Термоелектричний термометр з самокорекцією

Реферат: UA 76262 U UA 76262 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до термометрії і може бути використана для створення термоелектричних термометрів з самокорекцією, показники яких завдяки самокорекції не залежать від зміни чутливості термопари в процесі довготривалої експлуатації. Відомий термоелектричний термометр з самокорекцією [Гондюл В.Л., Головко Д.Б., Скрипник Ю.О., та ін. Термоелектричні прилади контролю. Навч. Посібник - К.: Либідь, 1994. - с. 175-185], який містить робочу і компенсаційну термопари, перемикач, підсилювач, синхродетектор, фільтри нижніх частот, фазочутливий випрямляч, два диференційних підсилювача, масштабуючий блок, суматор, блок управління, джерело опорної напруги, подільник напруги і регістратори. Блок управління забезпечує роботу схеми термоелектричного термометра в чотири такти, завдяки яким виробляється коректуюча напруга, яка діє на регістратор і компенсує зміну чутливості робочої термопари в результаті її старіння і зносу. Проте, нестабільність параметрів самої компенсаційної термопари не дозволяє повністю виключити похибки від зміни чутливості робочої термопари. Відомий термоелектричний термометр з самокорекцією [Головко Д.Б., Дубровний В.О., Скрипник Ю.О. та ін. Високоточні вимірювання багатофункціональними термометрами: Навч. Посібник - К.: Либідь, 2000. - с. 212-217], який містить основну і додаткову термопари, з'єднані робочими кінцями, нормуючий підсилювач, аналого-цифровий перетворювач, комп'ютер, цифро-аналоговий перетворювач, перемикач полярності і цифровий індикатор. Корекція чутливості здійснюється за рахунок додаткового охолодження і послідовного нагрівання робочого кінця основної термопари теплотою Пельтьє, яка поглинається або виділяється в робочому кінці додаткової термопари в залежності від напряму протікання струму, і подальшої математичної обробки проміжних вимірювань. Проте, неминуча неідентичність характеристик двох термопар і проникнення постійного струму із додаткової термопари в основну через спільний робочий кінець не забезпечує ефективну самокорекцію по чутливості при довготривалій експлуатації, особливо при неможливості повторної калібровки. Відомий також термоелектричний термометр з самокорекцією [Патент України на кор. модель № 54936, МПК G01K 13/00, 2010 р.], який містить двоелектродну термопару, робочий кінець якої розміщений в зоні вимірюваної температури, нормуючий підсилювач, вихід якого через аналого-цифровий перетворювач з'єднаний з входом мікропроцесорного контролера, до цифрових виходів якого підключений цифро-аналоговий перетворювач і цифровий індикатор, загальна заземлена шина та термостат. Крім того, в двоелектродну термопару введений третій електрод, аналогічний одному із основних електродів, подільник струму із двох послідовно з'єднаних низькоомних резисторів і потенціометра між ними, два автоматичних двополюсних перемикачі, входи одного із яких запарелелені з виходами другого. Додатковий нагрів і охолодження робочого кінця термопари здійснюється теплотою Пельтьє, яка утворюється в контакті з введеним в термопару третім електродом. Результати надлишкових вимірювань від додаткового нагрівання і охолодження робочого кінця термопари обробляються в мікропроцесорному контролері і виводяться на цифровий індикатор. Введення третього електрода в термопару дозволяє виключити вплив струму додаткового охолодження і нагрівання робочого кінця термопари на значення термоЕРС, яке пропорційно вимірюваній температурі. Проте, забезпечити ідентичність термоелектричних параметрів (коефіцієнтів термоЕРС, коефіцієнтів Пельтьє та ін.) основної термопари і додаткової термопари, створену третім електродом, важко, особливо із-за відсутності стандартних трьохелектродних термопар. Тому здійснити самокорекцію