Спосіб бездемонтажної повірки термоелектричного перетворювача температури

Реферат: Спосіб бездемонтажної повірки термоелектричного перетворювача температури, при якому вимірюють термоЕРС на його вільних кінцях, пропускають постійний струм через електроди і робочий кінець в напрямку, при якому він охолоджується, і визначають похибку термоелектричного перетворювача за формулою. Після охолодження робочого кінця поступово збільшують постійний струм, переривають його, вимірюють збільшену термоЕРС і доводять її до початкового значення збільшенням постійного струму, фіксують рівність термоЕРС при відсутності постійного струму, додатково вимірюють термоЕРС при протіканні постійного струму, а значення похибки термоелектричного перетворювачами T визначають за формулою T  TP  ET  E  T0 , ET  E   E де TP - температура робочого кінця термоелектричного перетворювача, що визначається за градуювальною характеристикою або за вторинним приладом; E T і E - термоЕРС на вільних кінцях з протікаючим постійним струмом та без нього;  - частковий коефіцієнт, що визначається при пусконаладних роботах на об'єкті; T0 - температура вільних кінців термоелектричного перетворювача. UA 84054 U (12) UA 84054 U UA 84054 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до термометрії і може бути використана для повірки термоелектричних перетворювачів (термопар) безпосередньо на контрольованому об'єкті без демонтажу і подальших лабораторних досліджень. Відомий спосіб бездемонтажної повірки термоелектричного перетворювача температури [А.С. СРСР № 1173206, МПК G01K15/00, 1985 р.], при якому повірюваний термоелектричний перетворювач на об'єкті з'єднують зустрічно-послідовно з однотипним термоелектричним перетворювачем, розміщеним в термостаті. Вирівнюють їх температури зміною температури термостата, пропускають імпульс струму через електроди перетворювачів і вимірюють приріст термоЕРС на контрольованому перетворювачі і на всьому послідовному ланцюгу. Похибку повірюваного термоелектричного перетворювача розраховують за формулою. Однак, неминуча неідентичність характеристик двох, навіть однотипних перетворювачів, а також відмінності в умовах теплообміну додатково підігрітих перетворювачів на об'єкті і в термостаті не дозволяють достовірно оцінити похибку термоелектричного перетворювача на об'єкті. Відомий спосіб бездемонтажної повірки термоелектричного перетворювача температури [А.С. СРСР № 1362964, МПК G01K15/00, 1987 р.], при якому покази вторинного приладу при нагріві робочого кінця термоелектричного перетворювача від додаткового електронагрівача порівнюють з показаннями вторинного приладу, коли через робочий кінець термоелектричного перетворювача пропускають постійний охолоджуючий струм. Потім збільшують струм нагрівача і відповідно струм охолодження, перекривають постійний струм і за показаннями вторинного приладу обчислюють похибку термоелектричного перетворювача. Необхідність додаткового нагрівача на об'єкті, а також непостійність коефіцієнта Пельтьє, який входить в розрахункову формулу, обмежує можливість використання цього способу на більшості промислових об'єктів, де використовуються стандартні термопари без підігріву. Відомий спосіб бездемонтажної повірки термоелектричного перетворювача температури [А.С. СРСР № 1397752, МПК G01K15/00, 1988 р.], при якому здійснюються послідовні вимірювання температури за вторинним приладом при зміні температури вільних кінців термоелектричного перетворювача на задану величину і змушеному охолодженні робочого кінця потоком повітря за допомогою компресора. Значення похибки визначається за формулою. Однак, нелінійність реальних характеристик термоелектричних перетворювачів не дозволяє зміною температури вільних кінців на задану величину змінювати показання термометра на ту ж величину. Також охолодженням робочого кінця потоком повітря, температура якого непостійна, важко забезпечити постійність відносної зміни його температури при різних температурах робочого кінця. Тому точність повірки залишається