СПОСОБ ГРАДУИРОВКИ ТЕРМОПАР Российский патент 1994 года по МПК G01K15/00 

Изобретение относится к термоэлектрической термометрии и может быть использовано для градуирования или поверки термопар из благородных металлов длиной электродов менее 800 мм.

Известен способ градуирования термопар методом реперных точек [1], при котором градуируемую термопару помещают в печь с находящимся в ней тиглем с веществом, температура фазового перехода (плавления или затвердевания) которого известна. Для нескольких температур используют различные вещества с разными температурами фазовых переходов. Определяют при каждой известной температуре значение ТЭДС градуируемой термопары и аппроксимируют полученные данные полиномом n-1-й степени, где n - количество реперных точек. Указанный способ имеет ряд недостатков.

Способ не пригоден для термопар с длиной электродов менее 800 мм из-за невозможности поддержания свободных концов градуируемой термопары при температуре тающего льда.

Способ требует для своего осуществления значительного количества реперных точек (более 4), поскольку градуировочные характеристики большинства термопар для своего описания требуют применения полиномов 8 степени. Однако количество реперных точек с достаточной воспроизводимостью и стабильностью температуры фазового перехода ограничено (например, в диапазоне температур 300...1800^оС).

Способ обладает малой производительностью из-за необходимости помещения термопары поочередно в каждую печь и потерь времени на стабилизацию теплового режима.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ сличения показаний градуируемой и образцовой термопар, заключающийся в том, что армированные керамикой образцовую и градуируемую термопары длиной более 800 мм помещают на одинаковую глубину в градуировочную печь, термостатируют их свободные концы при температуре 0^оС, измеряют при нескольких температурах печи, которые определяют по градуировочной характеристике образцовой термопары, ТЭДС градуируемой термопары и по полученным данным ТЭДС-температура строят полиноминальную зависимость ТЭДС с температуры [2].

Этот способ градуировки имеет существенный недостаток, заключающийся в невозможности использования его для градуирования термопар с длиной электродов менее 800 мм. Это связано с тем, что поддержание температуры тающего льда при термостатировании свободных концов градуируемой термопары вблизи печи теряет эффективность из-за теплопритока от внешней поверхности печи. Применение удлинительных проводов длиною более 800 мм для градуируемой термопары при неизвестной ее градуировочной характеристике приводит к неточности градуирования. Эта неточность может быть объяснена следующим образом. Представим, что образцовая термопара имеет градуировочную характеристику e = kt, градуируемая e₁ = k₁t, удлинительные провода e₂ = k₂t, где k - коэффициент пропорциональности. При присоединении удлинительных проводов к градуируемой термопаре ее градуировочная характеристика e₁'(t;0) принимает вид:
e₁'(t; 0) = e₁(t;t₁) + e₂(t₁; 0) , (1) где t₁ - температура свободных концов градуируемой термопары в месте соединения с удлинительными проводами;
t - температура градуирования. Из анализа выражения (1) видно, что погрешность определения ТЭДС градуируемой термопары e₁(t;0) будет равна
Δ e₁ = k₁t₁ - k₂t₂ , (2) Поскольку для градуируемой термопары k₁t₁ неизвестно, то Δe₁ становится неопределенной и, следовательно, градуировочная характеристика - искаженной.

Целью изобретения является повышение эффективности за счет обеспечения возможности градуировки термопар с длиной электродов менее 800 мм.

Суть изобретения заключается в том, что к свободным концам электродов градуируемой термопары приваривают дополнительные электроды длиной более 800 мм из материала, одноименного с материалом первого электрода образцовой термопары, которые подбирают по идентичности градуировочной характеристики в паре с вторым электродом образцовой термопары, осуществляют тепловой и электрический контакт места сварки разноименных дополнительного электрода и электрода градуируемой термопары с вторым электродом образцовой термопары, помещают скрепленные и армированные керамикой градуируемую термопару с дополнительными электродами и образцовую термопару в градуировочную печь, при заданных температурах градуировочной печи измеряют ТЭДС градуируемой термопары e_гр (t; 0), ТЭДС e₁(t; 0) образцовой термопары при температуре рабочего конца t и температуре свободных концов 0^оС, разность ТЭДС образцовой термопары и градуируемой с дополнительными электродами [e₁(t; t₁) - e_гр'(t; t₁)], ТЭДС образцовой термопары при температуре рабочего конца t и температуре мест сварки концов электродов градуируемой термопары с дополнительными электродами e₁(t; t₁) и, используя поправку, вычисляемую из соотношения [e₁(t; t₁) - e_гр'(t; t₁)][e₁(t; 0) - e₁(t; t₁)]/e₁(t; t₁), находят истинную градуировочную характеристику градуируемой термопары.

