Вбудована система калібрування цифрових термометрів

Вбудована система калібрування цифрових термометрів, яка містить термоелектричний перетворювач, до робочого спаю якого через термоелектроди підключені подовжувальні компенсаційні дроти, послідовно з'єднані диференційний підсилювач і аналого-цифровий перетворювач, вторинний цифровий прилад і кероване джерело струму, яка відрізняється тим, що в ній як вторинний цифровий прилад застосований мікропроцесорний контролер з цифровим індикатором, який з'єднаний з першим виходом контролера, а як кероване джерело струму застосований цифро-аналоговий перетворювач, входом з'єднаний з другим виходом контролера, виходом - з входом перетворювача напруги в постійний струм, а також введені другий цифро-аналоговий перетворювач, перетворювач напруги в змінний струм і перетворюючий трансформатор, які з'єднані послідовно, конденсатори і мультиплексор з чотирма диференційними каналами і декодером, який з'єднаний входом з третім виходом контролера, при цьому входи першого і другого каналів, третього і четвертого каналів мультиплексора включені паралельно і з'єднані ВІДПОВІДНО з кінцями подовжувальних компенсаційних дротів, виходи перетворювача напруги в постійний струм з'єднані з різнойменними виходами першого і четвертого диференційних каналів мультиплексора, один кінець вихідної обмотки перетворюючого трансформатора з'єднаний з робочим спаєм термоелектричного перетворювача, другий кінець - з однойменними виходами другого і третього каналів через конденсатори, вхід диференційного підсилювача з'єднаний з однойменними, але протилежними виходами другого і третього каналів, вихід аналого-цифрового перетворювача з'єднаний з входом контролера, четвертий вихід якого з'єднаний з входом другого цифроаналогового перетворювача Винахід відноситься до області вимірювання температури за допомогою термоелектричних перетворювачів і може бути застосований для автоматичного калібрування цифрових термометрів або вимірювальних каналів температури об'єктів без використання зразкових засобів Відомо, ЩО похибка зразкового термометра повинна бути в 5-10 разів меншою за допустиму похибку калібруємого термометра Це означає, що для калібрування цифрового термометра з допустимою похибкою ±0,1 °С треба використовувати зразковий термометр з максимальною похибкою не більш ніж декілька сотих градуса При цьому необхідно гарантувати точність показів самого зразкового термометра Це забезпечується шляхом порівняння його показів з первинним еталоном температури (точка розтавання льоду або потрійна точка води) Системи для здійснення калібрування з похибкою ±0,01 °С описані в роботах метрологічних установ [1] Однак, необхідність використання вбудованих еталонів температури ускладнює застосування таких систем для автоматичного калібрування термометрів, які працюють у широкому діапазоні температур [2] Відома вбудована система калібрування цифрових термометрів [3], яка містить джерело постійного струму, вбудований нагрівач, зразковий резистор, підсилювач, комутатор, подвійний термоелектричний перетворювач з чотирма термоелектродами і одним робочим спаєм, вторинний вимірювальний прилад, цифрові ю 54911 амперметр та міліамперметр, ВІДПОВІДНО, у ланцюзі нагрівання та у токовому ланцюзі термоелектричного перетворювача Похибка калібруємого термометра визначається значенням струму, який протікає через нагрівач і створює задану температуру, і показами термометра, які одержують під час додаткового охолодження робочого спаю термоелектричного перетворювача постійним струмом Залежність визначаємої похибки від коефіцієнту Пельт'є робочого спаю термоелектричного перетворювача та його еквівалентної теплоємності, які самі залежать від температури, знижує точність калібрування, оскільки вказані параметри змінюються у процесі експлуатації термометра Відома вбудована система калібрування цифрових термометрів [4], яка містить термостат, в якому розміщені КІНЦІ подовжувальних