Термоелектричний спосіб вимірювання температури і пристрій для його здійснення

1 Термоелектричний спосіб вимірювання температури, що полягає в розміщенні робочого кінця термопари в тепловому контакті з контрольованим об'єктом, вимірюванні початкової термоЕРС на вільних кінцях термопари, охолодженні робочого кінця термопари пропусканням через нього постійного електричного струму, вимірюванні термоЕРС охолодженої термопари, ЗМІНІ напряму струму і нагріванні робочого кінця термопари, вимірюванні термоЕРС перегрітої термопари і визначенні температури за формулою, який відрізняється тим, що після вимірювання початкової термоЕРС Е| пропускають постійний електричний струм в напрямку, при якому робочий кінець термопари охолоджується, ступенями збільшують струм, фіксуючи зниження термоЕРС, а потім її підвищення до початкового значення Е|, після цього вимірюють значення компенсуючого струму Ік і електричну потужність W, що розсіюється у термопарі від компенсуючого струму, зменшують струм у два рази, проводять знову охолодження робочого кінця цим струмом протягом інтервалу часу, меншого теплової сталої термопари, вимірюють термоЕРС Ег, після цього переривають струм на інтервал часу, достатній для досягнення початкового значення термоЕРС Е|, змінюють напрям струму і нагрівають цим струмом робочий кінець термопари протягом такого ж проміжку часу, що і при охолодженні термопари, вимірюють термоЕРС Ез, а температуру Тх визначають за формулою Винахід відноситься до техніки вимірювання температури електричними методами і може бути застосований для вимірювання температури термопарою з допоміжним перегріванням і охолодженням и робочого кінця При точних вимірюваннях температури необхідно враховувати нелінійний характер статичної (градуювальної) характеристики термопари Тому термоелектрорушійна сила (термоЕРС) Е на вільних кінцях термопари Т. •Е,ЇЕ w1 де Тк - температура, яку вимірюють в зоні робочого кінця термопари в процесі калібрування, Е-Г, Е.2 і Ез' -термоЕРС, виміряні при калібруванні, Ік' - значення струму компенсації охолодження і нагрівання робочого кінця термопари при калібруванні, W - електрична потужність, що розсіюється у термопарі від струму компенсації при калібруванні 2 Термоелектричний пристрій для вимірювання температури, що містить термопару, мілівольтметр, перемикач і джерело постійного струму, який відрізняється тим, що додатково містить дві масивні МІДНІ КОЛОДКИ З розділеними агрумовими і потенціальними затискачами, реостат, міліамперметр, ватметр і чотирипакетний трипозиційний перемикач, ВИХІДНІ контакти якого з'єднані між собою зустрічно, при цьому до потенціальних затискачів колодок під'єднані ВІЛЬНІ КІНЦІ термопари і середні ВХІДНІ контакти чотирипакетного трипозиційного перемикача, до струмових затискачів колодок під'єднані крайні ВХІДНІ контакти цього перемикача, до вихідних середніх контактів перемикача під'єднаний мілівольтметр, а до крайніх вихідних контактів перемикача під'єднані послідовно з'єднані реостат, міліамперметр, струмова обмотка ватметра і джерело постійного струму (О 00 48611 визначається різницею термоЕРС робочого кінця, який нагрітий до вимірюваної температури Т-і, і термоЕРС вільних КІНЦІВ, які термостатують або мають відому температуру Тг, що визначається температурою оточуючого середовища З врахуванням поточних значень термоелектричних параметрів, термоЕРС Е = оиТі - (Х2Т2, де ои і а,2 - коефіцієнти термоЕРС (коефіцієнти Зеебека), розміри яких залежать від температур Ті іТ 2 Тому що значення коефіцієнтів Зеебека ои і а,2 залежать від температури і змінюються в часі по мірі старіння і зносу термопари, то точне визначення невідомої температури Ті навіть при ВІДОМІЙ температурі Тг пов'язане з певними труднощами Для цього застосовують розглянуті нижче алгоритмічні методи, в яких робочий кінець термопари додатково нагрівають чи охолоджують електричним струмом, використовуючи ефект Пельтьє Відомий термоелектричний спосіб вимірювання температури по патенту України №22594А, MnK6G01K7/02, 1994, який полягає в додатковому нагріванні робочого кінця термопари, що знаходиться в середовищі, температуру якого вимірюють, постійним струмом за рахунок виділення теплоти Пельтьє на протязі інтервалу часу, меншого за теплову сталу термопари, вимірюванні термоЕРС в КІНЦІ нагрівання і визначенні температури Тх за формулою т, _(E1+E0)2l0At де Е-і і Ег - термоЕРС до нагрівання і після додаткового нагрівання робочого кінця термопари, Ео - термоЕРС вільних КІНЦІВ термопари, Іо - ПОСТІЙНІЙ струм нагрівання, At - час пропускання струму, с - усереднена питома теплоємність