднородности термаэлектродной проволоки. Дополнительный нагрев спая электрическим током с одновременным охлаждением спая потоком воздуха изменяет температурный градиент потока воздуха и делает зависимым коэффициент конвективных тепловых потерь от измеряемой температуры. В результате этого нарушаются математические соотношения, положенные в основу известного способа. Недостатком устройства является также большое время определения температуры исследуемой среды из-за необходимости ручной обработки результатов зарегистрированных значений термо-ЭДС при дополнительных воздействиях на ее спай. Таким образом, в основу изобретения положена задача создать способ и устройство для определения криогенных температур на основе термопары, помещенной в тепловую трубу, что позволило бы обеспечить измерения, на которые не оказывали бы влияния погрешности, вызванные охлаждением и нагревом спая термопары, благодаря чему повысилась бы точность и быстродействие измерения криогенных температур при одновременной автоматизации процесса. Поставленная задача решается тем, что в способе определения криогенной температуры, заключающемся в регистрации установившегося значения термо-ЭДС термопары, помещенной в исследуемую среду, пропускании постоянного тока через термопару, охлаждении спая термопары, выключении тока, пропускаемого через термопару, регистрации каждый раз установившихся значений термоЭДС и определении температуры среды согласно изобретению, дополнительно воздействуют на термопару парамагнитным парожидкостным теплоносителем, передающим тепло от окружающей среды к спаю термопары путем испарения жидкости последующей конденсации пара в области спая, при этом на парамагнитный теплоноситель вначале воздействуют постоянным магнитным полем, прерывая поток тепла к спаю, после чего регистрируют установившееся значение термо-ЭДС Е·), затем охлаждают спай термопары пропусканием через нее постоянного тока соответствующего направления, регистрируют второе значение термо-ЭДС Е2, далее нагревают спай снятием воздействия магнитного поля на парамагнитный теплоноситель, регистрируют третье значение термо-ЭДС Е3, затем . выключают ток, пропускаемый через термопару, и регистрируют четвертое значение термо-ЭДС Е4, и определяют температуру среды Тх из следующей зависимости: где Т0 - температура окружающей среды; ΔΤ1 - калиброванное понижение температуры спая при пропускании тока через термопару. Поставленная задача решается также тем, что в устройство для определения криогенной температуры, содержащее термопару, свободные концы которой через усилитель соединены со входом аналого-цифрового преобразователя, кодовыми выходами подключенного к входу вычислительно-управляющего блока, вы-' полненного на основе микро-ЭВМ и цифрового индикатора, согласно изобретению, введены два цифроаналоговых преобразователя, тепловая труба, заполненная парамагнитным газом, электромагнит и вторая термопара, спаем соединенная со спаем первой термопары, при этом обе термопары размещены в тепловой трубе, общий спай термопар находится в тепловом контакте с концом тепловой трубы, погруженным в исследуемую среду, свободные концы термопар выведены из другого конца тепловой трубы, находящегося при температуре окружающей среды, и находится в тепловом контакте с окружающей средой, при этом электромагнит размещен в погруженной части тепловой трубы, его обмотка подключена к выходу одного цифроаналогового преобразователя, выход другого цифроаналогового преобразователя соединен со свободными концами второй термопары, а входы цифро-аналогового преобразователя подключены к выходам микро-ЭВМ. Охлаждение спая термопары током, пропускаемым через термопару, последующий нагрев спая парамагнитным теплоносителем тепловой трубой, управляемой магнитным полем, и дальнейший нагрев спая выключением тока через термопару позволяет наиболее просто и эффективно осуществлять дополнительные тепловые воздействия на спай. Обработка результатов избыточных измерений по предложенному соотношению позволяет исключить мультипликативную и аддитивную составляющие погрешности термопары без внесения дополнительных погрешностей и получить непосредственный отсчет измеряемой температуры. Введение в состав устройства тепловой трубы с дополнительными элементами цифро-аналоговых