компенсаційних дротів калібруємого термоелектричного термометра, другий термостат, в якому розташовані КІНЦІ додаткових подовжувальних компенсаційних дротів, комутатор, входи якого з'єднані з кінцями подовжувальних компенсаційних дротів, виходи - з вторинним приладом, компресор, задавач витрат повітря та з'єднувальні трубки Похибку калібруємого термометра визначають за трьома показами вторинного приладу, які отримують під час перемикання вторинного приладу від одного термостату до другого і охолодження робочого спаю термоперетворювача потоком повітря, яке пропускають під захисним чохлом термоелектричного перетворювача До формули для визначення похибки входить коефіцієнт конвективних витрат, який пропорційний витраті охолоджуючого повітря Тому що цей параметр важко стабілізувати на протязі всього періоду експлуатації термометра, то похибка калібрування залишається великою Відома також вбудована система калібрування цифрових термометрів [5], яка містить термоелектричний перетворювач, до робочого спаю якого через термоелектроди підключені подовжувальні компенсаційні дроти, послідовно з'єднані діференційний підсилювач та аналого цифровий перетворювач, вторинний цифровий прилад та кероване джерело струму Окрім того, до відомої системи входить компресор, задавач витрат повітря, з'єднувальні трубки, секундомір, міліамперметр, а також цифровий мілівольтметр як вторинний прилад При цьому компресор через задавач витрат повітря і трубки з'єднаний з повітряними каналами фарфорового сердечника калібрує мого термоелектричного перетворювача, а за допомогою секундоміра контролюється час нагріву і охолодження його робочого спаю Похибка калібруємого термометра визначається обчислювальним шляхом за формулою, до якої входить термічний коефіцієнт термоелектричного перетворювача Сталість цього коефіцієнту залежить від стабільності роботи компресора і задавача витрат на протязі тривалого часу, а також сталості часових інтервалів додаткового нагріву і охолодження робочого спаю термоелектричного перетворювача, що задаються секундоміром В процесі експлуатації термометра важко забезпечити зберігання одного й того ж компресора і задавача витрат, за допомогою яких початкове було визначено термічний коефіцієнт Використання другого компресора або задавача під час наступного калібрування змінить коефіцієнт конвективних витрат робочого спаю термоелектричного перетворювача, що зумовить зміну термічного коефіцієнту Останнє значно знизить точність визначення похибки калібруємого первинного перетворювача термометра В основу винаходу покладена задача створення такої вбудованої системи калібрування цифрових термометрів, в якої введення нових елементів і зв'язків ДОЗВОЛИЛО б охолодження робочого спаю термоелектричного перетворювача здійснювати електричним струмом, але при цьому виключався би вплив непостійності коефіцієнта Пельт'є робочого спаю термоелектричного перетворювача у процесі експлуатації, що забезпечує підвищення точності і автоматизацію процесу калібрування цифрових термометрів із внесенням поправки без використання механічного обладнання та зразкових засобів Поставлена задача вирішується тим, що у вбудованій системі калібрування цифрових термометрів, яка складається з термоелектричного перетворювача, до робочого спаю якого через термоелектроди підключені подовжувальні компенсаційні дроти, послідовно з'єднаних диференціиного підсилювача та аналого цифрового перетворювача, вторинного цифрового приладу та керованого джерела струму, згідно з винаходом як вторинний цифровий прилад застосований мікропроцесорний контролер з цифровим індикатором, з'єднаним з першим виходом контролера, а як кероване джерело струму застосований цифро - аналоговий перетворювач, входом з'єднаний з другим виходом контролера, виходом - зі входом перетворювача напруги в постійний струм, а також введені другий цифро - аналоговий перетворювач, перетворювач напруги у змінний струм і перетворюючий трансформатор, з'єднані