Способ определения температуры Советский патент 1992 года по МПК G01K7/02 

Изобретение относится к области измерения температуры электрическими методами и может быть использовано для повышения точности термоэлектрических преобразователей, находящихся в длительной эксплуатации на тепловом объекте.

Известен способ измерения температуры термоэлектрическим термометром, заключающийся во внесении спая термопары в среду, температуру которой измеряют, и регистрации термоэлектродвижущей силы (термоЭДС), возникающей на свободных концах термопары

Недостатком способа является низкая точность измерения из-за нестабильности параметров термопары и режима ее работы. Так, в результате окисления термоэлектро дов, испарения металлов с электродов, диффузии компонентов сплавов через спай, деформаций термоэлектродов и т п. изменяется наклон градуировочной характеристики и соответственно появляется погрешность чувствительности термометра Изменения температуры свободных концов термопары вызывают параллельное смещение градуировочной характеристики, что обусловливает появление погрешности нуля термометра Эти составляющие погрешности носят случайный характер и их трудно скомпенсировать или учесть в процессе эксплуатации на объекте Существенную погрешность вносит нестабильность параметров линии связи и вторичного прибора.

Известен способ измерения температуры термоэлектрическим термометром, заключающийся во внесении спай термопары в среду, температуру которой измеряют, и компенсации термоэлектродвижущей силы, возникающей на свободных концах термо2

v| Ю

Јь

ел

пары, с помощью вспомогательного источника тока, создающего падение напряжения на компенсирующем резисторе, равное измеряемой термоЭДС.

При компенсационном способе измерения исключается погрешность изменения сопротивления цепи термопары и непостоянства чувствительности вторичного прибора. Однако погрешность от нестабильности самой термопары и непостоянства температур ее свободных концов не исключается, что не позволяет обеспечить высокую точность измерения температуры,

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ измерения температуры, заключающийся во внесении спая термопары в среду, температуру которой измеряют, регистрации значения измеряемой термоэлектродвижущей силы, нагреве спая термопары пропусканием тока через термопару, регистрации установившегося значения термоЭДС и определении отношения зарегистрированных значений термоэлектродвижущих сил, при этом температуру в определяют по формуле

ратуры способом-прототипом, например, в диапазоне от 150-400°С возникает значительная методическая погрешность (до 2- 5°С)

Целью изобретения является повышение точности определения температуры по расчетной формуле путем исключения влияния Джоулева тепла, попадающего в спай термопары за счет теплопроводности термоэлектродов.

Поставленная цель достигается тем, что в способ, включающий нагревание спая термопары пропусканием тока через нее, измерение значений термоэлектродвижущей

силы и вычисление температуры окружающей среды, введены дополнительные операции:

изменяют направление тока, протекающего через спай термопары;

охлаждают спай термопары до температуры, при которой соответствующее уменьшение термоэлектродвижущей силы превысит в 10-20 раз среднеквадратичное значение ее случайных отклонений;

вычисление температуры осуществляют по математическому выражению,

Изобретение относится к способам измерения температуры и может быть использовано для повышения точности термо электрических преобразователей, находящихся в условиях длительной, эксплуатации под воздействием факторов, дестабилизирующих их чувствительность Сущность изобретения заключается в том, что измеряют три значения термоЭДС, соответствующих исходному состоянию термопары, нагреву ее спая постоянным током и его охлаждению путем изменения направления этого тока, после чего определяют искомую температуру согласно предложенной формуле Результат определения температуры не зависит от коэффициента чувствительной термо пары 1 ил

вП -J

FflT-1)

где П -- коэффициент Пельтье;

I - ток, пропускаемый через спай термопары,

Е

К - - отношение значений зарегистрированных термоэлектродвижущих сил EI и Еа до и после нагрева;

А- теплопроводность спая.

Как следует из приведенной формулы, на точность измерения температуры этим способом не влияет чувствительность термопары, а следовательно, и ее нестабильность. Однако исследования способа показали, что линейная зависимость между измеряемой температурой током через спай I нарушается. Это вызвано тем, что кроме теплоты, выделяемой в спае за счет эффекта Пельтье при протекании тока через термоэлектроды выделяется и теплота Джоуля, часть которой поступает на рабочий спай термопары. И хотя эффект Пельтье для спая термопара является определяющим, результирующий перегрев спая зависит и от теплоты Джоуля, которая пропорциональна квадрату протекающего тока. В результате этого реальная зависимость измеряемой температуры $от тока I, пропускаемого через спай термопары, нелинейна. Поэтому при определении темпе

вЕ2-Ез

2П

+ в0.

5

0

5

0

5

где во - температура свободных концов термопары;

EI, Еа, Ез - значения термоэлектродвижущей силы соответственно до нагрева, после нагрева и после охлаждения спая термопары;

П - коэффициент Пельтье,

I - ток через спай термопары;

Я - эквивалентная теплопроводность спая термопары, с учетом теплообмена с окружающей средой.

На чертеже представлен вариант схемы термоэлектрического устройства для осуществления предлагаемого способа.

Устройство содержит четырехэлектрод- ный термоэлектрический преобразователь 1, состоящий из .двухэлектродных термоэлектрических преобразователей с общим рабочим спаем, первую 2 и вторую 3 пары удлинительных термоэлектродов, первый 4 и второй 5 термостаты с размещенными в них свободными концами первой 2 и второй 3 пар удлинительных термоэлектродов, двухканальный ключ б, двухполюсный переключатель 7, регулируемый источник по- стоянного напряжения 8 и цифровой милливольтметр 9.