невисокою. Відомий також спосіб бездемонтажної повірки термоелектричного перетворювача температури [Патент України № 38066А, МПК G01K15/00, 2001 р.], при якому вимірюють термоЕРС на його вільних кінцях, пропускають постійний струм через електроди і робочий кінець в напрямку, при якому він охолоджується і визначають похибку термоелектричного перетворювача за формулою. Крім того, відомий спосіб передбачає зміну напрямку пропускання постійного струму через робочий кінець на протилежне, перегрів робочого кінця відносно температури контрольованого об'єкта і визначення похибки термоелектричного перетворювача з врахуванням значень термоЕРС, отриманих при змушеному охолодженні і нагріві робочого кінця в процесі калібрування. Однак, в результаті старіння і зносу робочого кінця і електродів термоелектричного перетворювача, а також зміни умов теплообміну робочого кінця з контрольованим об'єктом неминуче змінюються калібрувальні значення термоЕРС, отримані під час пусконаладних робіт на об'єкті. Це не дозволяє при тривалій роботі термоелектричного перетворювача на об'єкті за співвідношенням термоЕРС, отриманих в різний час, достовірно оцінювати похибку вимірювання температури. В основу корисної моделі поставлена задача створити такий спосіб бездемонтажної повірки термоелектричного перетворювача температури, в якому введенням нових операцій, забезпечилось би підвищення точності бездемонтажної повірки термоелектричного перетворювача температури. Поставлена задача вирішується тим, що в спосіб бездемонтажної повірки термоелектричного перетворювача температури, при якому вимірюють термоЕРС на його вільних кінцях, пропускають постійний струм через електроди і робочий кінець в напрямку, при якому він охолоджується, і визначають похибку термоелектричного перетворювача за формулою, згідно з корисною моделлю, після охолодження робочого кінця поступово збільшують постійний струм, переривають його, вимірюють збільшену термоЕРС і доводять її 1 UA 84054 U до початкового значення збільшенням постійного струму, фіксують рівність термоЕРС при відсутності постійного струму, додатково вимірюють термоЕРС при протіканні постійного струму, а значення похибки термоелектричного перетворювача AT визначають за формулою: T  TP  5 10 ET  E T0 ET  E  E , де TP - температура робочого кінця термоелектричного перетворювача, що визначається за градуювальною характеристикою або за вторинним приладом; E T і E - термоЕРС на вільних кінцях з протікаючим постійним струмом та без нього;  - частковий коефіцієнт, що визначається при пусконаладних роботах на об'єкті; T0 - температура вільних кінців термоелектричного перетворювача. Доцільно, щоб переривання постійного струму здійснювалось періодично з частотою F, яку вибирають із умови: 10 1 F Д 3П ,  Д - теплова постійна часу по теплоті Джоуля; де 15 20 25 30 35 40 45 50 П - теплова постійна часу по теплоті Пельтьє, а в півперіодах переривання і протікання постійного струму вимірювались середні значення імпульсів термоЕРС на вільних кінцях. Введення в спосіб бездемонтажної повірки термоелектричного перетворювача температури операції поступового збільшення постійного струму до значень, при яких теплота Джоуля, яка виділяється в електродах термоелектричного перетворювача, стає співрозмірною з теплотою поглинання Пельтьє, а в кінцевому рахунку її повністю компенсує, дозволяє фактичну температуру робочого кінця виразити через температуру вільних кінців і значення термоЕРС, що вимірюються на вільних кінцях. Періодичне переривання струму через робочий кінець термоелектричного перетворювача дозволяє зафіксувати момент компенсації поглинаної теплоти Пельтьє теплотою Джоуля, що виділяється без впливу падіння напруги на електродах від постійного струму, що протікає. Вибір частоти переривання струму в залежності від теплової інерційності роздільно по теплоті Пельтьє і теплоті Джоуля дозволяє оптимізувати зміни термоЕРС термоелектричного перетворювача в знеструмленому стані і в режимі нагріву постійним струмом. Усереднення імпульсів