послідовно конденсатори і мультиплексор з чотирма диференційними каналами і декодером, який з'єднаний входом з третім виходом контролера, при цьому входи першого і другого каналів, третього і четвертого каналів мультиплексора включені паралельно і з'єднані ВІДПОВІДНО з кінцями подовжувальних компенсаційних дротів, виходи перетворювача напруги в постійний струм з'єднані з різнойменними виходами першого та четвертого диференційних каналів мультиплексора, один кінець вихідної обмотки перетворюючого трансформатора з'єднаний з робочим спаєм термоелектричного перетворювача, другий кінець - з однойменними виходами другого та третього каналів через конденсатори, вхід диференціиного підсилювача з'єднаний з однойменними, але протилежними виходами другого та третього каналів, вихід аналого - цифрового перетворювача з'єднаний зі входом контролера, четвертий вихід якого з'єднаний зі входом другого цифро 54911 аналогового перетворювача Саме застосування мікропроцесорного контролера з цифровим індикатором як вторинного цифрового приладу і цифроаналогових перетворювачів з ВІДПОВІДНИМИ перетворювачами роду струму як керованих джерел постійного і змінного струмів, введення в систему мультиплексора з чотирма диференційними каналами і декодером, з'єднання введених елементів з раніше використаними вказаним чином дозволило встановлювати необхідну температуру робочого спаю термоперетворювача змінним струмом, а дійсну температуру робочого спаю при зміненій градуювальній характеристиці термометра визначати за цифровими кодами термоЕРС, яку одержують під час почергового охолодження і нагрівання робочого спаю постійним струмом, який пропускають у різних напрямах, перетворення термоЕРС в цифрові коди за допомогою диференційного підсилювача і цифро-аналогового перетворювача, запам'ятання їх в пам'яті контролера, управління значеннями змінного і постійного струмів кодами контролера і обробка проміжних вимірювань у процесорі контролера за програмою, записаною у пам'яті контролера, забезпечують підвищення точності визначення похибок цифрового термометра після тривалої експлуатації і повну автоматизацію процесу калібрування термометрів із внесенням поправок без використання механічного обладнання і зразкових засобів вимірювання На фіг 1 зображена функціональна схема вбудованої системи калібрування цифрових термометрів Система (фіг 1) містить термоелектричний перетворювач (ТЕП) 1, який включає робочий спай 2, термоелектроди 3, подовжувальні компенсаційні дроти 4, мультиплексор 5 з чотирма диференційними каналами, ключами 6, 7, 8, 9, 110, 11, 12, 13 різноіменних каналів і декодером 14, конденсатори 15 і 16, диференційний підсилювач 17, аналога - цифровий перетворювач (АЦП) 18, мікропроцесорний контролер 19, блок індикації 20, цифро - аналогові перетворювачі (ЦАП) 21 і 22, перетворювач напруги в постійний струм 23, перетворювач напруги у змінний струм 24 і перетворюючий трансформатор 25 В ТЕП 1 робочий спай 2 створений термоелектродами 3 із різних матеріалів, ВІЛЬНІ КІНЦІ ЯКИХ через подовжувальні компенсаційні дроти 4 з'єднані з попарно з'єднаними входами чотирьох диференційних каналів мультиплексора 5 ВІЛЬНІ КІНЦІ ТЕП через дроти 4 і ключі 9, 11 з'єднані зі входами діференційного підсилювача 17, вихід якого через АЦП 18 з'єднаний з входом контролера 19, до першого виходу якого підключений блок індикації 20 Другий вихід контролера з'єднаний з входом ЦАП 21, третій вихід з'єднаний з входом декодера 14 мультиплексора 5, а четвертий вихід з'єднаний з входом ЦАП 22 Вихід ЦАП 22 через перетворювач 24 з'єднаний з первинною обмоткою перетворюючого трансформатора 25, вторинная обмотка якого одним кінцем з'єднана з робочим кінцем робочого спаю 2, другим кінцем з'єднана через конденсатори 15, 16, контакти 8, 10 і подовжувальні дроти 4 з вільними кінцями ТЕП 1 Виходи перетворювача 23 через контакти 6, 7 з'єднані з одним вільним кінцем ТЕП 1, а через контакти 12, 13 з'єднані з другим вільним