Спосіб вимірювання температури термопарою і пристрій для його здійснення

Винахід відноситься до області вимірювання температури І може бути застосований для підвищення точності термопар, що знаходяться в тривалій експлуатації, особливо в агресивному середовищі, Відомий спосіб вимірювання температури термопарою, який складається із внесення робочого кінця термопари в середовище, температур у якого треба виміряти, І вимірюванні електрорушійної сили (термоЕРС), що виникає на вільних кінцях термопари (див. наприклад, Л евшина Е.С., Новицкий П.В. Электрические измерения физических величин. - Л.: Энергоатомиздат, 1983, с. 259-260). В процесі тривалої експлуатації, особливо в агресивному середовищі, в результат! оксидування термоелектродів, вуглецювзння і Інших змін їх хімічного складу під впливом агресивного середовища, а також дифузії компонентів столів через спай робочого кінця, деформації термоелектродів і т.п., тобто деградації термопари, змінюється коефіцієнт Зеебека, який визначає чутливість термопари до температури. В результаті змінюється нахил градуювальної характеристики термопари І з'являється похибка її чутливості. Для діагностики стану термопари застосовують спосіб за авт. св. СРСР № 302622, кл. G 01 К 7/02, 1971, який базується на додатковому нагріванні робочого кінця термпари періодичними імпульсами струму, β проміжках між якими перевіряють наявність термо-ЕРС. В цьому способі виключається похибка вимірювання у випадку обриву термоелектродів термопари. Проте цей спосіб не дозволяє контролювати поступову деградацію параметрів термопари. Відомий також спосіб вимірювання температури термопарою за авт. св. СРСР № 777475, кл. G 01 К 7/02, 1980, суть якого у внесенні робочого кінця термопари в середовище, температуру "якого вимірюють, регістрації термо-ЕРС на вільних кінцях термопари, нагріванні робочого кінця термопари пропусканням через термопару електричного струму, регістрації термо-ЕРС на вільних кінцях термопари, І визначенні температури за формулою. При цьому здійснюють реєстрацію усталеного значення термо-ЕРС, визначають відношення зареєстрованих значень термо-ЕРС, а вимірювану температуру визначають за слідуючою формулою: де Π - коефіцієнт Пельтьє; І0 - стр ум, що протікає через робочий кінець термопари; - відношення значень зареєстрованих термо-ЕРС; Ε1 - до І Е2 -після нагріванння; l - теплопровідність термоелектродів термопари з врахуванням тепловіддач! в оточуюче середовище. Як видно з приведеної формули, на точність вимірювання температури цим способом не впливає коефіцієнт Зеебека, тобто І його нестабільність в процесі експлуатації. Проте коефіцієнт Пельтьє функціонально пов'язаний з коефіцієнтом Зеебека ε співвідношенням Π - ε Τχ, тому відомий спосіб не виключає повністю впливу нестабільності коефіцієнта Зеебека І, таким чином, і непостійності чутливості термопари на точність вимірювання температури. Крім того, параметр А, який входить в розрахункову формулу, в значній мірі залежить від теплофізичних властивостей контрольованого середовища. При зміні цих властивостей в процесі тривалої експлуатації термопари, також виникає додаткова похибка через зміни параметра А, яку важко врахувати або компенсувати. Реєстрація усталеного значення температури після додаткового нагрівання робочого кінця термопари потребує значного часу. Тривале охолодження робочого кінця після вимикання струму додаткового нагрівання в значній мірі збільшує тривалість вимірювального циклу нагрівання-охолодження. Відомий пристрій для вимірювання температури термопарою за авт. св. СРСР № 1223597, кл. G 01 К 7/02, 1984, який складається з двох термопар, які з'єднані робочими кінцями, джерела струму, м ультивібратора, ключів, резисторів, конденсаторів, керованого резистора і послідовно ввімкнутих ди ференційного підсилювача, вибіркового