СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОГРЕШНОСТЕЙ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ТЕРМОМЕТРОВ Российский патент 1994 года по МПК G01K15/00 

Изобретение относится к температурным измерениям электрическими методами и предназначено для поверки термоэлектрических термометров в условиях их эксплуатации на действующих объектах без их демонтажа и замены.

Известен способ поверки ТЭП [1] , при котором сначала соединяют электроды контрольного и поверяемого ТЭП, образуя дифференциальную термопару, затем контрольный ТЭП нагревают или охлаждают до температуры, при которой термоЭДС дифференциальной термопары равна нулю, и, определив температуру контрольного преобразователя, через цепь дифференциальной термопары пропускают импульс тока, повышают температуру ее спаев на 10-20^оС и измеряют одновременно приращение термоЭДС дифференциальной термопары и контрольного преобразователя, а погрешность поверяемого преобразователя определяют по формуле
Δt= t -1, где t_к - значение температуры контрольного преобразователя;
Δ Е и Δ Е_к - величины приращения термоЭДС дифференциальной термопары и контрольного преобразователя соответственно.

Недостатком этого способа является необходимость в высокоточном однотипном ТЭП, который должен работать в выносном регулируемом термостате в условиях, близких к контролируемому объекту. В действительности условия теплообмена рабочих спаев поверяемого и контрольного ТЭП различны, поэтому один и тот же импульс, протекающий через рабочие спаи этих ТЭП, дополнительно нагревают спаи не на одну и ту же величину Δ t (10-20^оС), а на разные величины в зависимости от реальных значений коэффициентов теплоотдачи их рабочих спаев, помещенных в различные среды, кроме того, высокие температуры в зоне рабочего спая контрольного ТЭП также могут привести к заметным изменениям его градуировочной характеристики.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому эффекту является способ определения погрешностей термоэлектрических термометров, заключающийся в принудительном изменении температуры рабочего спая термопреобразователя при постоянной контролируемой температуре и сравнении показаний термометра с действительным значением контролируемой температуры, при этом сначала при установившемся показании α ₁ термометра изменяют на заданную величину Δ Т температуру свободных концов термопреобразователя и регистрируют показание термометра α ₂, соответствующее новой разности температур рабочего спая и свободных концов термопреобразователя, затем температуру свободных концов термопреобразователя изменяют до первоначального значения и после этого принудительно изменяют температуру рабочего спая термопреобразователя и регистрируют установившееся показание термометра α₃, а величину погрешности Δ термометра определяют по формуле
Δ = α₁- , где ε - заданное относительное изменение температуры рабочего спая термопреобразователя [2] .

Известный способ позволяет определить погрешность термоэлектрического термометра без использования однотипного контрольного термометра высокой точности.

Однако известный способ не обеспечивает высокой точности определения погрешности термоэлектрического преобразователя, входящего в схему электрического термометра. Это объясняется тем, что в расчетную формулу введен коэффициент ε , определяющий конвективные потери тепла при принудительном охлаждении рабочего спая воздушным потоком. Этот коэффициент зависит как от параметров охлаждающего канала (диаметра, шероховатости стенок и т. п. ), так и от объемной скорости воздушного потока, подаваемого к рабочему спаю. Поскольку эти параметры в процессе эксплуатации термометра также изменяются, а объемную скорость потока трудно стабилизировать на весь период эксплуатации термометра, то возникают погрешности в значении коэффициента ε , которые трудно учесть.

Кроме того, изменение температуры свободных концов термопреобразователя на Δ Т приводит к различным изменениям показаний термометра в зависимости от температуры рабочих спаев, т. е. возникает дополнительная методическая погрешность поверки, а на поверку термометра по этому способу требуется много времени, так как регистрируется установившееся значение температуры рабочего спая при дополнительных теплофизических воздействиях.

Целью изобретения является повышение точности определения погрешностей термоэлектрических термометров с реальной (нелинейной) градуировочной характеристикой в условиях их непрерывной эксплуатации и снижение затрат времени на поверку.