кінцем ТЕП 1 ПОСЛІДОВНІСТЬ роботи ключей чотирьохканального мультиплексора 5 проводиться згідно за алгоритмом Управління мультиплексором 5, АЦП 18, ЦАП 21 і ЦАП 22 здійснюється від мікропроцесорного контролера 19 Пристрій працює так Цифровий термометр (фіг 1) калібрується перед початком експлуатації з урахуванням градуювальної характеристики ТЕП 1, записаної в пам'яті мікропроцесорного контролера 19 Нагрів робочого спаю 2 ТЕП до заданої температури здійснюється змінним струмом нагріву Іні від трансорматора 25 через конденсатори 15, 16 і замкнуті контакти 8, 10 мультиплексора 15 за програмою контролера 19 Під час нагріву робочого спаю 2 до температури Т«і термоЕРС, яка формується робочим спаєм з термоелектродами 3, подається на вхід диференційного підсилювача 17 Цю термоЕРС при температурі калібрування Т«і можна представити у вигляді Е/=акТкі-аоТо (1) де ак - коефіцієнт Зеєбека робочого спаю ТЕП, який залежить від температури Ткі, do - коефіцієнт Зеєбека вільних КІНЦІВ ТЕП при їх температурі То Внаслідок того, що коефіцієнт Зеєбека dE ak = dTk к функціонально залежить від температури Тк, градуювальна характеристика ТЕП в загальному випадку нелінійна Проте, в околицях робочої точки градуювальної характеристики и можна замінити апроксимуючою дотичною і вважати, що невеликі зміни температури ДТк робочого спаю (ДТк«Ткі) призводять до пропорційних, тобто ЛІНІЙНИХ змін термоЕРС ТермоЕРС Е/ ПІСЛЯ підсилення диференційним підсилювачем 17 перетворюється аналого - цифровим перетворювачем 18 у цифровий код N/, 7 який заноситься у пам'ять контролера 19 Після цього по команді контролера 19 в мультиплексорі 15 розмикаються контакти 9, 11 і замикаються контакти 6, 12, і від джерела струму 21 через робочий спай 2 починає протікати постійний струм І у напряму, який у спаї завдяки ефекту Пельт'є призводить до поглинання певної КІЛЬКОСТІ теплоти Одночасно з цим в ТЕП відбувається і виділення теплоти Джоуля, КІЛЬКІСТЬ якої пропорційна опіру робочого спаю 2 та отру участків термоелектродів 3, які примикають до нього Результуюча електрична потужність, яка розсіюється в робочому спаї ТЕП, буде W=kl2RK-PI, (2) де RK - еквівалентний опір калібруємого ТЕП, k - коефіцієнт, який ураховує долю теплоти Джоуля, що поступає до робочого спаю, Р коефіцієнт Пельт'є матеріалів 54911 термоелектродів Охолодження робочого спаю виникає тоді, коли виконується умова 2 PI>kl RK(3) Під час збільшення струму І від нуля спочатку виникає охолодження спаю і, як наслідок, зменшення термоЕРС, а потім через квадратичну залежність теплоти Джоуля від струму відбувається підвищення температури, і, ВІДПОВІДНО, збільшення термоЕРС Струм, за яким настає максимальне охолодження спаю, можна визначити Із рівняння dl = 2klR k -P = (4) ЗВІДКІЛЯ оптимальний струм охолодження (5) У більшості ТЕП к«0,5, тому що половина теплоти Джоуля поступає на робочий спай, половина - на ВІЛЬНІ КІНЦІ Тому можна вважати, що " k (6) Згідно З першим термоелектричним співвідношенням Томсона коефіцієнти Зеєбека і Пельт'є зв'язані так P=aN (7) Враховуючи (7), потужність, яка розсіюється в робочому спаї ТЕП, може бути представлена у вигляді W=0,5lo2RK-aKTKilo (8) Під ВИЛИВОМ оптимального струму Іо робочий спай ТЕП охолоджується, його температура зменшується за експоненційним законом T(t) = T k 1 - [1 - е х р ( — ) ] Д Т к 1 х (9) де х - теплова стала часу робочого спаю ТЕП, ДТкі - усталена температура охолодження робочого спаю ТЕП Тривалість At охолодження вибирають такою, щоб забезпечити практично адіабагичний характер охолодження робочого спаю ТЕП, тобто без теплообміну з об'єктом контролю Усталена температура охолодження ДТ-і, вибирається в межах 5-10 К Тоді з урахуванням вибору тривалості охолодження (ДТІні і описані вище операції повторюються Результати калібрування при температурі Тк2 також заносяться до пам'яті контролера 19 В процесі експлуатації термометра в ТЕП відбуваються незворотні фізико - ХІМІЧНІ процеси, які пов'язані зі