СПОСОБ ПОДАВЛЕНИЯ ПОМЕХ В ЦЕПЯХ ТЕРМОПАР, ТЕРМОПАРА И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2005 года по МПК H01L35/32 H01L35/34 G01K7/02 

Изобретение относится к термоэлектрическим цепям приборов, основанных на эффекте Зеебека, и может быть использовано для подавления помех при получении сигналов о температуре с помощью термопар.

Широко известна термопара для получения сигнала о температуре, состоящая из двух термоэлектродов с рабочим спаем и основанная на эффекте Зеебека. Рабочий спай является источником полезного сигнала, к свободным концам термопары подключается приемник сигнала. Полезный сигнал от рабочего спая по термоэлектродам передается в приемник сигнала. Однако в реальных условиях сигнал передается по термоэлектродам с искажениями из-за неизбежного наличия внешних электромагнитных возмущений (зачастую недопустимо значительных). Механизм возникающих в термопаре помех, как известно, заключается в следующем: внешний возмущающий электромагнитный поток пронизывает замкнутый контур, образованный термоэлектродами и подсоединенным к ним приемником сигнала, и вырабатывает в нем ЭДС помехи, которая складывается с полезным сигналом, искажая результирующий передаваемый по термоэлектродам сигнал. Чем больше площадь указанного контура, тем большие искажения претерпевает полезный сигнал. Диапазон полезных сигналов термопар очень мал (10-50 мВ) и поэтому помехи значительно искажают полезный сигнал. Например, для термопары длиной 30 метров вместе с соединительными проводами, со свободным положением термоэлектродов и проводов друг относительно друга, при размещении в непосредственной близости от силового провода с протекающим по нему электрическим током в 6А и 50 Гц он может создать помеху величиной до 300-400 мВ. Известны также способ уменьшения помех в цепях термопар и термопара, при которых (с целью уменьшения помехи за счет уменьшения площади контура наведения помехи) термоэлектроды и соединительные провода располагают параллельно друг другу на минимально возможном расстоянии, которое неизбежно ограничено толщиной изоляции [Серьезнов А.Н. и Цапенко М.П. Методы уменьшения влияния помех в термометрических цепях. М.: Энергия, 1968. (Библиотека по автоматике. Вып.22), стр.14, абзац последний]. В этом случае при упомянутых условиях возможно уменьшение помехи до величины порядка 12-14 мВ, что соответствует погрешности измерения 24-140%. Известен способ изготовления термопар, при котором электроды термопары с одной стороны объединяются в один рабочий «спай» [Приборы для измерения температуры контактным способом. Под общ. Ред. Р.В.Бычковского. - Львов, Издательское объединение «Вища школа», 1978], [Баранов А.Н., Белозеров Л.Г., Ильин Ю.С., Кутьинов В.Ф. Статические испытания на прочность сверхзвуковых самолетов. М., 1974].

Наиболее близкими по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемым изобретениям являются следующие технические решения, использующие многоэлектродные термопары, причем термин «Термопара» (вне зависимости от количества термоэлектродов) используется далее в классическом смысле - традиционный рабочий спай из термоэлектродов (термо-) двух (пара) родов и традиционных двух информационных выходных выводов. Т.е. «Термопара» - это обязательно два рода термоэлектродов, вне зависимости от количества электродов. Например, термин «трехэлектродная термопара» давно используется в технике термометрических цепей [Серьезнов А.Н. и Цапенко М.П. Методы уменьшения влияния помех в термометрических цепях. М.: Энергия, 1968. (Библиотека по автоматике. Вып.22), стр.27, 49].

Известен способ подавления помех в цепях термопар с использованием четырех термоэлектродов двух родов, при котором сигнал одной пары разнородных электродов модулируют с помощью переключателя, берут два отсчета получаемых от электродов сигналов при разных положениях переключателя и далее вычисляют определенным образом выходной сигнал с уменьшенным содержанием помехи. [Авторское свидетельство СССР №1062534, кл. G 01 K 7/02, 1982]. Однако для получения достаточно хорошего эффекта подавления помех требуется введение в цепь низкоомных термоэлектродов дополнительных резисторов для выравнивания сопротивлений всех электродов, что трудно обеспечить длительное время в процессе эксплуатации из-за дрейфа сопротивлений самих термоэлектродов. Эффект способа получается при условии равенства величины помехи для моментов времени первого и второго отсчета, что практически не соблюдается в силу того, что реальные помехи переменны во времени, например, 50 Гц промышленной частоты. Кроме того, выходной сигнал в результате этого способа получается дискретным и его невозможно использовать в непрерывных аналоговых приборах без дополнительных искажений.