В заявленном способе не регламентируется снизу длина электродов градуируемой термопары, а дополнительные электроды позволяют осуществить погружение градуируемой термопары на одинаковую глубину с образцовой термопарой в градуировочную печь. На графике (фиг. 1) ордината е отражает ТЭДС термопар, абсцисса t - температуру, кривая e₁(t) - ТЭДС образцовой термопары, кривая e_гр'(t) - ТЭДС градуируемой термопары с удлинительными проводами, ТЭДС в паре которых соответствует e₁(t), кривая e_гр(t) - действительная кривая ТЭДС градуируемой термопары без удлинительных проводов, t₁ - температура концов электродов градуируемой термопары в месте их сварки с дополнительными электродами при одинаковой глубине погружения градуируемой и образцовой термопар в градуировочную печь.

При градуировании градуируемой термопары методом сличения с показаниями образцовой термопары к ее свободным концам для подключения к измерительному прибору приваривают удлинительные провода, развивающие в паре такую же ТЭДС, что и образцовая термопара. В этом случае зависимость e_гр(t) параллельно переносится в диапазоне температур t₁...t на величину, равную разности ТЭДС градуируемой термопары и ТЭДС образцовой термопары при температуре t₁, т.е.

КМ = ВС = e₁(t₁; 0) - e_гр(t₁; 0). При этом
e_гр'(t) = e_гр(t; t₁) + e₁(t₁; 0). При сличении показаний образцовой и градуируемой термопар определяют величину АВ:
AB = e_гр'(t) - e₁(t) = e_гр(t; t₁) - e₁(t; t₁) На самом же деле действительное отклонение ТЭДС градуируемой термопары от ТЭДС образцовой термопары при температуре t будет равно АС. Не зная градуировочной характеристики градуируемой термопары, определять поправку ВС нельзя, если не применить предлагаемый способ. Проведем дополнительные построения: соединим точки О и А прямой ОА, соединим точки 0 и С прямой ОС, проведем секущую РК параллельно оси абсцисс, через точку пересечения перпендикуляра из точки t₁ с кривой e_гр'(t) проведем прямую через точку D пересечения секущей РК с прямой ОА и точку В кривой e_гр'(t), проведем секущую ЕМ параллельно оси абсцисс через точку пересечения перпендикулярно из точки t₁ с кривой e_гр(t), опустим перпендикуляр из точки D на ось абсцисс, который пересекает прямую ОС в точке Е. Требуется доказать, что ON = DE = BC, если известно, что КМ = ВС.

Поскольку секущие РК и ЕМ параллельны оси абсцисс, то DE = KM = BC. Отсюда следует, что прямые DB и ОЕС параллельны, т.е. ON = DE = BC. Выразим ВС через значения ТЭДС образцовой термопары e₁(t), градуируемой e_гр'(t) с удлинительными проводами. Из подобных треугольников ZBN и PDN следует = . Из подобия треугольников RAO и OPD
= Следовательно, при ZB = RA; PD = PD имеем
= ,, тогда
= . Отсюда
[e_гр'(t; 0) - ON][e₁(t; 0) - e₁(t; t₁)] =
=e₁(t; 0)[e₁(t; 0) - e₁(t; t₁) - ON],
e_гр'(t; 0) ^. e₁(t; 0) - ON ˙e₁(t; 0) -
-e_гр'(t; 0) ˙ e₁(t; t₁) + ON ˙ e₁(t; t₁) =
=e₁²(t; 0) - e₁(t; 0) ˙ e₁(t; t₁) - ON˙ e₁(t; 0),
ON ˙e₁(t; t₁) = e₁(t; 0)[e₁(t; 0) -
-e₁(t; t₁)] - e_гр'(t; 0)[e₁(t; 0) - e₁(t'; t₁)],
ON = [e₁(t; 0) - e_гр'(t; 0)][e₁(t; 0) -
-e₁(t; t₁)]/e₁(t; t₁). По выражению
e_гр'(t; 0) - ON = e_гр(t; 0) находят истинное значение ТЭДС градуируемой термопары в различных температурных точках.