термоЕРС забезпечує отримання стабільних відліків і можливість дистанційного вимірювання параметрів термоелектричного перетворювача, розміщеного на працюючому об'єкті. Вказані операції дозволяють досягнути підвищення точності повірки термоелектричних перетворювачів температури без їх демонтажу з працюючого об'єкту. На кресленні представлена електрична повірочна схема, за допомогою якої можливо здійснити повірку термоелектричного перетворювача температури безпосередньо на працюючому об'єкті без їх демонтажу і послідуючих лабораторних дослідів. Попередньо повіряємий термоелектричний перетворювач температури відключають від вторинного приладу і підключають до повірочної схеми, в якій виконуються всі вказані вище операції. Повіряємий термоелектричний перетворювач 1 підключають своїми вільними кінцями до з'єднувальних колодок 2 і 3 повірочної схеми, які подовжувальними електродами 4 і 5 з'єднані з термостатом 6. До подовжувальних електродів в термостаті підключений нормуючий підсилювач 7, до виходу якого через автоматичний перемикач 8 і перемикач 9 підключений вольтметр 10. Послідовно з вольтметром включений резистор 11 згладжуючого фільтра, а паралельно - конденсатор 12. Регульоване джерело 13 постійного струму через другий автоматичний перемикач 14 з'єднане зі з'єднувальними колодками 2 і 3 і еквівалентним навантаженням 15. Керуючі входи автоматичних перемикачів 8 і 14 підключені до плечей мультивібратора 16. Спосіб бездемонтажної повірки термоелектричного перетворювача температури здійснюється наступним чином. Повірюваний термоелектричний перетворювач (ТП) 1, контактуючий робочим кінцем з працюючим об'єктом, підключають до з'єднувальних колодок 2 і 3 повірочної схеми. ТермоЕРС Е1 ТП на вільних кінцях подовжувальних електродів 4 і 5, розміщених в термостаті 6, визначається виразом: E1  STP  T0  , (1) де S - чутливість ТП, яка визначається коефіцієнтом Зеєбека матеріалів електродів робочого кінця; 2 UA 84054 U TP - термодинамічна температура робочого кінця; T0 - термодинамічна температура вільних кінців, яка задається температурою термостата. ТермоЕРС (1) підсилюється нормуючим підсилювачем 7 і вимірюється вольтметром 10. Результат вимірювання: U1  kE1  kSTP  T0  , (2) 5 10 15 де k - коефіцієнт підсилення нормуючого підсилювача, запам'ятовується. Пропускають через робочий кінець ТП постійний струм від регульованого джерела 13 через з'єднувальні колодки 2 і 3. Напрям струму через робочий кінець ТП вибирають таким, щоб він охолоджувався за рахунок поглинання теплоти Пельтьє. Процес охолодження спостерігається по зменшенню термоЕРС, яка фіксується за вольтметром 10. При подальшому збільшенні струму процес охолодження уповільнюється. Це викликано тим, що при проходженні струму по електродах ТП наступає їх нагрів за рахунок виділення теплоти Джоуля. Через теплопровідність електродів частина теплоти, що виділяється надходить в робочий кінець ТП, а частина теплоти - в з'єднувальні колодки 2 і 3, де вона розсіюється. Нагрівання з'єднувальних колодок 2 і 3 не змінює температуру Т0 подовжувальних електродів 4 і 5, які термостатуються. Тому результуюча термоЕРС з урахуванням падіння напруги в електродах ТП буде визначатись виразом:   pI  I2R E 2  S TP   T0   IR   F   , 20 25 (3) де p - коефіцієнт Пельтьє, що визначається матеріалами робочого кінця ТП; I - сила постійного струму в електродах ТП; R - опір електродів ТП;  - коефіцієнт, що враховує частку теплоти Джоуля, яка безпосередньо надходить в робочий кінець ТП;  - коефіцієнт тепловіддачі робочого кінця ТП в контрольований об'єкт і оточуюче середовище; F - площа поверхні теплообміну робочого кінця ТП. Нормуючим підсилювачем 7 формується підсилена напруга:     pI  I2R U2  k S TP   T0   IR   F       , (4) яка вимірюється вольтметром 10. У виразі (4) добуток IR відображує падіння напруги від струму, що протікає по електродах ТП. Добуток F визначає режим теплообміну робочого кінця ТП безпосередньо на об'єкті. Якщо перервати постійний струм, то за рахунок теплової інерції ТП термоЕРС зміниться до значення:   pI  I2R E3  S TP   T0    F  . 