преобразователей, сопряженных с микро-ЭВМ, позволяет полностью автоматизировать процесс определения криогенной температуры и тем самым значительно уменьшить время измерения. На чертеже представлена функциональная схема устройства для измерения криогенных температур. Устройство содержит тепловую трубу 1, погруженную в исследуемую среду 2. В тепловой трубе 1 расположены две термопары 3 и 4 с механически, соединенными рабочими спаями 5 и размещенными на одном конце трубы в зоне конденсации теплоносителя. Свободные концы термопар выведены из тепловой трубы 1 через термовыводы 6 к колодке 7, которая находится в тепловом контакте с другим концом трубы в зоне испарения теплоносителя. Выведенные концы термопары 3 подключены к входу усилителя 8, выход которого через аналого-цифровой преобразователь 9 соединен с первым входом вычислительноуправляющего блока выполненного на основе микро-ЭВМ 10* к· первому выходу которой подключен цифровой индикатор 11. Ко второму выходу микро-ЭВМ 10 подключен цифроаналоговый преобразователь 12, выходами соединенный с обмоткой электромагнита 13, Третий выход микро-ЭВМ соединен с входом цифроаналогового преобразователя 14, выходы которого соединены со свободными концами термопары 4, Электромагнит 13 размещен в погруженной части тепловой трубы 1. Зона конденсации тепловой трубы размещена в исследуемой среде с криогенной температурой Т х, а зона испарения - в окружающей среде закрытых производственных помещений с температурой То. Сама тепловая труба представляет собой вакуумированную камеру из немагнитного материала (медь, латунь), внутренняя поверхность которой облицована капиллярной структурой (фитиль), заполненной парамагнитной парожидкостной смесью (конденсатором газообразного теплоносители). Основным механизмом теплопередачи в тепловой трубе является осевой конвективный перенос скрытой теплоты парообразования парами из испарителя в конденсатор. При этом количество тепла, передаваемого тепловой трубой, пропорционально разности температур наружной поверхности испарителя тепловой трубы и наружной поверхности конденсатора трубы. Способ измерения криогенных температур реализуется в следующей последовательности. Один из концов тепловой трубы, заполненный теплоносителем в виде парамагнитного газа, например, кислородом или оксидом азота, приводят в тепловой контакт с исследуемой криогенной (низкотемпературной) средой, а другой конец - в тепловой контакт с окружающей более высокотемпературной средой. На "холодном" конце тепловой трубы размещают рабочий спай термопары, на "теплом" конце трубы - ее свободные концы. На погруженной части тепловой трубы (в адиабатической зоне) размещают электромагнит, с помощью которого создают магнитное поле, воздействующее на парамагнитный газ, который распространяется в трубе от испарителя к конденсатору. Пропускают через электромагнит ток l1, создающий внутри трубы магнитное поле. В результате воздействия магнитного поля молекулы газообразного носителя, например, кислорода, обладающие парамагнитными свойствами, втягиваются в зону действия электромагнита, тормозятся, конденсируются на внутренней поверхности трубы и возвращаются в виде жидкости к испарителю по фитилю, не доходя до конца трубы, где расположен спай термопары. В целом тепловая труба работает по принципу замкнутого иcпарительно-конденсационного цикла, основанного на испарении жидкости (кислорода) в зоне подвода тепла, передаче тепла с потоком пара, конденсации пара в зоне отвода тепла и возврата жидкости к испарителю за счет капиллярных сил. При этом тепловая труба используется для формирования дополнительных теплофизических воздействий на спай термопары и как защитный кожух термопары. В результате воздействия магнитного поля тепловой поток внутри трубы прерывается и спай термопары не получает дополнительный подогрев. Термо-ЭДС, развиваемая в этом случае рабочим спаем, определяется разностью температуры исследуемой среды и температуры окружающей среды. С учетом нелинейности и погрешностей термопары ее термо-ЭДС описывается выражением· где b - угловой параметр {дифференциальная чувствительность) термопары при температуре спая Тх, определяемая углом наклона аппроксимирующей касательной; относительная погрешность дифференциальной чувствительности термопары; d 