Спосіб вимірювання абсолютної температури

Спосіб вимірювання абсолютної температури, що полягає у внесенні робочого кінця термопари у середовище, температура якого вимірюється, вимірюванні термо-ЕРС на вільних кінцях термопари, охолодженні і нагріванні робочого кінця термопари при пропусканні через термопару постійного електричного струму у різних напрямках за даний інтервал часу, що вибирають менше теплової постійної часу термопари, і визначенні температури за формулою, який відрізняється тим, що після вимірювання термо-ЕРС пропускають постійний електричний струм у напрямку, що визиває охолодження робочого кінця термопари, силу постійного струму вибирають з умови максимального охолодження за встановлений інтервал часу, вимірюють термо-ЕРС охолодженої термопари, змінюють напрям протікання постійного електричного струму і нагрівають робочий кінець термопари до досяг нення початкової термо-ЕРС, подальше нагрівання робочого кінця термопари здійснюють за той же встановлений інтервал часу, вимірюють термоЕРС нагрітої термопари, знову змінюють напрям протікання електричного струму і охолоджують робочий кінець термопари до досягнення початкової термо-ЕРС, абсолютну температур у Т х визначають за формулою: Винахід відноситься до області вимірювання температури термопарою і може бути застосований для виміру абсолютного значення температури у цифровій формі термопарою з нелінійною градуйовочною характеристикою, особливо напівпровідниковими термопарами. У останні роки для вимірювання абсолютних температур у широкому діапазоні значень знаходять все більше застосування напівпровідникові термопари, чутливість яких у 50-100 разів вище металічних, а за своїми експлуатаційними якостями вони можуть застосовуватись як для виміру низьких, так і високих температур. Але вони мають істотно нелінійну градуйовочну характеристику та їм властива значна нестабільність, що перешкоджає їх широкому застосуванню у ци фрових системах контролю та регулювання температури. Термо-ЕРС Е, яка виникає на вільних кінцях термопари, пов'язана з вимірювальною абсолют ною температурою Тх співвідношенням (див. Анатынчук Л.И. Термоэлементы и термоэлектрические устройства. Справочник - Київ: Наукова Думка, 1979, стор. 77-79): E = e x Tx - e0 T0 . де eх - значення коефіцієнта Зеєбека робочого кінця термопари при температурі Тх, e0 - значення коефіцієнта Зеєбека вільних кінців термопари при температурі Т0. З приведеного співвідношення слідує, що вимірювана абсолютна температура: Tx = (Ex + e0 T0 ) / e x . Непостійність коефіцієнта Зеєбека eх та залежність його від вимірюваної температури не дозволяє виконати високоякісні виміри температури, особливо напівпровідниковими термопарами. Крім Tx = {[(Eiv + Eii )(Eiv + Eii - 2Eik )2 ] : x x k k : [(Eiv - Eii )(Eiv + Eii - 2Eix )2 ]}Tk , k k x x (13) 28733 (11) UA (19) Тk - температура калібрування, що відома за своїм числовим значенням, і яка встановлюється у зоні робочих кінців перед початком експлуатації термопари; Eik , Eix - значення термо-ЕРС у процесі калібрування та вимірювання; Eii , Eii - значення термо-ЕРС після охолодженk x ня термопари у процесі калібрування та вимірювання; Eiv , Eiv - значення термо-ЕРС після нагрівання k x термопари у процесі калібрування та вимірювання. A де 28733 N1і та N1іі - коди термо-ЕРС на вільних кінцях термопари, які одержують у процесі калібрування та вимірювання; N2і та N2іі - коди термо-ЕРС на вільних кінцях додатково нагрітої термопари у тих же умовах; N0 - код термо-ЕРС вільних кінців термопари. Але відомий спосіб не виключає постійну похибку від нелінійності та нестабільності, яка має особливий вплив при великих нелінійностях хоча і має другий порядок меншості (див. вираз (25) способу-прототипу). При великих нелінійностях до 3-5%, що особливо притаманне напівпровідниковим термопарам, виникає похибка в 1…2 К. Крім того у розрахункову формулу входить код термоЕРС N0 вільних кінців термопари, непостійність якого виміряти неможливо. Він визначається розрахунковим шляхом з градуйовочної характеристики термопари, яка через свою нестабільність не може дати достовірний результат. В основу винаходу покладена задача створити такий спосіб вимірювання температури, в якому введення нових операцій дозволить проводити калібрування термопари без знання її градуйовочної характеристики та виключити похибки від нелінійності та нестабільності її характеристики, завдяки чому підвищилась точність вимірювання абсолютної температури у широкому діапазоні її значень. Оставлена задача вирішується тим, що в спосіб вимірювання абсолютної температури, що полягає у внесенні робочого кінця термопари у середовище, температура якого вимірюється, вимірюванні термо-ЕРС на вільних кінцях термопари, охолодженні і нагріванні робочого кінця термопари при пропусканні через термопару постійного електричного струму у різних напрямках за даний інтервал часу, що вибирають менше теплової постійної часу