30 35 (5) При подальшому збільшенні струму та його періодичному перериванні значення термоЕРС (4) почне збільшуватися. Це зумовлено тим, що теплота Джоуля пропорційна квадрату сили струму, а теплота Пельтьє лінійно залежить від сили струму. Наближення кількості теплоти Джоуля до кількості теплоти Пельтьє приведе до того, що при перериванні струму термоЕРС (4) при поступовому збільшенні струму досягне свого початкового значення U1. В цьому випадку показання вольтметра 10: 2   pI  Ik R U3  kS  TP  k  T0   U1   F   , (6) де Ik - сила постійного струму, при якій теплота нагріву Джоуля компенсує теплоту охолодження Пельтьє. Із рівності (6) витікає, що член 2 pIk  Ik R 0 F , а коефіцієнт Пельтьє відповідно: p  IkR . (7) (8) 3 UA 84054 U В відповідності з першим термоелектричним співвідношенням Томпсона коефіцієнт Пельтьє і коефіцієнт Зеєбека (чутливість S) пов'язані співвідношенням p  STp (9) . Якщо в вираз (9) підставити значення коефіцієнта Пельтьє із (8), то отримаємо STp  Ik R (10) . Із виразу (10) чутливість ТП S 5  Ik R Tp . Підставляючи значення чутливості (11) в вираз (6) з урахуванням досягнення компенсації (7) отримаємо:  T  U3  U1  kIk R1  0   TP  .   10 15 20 25 (12) Вирішивши рівняння (11) відносно температури робочого кінця ТП, отримаємо: kIkR TP  T0 (13) kIkR  U3 При перериванні струму потрібно врахувати, що теплота Пельтьє поглинається в об'ємі контактного шару робочого кінця, теплоємкість якого мала. Теплота Джоуля виділяється по довжині електродів, що мають значну масу, а значить, і відносно велику теплоємкість. Тому при перериванні струму має місце швидке розсіювання теплоти Пельтьє і повільне розсіювання теплоти Джоуля. Через це ручне переривання струму оператором не забезпечує стабільність показань вольтметра 10, що понижує достовірність досягнення рівності (6). В запропонованому способі струм через робочий кінець і електроди ТП переривають періодично на малий проміжок часу за допомогою автоматичних перемикачів 8 і 14, які керуються мультивібратором 16. В результаті періодичних переривань струму автоматичним перемикачем 14 на кінцях подовжувальних електродів 4 і 5, в термостаті 6 формуються імпульси термоЕРС знеструмленого ТП або імпульси термоЕРС ТП з протікаючим постійним струмом. Ці імпульси розділяються автоматичним перемикачем 8, який працює синхронно з автоматичним перемикачем 14. При верхньому положенні перемикачів 9 і 14 на вольтметр 10 через усереднюючий ланцюг із резистора 11 і конденсатора 12 надходить напруга (4), а при нижньому - напруга (5). Регулюванням сили струму I добиваються досягнення рівності (6) при I=Ik. При верхньому положенні перемикача 9 фіксують напругу (4), яка при досягненні умови компенсації (7) приймає вигляд U4  kSTP  T0   IkR . (14) Із (14) можливо визначити підсилене падіння напруги на електродах ТП kIkR  U4  U1 . (15) З урахуванням виразу (15) розрахункова формула для температури робочого кінця (13) приймає вигляд TP  30 (11) U4  U1  T0 U4  U1   U3 . (16) Враховуючи, що напруга U3 при досягненні умови компенсації (7) рівна U1, нарешті отримаємо TP  U4  U1  T0 U4  U1   U1 . (17) В ряді випадків можливо вважати, що половина теплоти Джоуля, яка виділяється в електродах ТП, надходить в робочий кінець, а половина - в з'єднувальні колодки 2 і 3. Тоді β=0,5, а розрахункова формула (17) прийме вигляд: TP  35 U4  U1 T0 U4  3U1 . (18) Реальне значення часткового коефіцієнта β визначається умовою теплообміну ТП на об'єкті контролю. Його можливо визначити експериментально в процесі пусконаладних робіт за відомою температурою об'єкту ТPН і формулою, отриманою із (17):  U1TPH U4  U1 TPH  T0  . (19) 4 UA 84054 U Надалі повірку ТП можливо проводити безпосередньо на працюючому об'єкті за допомогою повірочної схеми і значення коефіцієнта β із (19). Похибку ΔT повірюваного ТП визначають за формулою: / / T  TP  TP  TP  U4  U1  T0 U4  U1   U1 , (20) / 5 10 де TP - температура робочого кінця ТП (об'єкта), отримана за характеристикою ТП або вторинним приладом; TP - дійсна температура робочого кінця ТП;   0,3 ... 