підсилювача, демодулятора І Інтегратора, ви хід якого з'єднаний Із входом . керованого резистора, що ввімкнений між джерелом струму І робочим кінцем термопари. Рівняння вимірювального перетворення цього пристрою включає коефіцієнт Пельтьє. Таким чином, вплив нестабільності коефіцієнта Зеебека на чутливість термопари також цілком не ліквідується, Відомий цифровий пристрій для вимірювання температури термопарою (див., наприклад, Линепег Ф. Измерение температуры в технике. Справочник. Пер. С нем., 1980, с. 193), який складається з термопари, нормуючого підсилювача, аналого-цифрового перетворювача І цифрового вимірювального приладу. Недоліком таких пристроїв, не дивлячись на переваги цифрових термометрів порівняно з аналоговими, є залежність результатів вимірювання від степені нелінійності градуювальної характеристики І від нестабільності чутливості термопари. Відомий також пристрій для вимірювання температури термопарою (див. Цапенко М.П. Измерительные информационные системы. - Μ.: Энергоатомиздат, 1985, с. 158), який складається з термопари, робочий кінець якої розміщений в контрольованому середовищі, термоелектроди з'єднані компенсаційними дротами з коробкою стабілізації або компенсації змін температури вільних кінців термопари, нормуючого підсилювача, послідовно з'єднаних з ним аналого-цифрового перетворювача, мікро-ЕОМ І цифрового індикатора. В пам'ять ЕОМ занесена градуювальна характеристика термопари. Код вимірюваної термо-ЕРС, одержаний за допомогою аналого-цифрового перетворювача, порівнюється в мікро-ЕОМ з кодом термо-ЕРС градуювальної характеристики. У відповідності до таблиці відповідності формується код вимірюваної температури, який виводиться на цифровий Індикатор. При вимірюваннях поточних значень температури з допомогою таблиці відповідності лінеаризується перетворювальна характеристика термопари І цим забезпечується цифровий відлік температури. Проте реальна нестабільність параметрів термопари, перш за все деградація коефіцієнта Зеебека в процесі тривалої експлуатації термопари, не дозволяє повністю лінеаризувати перетворювальну характеристику через виникаючу нееквівалентність таблиці відповідності. Крім того, зміни коефіцієнта Зеебека під впливом дестабілізуючих факторів контрольованого середовища нічим не компенсуються, що викликає великі похибки вимірювання при тривалій експлуатації термопари. Таким чином, введення у пристрій для вимірювання температури аналого-цифрового перетворювача І мікро-ЕОМ з цифровим індикатором не вирішує задачу підвищення точності вимірювання температури термопарою з реальною нелінійною І нестабільною характеристикою. В основу винаходу покладена задача створити такий спосіб І пристрій для вимірювання температури термопарою, в котрих нове виконання операції пропускання електричного струму через термопару І введення нових операцій в способі, введення нових елементів в пристрої дозволило б забезпечити знаходження поправки по результату вимірювання, завдяки чому підвищилася б точність вимірювання температури за рахунок зменшення похибки від нестабільності градуювальної характеристики термопари І Π нелінійності, підвищилася б швидкодія при надлишкових вимірюваннях, які пов'язані з додатковим нагріванням і охолодженням термопари. Поставлена задача вирішується тим, що в спосіб вимірювання температури, який складається з внесення робочого кінця в середовище, температуру якого вимірюють, реєстрації термо-ЕРС на вільних кінцях термопари, нагріванні робочого кінця термопари пропусканиям через термопару електричного струму і визначенні температури за формулою, згідно з винаходом, пропускання електричного струму через термопару здійснюють протягом заданого часу, який вибирають в Інтервалі 0,1...0,2 від теплової сталої часу термопари, після чого регіструють миттєві значення термо-ЕРС