Известно соответственно приведенное способа устройство с четырьмя электродами двух родов, переключателем, двумя резисторами в низкоомных термоэлектродах и специальными вычислительными блоками для получения сигналов о температуре в исследуемой точке объекта. [Авторское свидетельство СССР №1062534, кл. G 01 К 7/02, 1982].

Как указанно выше, при определенных условиях (равенстве сопротивлений цепей всех используемых термоэлектродов и неизменности во времени величины помехи) возможно подавление помех. Однако соблюсти эти условия с достаточной точностью и стабильностью практически трудно, что значительно снижает эффективность помехоподавления, а дискретность получаемых сигналов (кроме дополнительных погрешностей) ограничивает область использования.

Способ изготовления термопары с четырьмя электродами здесь предполагает объединение одних их концов в один рабочий спай. [Авторское свидетельство СССР №1062534, кл. G 01 К 7/02, 1982]. Однако взаимная конфигурация контуров, образованных термоэлектродами, здесь не регламентирована и в процессе эксплуатации неизбежно изменяется, хотя бы в процессе переустановки термопары от одного объекта исследования к другому, что снижает эффективность помехоподавления из-за различности условий наведения помех на цепи термоэлектродов.

Задачей настоящего изобретения является увеличение степени подавления помех в цепях термопар в реальных условиях эксплуатации.

Техническим результатом изобретения является значительное уменьшение доли электромагнитных помех в сигнале, получаемом с термопар, практически в независимости от условий применения.

Поставленная задача и указанный технический результат достигаются тем, что в способе подавления помех в цепях четырехэлектродной термопары сигналы со свободных концов однородных электродов суммируют, а фигуру, образованную однородными электродами первого рода, включающую в себя сами электроды и пространство между ними, хотя бы частично, размещают в пространстве между однородными электродами другого рода, преимущественно симметрично; цепи однородных электродов балансируют, например, по их сопротивлению.

В четырехэлектродной термопаре свободные концы однородных электродов непосредственно или опосредовано объединены, а фигура, образованная однородными электродами первого рода, хотя бы частично, размещена в пространстве между однородными электродами другого рода, преимущественно симметрично; в цепь однородных электродов введено устройство симметрирования, например, их сопротивлений.

В способе изготовления четырехэлектродной термопары, включающем объединение их в один рабочий спай, свободные концы однородных электродов непосредственно или опосредовано объединяют, электроды размещают в четырех продольных направляющих, например отверстиях или пазах, изоляционной, преимущественно керамической, трубки или бруска, причем так, чтобы фигура, образованная однородными электродами первого рода, включающая в себя сами электроды и пространство между ними, хотя бы частично, находилась в пространстве между однородными электродами другого рода, преимущественно симметрично; цепи однородных электродов балансируют, например, по их сопротивлению.

На фиг.1 показана конструкция предлагаемой (четырехэлектродной) термопары второго варианта со схемой ее включения в электрическую цепь.

Фиг.2 поясняет сущность формирования положительного эффекта во втором варианте.

На фиг.3 показан вариант включения устройства симметрирования сопротивлений термоэлектродов.

Изобретение рассмотрим на примере термопары, показанной на фиг.1. Термопара состоит из четырех параллельных термоэлектродов двух родов («а» и «b»), расположенных в поперечном сечении по вершинам условного геометрического квадрата. Все термоэлектроды разделены на две пары однородных термоэлектродов. Термоэлектроды в парах расположены по диагоналям этого квадрата. Для каждой пары используется своя из двух диагоналей. Обе плоскости расположения термоэлектродов пар взаимно пересекаются. На свободном конце термопары термоэлектроды, соответствующие однородной паре, электрически объединены, образуя два вывода. Термоэлектроды для каждой однородной пары оказываются электрически запараллелены. Рабочий спай термопары используется для размещения его в зоне измеряемой температуры, свободный конец - для подключения приемника сигнала. Электромагнитное возмущающее поле воздействует на термопару извне. Для симметрирования термоэлектродов в паре можно использовать устройство симметрирования, выполненное, например, на базе потенциометра Rsim (фиг.3).