Цель достигается тем, что в известный способ определения погрешностей термоэлектрических термометров, заключающийся в проведении операций регистрации показаний термометра, соответствующих разности температур рабочего спая и свободных концов термообразования с последующим изменением температуры рабочего спая термопреобразователя, и определении погрешностей по результатам сравнения, согласно изобретению, введены дополнительные операции, выполняемые в следующей последовательности: после регистрации показаний термометра α ₁ рабочий спай термопреобразователя охлаждают в течение времени Δ Т меньше тепловой постоянной времени спая и регистрируют показания термометра α ₂; прекращают охлаждение и фиксируют достижение первоначального показания α ₁; затем нагревают рабочий спай термопреобразователя путем пропускания через термоэлектроды постоянного тока I в течение калиброванного времени Δ t_o, меньшего тепловой постоянной времени преобразования термопреобразователя, и регистрируют показания термометра α ₃; после этого рабочий спай преобразователя вновь охлаждают в течение первоначального времени Δ t и регистрируют показания термометра α ₄; Δ - величину погрешности термометра определяют по формуле
Δ = α₁- KJΔt_o, где К - термический коэффициент термоэлектрического преобразователя, определяемый в процессе калибровки.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства, позволяющего осуществить способ; на фиг. 2 - зависимость температуры рабочего спая термоэлектрического преобразователя от дополнительных теплофизических воздействий.

Устройство содержит термоэлектрический преобразователь 1 с изолированным рабочим спаем 2, защитным чехлом 3 и воздушным каналом 4, термоэлектродами 5, линию 6 связи, двухполюсный переключатель 7, вторичный прибор 8 (милливольтметр), регулируемый источник 9 тока, миллиамперметр 10, компрессор 11, задатчик 12 расхода воздуха, соединительные трубки 13 и секундомер 14.

Способ осуществляется следующим образом.

ТермоЭДС идеального термоэлектрического преобразователя (ТЭП), состоящего из однородных термоэлектродов, в соответствии с термоэлектрическим законом определяется выражением Е = S (T_рc - Т_ск), (1) где Е - термоЭДС ТЭП;
S - чувствительность ТЭП (коэффициент термоЭДС);
Т_рс - температура рабочего спая;
Т_ок - температура свободных концов.

В уравнении идеального ТЭП значение чувствительности S одинаково по всей длине термоэлектродов ТЭП, что потенциально обеспечивает линейную градуировочную характеристику.

В процессе эксплуатации ТЭП в его термоэлектродах возникают необратимые физико-химические изменения, изменяющие значение S по длине термоэлектродов. Причем эти изменения возникают в том месте термоэлектродов, где дестабилизирующий фактор, например температура, проявляется наибольшим образом. Этим местом чаще всего является зона рабочего конца ТЭП (зона горячего спая). На остальной части термоэлектродов значение остается без изменений. Для этого случая уравнение ТЭП (1) можно представить в виде Е = S_нест Т_рс - S Т_ск, (2) где S_нест - чувствительность ТЭП в зоне рабочих концов (рабочего спая).

Чувствительность ТЭП в зоне рабочего спая можно представить как S_нест = S + Δ S = S (1 + j), (3) где j = - относительное изменение чувствительности рабочего спая ТЭП от дестабилизирующих факторов (погрешность чувствительности).

Относительное изменение чувствительности j зависит от значения измеряемой температуры Т_рс. Появляющаяся в процессе эксплуатации неоднородность термоэлектродов вызывает смещение нуля термометра, которое также зависит от температуры Т_рс. Поэтому уравнение (2) работающего ТЭП с учетом (3) запишем в виде Е = S [Т_рс (1 + j) - Т_ск + δ ] , (4) где δ - абсолютная погрешность ТЭП от смещения нуля.

В уравнении (4) значения погрешностей преобразования γ и δ соответствуют измеряемой температуре Т_рс. С учетом погрешностей, вносимых линией связи и вторичным прибором, показание термометра можно представить в виде
α= KS[T_pc(1+j_α)-T_ск+δ_α, (5) где К - коэффициент преобразования термоЭДС в показание термометра, град/В;
γ_α и δ_α - суммарные относительная мультипликативная и абсолютная аддитивная погрешности термометра.