робочого кінця термопари, m - маса робочого кінця термопари У цю розрахункову формулу не входять термоелектричні коефіцієнти (Зеебека і Пельтьє), які залежать від температури і нестабільні в часі, що дозволяє вимірювати термопарою температуру в широкому діапазоні її значень Проте, необхідність додаткового вимірювання теплоємності робочого кінця термопари ускладнює методику вимірювання температури Використання у цьому способі лінійної залежності температури перегріву робочого кінця термопари тільки від виділеної теплоти Пельтьє приводить до значної методичної похибки вимірювання температури через те, що не враховується теплота Джоуля, яка виділяється в термоелектродах при пропусканні через них струму /0 Відомий термоелектричний спосіб вимірювання температури по патенту України №17907А, MnK6G01K7/02, 1997, який полягає в додатковому нагріванні і охолодженні робочого кінця термопари постійним струмом, який пропускають у різних напрямах на протязі інтервалу часу, меншого за теплову сталу термопари, вимірюванні термоЕРС як додатково нагрітого, так і охолодженого робочого кінця термопари і визначенні температури Тх за формулою N 2-N4)lN1+N0X де Тк - температура калібрування, N1.N2.N4 - коди термоЕРС на вільних кінцях термопари, одержані в процесі калібрування, N1.N2.N4 - коди термоЕРС на вільних кінцях термопари, одержані в процесі вимірювання, No - код термоЕРС вільних КІНЦІВ термопари відносно температури, що відрізняється від температури й" градуювання (відхилення від 0°С коли застосовують шкалу Цельсія і від абсолютного нуля, якщо застосовують шкалу Кельвіна) У цьому способі виключена необхідність додаткового визначення теплоємності робочого кінця термопари Проте, в розрахункову формулу входить код термоЕРС вільних КІНЦІВ термопари, який не залишається сталим через нестабільність їх температури, а також змін значень коефіцієнта Зеебека вільних КІНЦІВ термопари з часом Відомий також термоелектричний спосіб вимірювання температури за патентом України №28733А MnK6G01K7/02 1999, який полягає в розміщенні робочого кінця термопари в тепловому контакті з контрольованим об'єктом, вимірюванні початкової термоЕРС на вільних кінцях термопари, охолодженні робочого кінця термопари при пропусканні через нього постійного електричного струму за інтервал часу, менший теплової сталої часу термопари, вимірюванні термоЕРС охолодженої термопари, зміни напряму струму і нагріванні робочого кінця термопари на протязі того ж установленого проміжку часу, вимірюванні термоЕРС перегрітої термопари і визначенні температури за формулою Крім того, відомий спосіб включає операцію охолодження робочого кінця термопари після її нагрівання, а температуру Тх визначають за формулою b F IV x -IV "К ,2 -тк, де Тк - температура калібрування, яку проводять перед початком експлуатації термопари, Ек,Е х - початкові термоЕРС в процесах калібрування і вимірювання, ВІДПОВІДНО, Ек,Е х - термоЕРС після охолодження термопари в процесах калібрування і вимірювання, Е^.Ех термоЕРС після додаткового нагрівання термопари в процесах калібрування і вимірювання 48611 Відомий термоелектричний спосіб виключає охолодженої термопари, зміни напряму струму і вплив непостійності температури вільних КІНЦІВ нагріванні робочого кінця термопари на протязі термопари і не потребує знання кодів їх того ж установленого проміжку часу, вимірюванні термоЕРС Проте, цей спосіб передбачає сталість термоЕРС перегрітої термопари і визначенні теплоти Джоуля в процесах калібрування і температури за формулою, згідно з винаходом, що вимірювання При експлуатації термопари разом із після вимірювання початкової термоЕРС Еі змінами коефіцієнтів Зеебека і Пельтьє неминучі і пропускають постійний електричний струм в зміни електричного опору електродів термопари, напрямку, при якому робочий кінець термопари що обумовлює значну зміну теплоти Джоуля в охолоджується, ступенями збільшують струм, процесах калібрування і вимірювання, що додає фіксуючи зниження термоЕРС а потім її похибку вимірювання температури, особливо при підвищення до початкового значення Е-і, після чого роботі и робочого кінця в агресивному середовищі вимірюють значення компенсуючого струму Ік, і електричну потужність W, що розсіюється у Відомий термоелектричний пристрій для термопарі від компенсуючого струму, зменшують вимірювання температури (Див Анатычук Л И струм у два рази, проводять знову охолодження Термоэлементы и термоэлектрические робочого кінця цим струмом на протязі інтервалу устройства Справочник - К Наукова думка, 1979, часу, меншого теплової сталої термопари, стр 77 - 79), який