на вільних кінцях термопари, потім охолоджують робочий кінець термопари зміною напряму пропускання струму на протилежний на протязі заданого часу, а вимірювану температуру Т х визначають під час охолодження термопари за формулою: де Тк - температура калібровки пристрою, Ν1' Ι Ν1'' - коди термо-ЕРС на вільних кінцях термопари, які одержані в процесі попередньої калібровки і даного вимірювання; N2' i N2'' - коди термо-ЕРС додатково нагрітої термопари в ти х же умовах; N0 - код термо-ЕРС вільних кінців термопари. Поставлена задача вирішується також тим, що пристрій для вимірювання температури, який складається з термопари, робочий кінець якої розміщений в контрольованому середовищі, термоелектроди якої з'єднані компенсаційними дротами з коробкою стабілізації або компенсації змін температури вільних кінців термопари, нормуючого підсилювача, послідовно з'єднаних з ним аналого-цифрового перетворювача, мікро-ЕОМ, цифрового Індикатора, згідно з винаходом, має стробуючий ключ, двохполюсний трипозиційний перемикач І цифроаналоговий перетворювач, кодовий вхід якого під'єднаний до другого виходу мікро-ЕОМ, аналогові виходи через двохполюсний трипозиційний перемикач з'єднані з вільними кінцями термопари, третій вихід мікро-ЕОМ з'єднаний з керуючим входом стробуючого ключа, який ввімкнено між вільними кінцями термопари І входом нормуючого підсилювача, а четвертий вхід мікро-ЕОМ з'єднано з керуючим входом двохполюсного трипозиційного перемикача. Додаткове нагрівання термопари на протязі невеликого часу порівняно з її тепловою сталою часу t наступне примусове охолодження практично виключає вплив контрольованого середовища на процес нагрівання-охолодження термопари І значно скорочує час вимірювання. Обробка результатів вимірювань за запропонованою формулою виключає вплив непостійності коефіцієнтів Зеебека І Пельтьє на результат вимірювання, які виникають через залежність цих коефіцієнтів від температури І через деградацію параметрів термопари при її тривалій експлуатації, особливо в умовах агресивного середовища, що дозволяє забезпечити знаходження поправки до результату вимірювання. Введення в структур у мікропроцесорного цифрового пристрою додаткового стробуючого ключа, двохполюсного трипозиційного перемикача І цифроаналогового перетворювача дозволяє забезпечити вимірювання І регістрацію кодів термо-ЕРС на вільних кінцях термопари на початку і в кінці Інтервалу нагрівання, як в режимі калібровки, так І в режимі вимірювання. Запропонована послідовність роботи двополюсного трьохпозиційного перемикача І стробуючого ключа виключає безпосередній вплив електричного струму, який пропускають через робочий кінець термопари, на нормуючий підсилювач І коди, що формуються. Цифроаналоговий перетворювач у структурі пристрою дає можливість формувати стр ум додаткового нагрівання робочого кінця термопари програмним шляхом в залежності від вибраної температури калібровки з хорошою повторюваністю, що підвищує точність вимірювання температури. Реєстрація кодів термо-ЕРС в режимах калібровки І вимірювання дозволяє обчислити поправку до результату вимірювання, яка β значній мірі зменшує вплив нестабільності і нелінійності градуювальної характеристики термопари. На фіг.1 зображена функціональна схема цифрового пристрою для вимірювання температури термопарою; на фіг.2 І 3 - стр уктурна схема алгоритму роботи цифрового пристрою. Пристрій складається з термопари, 1 термоелектроди якої з'єднані на колодці 2 з компенсаційними дротами 3, коробки стабілізації або компенсації змін температури вільних кінців термопари 4, стробуючого ключа 5, нормуючого підсилювача 6, аналого-цифрового перетворювача 7, мікро-ЕОМ 8, ци фрового індикатора 9, ци фроаналогового перетворювача 10 І двохполюсного трипозиційного перемикача 11. Вільні кінці термопари розміщені в коробці 