На фиг. 2 представлено устройство для осуществления предлагаемого способа, где: 1 - рабочий конец градуируемой термопары; 2, 4 - электроды градуируемой термопары; 3, 5 - места сварки электродов градуируемой термопары с дополнительными электродами; 6, 7 - дополнительные электроды; 8 - нулевой термостат; 9, 10, 12, 14 - медные электроды; 11 - бестермоточный переключатель; 13 - измерительный потенциометр; 15 - электрод образцовой термопары, одноименный электроду 4 градуируемой термопары; 16 - намотка неизолированной проволоки (3-4 витка); 17 - электрод образцовой термопары, одноименный электродам 6 и 7; 18 - рабочий конец образцовой термопары.

Градуировочная печь и ее цепи управления не показаны.

Осуществление данного способа градуировки проводится следующим образом (фиг. 2). К свободным концам градуируемой термопары приваривают дополнительные электроды 6 и 7, идентичные по градуировочной характеристике в паре с электродом 15 образцовой термопары градуировочной характеристике последней, термостатируют свободные концы электродов 7, 6, 15, 17 в термостате для свободных концов 8, скручивают неизолированной проволокой место 5 сварки с электродом 15 образцовой термопары, создавая тепловой и электрический контакт с помощью бестермоточного переключателя 11 и потенциометра 13, измеряют ТЭДС e₁(t; 0) образцовой термопары при температуре t рабочего конца 18 и температуре свободных концов 0^оС, затем измеряют разность ТЭДС образцовой термопары и ТЭДС градуируемой термопары [e₁(t; t₁) - -e_гр'(t; t₁)] при температуре t их рабочих концов 1 и 18 и ТЭДС образцовой термопары e₁(t; t₁) при температуре рабочего конца t и температуре t₁мест сварки концов электродов градуируемой термопары с дополнительными электродами, после чего, используя выражение
ON = [e₁(t; t₁) - e_гр'(t; t₁)][e₁(t; 0) -
- e₁(t; t₁)]/e₁(t; t₁), определяют поправку и вычитают ее из значений ТЭДС e_гр'(t; 0), находя действительное значение ТЭДС градуируемой термопары e_гр(t; 0).

Использование: градуировка термопар из благородных металлов с длиной термоэлектродов менее 800 мм. Сущность изобретения: к свободным концам электродов градуируемой термопары приваривают дополнительные электроды, идентичные по градуировочной характеристике электродам образцов термопары. Свободные концы обеих термопар термостатируют при 0°С. Осуществляют тепловой и электрический контакт места сварки разноименных одного из электродов градуируемой термопары и дополнительного электрода с электродом образцовой термопары. При нескольких температурах градуировочной печи измеряют ТЭДС l₁ (t, 0) гр. градуируемой термопары, ТЭДС l₁(t,0) и l₁(t,t₁) образцовой термопары, и разность ТЭДС l₁(t,t₁)-l1г

_р(t,t₁) , где t₁ - температура мест сварки концов электродов градуируемой термопары с дополнительными электродами, и по измеренным значениям определяют искомую градуировочную характеристику l_гр(t,0) с учетом поправки, которую вводят в показания l1г_р(t,0) градуируемой термопары с дополнительными электродами. 2 ил.

СПОСОБ ГРАДУИРОВКИ ТЕРМОПАР, заключающийся в том, что образцовую и градуируемую термопары помещают в градуировочную печь на глубину 250 - 300 мм, их свободные концы термостатируют при 0^oС, измеряют ТЭДС e₁(t,0) образцовой термопары и ТЭДС градуируемой термопары при нескольких температурах t печи, которые определяют по градуировочной характеристике образцовой термопары, и по полученным данным находят градуировочную характеристику градуируемой термопары, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности за счет обеспечения возможности градуировки термопар с длиной электродов менее 800 мм, к свободным концам электродов градуируемой термопары приваривают дополнительные электроды из материала, одноименного материалу первого электрода образцовой термопары, которые подбирают по идентичности их градуировочной характеристики в паре с вторым электродом образцовой термопары градуировочной характеристике последней, осуществляют тепловой и электрический контакт места сварки разноименных дополнительного электрода и одного из электродов градуируемой термопары с вторым электродом образцовой термопары, при заданных температурах градуировочной печи измеряют ТЭДС e₁(t;t₁) образцовой термопары, где t₁- температура мест сварки концов электродов градуируемой термопары с дополнительными электродами, и разность ТЭДС
[e₁(t ; t₁)-e(t ; t₁)],
где e(t ; t₁) - ТЭДС градуируемой термопары с дополнительными электродами,
и по соотношению
[e₁(t ; t₁)-e(t ; t₁)][e₁(t ; 0) - e₁(t ; t₁)] / e₁(t ; t₁)
определяют поправку, которую используют для уточнения градуировочной характеристики градуируемой термопары.