Изобретение работает следующим образом. Рассмотрим фиг.2, где для наглядности формирования положительного эффекта показаны (в поперечном сечении термопары) три последовательных характерных взаимных расположения обеих пар с запараллеленными однородными термоэлектродами. Как и в первом варианте, жирными точками показано поперечное сечение электродов, тонкими линиями электрическое соединение однородных электродов, а пунктирными окружностями подразумеваемая их изоляция. Первое расположение термоэлектродов (фиг.2а) имеет между парами некоторый просвет, образующий для внешнего возмущающего электромагнитного поля соответствующую пронизываемую площадь S≠0, что, естественно, вызывает в термопаре соответствующую ЭДС помехи последовательно с передаваемым по термоэлектродам сигналом. Второе расположение термоэлектродов (фиг.2b) соответствует смыканию горизонтальной пары (при передвижении ее вправо) с внешней плоскостью фигуры, образованной второй (вертикальной) однородной парой, что сводит к нулю пронизываемую площадь S=0, и, естественно, к нулю и соответствующую ЭДС помехи. Это положение в рассматриваемом техническом решении является граничным, т.е. положением, где уже имеется полный устойчивый положительный эффект термопары. При дальнейшем передвижении вправо горизонтальной пары до центрального положения в термопаре (фиг.2с) создается гарантированное отсутствие пронизываемой площади (S - нет), т.е. и гарантированное отсутствие ЭДС помехи от воздействия внешнего возмущающего электромагнитного поля.

В конечном положении (фиг.2с) в принципе не важно, с какой стороны и под каким углом воздействует возмущающее электромагнитное поле, поскольку отсутствует пронизываемая площадь термопары для внешней помехи. Кроме того, здесь расположение термоэлектродов в пространстве может быть произвольным (не обязательно симметричным), лишь бы пронизываемая площадь отсутствовала. Не важен и размер контуров, образованных электродами, не обязательна и непосредственная близость электродов друг к другу. Все это чрезвычайно важно при реальной эксплуатации термопар, т.к. условия использования постоянно меняются (в том числе наличие деформаций и вибраций), что изменяет геометрию расположения термоэлектродов и может ухудшить эффект подавления помех при известных технических решениях. Здесь же имеется гарантированный пространственный запас для изменения расположения термоэлектродов.

Возможно совместное использование традиционных методов, таких как скручивание термопары и, кроме этого, ее экранирование, что к уже полученному рассмотренному положительному эффекту технического решения дает дополнительный известный положительный эффект.

Кроме того, термоэлектроды термопары могут быть удлинены обычными медными проводниками или другими термоэлектродами, однако положительный эффект (в отношении наведения помех) надежно реализуется и при использовании удлиненных термоэлектродов.

Теоретически в идеальных условиях оба варианта изобретения по эффекту подавления помех должны быть идентичны, поскольку в обоих случаях отсутствует площадь контура наведения. Однако в реальных условиях для термоэлектродов малого диаметра (0,5; 0,3; 0,2 мм [3]) в первом варианте (трехэлектродная термопара) имеются некоторые сложности для гарантированного обеспечения наилучшей теоретической геометрии взаимного расположения электродов. Во втором же варианте (четырехэлектродная термопара) в любых случаях возможно обеспечение отсутствия площади контура наведения помехи, т.к. нет ограничений по расстоянию между электродами.

Практически (в ранее рассмотренных условиях) предлагаемые технические решения позволяют уменьшить наводимую помеху до величины 0,11-0,13 мВ, т.е. более чем в 100 раз, что соответствует погрешности 0,22-1,3% и для многих задач использования является весьма большим достижением.

С другой стороны, кроме того, возмущающее электромагнитное поле вызывает некоторый дополнительный циклический паразитный ток в контуре, образованном запараллеленными термоэлектродами (фиг.3), и при наличии некоторой несимметрии сопротивлений этих термоэлектродов (r1≠r2) остается, хотя и значительно (в 100 раз) уменьшенная, доля помехи, проявляющаяся в виде дополнительной разности потенциалов ((ϕаа-ϕа) между рабочим спаем термопары и соответствующим ее выводом свободного конца термопары. Для получения еще большего эффекта подавления помех следует симметрировать (балансировать) эти сопротивления в запараллеленных термоэлектродах, например, введением устройства симметрирования, которое (в простейшем случае) может быть выполнено в виде соответствующей добавки сопротивления в соответствующий термоэлектрод термопары. Наилучший эффект дает выполнение устройства симметрирования в виде потенциометра, включенного в разрыв этих термоэлектродов на свободном конце термопары с выводом от движка потенциометра (фиг.5), что позволяет регулированием свести остаток наведенной помехи к нулю, причем практически с любой степенью приближения. Сопротивление потенциометра следует брать равным максимально возможному дисбалансу сопротивлений термоэлектродов, чтобы разрешающая способность регулировки потенциометром была максимальной.

Кроме этого, следует заметить, что данные технические решения не требуют одинаковости сопротивлений цепей с разнородными термоэлектродами, что также является дополнительным преимуществом.

Экспериментальные исследования выполненных таким образом термопар, подтверждают возможность сведения остаточной помехи до величин, меньших 1 мкВ, что соответствует подавлению помехи более чем в 10000 раз.