показників термоелектричного термометра з високою точністю практично неможливо. В основу корисної моделі поставлена задача створення термоелектричного термометра з самокорекцією, в якому введенням нових елементів і зв'язків між ними забезпечилась би високоточна робота термоелектричного термометра з самокорекцією протягом довготривалої експлуатації. Поставлена задача вирішується тим, що в термоелектричний термометр з самокорекцією, який містить двоелектродну термопару, робочий кінець якої розміщений в зоні вимірюваної температури, нормуючий підсилювач, вихід якого через аналого-цифровий перетворювач з'єднаний з входом мікропроцесорного контролера, до цифрових виходів якого підключені цифро-аналоговий перетворювач, цифровий індикатор, загальна заземлена шина і термостат, згідно з корисною моделлю, в нього введені два подовжуючих термоелектроди, дві мідні колодки, два електронних ключі і дві мідні пластини зі струмовим і потенціальними затискачами, при цьому потенційні затискачі з'єднані з одного боку з різнополярними електродами двоелектродної термопари, з другої сторони з'єднані з відповідними подовжуючими термоелектродами, вільні кінці яких з'єднані з мідними колодками, останні розміщені в 1 UA 76262 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 термостаті і з'єднані з входами нормуючого підсилювача, струмові затискачі з'єднані з виходами цифро-аналогового перетворювача, одна з мідних колодок з'єднана з загальною заземленою шиною, один із електронних ключів включений між потенціальним затискачем мідної пластини і іншою незаземленою мідною колодкою, другий електронний ключ включений між струмовим затискачем тієї ж мідної пластини і незаземленим потенційним виходом цифро-аналогового перетворювача, а управляючі входи електронних ключів підключені до логічних виходів мікропроцесорного контролера. Введення в термоелектричний термометр з самокорекцією двох подовжуючих термоелектродів, двох мідних колодок, двох електронних ключів, двох мідних пластин з струмовими і потенційними затискачами, розміщення мідних колодок в термостаті та включених елементів вказаним способом, дозволяє при почерговій роботі електронних ключів, управляючих мікропроцесорним контролером, здійснювати вимірювання термоЕРС термопари як на початку вимірюваного циклу, так і в наступні цикли при додатковому охолодженні і нагріванні робочого кінця постійним струмом, який протікає безпосередньо по електродах термопари. Введення подовжуючих термоелектродів, підключених до потенціальних затискачів мідних пластин, дозволило ефективно розсіювати теплоту Пельтьє, яка виділяється в робочому кінці термопари, а розсіюється в мідній пластині. При цьому зміна температури самої мідної пластини не впливає на вимірювану термоЕРС, значення якої визначається тільки температурою термостата. Підключення цифро-аналогового перетворювача до струмових затискачів мідних пластин усуває вплив контактних опорів на падіння напруги в електродах термопари від струму охолодження і нагрівання. Тимчасове розділення вимірюваної термоЕРС і падіння напруги на електродах термопари виключає їх взаємний вплив, а короткочасне відключення постійного струму від електродів термопари дає можливість вимірювати термоЕРС додатково охолодженої або нагрітої термопари без спотворень. Це дозволить зменшити кількість додаткових вимірювань і забезпечить високоточну роботу термоелектричного термометра з самокорекцією протягом довготривалої його експлуатації. На кресленні наведена електрична схема термоелектричного термометра з самокорекцією. Двоелектродна термопара своїм робочим кінцем 1 розміщена в зоні вимірюваної температури Тх. Вільні кінці різнополярних електродів 2 і 3 з'єднані з потенціальними затискачами 4 і 5 мідних пластин 6 і 7, на яких знаходяться і струмові затискачі 8 і 