складається з термопари, ВІЛЬНІ вимірюють термоЕРС Ег після чого переривають КІНЦІ якої розміщені в коробці компенсації змін їх струм на інтервал часу, достатній для досягнення температури і мілівольтметра, під'єднаного до початкового значення термоЕРС Е-і, змінюють виходу компенсаційної коробки Проте, у цьому напрям струму і нагрівають цим струмом робочий пристрої через непостійність значень коефіцієнта кінець термопари на протязі проміжку часу, що і Зеебека робочих КІНЦІВ не компенсується вплив при охолодженні термопари, вимірюють термоЕРС змін статичної характеристики термопари відносно Ез, а температуру Тх визначають за формулою номінальної Відомий також термоелектричний пристрій для вимірювання температури, до складу якого (Е -Е (ЕЗ+Е2-2Е2 входять термопара, мілівольтметр, перемикач і тк. джерело постійного струму (див Головко Д Б, Е 3 -Е 2 ИЕЗ+Е2-2Е! W Дубровний В О, Скрипник Ю О і Хімічева ГІ Високоточні вимірювання багатофункціональними де Тк - температура, яку вимірюють в зоні термосенсорами - Київ Либідь, 2000, стор 188) робочого кінця термопари в процесі калібрування, Крім того, відомий пристрій включає додаткову термоЕРС, виміряні при термопару, робочий кінець якої з'єднаний з калібруванні, робочим кінцем основної термопари , а також резистори і керовані ключі У відомому пристрої ІК значення струму компенсації прогресуючі похибки при старінні термопари охолодження і нагрівання робочого кінця коригуються адитивним тепловим впливом на її термопари при калібруванні, робочий кінець Адитивний вплив складається з W - електрична потужність, що розсіюється у періодичного підігрівання робочого кінця термопарі від струму компенсації при калібруванні допоміжної термопари спільного з робочим кінцем Поставлена задача вирішується також тим, що основної термопари електричним струмом і термоелектричний пристрій для вимірювання введення у вимірювальний ланцюг основної температури, що включає термопару, термопари резистора, який періодично шунтується мілівольтметр, перемикач і джерело постійного керованим ключем струму, згідно з винаходом до його складу Проте, в цьому пристрої результат включені також дві масивні МІДНІ КОЛОДКИ З вимірювання температури також залежить від розділеними струмовими і потенціальними нестабільності коефіцієнта Пельтьє і електричного затискачами, реостат, міліамперметр, ватметр і опору термопари, що не дає можливості одержати чотирипакетний трипозиційний перемикач, ВИХІДНІ високу точність вимірювання температури контакти якого з'єднані між собою зустрічне , при В основу винаходу покладено задачу цьому до потенціальних затискачів колодок створення таких термоелектричного способу та під'єднані ВІЛЬНІ КІНЦІ термопари і середні ВХІДНІ пристрою для вимірювання температури, в яких контакти чотирипакетного трипозиційного введення нових операцій у спосіб, елементів та їх перемикача, до струмових затискачів колодок зв'язків у пристрій дозволило б підвищити точність під'єднані крайні ВХІДНІ контакти цього перемикача, вимірювання температури термопарою, статична до вихідних середніх контактів перемикача характеристика якої зазнала змін під'єднаний мілівольтметр, а до крайніх вихідних Поставлена задача вирішується тим, що в контактів перемикача під'єднані послідовно термоелектричний спосіб вимірювання з'єднані реостат, міліамперметр, струмова температури, що полягає в розміщенні робочого обмотка ватметра і джерело постійного струму кінця термопари в тепловому контакті з Саме визначення струму, при якому повністю контрольованим об'єктом, вимірюванні початкової компенсується охолодження робочого кінця термоЕРС на вільних кінцях термопари, термопари його нагріванням, що фіксується по охолодженні робочого кінця термопари при досягненню початкового значення термоЕРС пропусканні через нього постійного електричного робочого кінця термопари, вимірювання значення струму за інтервал часу, менший теплової сталої компенсуючого струму і електричної потужності, часу термопари, вимірюванні термоЕРС що йому відповідає і яка розсіюється в 3 2 48611 електричному ланцюзі термопари, охолодження і нагрівання робочого кінця термопари на протязі короткого інтервалу часу половинним значенням компенсуючого струму дозволяє врахувати зміни електричного опору термопари в процесі експлуатації після її калібрування і виключити методичну похибку при розрахунку температури за значеннями вимірюваних і калібрувальних термоЕРС, що дозволяє підвищити точність вимірювання температури термопарою, статична характеристика якої зазнала змін в процесі експлуатації На фіг 1 приведена електрична схема