старінням і зносом робочого спаю При цьому, як правило, знижується чутливість із за зменшення коефіцієнта Зеєбека, виникає зміщення нуля термометра внаслідок непостійності температури вільних КІНЦІВ ТЕП, виявляється термоелектрична неоднорідність термоелектродів, а також виникають похибки у вторинних перетворювачах (підсилювач 17, АЦП 18 і т п) В результаті градуювальна характеристика ТЕП деформується і зміщується, що зумовлює велику похибку термометра під час подальшої експлуатації При нелінійній градуювальній характеристиці ТЕП вказані зміни у кожній робочій точці можна врахувати поворотом апроксимуючої дотичної (мультиплікативна похибка або похибка чутливості) і паралельним зміщенням дотичної (адитивна похибка або похибка нуля) Для врахування цих похибок проводять повторне калібрування термометра З цією метою за командою контролера 19 за допомогою ЦАП 22 і перетворювачів 24 і 25 формують ступенчато зростаючий почергово ЗМІННІ струми нагріву Іні,Ін2,Інз ,, які через замкнуті контакти 8, 10 пропускають через робочий спай 2 ТЕП 1 При значенні нагріваючого струму Іні проводять охолодження і додатковий нагрів робочого спаю шляхом пропускання через нього постійного струму Іо в різних напрямах у той же 54911 ПОСЛІДОВНОСТІ, що і під час початкового калібрування Спочатку, під час замикання контактів 9,11 мультиплексора 5 вимірюють термоЕРС ТЕП, яка відповідає температурі нагріва робочого спаю змінним струмом Іні Внаслідок того, що градуювальна характеристика ТЕП 1 у процесі експлуатації змінилася, температура робочого спаю достовірно невідома Результат термоелектричного перетворення невідомої температури Тхі за аналогією з (1) можна представити у вигляді // Еі =(ак+Да)Тхі-ао(То+ДТо)=акС1+у)Тхі-єоТо+51 (12) де Да - неконтролюємі зміни коефіцієнта Зеєбека робочого спаю, ДТо - нестабільність температури вільних КІНЦІВ ТЕП, Да У= k - відносна мультиплікативна похибка, яка призводить до зміни чутливості ТЕП, 5=ЕДТ - абсолютна адитивна похибка, яка зумовлює зміщення нуля ТЕП ТермоЕРС Е і перетворюється в цифровий запам'ятовується в пам'яті код ISl/, ЯКИЙ контролера 19 де S - номінальна крутизна перетворення термоЕРС в цифровий код, у-і і 5-і - похибки, які містять мультиплікативні і адитивні складові похибок підсилювача 17 і АЦП 18 Далі проводять додаткові вимірювання термоЕРС ТЕП Е{' при охолодженні і Ез при нагріві його робочого спаю оптимальним струмом Іо таким же шляхом, як і при первинному калібруванні термометра Зміна температури робочого спаю і вимірювання ВІДПОВІДНИХ термоЕРС виконуються аналогічними перемиканнями контактів мультиплексора 5 Так, після охолодження робочого спаю на протязі At отримують код 10 Для визначення залежності числа N від температури Тхі, слід урахувати, що всі зміни температури робочого спаю від струму Іо, що пропускають через нього, відбуваються в невеликому діапазоні температур (АТк«Тк) Тому і 7/ ВІДПОВІДНІ термоЕРС (Е/, Е{' І ЕЗ ) також змінюються мало Можна вважати, що похибки перетворення термоЕРС в код відбуваються приблизно з однаковими похибками Уі«У2«Уз=У, 5 і « 5 2 « 5 3 = 5 , (17) Перетворення термоЕРС Е/, Е{ і Ез в цифрові коди в процесі початкового калібрування відбувається при номінальній крутизні перетворення S, похибки перетворення у і 5, які ураховують також похибки аналога - цифрового перетворення, з'являються пізніше в процесі експлуатації термометра після початкового калібрування Тоді, підставив у вираз (16) коди N/, N/ І N/ З (1), (10), (11) і коди N/, N 2 І NS" З (13), (14), (15), отримаємо код відношення температур N o = // 2 N3 =S{a K (1+y3)Txi+[0,5lo RK+a K (1+y3)Txilo] At/c 2 s o To+5 3 }, (15) де уз і 5з - похибки перетворення термоЕРС Е" в код Після запам'ятовування кодів N/, N2", N3" з урахуванням кодів початкового калібрування, які зберігаються в пам'яті, в процесорі контролера 19 обчислюється код числа N= ( N / - N / X N / + N 3 ' - 2N 2 ') 2 (16) = Nxi N Т К1 K1 де Nxi і NKI - коди температур після