4, температура якої стабілізується, або вводиться автоматична компенсація змін температури вільних кінців так, що термо-ЕРС термопари відповідає розрахунковій температурі То. До виходу коробки 4 під'єднаний стробуючий ключ 5, через який термо-ЕРС термопари подається на вхід нормуючого підсилювача 61 далі на аналого-цифровий перетворювач 7, в якому термо-ЕРС перетворюється в код, що подається на вхід мікро-ЕОМ 8. Перший вихід мікро-ЕОМ з'єднаний з цифровим Індикатором 9, другий вихід - з кодовим входом цифроаналогового перетворювача 10, третій вихід - з керуючим входом стробуючого ключа 5 І четвертий вихід - з керуючим входом двохполюсного трипозиційного перемикача 11. Входи перемикача 11 з'єднані з симетричними аналоговими виходами цифроаналогового перетворювача коду в струм 10, а його виходи - з зажимами термоелектродів термопари 1, які розміщені на колодці 2. Пристрій працює за програмою, яка записана в постійному запам'ятовуючому пристрої мікро-ЕОМ 8, у відповідності до структурної схеми алгоритму фіг.2 13. Спосіб вимірювання температури здійснюється так. Робочий кінець термопари розміщують в контрольованому середовищі, температуру якого в межах Txmin ...T xmax треба виміряти. Вільні кінці термопари розміщені в коробці 4, стабілізовану або розрахункову температуру якої Т0 можна вважати сталою Т0 =const. Вимірювану термо-ЕРС на вільних кінцях термопари ланками 4 і 5 перетворюють в цифровий код N1=s(εxT x- εοΤ ο), (1) де s - крутизна аналого-цифрового перетворення термо-ЕРС в код, εx - поточне значення коефіцієнта Зеебека робочого кінця, яке відповідав температурі ТХі εо - коефіцієнт Зеебека вільних кінців термопари, що відповідає Тх температурі То. В процесі пусконалагоджувальних робіт, коли на контрольований об'єкт встановлюється нова термопара, проводять її калібровку. Температур у калібровки вибирають Із співвідношення Перетворюють вимірювану термо-ЕРС на вільних кінцях термопари, яка відповідає калібровочній температурі Тк , в ци фровий кодN1' де εп - початкове значення коефіцієнта Зеебека робочого кінця термопари на початку експлуатації. Тому що вільні кінці термопари працюють при сталій температурі, І не в агресивному середовищі, то можна вважати, що в процесі експлуатації термопари, коефіцієнт Зеебека εо - вільних кінців термопари практично не змінюється. (εо=const). Його значення можна визначити з градуювальної характеристики термопари. Крутизну аналого-цифрового перетворювача постійної напруги нескладно стабілізувати при сучасному рівні розвитку мікроелектроніки. (s = const). Враховуючи це, визначають код термо-ЕРС вільних кінців термопари за формулою Початкове значення коефіцієнта Зеебека робочого кінця термопари визначають за виразом (3), враховуючи (4) Рєгіструють коди N1' I No. Потім через робочий кінець термопари пропускають постійний струм Іо, який додатково нагріває його за рахунок теплоти Пельтьє на 5... 10% від (Tmax + T min)/2. Через теплову Інерцію робочого кінця термопари його температура росте за експлуатаційним законом де t- час додаткового нагрівання, t- теплова стала часу термопари, DТУ-усталений перегрів робочого кінця термопари. На початковій дільниці кривої нагрівання (6) термопари відбувається адіабатичний процес нагрівання її робочого кінця. В результаті температура робочого кінця росте у відповідності до залежності П' I t ' TK ' ' = TK + 0 cm (7) де П' - коефіцієнт Пельтьє робочого кінця термопари, що відповідає температурі Т*, с - усереднена питома теплоємність робочого кінця, m - маса робочого кінця, t' - час адіабатичного нагрівання робочого кінця термопари. Час нагрівання робочого кінця термопари t' повинен бути таким, що б на процес нагрівання мало впливали тепловіддача з поверхні робочого кінця в оточуюче середовище І теплопровідність термоелектродів. Практично цей час