термоелектричного пристрою для вимірювання температури, на фіг 2 - статичні (номінальна і робоча) характеристики термопари, на фіг 3 залежності термоЕРС термопари від постійного струму, який пропускають через й" робочий кінець і збільшенні значення струму до повної компенсації ефекту охолодження (Пельтье) ефектом нагрівання (Джоуля) електричним струмом, на фіг 4 - динамічна характеристика термопари, тобто залежність температури її робочого кінця в часі при протіканні через нього постійного струму різного значення і різної полярності Термоелектричний пристрій для вимірювання температури (Фіг1) складається з термопари 1, робочий кінець якої має температуру Тх контрольованого об'єкта, а ВІЛЬНІ КІНЦІ, ЩО розміщені на масивних мідних колодках 2 і 3, температуру То оточуючого середовища До потенціальних затискачів на колодках крім вільних КІНЦІВ термопари мідними дротами через середні розмикаючі контакти чотириполюсного трипозиційного перемикача 4 під'єднаний прилад 5 для вимірювання термоЕРС, наприклад, мілівольтметр, а через крайні замикаючі контакти, які з'єднані зустрічне, - потенціальна обмотка ватметра 6 До струмових затискачів на колодках 2ІЗ через крайні замикаючі контакти перемикача 4 під'єднані послідовно з'єднані струмова обмотка ватметра 6, реостат 7, міліамперметр 8 і джерело постійного струму 9 Крайні контакти перемикача 4 з'єднані між собою зустрічне, що забезпечує зміну напряму пропускання струму через робочий кінець термопари і потенціальну обмотку ватметра Реостатом 7 можна змінювати значення струму, що протікає через термопару Міліамперметром 8 вимірюють значення струму, а ватметром 6 потужність, що розсіюється в термопарі Масивні колодки 2 і 3 забезпечують стабільність температури То вільних КІНЦІВ термопари, коли через неї пропускають струм, а розділені потенціальні і струмові затискачі - відсутність впливу змін опору перехідних контактів на вимірювану термоЕРС Суть термоелектричного способу вимірювання температури термопарою полягає в наступному Значення термоЕРС на вільних кінцях термопари 1, яка має нелінійну статичну характеристику, можна виразити формулою Еі = а х Т х - а 0 Т 0 , (1) де ах - коефіцієнт Зеебека робочого кінця термопари при його температурі Тх, 8 do - коефіцієнт Зеебека вільних КІНЦІВ термопари при температурі, що дорівнює То і визначається температурою колодок 2 і З У ВІДПОВІДНОСТІ до виразу (1) термопарою вимірюють різницю температур Тх — То і для визначення Тх треба знати не тільки температуру и вільних КІНЦІВ То, але і значення коефіцієнтів Зеебека при обох температурах Тх і То При температурі Тх, яка невідома і може змінюватися в широких межах, точне значення коефіцієнту ах визначити досить складно Крім того що значення коефіцієнтів Зеебека залежать від температури, вони можуть змінюватися в процесі експлуатації і старіння термопари - звичайно їх значення зменшуються у часі в результаті незворотних фізико-хімічних змін матеріалів електродів, які створюють робочий кінець термопари Тому термопари мають нелінійну і нестабільну статичну характеристику На фіг 2 кривою 11 показана номінальна (градуювальна) характеристика термопари, яка з часом може перетворитися в робочу статичну характеристику, що показана кривою 12 В околах робочої точки А (Фіг 2), яка задається вимірюваною температурою Тх робочого кінця, нелінійну номінальну статичну характеристику термопари можна замінити дотичною, кут нахилу якої до осі абсцис визначає чутливість термопари при температурі Тх В процесі експлуатації номінальна статична характеристика термопари через деградацію матеріалів робочого кінця і зміни температури вільних КІНЦІВ зміщується і робоча точка В характеризується меншою термоЕРС і меншим значенням чутливості Тому рівняння (1) в околах робочої точки приймає вигляд Еі = ( а х + Да х ) Тх - а 0 (То + ДТ0) + ДЕ0, (2) де ах і ао - значення коефіцієнтів Зеебека у ВІДПОВІДНОСТІ до номінальної статичної характеристики при температурах Тх і То, Дах - зміна значення коефіцієнта Зеебека робочого кінця термопари через процеси зносу і старіння, а також через зміни його температури Тх, ДТо - зміна температури вільних КІНЦІВ, ЩО враховує зміни температури оточуючого середовища, ДЕо - додаткова термоЕРС, що виникає в результаті неоднорідності термоелектродів і градієнту температури по їх довжині в результаті змін Тх Похибку, що виникла, можна розділити на дві складові мультиплікативну (похибку чутливості), яка змінює нахил дотичної, і адитивну (похибку нуля), що зміщує дотичну паралельно відносно початкового положення Враховуючи ці складові, вираз (2) можна записати так Еі =