0,6 - частковий коефіцієнт, що уточнюється в процесі пусконаладних робіт на об'єкті. Частоту переривання струму через ТП здійснюють з урахуванням теплової інерційності робочого кінця. Як було показано вище теплова інерційність ТП по теплоті Пельтьє значно менша теплової інерційності по теплоті Джоуля. Кількісною мірою інерційності є теплова постійна часу, яка для теплоти Пельтьє складає одиниці секунд, а для теплоти Джоуля десятки секунд. Тому частоту переривання F вибирають із умови: 10 1 F Д 3П , 15 20 градуювальною (21) де  Д - теплова постійна часу по теплоті Джоуля; П - теплова постійна часу по Пельтьє. При умові (21) показання вольтметра 10 стабільні як при вимірюванні термоЕРС ТП з протікаючим струмом, так і термоЕРС знеструмленого ТП. Із структури розрахункової формули (20) витікає, що коефіцієнт підсилення к нормуючого підсилювача 7 не впливає на результат контролю, так як він входить в складові чисельника і знаменника формули. Тому розрахункову формулу можливо представити в більш простому вигляді: / T  TP  ET  E T0 ET  E  E , (22) де E T - термоЕРС ТП з протікаючим компенсуючим струмом; E - термоЕРС знеструмленого ТП; / TP 25 30 35 - температура робочого кінця ТП працюючого об'єкта, що визначається за градуювальною характеристикою ТП або за вторинним приладом;  - частковий коефіцієнт, що визначається при пусконаладних роботах на об'єкті; T0 - температура вільних кінців ТП. Запропонований спосіб доцільно використовувати на об'єктах, в яких демонтаж ТП складний за міркуваннями техніки безпеки або через утруднений доступ. До таких об'єктів варто віднести радіоактивні зони на атомних електростанціях, вибухо- і пожежонебезпечні ділянки хімічних виробництв, рухомі елементи технологічних машин і апаратів, зони високої електричної напруги та інші небезпечні для персоналу місця. Бездемонтажна повірка первинних засобів вимірювальної техніки підвищує достовірність контролю безперервних технологічних процесів, а також дозволяє виявляти похибки ТП, пов'язані з розміщенням та способом монтажу термоелектричного перетворювача на об'єкті. До переваг бездемонтажної повірки ТП варто віднести економію засобів через відсутність витрат на демонтаж повірюваного перетворювача з об'єкта і подальші пусконаладні роботи. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 40 45 Спосіб бездемонтажної повірки термоелектричного перетворювача температури, при якому вимірюють термоЕРС на його вільних кінцях, пропускають постійний струм через електроди і робочий кінець в напрямку, при якому він охолоджується, і визначають похибку термоелектричного перетворювача за формулою, який відрізняється тим, що після охолодження робочого кінця поступово збільшують постійний струм, переривають його, вимірюють збільшену термоЕРС і доводять її до початкового значення збільшенням постійного струму, фіксують рівність термоЕРС при відсутності постійного струму, додатково вимірюють термоЕРС при протіканні постійного струму, а значення похибки термоелектричного перетворювачами T визначають за формулою 5 UA 84054 U T  TP  5 ET  E  T0 , ET  E   E де TP - температура робочого кінця термоелектричного перетворювача, що визначається за градуювальною характеристикою або за вторинним приладом; E T і E - термоЕРС на вільних кінцях з протікаючим постійним струмом та без нього;  - частковий коефіцієнт, що визначається при пусконаладних роботах на об'єкті; T0 - температура вільних кінців термоелектричного перетворювача. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що переривання постійного струму здійснюють періодично з частотою F , яку вибирають із умови: 10 1 , F Д 3П 10 де  Д - теплова постійна часу по теплоті Джоуля; П - теплова постійна часу по теплоті Пельтьє, а в півперіодах переривання і протікання постійного струму вимірюють середні значення імпульсів термоЕРС на вільних кінцях. Комп’ютерна верстка С. Чулій Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6