вибирають з умови t'=(0.1...0,2)t=nt. (8) При цьому методична похибка від заміни реальної експоненційної залежності (6) лінійною залежністю (7) при часі нагрівання (8) не перевищує 0,5%. Код термо-ЕРС додатково нагрітої термопари рєгіструють. Враховуючи, що коефіцієнт Пельтьє зв'язаний з коефіцієнтом Зеебека співвідношенням П' = εп Тк , одержимо код термо-ЕРС, додатково нагрітої термопари Код N2' також рєгіструють. Потім, змінюють напрям струму І о через робочий кінець термопари, примусово охолоджуючи його на протязі часу t", який визначається по досягненню робочим кінцем температури калібровки Тк . На цьому процес калібровки нової термопари закінчується. Процес вимірювання температури на працюючому об'єкті починається з визначення коду поточного значення термо-ЕРС. В процесі експлуатації термопари під впливом дестабілізуючих факторів, а також зміни температур робочого кінця виникають неконтрольовані зміни коефіцієнта Зеебека відносно його номінального значення. Тому тут одержують код термо-ЕРС з похибкою де Δε x - зміни коефіцієнта Зеебека під впливом дестабілізуючих факторів І відмінності температури Тх від калібровочної Тк . Код Ν1' термо-ЕРС від вимірюваної температури Тх рєгістр ують. Якщо врахувати співвідношення (4), то код (11) можна представити у вигляді де похибка вимірювання в коді від зміни чутливості робочого кінця термопари. Вимірювану температуру можна визначити за результатами вимірювання з виразу (12) Похибка вимірювання ΔΝι невідома і її вплив на результат вивмірювання можна зменшити, вводячи поправку, що має знак зворотний до знаку похибки. Для визначення поправки виконують друге вимірювання при додатковому нагріванні робочого кінця термопари струмом to на протязі часу t\ Аналогічно з виразом (9) одержують код ЕРС додаткового нагрівання термопари де П" - коефіцієнт Пельтьє, який відповідає температурі Тх. Через зміни коефіцієнта Зеебека І температури робочого кінця термопари, коефіцієнт Пельтьє приймає значення Тому код термо-ЕРС (14), враховуючи (15) подамо у вигляді Код N2" додатково нагрітої термопари регіструють. Використовуючи результати поточних вимірювань температури і каліброваної температури Тк обчислюють поправку Δ N2 до результату вимірювання за формулою Якщо у формулу поправки (17) замість кодів N 1'; No'; N2'; N1" i N2" підставити Т х значення з виразів (3), (4), (10), (11) І (16), то одержимо Після математичних перетворень, одержуємо Тому що Dε х змінюється дуже мало відносно εн, відношенням можна знехтува ти. Тому Таким чином, поправка Δ N2 у першому наближенні дорівнює похибці вимірювання ΔΝι І протилежна Ти за знаком. Зкоригований результат вимірювання температури Тх обчислюють за формулою (13), враховуючи поправку N2 Підставивши у вираз (21) Δ N2 з виразу (17), одержуємо Якщо замість добутку εп s підставити його значення з виразу (5), то у підсумку одержимо - З одержаного виразу видно, що результат вимірювання температури Тх за формулою (23) еквівалентний результату вимірювання термопарою з незмінними параметрами επ Ι ε0 тобто тут за рахунок поправки виключаються зміни від деградації коефіцієнта Зеєбека робочого кінця, а також лінеаризується перетворювальна характеристика термопари незалежно від степеня її нелінійності за градуювальною кривою. Враховуючи похибку др угого порядку малості (18) результат вимірювання (24) буде мати вигляд Таким чином, похибка вимірювання температури, наприклад, при 10% відносній зміні коефіцієнта Зеебека (Δε х2/επ 2 - 0,01) складає всього лише 1 %. Виграш по точності запропонованим способом буде десятикратним. При цьому збільшується термін служби термопари, який в умовах експлуатації обмежується деградацією робочого кінця термопари. Порівняно до способу-прототипу виключено вплив непостійності як коефіцієнта Зеебека, так І коефіцієнта Пельтьє. Також