1 - абсолютная аддитивная погрешность, обусловленная неоднородностью термоэлектродов и дрейфом нуля усилителя измерительной схемы; a - нулевой параметр, определяющий начальное положение аппроксимирующей касательной относительна нуля градуиро-вочной характеристики термопары; То - температура окружающей Среды. Регистрируют установившееся значение термо-ЭДС Е1. Затем через спай термопары пропускают постоянный электрический ток І2 в направлении, вызывающем дополнительное охлаждение спая за счет поглощения в нем теплоты Пельтье q1 -=Пl2, где Π - коэффициент Пельтье материалов термоэлектродов. Понижение температуры рабочего спая на значение ΔΤ 1 определяется количеством поглощенной теплоты Пельтье q1 и теплопередачей спая в .исследуемую среду* Известное значение ΔΤ1 для конкретной термопары определяют в процессе калибровки перед началом эксплуатации на криогенном объекте с учетом его теплофизических свойств. При этом значение ΔΤ1 соответствует заданному току через рабочий спай ТЭП и диапазону температуры исследуемой среды. В результате понижения температуры спая значение термо-ЭДС также изменится и будет равно где γι и 02 - мультипликативная и аддитивная погрешности термопары при понижении температуры спая Тх на ΔΤ1. Регистрируют установившееся значение термо-ЭДС Е2· Повышают температуру рабочего спая термопары путем снятия воздействия магнитного поля на кислородный теплоноситель тепловой трубы, для чего прерывают ток электромагнита (l1 = 0). В результате устранения торможения частиц кислорода в зоне магнитного поля происходит их движение к концу тепловой трубы и перенос тепла к спаю термопары. В результате переноса тепла по трубе изменяется температура спая в сторону повышения и термо-ЭДС принимает новое значение где ΔT2 - повышение температуры спая за счет теплопередачи тепла по трубе; g3 и d 3 - погрешности термопары при дополнительном нагреве спая. Повышение температуры спая можно определить из соотношения где q2 - тепло, передаваемое трубой в единицу времени; a - коэффициент теплоотдачи "холодного" конца трубы; F1 - поверхность теплоотдачи. Конвективный теплоперенос парами описывается соотношением Клаузиуса-Клайперона. При этом разность температур жидкости и пара на поверхности раздела обычно очень мала и ею можно пренебречь. С учетом этого количества тепла q2, передаваемого тепловой трубой в единицу времени, определяются соотношением где К - коэффициент теплопередачи, отнесенный к площади поперечного сечения F2 трубы; Ти -температура наружной поверхности испарителя тепловой трубы; Тк -температура наружной поверхности конденсатора трубы. С учетом выражения (5) имеем Выражение (3) представим в измененном виде Подставляя в выражение (7) значение ΔΤ2 из соотношения (6), получим - постоянный коэффициент, учитывающий повышение температуры рабочего спая термопары при "открытой" тепловой трубе. Как видно из выражения (8), Кq не зависит от измеряемой температуры Тх, а определяется только параметрами тепловой трубы. После регистрации установившегося значения термо-ЭДС Е 3 прерывают постоянный ток через спай термопары (l2 = 0). В результате этого температура спая еще более повышается и термо-ЭДС спая принимает значение где g4 и d 4 - погрешности термопары при снятии дополнительного охлаждения спая. Дополнительные результаты измерений (2), (8); (9) получают, выбирая интенсивность дополнительного охлаждения и нагрева из условия изменения термо-ЭДС в пределах 5-Ю порогов чувствительности используемого измерителя термо-ЭДС, что позволяет считать все погрешности термопары в окрестностях первоначального показания одинаковыми Составив из полученных выражений термо-ЭДС (1), (2% (8) и (9) систему четырех уравнений и решая ее относительно искомой температуры Тх, получают Из полученной формулы (10) видно, что результат определения температуры не зависит от изменения чувствительности термопары, а также от аддитивной (5) и мультипликативной (у) составляющих погрешности преобразования температуры. Точность результата вычисления по формуле (10) высока, так как в ней присутствует только одна известная величина ΔΤ1 и отсутствуют методические погрешности от формирования других дополнительных воздействий на спай. Выбор магнитной индукции поля, создаваемого электромагнитом, осуществляется из следующих соображений. Торможение молекул кислорода связано с его парамагнитными свойствами. Интенсивность намагничивания J кислорода определяется соотношением где Ск - постоянная Кюри; μ - молекулярная масса газа; ρ и Τ - абсолютное давление и температура; R - универсальная газовая постоянная. Магнитная восприимчивость парамагнитного газа (кислорода) определяется формулой где В - магнитная индукция. Как видно из формул (11) и (12) магнитные свойства парамагнитного газа сильно проявляются в средах с низкой абсолютной температурой. Поэтому в области криогенных температур (-273...