термопари, і визначенні температури за формулою, згідно з винаходом після вимірювання термо-ЕРС пропускають постійний електричний струм у напрямку, що викликає охолодження робочого кінця термопари, силу постійного електричного струму вибирають з умови максимального охолодження за встановлений інтервал часу, вимірюють термо-ЕРС охолодженої термопари, змінюють напрям протікання постійного електричного струму і швидко нагрівають робочий кінець термопари до досягнення початкової термо-ЕРС, подальше нагрівання робочого кінця термопари здійснюють за той же встановлений інтервал часу, вимірюють термо-ЕРС нагрітої термопари, знову змінюють напрям протікання постійного електричного струму і о холоджують робочий кінець термопари до досягнення початкової термо-ЕРС, абсолютну температуру Т х визначають за формулою: того необхідно знати точне значення абсолютної температури Т0 вільних кінців. Відомий спосіб вимірювання абсолютної температури за а.с. СРСР № 777475, кл G01K7/02, 1980, що полягає у внесенні робочого кінця термопари у середовищі, температура якого вимірюється, реєстрації термо-ЕРС на вільних кінцях термопари, нагріванні робочого кінця термопари пропусканням через термопару електричного струму, вимірювання термо-ЕРС нагрітої термопари і визначенні абсолютної температури за формулою: Tx = PI0 /[ l (K - 1)] , де П - коефіцієнт Пельт'є, І0 - постійний струм, що протікає через робочий кінець термопари, К=(Е2/Е1) - відношення значень зареєстрованих термо-ЕРС, Е1 до і Е2 - після нагрівання, l - теплопровідність термоелектродів термопари з урахуванням тепловіддачі в оточуюче середовище. З приведеної формули видно, що на точність вимірювання температури не впливає коефіцієнт Зеєбека, який визначає чутливість термопари, а значить і його нестабільність у процесі експлуатації. Але функціонально зв'язаним з коефіцієнтом Зеєбека зостається коефіцієнт Пельт'є, так як П=eхТ х де eх - коефіцієнт Зеєбека, тому такий спосіб не виключає впливу нестабільності чутли вості термопари і може призвести до похибки вимірювання. Але й параметр l, що залежить від теплофізичних властивостей контрольованого середовища, також входить у розрахункову формулу, тому у процесі тривалої експлуатації термопари ці властивості змінюються, що призводить до додаткової похибки через зміни параметру l. Відомий також спосіб виміру абсолютної температури по патенту України № 12392 А, кл. G01К7/02, 1996, що полягає у внесенні робочого кінця термопари у середовище, температура якого вимірюється, вимірюванні термо-ЕРС на вільних кінцях термопари, охолодженні і нагріванні робочого кінця термопари при пропусканні через термопару постійного електричного струму у різних напрямках за даний інтервал часу, що вибирають менше теплової постійної часу термопари і визначенні температури за формулою. Нагрівання робочого кінця термопари здійснюють пропусканням через термопару постійного електричного струму у інтервалі 0,1-0,2 від теплової сталої термопари, після чого реєструють миттєве значення термо-ЕРС на вільних кінцях термопари, потім охолоджують робочий кінець термопари зміною напрямку пропускання постійного електричного струму протягом заданого часу, а вимірювальну температуру Т х визначають під час охолодження за формулою: ii i Tx = {2(N1 + N0 ) /(N1 + N0 ) - (Nii 2 - Nii ) /(Ni2 1 Tx = {[(Eiv + Eii )(Eiv + Eii - 2Eik )2 ] : x x k k : [(Eiv - Eii )(Eiv + Eii - 2Eix )2 ]} Tk , k k x x де Тk - температура калібрування, що відома за своїм числовим значенням, і яка встановлюється у зоні робочих кінців перед початком експлуатації термопари; Eik , Eix - значення термо-ЕРС у процесі калібрування та вимірювання; - Ni1)} Tk , де Tk - температура калібрування термопари, яку встановлюють у зоні робочого кінця перед початком експлуатації термопари; 2 28733 eх - значення коефіцієнта Зеєбека при температурі Т х, e0 - значення коефіцієнта Зеєбека вільних кінців при температурі Т0 . Так як eх залежить від температури, то градуйовочна характеристика термопари має нелінійний характер (фіг. 2). Для врахування нелінійності в околі робочих точок характеристику апроксимують дотичною, яка при інших значеннях температури зміщується, немов ковзає по її контур у. При малих змінах температури будемо вважати, що зміна термо-ЕРС відбувається по дотичній відносно робочої точки. У околі точок Тk та Т0 градуйовочну характеристику представляють дотичними. Тоді термо-ЕРС термопари має вигляд: Ek = (Tk - Ta0 )tg a - (T0 - Tв0 )tgb , (2) де Та0, Тв 0 - нульові коефіцієнти дотичних, які проведені з точок Тk та Т 0, a та b - кути на хилу дотичних. Враховуючи, що tga=ek та tgb=e0, маємо: Eik = e k (Tk - Ta 0 ) - e0 (T0 - Tв 0 ) . (3) Далі через робочий кінець термопари пропускають постійний електричний струм І0 у напрямку, що викликає охолодження робочого кінця термопари за рахунок поглинання теплоти Пельт'є. При охолодженні робочого кінця за час Dt1 менше його теплової постійної часу (Dt x