СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР Советский патент 1994 года по МПК G01K7/02 

Изобретение относится к термометрии и может быть использовано для высокоточного измерения температуры в области низких температур без периодической коррекции градуировочной характеристики термоэлектрического термометра.

Целью изобретения является повышение точности определения низких температур.

На чертеже приведена функциональная схема низкотемпературного термометра, реализующего способ определения низких температур.

Способ определения низких температур заключается в следующем.

Рабочий спай термопары вносят в холодную среду, температуру которой Т_х1 измеряют, а свободные концы термопары (спай сравнения) термостатируют при "теплой" температуре Т_с1. Показание термопары Y₁ в случае прямого измерительного преобразования определяется зависимостью
Y₁ = K[S₁(1+ γ₁) (T_c1-T_x1) + δ₁] (1) где S - чувствительность преобразователя при разности температур Т₁ = Т_с1 - Т_х1;
γ₁= - относительная мультипликативная погрешность измерения от непостоянства чувствительности (погрешность чувствительности);
δ₁ = Δ α- абсолютная аддитивная погрешность от неоднородности электродов и дрейфа нуля вторичного преобразователя, приведенного к входу (погрешность нуля);
К - коэффициент преобразования термоэлектродвижущей силы в показание термометра.

Регистрируют показание термопары Y₁, соответствующее измеряемой температуре среды Т_х1. Затем воздействуют магнитным полем на рабочий спай, вызывая изменение его чувствительности S к температуре. При индукции магнитного поля 2-3 Тл относительное изменение чувствительности термопар из сплавов, содержащих ферромагнитные металлы (Fe, Ni, Co и др. ), составляют 5-10% , что достаточно для регистрации возникшего изменения термоэлектродвижущей силы. Регистрируют установившееся значение термопары:
Y₂ = K [(S₁ + ΔS₁) (1+ γ₂ ) (T_c1-T_x1)+ δ₂] , (2) где ΔS₁(B, T₁) - изменение чувствительности термопары, зависящее от индукции магнитного поля В и разности температуры Т₁;
γ₂ и δ₂- погрешности преобразования разности температур Т₁ при новом значении чувствительности.

Изменяют температуру свободных концов термопары на величину, вызывающую регистрируемое изменение ее показаний. Так, при увеличении температуры свободных концов до температуры Т_с1 установившееся значение показаний термопары: Y₃ = K[(S₂ + ΔS₂) (1+ γ₃ )(T_c2-T_x1) + δ₃ ] (3), где S₂ - чувствительность термопары при разности температур Т₂ = Т_с2 - Т_х1;
ΔS₂(B, T₂) - изменение чувствительности термопары при индукции магнитного поля В и разности температур Т₂;
γ₃ и δ₃ - погрешность преобразования разности температур Т₂.

После регистрации показания термопары Y₃ устраняют влияние дополнительного магнитного поля (В = 0) и регистрируют установившееся значение показаний термопары
Y₄ = K[S₂(1+ γ₄) (T_c2 - T_x1) + δ₄ ] , (4) где γ₄ и δ₄ - погрешности преобразования разности температур Т₂ при измененном значении чувствительности ΔS₂ = 0).

За регистрируемые изменения показания термометра Δ Y выбирают усредненное значение порога чувствительности термометра
ΔУ = 3 ε (5) где ε - порог чувствительности, определяемый как минимально обнаруживаемая величина на фоне флуктуаций показаний термопары.

При изменении температуры свободных концов термопары в пределах, вызывающих возрастание показаний термопары лишь в пределах 3ε , можно считать, что чувствительность термопары практически остается постоянной (S₁ = S₂), а соответствующие изменения чувствительности под действием дополнительного магнитного поля одинаковыми ( ΔS₁= Δ S₂). Работа термопары осуществляется фактически в окрестностях рабочей точки, задаваемой измеряемой температурой Т_х1. Поэтому можно считать участок градуировочной характеристики 3ε вблизи рабочей точки линейным и, следовательно, погрешности преобразования при 4-х измерениях постоянными ( γ₁ = γ₂ = γ₃ = γ₄ = γ , δ₁ = δ₂ = δ₃ = δ₄ = δ ) . В соответствии с этим результаты измерительных преобразований (1)-(4) можно представить в виде системы уравнений
Y₁ = K[S(1+ γ)(T_c1-T_x1) + δ ] ,
Y₂ = K[S(1+ ρ)(1+ γ)(T_c1-T_x1) + δ ] ,
Y₃ = K[S(1+ ρ)(1+ γ) (T_c2-T_x1)+ δ ] ,
Y₄ = K[S(1+ γ) (T_c2-T_x1) + δ ] (6) где ρ = - относительное изменение чувствительности под воздействием дополнительного магнитного моля.