Вначале переключатель 7 устанавливают в положение 1-1 и регистрируют по вторичному прибору 8 показание α₁ поверяемого термометра, измеряющего в действующем (горячем) объекте температуру Т_х = T_pc1 (фиг. 2)
α₁= KS[T_pc1(1+γ_α1)- -T_cк+δ_α1] , (6)
Затем включают компрессор 11 на время Δ t₁ и принудительно охлаждают рабочий спай ТЭП воздушным потоком, поступающим к спаю 2 через каналы 4. Длительность временного интервала Δ t₁ выбирают меньше тепловой постоянной времени τ из условия Δ t₁ = (0,5 - 0,7) τ . (7)
Объемную скорость воздушного потока устанавливают с помощью задатчика 12 расхода воздуха таким образом, чтобы показание термометра к концу интервала Δ t₁ уменьшалось на величину 3-5 порогов его чувствительности. Длительность работы компрессора 11 контролируют по секундомеру 14, после чего регистрируют показание α₂ термометра (фиг. 2, кривая 15) α₂= KS[T_pc2(1+γ_α2)-T_ск+δ_α2] = KS[(T_pc1-ΔT₁)(1+γ_α2)-T_ск+δ_α2] , (8) где Δ T₁ - температура охлаждения рабочего спая относительно измеряемой температуры T_pc1 ;
γ_α2 и δ_α2 - погрешности преобразования ТЭП при температуре T_pc2 .

Процесс принудительного охлаждения протекает по экспоненциальному закону. Однако при выполнении условия (7) процесс охлаждения, соответствующий начальному участку экспоненты, практически происходит по пропорциональному закону. Поэтому температуру охлаждения рабочего спая с учетом его массы m и удельной теплоемкости с можно определить из выражения
ΔT₁ = = , (9) где Q_к - конвективные потери тепла;
α (v) - коэффициент теплоотдачи спая, определяемый скоростью потока V;
F - поверхность охлаждения спая;
Т_в - температура воздушного потока.

С учетом выражения (9) показание температуры α₂ представим в виде
α₂= KST1- 1+-T_ck+ (10)
При высокотемпературных измерениях, когда T_pc1 >> Т_в, можно считать, что
α₂= KS[T_pc(1-εΔt₁)x(1+γ_α2)-T_ск+δ_α2] , (11) где ε = - коэффициент конвективных потерь, пропорциональный скорости (расходу) охлаждающего воздуха.

После регистрации показания термометра α₂ выключают компрессор 11 и температура рабочего спая ТЭП (фиг. 2, кривая 16) через временной интервал Δ t₂ вновь достигает первоначального значения, что фиксируется по вторичному прибору 8 термометра.

Далее переключатель 7 устанавливают в положение 2-2 и через термоэлектроды 5 ТЭП пропускают нагревающий импульс тока от источника 9. Длительность импульса Δ t₃ выбирают также из условия (7), а амплитуду импульса устанавливают такой, чтобы к концу действия импульса показание термометра увеличилось на величину 3-5 порогов его чувствительности. Калиброванную длительность нагревающего импульса Δ t₃ = Δ t_oконтролируют с помощью секундомера 14.

По окончании импульса переключатель 7 вновь устанавливают в положение 1-1 и регистрируют показание α₃ термометра (фиг. 2, кривая 17) α₃= KS[T_pc4(1+γ_α3)-T_ск+δ_α3)] = KS[(T_pc1+ΔT₂)(1+γ_α3)-T_ск+δ_α3] , (12) где Т₄ - температура перегрева рабочего спая ТЭП относительно измеряемой температуры T_pc1 .

Процесс дополнительного нагрева ТЭП от протекающего тока также происходит по экспоненциальному закону. Однако при выбранном времени нагрева Δ t_o процесс является практически линейным. При этом нагрев рабочего спая 2 ТЭП в основном осуществляется за счет теплоты Пельтье, выделяемой непосредственно в силе, а нагрев термоэлектродов пренебрежимо мал. Температура перегрева спая по аналогии с выражением (9) будет иметь вид
ΔT₂ = , (13) где К - коэффициент Пельтье;
I - ток, протекающий через рабочий спай ТЭП.