Суммирование сигналов со свободных концов однородных электродов может быть осуществлено (как показано на фиг.1) непосредственным соединением этих электродов (суммирование токов) или опосредовано: через дополнительные медные проводники, через суммирующие резисторы или любым известным электронным сумматором. Непосредственное же или через дополнительные медные проводники соединение предпочтительней, поскольку оно более надежней и проще, да и эффект подавления помех здесь может быть получен более высокий в силу большей возможной симметрии суммирования. Кроме того, получающиеся таким образом короткозамкнутые цепи (витки) уменьшают величину внешнего электромагнитного поля.

В изобретении должна хотя бы коснуться пространства, находящегося между какими-либо однородными электродами, или пересечь его, фигура, образованная однородными электродами другого рода, включающая в себя сами электроды и пространство между ними, а лучше всего расположить эту фигуру с пересечением симметрично, по тем же соображением, что и в первом варианте.

Для более существенного подавления помех следует балансировать цепи однородных термоэлектродов по их сопротивлению. При этом необходимо помнить, что и емкостной дисбаланс этих цепей тоже сказывается на величине подавления, хотя и в меньшей степени, и для получения очень больших степеней подавления помех следует балансировать однородные термоэлектроды и по емкостной составляющей. Теоретически и индуктивный дисбаланс также нужно учитывать, хотя практически его влияние ничтожно.

При изготовлении термопар нужно обеспечить соответствующую изоляцию термоэлектродов и жесткость требуемой конструкции взаимного расположения электродов, что можно обеспечить, используя жесткие изоляционные трубки или бруски с продольными направляющими, в качестве которых могут выступать внутренние отверстия или внешние пазы.

По данному предложению в институте выполнены соответствующие теоретические и экспериментальные исследования, которые подтверждают возможность получения заявленного технического результата.

Изобретение особо ценно при измерении быстроменяющихся температур, когда нет возможности использовать обычную фильтрацию, а также при мощных импульсных помехах, например от тиристорных устройств нагрева объектов исследования.

Реализация предложения в ИИС для теплопрочностных исследований авиационных конструкций позволит существенно повысить достоверность результатов испытаний, а следовательно, надежность рекомендаций, выдаваемых промышленности, по совершенствованию конструкции летательных аппаратов.

Изобретение относится к термоэлектрическим цепям приборов, основанных на эффекте Зеебека, и может быть использовано для подавления помех при получении сигналов о температуре с помощью термопар. Сущность: свободные концы однородных электродов четырехэлектродной термопары непосредственно или опосредовано объединены. Сигналы со свободных концов однородных электродов суммируют. Фигуру, образованную однородными электродами первого рода, включающую в себя сами электроды и пространство между ними, хотя бы частично, размещают в пространстве между однородными электродами другого рода, преимущественно симметрично. Цепи однородных электродов балансируют, например, по их сопротивлению. Для этого в цепь однородных электродов введено устройство симметрирования, например, их сопротивлений. При изготовлении термопары объединяют электроды в один рабочий спай. Электроды размещают в четырех продольных направляющих, например отверстиях или пазах, изоляционной, преимущественно керамической, трубки или бруска. Технический результат: уменьшение доли электромагнитных помех в сигнале термопары. 3 н. и 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ подавления помех в цепях четырехэлектродной термопары, отличающийся тем, что сигналы со свободных концов однородных электродов суммируют, а фигуру, образованную однородными электродами первого рода, включающую в себя сами электроды и пространство между ними, хотя бы частично, размещают в пространстве между однородными электродами другого рода, преимущественно симметрично.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что цепи однородных электродов балансируют, например, по их сопротивлению.3. Четырехэлектродная термопара, отличающаяся тем, что свободные концы однородных электродов непосредственно или опосредовано объединены, а фигура, образованная однородными электродами первого рода, включающая в себя сами электроды и пространство между ними, хотя бы частично, размещена в пространстве между однородными электродами другого рода, преимущественно симметрично.4. Термопара по п.3, отличающаяся тем, что в цепь однородных электродов введено устройство симметрирования, например, их сопротивлений.5. Способ изготовления четырехэлектродной термопары, включающий объединение электродов в один рабочий спай, отличающийся тем, что свободные концы однородных электродов непосредственно или опосредовано объединяют, электроды размещают в четырех продольных направляющих, например, отверстиях или пазах, изоляционной, преимущественно керамической трубки или бруска так, чтобы фигура, образованная однородными электродами первого рода, включающая в себя сами электроды и пространство между ними, хотя бы частично, находилась в пространстве между однородными электродами другого рода, преимущественно симметрично.6. Способ по п.5, отличающийся тем, что цепи однородных электродов балансируют, например, по их сопротивлению.