Решая систему уравнений (6) относительно измеряемой температуры Т_х1, получают
T_x1= T_c1- (T_c2-T_c1) , (7) где Т_х1 -искомая температура;
Y₁ - показание термопары, соответствующее температуре контролируемой среды;
Y₂ - установившееся значение термопары при воздействии дополнительного магнитного поля;
Y₃ - установившееся значение показаний термопары при изменении температуры свободных концов термопары;
Т_с1 и Т_с2 - установившееся значение показаний термопары при устранении дополнительного магнитного поля и измененной температуре свободных концов термопары;
Т_с1 и Т_с2 - значения температур свободных концов термопары.

Низкотемпературный термометр, реализующий предложенный способ, содержит термопару с рабочим спаем 1 и термоэлектродами 2 и 3, подключенными к клемной колодке 4, которая соединена удлинительными термоэлектродами 5 и 6 с колодкой 7 свободных концов термопары, размещенных в термостате 8, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 9, входом подключенный к колодке 7, а цифровым выходом - к шине данных микроЭВМ 10 с цифровым индикатором 11, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 12, подключенный цифроаналоговым входом через интерфейс ввода-вывода к шине данных микроЭВМ 10, регулятор 13 температуры, вход которого соединен с выходом ЦАП 12, выход - с нагревателем термостата 8, источник 14 постоянного тока, соединенный через ключ 15 с обмотками электромагнита 16 и 17, расположенного в зоне рабочего спая 1 термопары.

Термоэлектрический термометр работает следующим образом.

По команде микроЭВМ 10 ключ 15 размыкается, а на регулятор 13 температуры от ЦАП 12 поступает напряжение уставки, обеспечивающее температуру термостата, равную Т_с1. Термоэлектродвижущая сила (ТЭДС), развиваемая рабочим спаем 1 относительно спая сравнения 7, преобразуется с помощью АЦП 9 в цифровой код (Y₁)- который запоминается в памяти микроЭВМ 10. Затем по команде микроЭВМ замыкается ключ 15, и рабочий спай 1 термопары оказывается в дополнительном магнитном поле, которое создается катушками электромагнита 16 и 17. Измененное значение ТЭДС преобразуется в код (Y₂), который также запоминается в памяти микроЭВМ. Последующей командой в ЦАП 12 формируется напряжение, соответствующее уставке температуры регулятора 13 Т_с1. Соответствующее значение ТЭДС преобразуется в код (Y₃), который запоминается в памяти микроЭВМ 10. После этого следует команда на размыкание ключа 15, дополнительное магнитное поле исчезает, а соответствующее значение ТЭДМ преобразуется с помощью АЦП 9 в код (Y₄), который также запоминается в памяти микроЭВМ. Результаты 4-х преобразований (Y₁, Y₂, Y₃, Y₄) обрабатываются в процессоре микроЭВМ по программе в соответствии с формулой (7) или (8). Значения температур Т_с1 и Т_с2 вводятся в программу микроЭВМ в виде констант. Результат вычислений в виде значения измеряемой температуры выводится на индикатор 11, а при необходимости на цифропечатающее устройство. (56) Куинн Т. Температура. - М. : Мир, 1985, с. 292-294.

Авторское свидетельство СССР N 777475, кл. G 01 K 7/02, 1980.

Изобретение относится к термометрии и позволяет повысить точность определения низких температур. Рабочий спай термопары вносят в контролируемую среду, а ее холодные концы термостатируют при заданной температуре, после чего регистрируют показание термопары, соответствующее температуре контролируемой среды. Затем производят последовательные измерения установившихся значений показаний термопары при воздействии на рабочий спай магнитным полем, при измененной температуре свободных концов термопары и после устранения влияния магнитного поля на рабочий спай. По измеренным величинам определяют искомую температуру. 1 ил.

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР, заключающийся во внесении рабочего спая термопары в контролируемую среду, термостатирование свободных концов термопары при заданной температуре и регистрации показания термопары, соответствующего температуре контролируемой среды, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения низких температур после регистрации показания термопары, соответствующего контролируемой температуре, на ее рабочий спай воздействуют магнитным полем величиной, вызывающей регистрируемое изменение ее показания, регистрируют установившееся значение показаний термопары при воздействии магнитного поля, изменяют температуру свободных концов термопары на величину, вызывающую регистрируемое изменение ее показания, регистрируют установившееся значение показаний термопары при измененной температуре свободных концов термопары, устраняют влияние магнитного поля на рабочий спай термопары и регистрируют установившееся значение ее показаний, причем за регистрируемые изменения показаний термометра принимают утроенное значение порога чувствительности термопары, а искомую температуру T_x1 определяют по формуле
T= T- /
где Y₁ - показание термопары, соответствующее температуре контролируемой среды;
Y₂ - установившееся значение показаний термопары при воздействии магнитного поля;
Y₃ - то же при измененной температуре свободных концов термопары;
Y₄ - то же после устранения магнитного поля;
T_c1 и T_c2 - значения температур свободных концов термопары.