Величину тока I измеряют по миллиамперметру 10.

Показание термометра (12) с учетом значении температуры перегрева (13) представим в виде:
α₃= KS[(T_pc1+KIΔt_o)x(1+γ_α3)-T_ск+δ_α3] , (14) где K = - термический коэффициент рабочего спая.

После регистрации показания термометра α₃ вновь включают компрессор 11 и принудительно охлаждают рабочий спай в течение временного интервала Δ t₄ (фиг. 2, кривая 18). В момент окончания охлаждающего импульса регистрируют показание α ₄ термометра. В соответствии с выражением (11) показание термометра можно представить в виде α₄= KS[T_pc5(1+γ_α4)-T_ск+δ_α4] = KS[T_pc4-ΔT₃)(1+γ_α4)-T_ск+δ_α4= = KS[(T_pc1+KIΔt_o)(1-εΔt₄)(1+γ_α4)-T_ск+δ_α4] , ⁽¹⁵⁾ где γ_α4 и δ_α4 - погрешности преобразования ТЭП при температуре T_pc5.

Так как величины изменения температуры рабочего спая ТЭП не превышают нескольких порогов чувствительности, то можно считать, что погрешности преобразования в окрестностях рабочей точки (Т_х = T_pc1 ) равны, т. е. γ_α1= γ_α2= γ_α3= γ_α4; δ_α1= δ_α2= δ_α3= δ_α4. Если длительность охлаждающих импульсов Δt₁ и Δt₄ выбрать одинаковыми ( Δt₁= Δt₄), то показания термометра можно представить в виде системы уравнений

Решение системы уравнений (16) относительно температуры рабочего спая T_pc1 термопреобразователя дает
T= KJΔt_o. (17)
При определении измеряемой температуры Т_х = T_pc1 в соответствии с выражением (17) исключается влияние как погрешностей термоэлектрического преобразователя ( γ и δ ), так и непостоянства коэффициента конвективных потерь ε (в выражение (17) коэффициент ε не входит). Последнее позволяет с повышенной точностью определить действительное значение температуры рабочего спая, а следовательно, и измеряемой температуры. Термический коэффициент К, входящий в расчетную формулу (17), определяется электрическими и теплофизическими свойствами термоэлектродов (постоянная Пельтье π и удельная теплоемкость С), а также геометрическими размерами рабочего спая (масса m) и не зависит в переходных режимах от условий теплообмена ТЭП в месте его установки на контролируемом объекте. Поэтому термический коэффициент ТЭП постоянный и его определяют в процессе калибровки. Для этого ТЭП помещают в среду с известной температурой Т_о и выполняют все операции рассмотренного способа. Далее из выражения (17) по известной температуре Т_о определяют значение термического коэффициента
K = . (18)
В процессе поверки ТЭП достаточно установить требуемое значение нагревающего тока I, длительность импульса Δ t_o и по калиброванному значению коэффициента К определить действительную температуру рабочего спая Т_рс из выражения (17).

Погрешность термоэлектрического термометра определяют как разность между показанием термометра α₁ и действительным значением температуры рабочего спая ТЭП, которое определяют из выражения (17), т. е.

Δ₁= α₁= KJΔt_o (19)
При изменении температуры контролируемой среды до значения Т_х = T_pc2 осуществляют последовательно изложенные операции по дополнительным теплофизическим воздействиям и определяют погрешность термометра Δ₂ и т. д. в различных точках рабочего диапазона температур.