виключений вплив непостійності теплофізичних властивостей контрольованого середовища на результат вимірювання за рахунок використання початкової дільниці кривої нагрівання термопари. Підвищена швидкодія вимірювання за рахунок короткочасного нагрівання і примусового охолодження робочого кінця термопари. Пристрій для вимірювання температури термопарою працює так. Попередньо в постійний запам'ятовуючий пристрій (ПЗП) мікро-ЕОМ 8 (рис. 1,2) вводять параметри термопари І вимірювального пристрою: То - стабілізовану температуру вільних кінців термопари в коробці 4, εо-табличне значення коефіцієнта Зеебека, що відповідає температурі вільних кінців То, s - значення крутизни аналого-цифрового перетворення термо-ЕРС в код, яке визначають за параметрами ланок 6 І 7, t' - час адіабатичного нагрівання робочого кінця термопари, який згідно до викладеного вище дорівнює (0,1...0 ,2) х теплової сталої часу термопари, змонтованої на об'єкті,, f-час о холодження термопари до приблизно початкової температури при пропусканні через неї каліброваного струму зворотної полярності. Цей час. визначають експериментально, або приймають t" = t' Ιο - струм додаткового нагрівання термопари, який визначають з умови (7). При калібровці пристрою треба визначити фактичну температуру Тк І також занести Π в ПЗП мікро-ЕОМ. Калібровка І вимірювання виконуються по аналогічних підпрограмах 4 І 7, стр уктурна схема яких приведена на фіг.3 (клітинки 12...23). На кроці 13 підпрограми вмикається стробуючий ключ 5 (фіг.1), І на виході ЦАП 7 з'являється код Νι\ який відповідає температурі калібровки Тк. Цей код поступає в мікро-ЕОМ 8, де запам'ятовується в ПЗП. Далі ключ 5 розмикається, а перемикач 11 вмикається, подаючи на термопару калібрований струм Іо в прямому напрямку (клітинки 17 і 18 підпрограми). Нагрівання робочого кінця термопари триває точно визначений час t', після чого перемикач 11 вимикається, ключ 5 вмикається (клітинка 13 підпрограми), термо-ЕРС підігрітої термопари ланками 6 І 7 пристрою (фіг.1) перетворюються в код N2* який також запам'ятовується в ПЗП мікро-ЕОМ 8. Після цього ключ 5 розмикається, а перемикач 10 вмикається, подаючи на термопару калібрований струм Іо тривалістю Г в зворотному напрямі, в результаті чого робочий кінець термопари охолоджується приблизно до початкової температури Тк (клітинки 19...20 підпрограми). Таким чином, в результаті калібровки в ПЗП мікро-ЕОМ запам'ятовуються значення кодів Ν 1' І N2', і N0, а також температури Тк , які використовують у всі х наступних циклах вимірювання, поки не з'явиться потреба в новій калібровці. Режим вимірювання проводиться потій же підпрограмі, що й режим калібровки. В результаті одержують коди N1" І N2", які запам'ятовуються в оперативному запам'ятовуючому пристрої мікро-ЕОМ 8. В наступному такт! процесу вимірювання мікро-ЕОМ 8 обчислює за формулою (21) температуру Т х, яка виводиться на цифровий Індикатор 9. Запропонований тут пристрій вимірювання температури може працювати з будь-якою промисловою системою ввімкнення термопари: з диференційною термопарою, тобто коли температура коробки 4 вільних кінців термопари стабілізована, з компенсаційною коробкою, наприклад, типу КТ-54, яка приводить термо-ЕРС термопари до значення, що відповідає розрахунковій температурі вільних кінців термопари, як правило це Т0 20°С, І, нарешті, з термопарою, яка не має похибки від змін температури вільних кінців, наприклад градуювання В Ρ або ПР, в останньому випадку можна вважати, що No - 0 (Г° - 0°С). Порівняно з пристроєм-прототипом, перетворювальна характеристика термопари, враховуючи введену поправку, лінійна, що виключає похибку від нелінійності при змінах чутливості термопари з часом. Кут нахилу лінеаризованої характеристики сталий І не залежить в значній мірі від змін чутливості робочого кінця термопари.