і при початковому калібруванні струмом Іні З виразу (18) визначимо значення температури робочого спаю ТЕП при повторному калібруванні, код якої відповідає змінному струму нагріву Іні // // / / /2 [\jv-i = ГчЛІчИ — Nn (N / 3 -N / 2 )(N / / 2 + N / / 3 -2N / / 1 ) 2 ,(19) З виразу (19) видно, що результат обчислення температури робочого кінця ТЕП навіть після тривалої експлуатації термометра не залежить від поточних значень коефіцієнтів Зеєбека і Пельт'є, непостійності еквівалентної теплоємності робочого спаю, значень постійного і змінного струмів Код похибки термометра в першій повіряємої точці градуювальної характеристиці можна визначити з виразу N 2 / - S { a K ( 1 + y 2 ) T X i + [0,5l 0 2 RK-a K (1+y2)Txilo] At/c 2 s o To+5 3 }, (14) де у2 і 52 - похибки перетворення термоЕРС Е{' в код, С 2 еквівалентна теплоємність після експлуатації термометра Цифровий код U-I1 заноситься в пам'ять контролера 19 Після цього змінюють напрям струму Іо через робочий спай і нагрівають його на протязі того ж часу At Код додатково нагрітого спаю також заноситься в пам'ять Ixi " 1 (NZ-N/xiV+rV^N/)2 7 7 7 7 7 7 7 7 T (N3' - N 2 )(N 2 +N3" - 2 N / T м (20) де Ni - код показу термометра в процесі повторного калібрування ВІДПОВІДНО визначаються коди похибки AN при нагріваючих струмах Ін2, Інз Іні = Ni,"=-"" (N3,-1 + N 3 | / / -2N 1 | / / ) ,(21) де Nil" - коди показів термометра при різних струмах нагріву робочого спаю ТЕП в процесі повторного калібрування, NKi - код температури робочого спаю ТЕП при і - му струмі нагріву в процесі первинного калібрування, яка визначається по номінальній градуювальній характеристиці Далі за результатами повторного калібрування в пам'ять контролера вносять коди поправок 54911 11 •*2, n,=-AN,, (22) Подальша експлуатація термометра відбувається по його градуювальній характеристиці з урахуванням поправок (22) В процесі повторних калібрувань уточнюються значення поправок, чим забезпечується збільшення строку експлуатації термометра і підвищення його метрологічної надійності При експлуатації цифрового термометра замикаються тільки контакти 9, 11 мультиплексора 5 і працює основний канал термоелектричного перетворювання температури робочого спаю ТЕП, який приводять в тепловий контакт з об'єктом, який контролюється На табло цифрового індикатора 20 виводиться температура робочого спаю ТЕП, яка визначається за його градуювальною характеристикою з урахуванням поправок Строк експлуатації термометра після повторних калібрувань продовжується, а найбільший строк роботи термометра визначається припустимим значенням поправок, які вводяться Дослідження виявили, що вбудована система калібрування у цифровому вимірювачі температур в диапазон! 0-550°С на основі хромель-копелевої та хромель-алюмєлєвої термопар типа ТХК - 0063 12 і ТХА - 0063 градуювання ХА дозволяє продовжити їх строк роботи в 3-5 раз при припустимій похибці не більш ±0,5°С Особливо ефективне автокалібрування при вимірюваннях температур в агресивних середовищах, наприклад, в промислових алюмінієвих електролізерах, де гарантований строк служби хромель-алюмєлєвих термопар типа ТХА - 191 не перевищує 50 годин 3 внесенням поправок строк служби зростає до 300 годин, коли відбувається вже фізичне зруйнування робочого спаю термопари При цьому похибка цифрового вимірювача знаходиться в межах ±1,5°С Джерела інформації 1 Collier RD Calibration with confidence The assurance of temperature accuracy In Temperature its measurement and control in Science and Industry, 1982, Vol 5, part 2 New York American Institute of Physic, pp 1311-1315 2 Саченко A A , Мильченко В Ю , Кочан В В Измерение температуры датчиками со встроенными калибраторами М Энергоатомиздат, 1986, с 25-29 3 А С СССР №1362964, кл G 01К 15/00,1987 4 А С СССР №1397752, кл G 01 К 15/00, 1988 5 Патент РФ №2010191, кл G 01 К 15/00,1994 ФІГ.1 Підписано до друку 03 04 2003 р Тираж 39 прим ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)236-47-24