В качестве примера по предлагаемому способу определена погрешность термоэлектрического термометра с хромель-копелевой термопарой типа ТХК-0179, имеющей постоянную времени τ = 90 с. Значение нагревающего тока в процессе испытаний задавалось 0,6 А, длительность нагревающего импульса 45 с, охлаждение рабочего спая ТЭП проводилось путем омывания его воздушным потоком с постоянной объемной скоростью в течение времени 50 с. При этом для охлаждения на 3^оС расход воздуха составил 50 л/ч, калиброванное значение термического коэффициента определялось в процессе калибровки при температуре Т = = 200^оС и составило 4,339 град/А ˙с. Показание термометра, помещенного в расплав между твердой и жидкой фазами свинца (точка затвердевания свинца 327,50^оС), составило α₁ = 331,305^оС. После охлажения термометра его показание α₂ = 328,104^оС. После достижения первоначального значения показания термометра α₁ и дополнительного нагрева рабочего спая ТЭП протекающим током показание α₃ составило α₃ = 334,602^оС, а после повторного охлаждения α₄ = 330,203^оС.

Погрешность термоэлектрического термометра определялась из выражения (19) по показаниям α₁, α₂, α₃, α₄. ×
Действительное значение составляет
Δ_g= 331,305-327,502=
= 3,803^oC= α₁-T_o
Способ позволил определить погрешность термометра с относительной погрешностью γ
γ = 100 % = = 5.2 %
Полученное значение относительной погрешности определения вполне допустимо, так как характеризует показания определения погрешности.

В способе не изменяется температура свободных концов термопреобразователя в процессе испытаний, что исключает погрешность поверки от нелинейности градуировочной характеристики реальных ТЭП. Снятие отсчетов показаний термометра в переходных режимах сокращает время поверки, так как не требуется регистрация установившихся показаний термометра. (56) 1. Авторское свидетельство СССР N 1173206, кл. G 01 K 15/00, 1985.

2. Авторское свидетельство СССР N 1397752, кл. G 01 K 15/00, 1986.

Изобретение предназначено для поверки теплоэлектрических термометров в условиях их эксплуатации на действующих объектах без их демонтажа и замены. Способ обеспечивает повышение точности определения погрешностей термоэлектрических термометров в условиях их непрерывной эксплуатации и снижение времени поверки. Регистрируют показание термометра α₁ , рабочий спай (РС) термопреобразователя охлаждают в течение времени Δt, меньшее тепловой постоянной времени спая, регистрируют показания α₂ , прекращают охлаждение и фиксируют достижения первоначального показания α₁ , нагревают РС термопреобразователя путем пропускания через термоэлектроды (ТЭ) постоянного тока j в течение времени Δt₀ , меньшее тепловой постоянной времени преобразования, и регистрируют показание термометра α₃ , после чего РС вновь охлаждают в течение первоначального времени Δt и регистрируют показание термометра α₄ , а величину погрешности Δ термометра определяют по формуле D=α₁-(α₁-α₂)/(α₃+α₂-α₁-α₄)KJΔt₀ , где к - термический коэффициент термопреобразователя, определяемой в процессе калибровки. 2 ил.

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОГРЕШНОСТЕЙ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ТЕРМОМЕТРОВ , заключающийся в пpоведении опеpаций pегистpации показаний теpмометpа, соответствующих pазности темпеpатуp pабочего спая и свободных концов теpмопpеобpазователя, с последующим изменением темпеpатуpы pабочего спая теpмопpеобpазователя и опpеделении погpешностей по pезультатам сpавнения, отличающийся тем, что после pегистpации показания теpмометpа α₁ pабочий спай теpмопpеобpазователя охлаждают в течение вpемени Δt , меньшего тепловой постоянной вpемени спая, и pегистpиpуют показание теpмометpа α₂ , пpекpащают охлаждение и фиксиpуют достижение пеpвоначального показания α₁ , затем нагpевают pабочий спай теpмопpеобpазователя путем пpопускания чеpез теpмоэлектpоды постоянного тока I в течение калибpованного вpемени Δt_o , меньшего тепловой постоянной вpемени пpеобpазования теpмопpеобpазователя, и pегистpиpуют показание теpмометpа α₃ , после чего pабочий спай пpеобpазователя вновь охлаждают в течение пеpвоначального вpемени Δt и pегистpиpуют показание теpмометpа α₄ , а величину погpешности Δ теpмометpа опpеделяют по фоpмуле
Δ = α₁- K·I·Δt_o,
где K - термический коэффициент термоэлектрического преобразователя, определяемый в процессе калибровки.