9. До потенційних затискачів 4 і 5 підключені подовжуючі термоелектроди 10 і 11, які термоелектрично ідентичні різнополярним електродам 2 і 3 термопари. Вільні кінці подовжувальних термоелектродів 10 і 11 підключені до мідних колодок 12 і 13, розміщених в термостаті 14, які в свою чергу з'єднані з входами нормучого підсилювача 15, до виходу якого підключений аналого-цифровий перетворювач 16. Струмові затискачі 8 і 9 мідних пластин 6 і 7 з'єднані з виходами цифро-аналогового перетворювача 17, цифровий вхід якого підключений до виходу мікропроцесорного контролера 18, вхід якого з'єднаний з виходом аналого-цифрового перетворювача 16. До другого цифрового виходу мікропроцесорного контролера 18 підключений цифровий індикатор 19. До логічних виходів мікропроцесорного контролера 18 підключені управляючі входи електронних ключів 20 і 21. Електронний ключ 20 включений між потенціальним затискачем 5 мідної пластини 6 і мідною колодкою 12 термостата 14, в якому мідна колодка 13 з'єднана з загальною заземленою шиною 22. Електронний ключ 21 включений між струмовим затискачем 9 мідної пластини 6 і потенційним виходом цифро-аналогового перетворювача 17, другий вихід якого через мідну пластину 7 електрично з'єднаний з загальною заземленою шиною 22. Термоелектричний термометр з самокорекцією працює наступним чином. З початку роботи термометра електронний ключ 20 замкнутий, а електронний ключ 21 розімкнутий.ТермоЕРС термопари з робочим кінцем 1, яка створюється на вільних кінцях подовжувальних термоелектронів 10 і 11, визначається різницею температур робочого кінця 1 Тх і температури термостату 14 Т0: E1=S(Тх-Т0) (1) де S - чутливість (коефіцієнт Заєбека) термопари. ТермоЕРС (1) підсилюється нормуючим підсилювачем 15, перетворюється в цифровий код N1 аналого-цифровим перетворювачем 16 і вводиться в пам'ять мікропроцесорного контролера 18: SK (2) Tx  T0  N1  q це Κ - коефіцієнт підсилення нормуючого підсилювача; q - одиниця молодшого розряду аналого-цифрового перетворювача. 2 UA 76262 U 5 10 Далі розмикається електронний ключ 20, замикається електронний ключ 21 і через робочий кінець 1 термопари починає протікати постійний струм, який формується цифро-аналоговим перетворювачем 17. Під дією постійного струму робочий кінець 1 термопари починає охолоджуватись за рахунок поглинання теплоти Пельтьє. Проходження струму через різнополярні електроди 2 і 3 термопари викликає їх нагрівання за рахунок виділення теплоти Джоуля. Із-за теплопровідності електродів 2 і 3 частина тепла, що виділяється, поступає в робочий кінець 1 термопари, а інша частина - в мідні пластини 6 і 7, в яких розсіюється. Температура мідних пластин 6 і 7 трішки підвищується як за рахунок теплоти Джоуля, так і теплоти Пельтьє, яка виділяється в мідних пластинах 6 і 7 при охолодженні робочого кінця 1. Проте, термоЕРС, яка створюється на виході подовжувальних термоелектродів 10 і 11 не залежить від температури мідних пластин 6 і 7, а визначається винятково різницею температур робочого кінця 1 термопари і температурою вільних кінців у термостаті 14: pI  I2r (3)  T0 ) F де p - коефіцієнт Пельтьє робочого кінця термопари; r - електричний опір електродів термопари; I - сила постійного струму; β - коефіцієнт, який враховує долю теплоти Джоуля, яка безпосередньо поступає в робочий кінець термопари; λ - коефіцієнт тепловіддачі робочого кінця в навколишнє середовище і об'єкт контролю; F - площа поверхні тепловіддачі робочого кінця. ТермоЕРС (3) також підсилюється нормуючим підсилювачем 15, перетворюється в цифровий код N2 аналого-цифровим перетворювачем 16 і вводиться в пам'ять мікропроцесорного контролера 18: E2  S(Tx  15 20 SK pI  I2r (4) (Tx   T0 ) q F Як видно із виразу (4) в результаті охолодження робочого кінця 1 термопари постійним струмом I код термоЕРС зменшується (N2