-73°С) для управления потоком теплоносителя в тепловой трубе достаточно создать внутри трубы индукцию магнитного поля порядка (3-%). Таким образом, рассмотренный способ формирования дополнительных теплофизических воздействий на спай терпомары на основе механизма передачи тепловой энергиии тепловой трубой с кислородным теплоносителем, управляемой магнитным полем, отличается простотой реализации и надежностью. Калибровку термопары осуществляют непосредственного в исследуемой среде перед началом эксплуатации, когда ее характеристика соответствует градуировочной. Для этого через спай термопары пропускают ток, вызывающий охлаждение спая на 5-10 порогов чувствительности используемого измерителя напряжения (цифрового милливольтметра или АЦП). Температура охлаждения спая и определяется теплофизическими свойствами исследуемой среды (aF1). Значение температуры охлаждения ΔΤι определяют из измеренной при калибровке разности термо-ЭДС из соотношения где S = b - номинальная дифференциальная чуствительность термопары при температуре калибровки; Ε1 и Е2 - термо-ЭДС до и после пропускания тока через спай. При номинальной характеристике термопары диапазон измеряемых температур разбивают на поддиапазоны, для каждого из которых определяют свое значение калиброванного понижения температуры. Значение тока l1 запоминают и поддерживают постоянным при формировании дополнительных воздействий на спай термопары. Устройство для определения криогенной температуры работает следующим образом. Вначале по команде микро-ЭВМ 10 с помощью цифроаналогового преобразователя 12 формируется ток Ц, который протекает через обмотки электромагнита 13, формируя при этом в адиабатической зоне тепловой трубы магнитное поле с заданной индукцией В. В результате взаимодйствия теплоносителя тепловой трубы (кислорода) с магнитным полем прекращается передача тепла к рабочему спаю термопары 3 и температура его становится равной температуре Тх контролируемой среды. Так как инерционность тепловой трубы, т.е. время, необходимое для установления нового значения термо-ЭДС ТЭП, находится в пределах 10-20 с, то необходимая выдержка задается ЭВМ. Измеряют и запоминают значение термо-ЭДС Е 1, соответствующее температуре Тх контролируемой среды. Затем по команде микро-ЭВМ 10 с помощью цифроаналогового преобразователя 14 через общий рабочий спай 5 пропускают постоянный электрический ток заданного значения l2 по термопаре 4, вызывающей понижение температуры рабочего спая 5 на величину ΔΤ1. После измерения и запоминания нового значения термо-ЭДС Е 2 по команде микро-ЭВМ 10 выключается ток l2 электромагнита 13, что обеспечивает дополнительный нагрев рабочего спая ТЭП на температуру ΔΤ 2 за счет переноса тепла от окружающей среды. Измеряют и регистрируют установившееся значение термо-ЭДС Е 3. Затем по очередной команде микро-Э ВМ 10 прерывают ток h через рабочий спай термопары 4. При этом температура общего спай 5 повышается на значение ΔΤ1, а соответствующее ей значение термо-ЭДС Е4 измеряют и запоминают. В микро-ЭВМ 10 вычисляют в соответствии с формулой (10) значение искомой температуры Тх и ее значение выводят на цифровой индикатор 11. Так как магнитным полем воздействуют не на рабочий спай термопары, а на парамагнитный пар в тепловой трубе, то снимаются ограничения на выбор типа термопар, что позволяет применять высокочувствительные для низких температур термопары с высоким содержанием ферромагнитных добавок. Сама тепловая труба 1 используется как защитный кожух термопар 3 и 4 и обеспечивает их надежную эксплуатацию. Предложенный способ и устройство обеспечивают измерение криогенных температур в диапазоне от -73 К до 270 К с погрешностью не более 0,1-0,2 К.