Предлагаемый способ определения температуры заключается в следукщем.

Измеряемая температура и термо- Температура перегрева спая определяется

суммарной рассеиваемой электрической мощностью и теплопроводностью спая

ЭДС, возникающая на свободных концах термопары, связаны нелинейной зависимостью5

Е А (01 - 00) + В (01 - в0}2 + С (01 - 00)3, ( 1)

где А, В и С - коэффициенты уравнения, зависящие от материалов термоэлектродов 10 и технологии изготовления термопары;

в0 - температура свободных концов термопары.

В окрестностях рабочей точки термопары, задаваемой значением температуры 15 01,прилегающий участок градуировочной характеристики (Л0« 0i) можно заменить прямой линией (хордой), проходящей через начала градуировочной характеристики (нуль) и рабочую точку в1,. Зависимость тер- 20 моЭДС от температуры в окрестностях рабочей точки можно представить линейной зависимостью

Ав

K-FH2+n-l

-г

(7)

где R - омическое сопротивление тёрмо- электродов;

К - коэффициент, учитывающий часть тепла Джоуля, нагревающая спай;

П - коэффициент Пельтье, зависящий от материалов спая;

Я - эквивалентная теплопроводность спая, учитывающая теплообмен со средой;

I - сила постоянного тока

Измеряют установившееся значение термоЭДС Е2

Е2 - S2 & +

K-R-l2-f ГН

Т

--- - в 1

VOJ,

(8)

Е S (01 - во),

где S

ЛЕ

-7с-п средняя чувствительность термопары, зависящая от измеряемой температуры в.

Среднюю чувствительность термопары можно определить из соотношения

S & - в0) - А & - в0) + В & - в0}2 + + С (01 - в0)3,

откуда

S А + В (0i - во) + С & - в0)2.

Вначале измеряют значение термоЭДС, соответствующей измеряемой температуре 01 и температуре свободных концов термопары во

Ei Si(0i-0o),

(5)

где Si - средняя чувствительность термопары при разности температур д в 01 - в0. Затем через спай термопары пропускают постоянный ток I от источника электрического напряжения. За счет эффекта Пельтье в спае и выделения тепла Джоуля в электродах термопары происходит нагрев спая термопары до температуры

02 01-Д01,

(6)

где А01 -температура перегрева спая относительно контролируемой среды.

Ав

K-FH2+n-l

-г

(7)

где R - омическое сопротивление тёрмо- электродов;

К - коэффициент, учитывающий часть тепла Джоуля, нагревающая спай;

П - коэффициент Пельтье, зависящий от материалов спая;

Я - эквивалентная теплопроводность спая, учитывающая теплообмен со средой;

I - сила постоянного тока

Измеряют установившееся значение термоЭДС Е2

K-R-l2-f ГН

Т

--- - в 1

VOJ,

(8)

25

30

где $2 - средняя чувствительность термопэры при разности температур д в 02 - в0 Силу тока I выбирают такой, чтобы возросшее значение термоЭДС превышало раннее измеренное значение EI на величину, превышающую максимальные случайные изменения термоЭДС

Е2- Ei a

АЕ2

(9)

35

40

45

где УДЕ2 - среднеквадратичное отклонение (С КО) термоЭДС;

а- коэффициент, зависящий от доверительной вероятности.

При нормальном распределении случайных отклонений термоЭДС от среднего значения при вероятности ,997 максимальное случайное отклонение не может превысить СКО более чем в 3 раза. Поэтому коэффициент а выбирают в пределах 10-20 При выборе а 10-20 термоЭДС Е2 измеряют практически с той же систематической погрешностью, что и EI

50

E2 Ei ЧЮ...20)

(10)

Далее изменяют направление тока, пропускаемого через спай. Так как эффект Пельтье ретерсивный, то при изменении направления тока через спай возникает его охлаждение, и термо-ЭДС уменьшается до значения

Ез Зз ( + - 00), d 1)

где Зз - средняя чувствительность термопары при разности температур д& -

вз-во

Измеряют установившееся значение термоЭДС Ез.

Поскольку два дополнительно измеренных значений термоЭДС (Еа и Ез) лежат в окреастностях рабочей точки термопары, задаваемой первоначальным значением термоЭДС Ei, то правомерно считать, что S1 $2 5з С учетом последнего определяют относительную разность термоЭДС

Е2-Е3 2ГН Ei A (ft-ft,)

(12)

Поскольку температуру определяют по формуле, получаемой из выражения (12),

a л

f 1 - С/о

(13)

Из полученного выражения видно, что результат измерения не зависит от непостоянства чувствительности S термопары к температуре в и ее нестабильности в процессе эксплуатации. При этом зависимость измеряемой температуры от тока, пропускаемого через спай, получена строго линейной Результат измерения не зависит также от систематической погрешности измерения термоЭДС, что видно при подстановке в (13) вместо Ei, Ј2 и Ез значений Ui (1+ +X)Ei, U2 (1+ у) Ј2 и Us (1+ Ез, где1Н, U2, 1)з - измеряемые значения термо-ЭДС, а у - относительная погрешность измерения, Необходимую силу тока I, входящую в выражение (13) можно определить из разности термоЭДС Е2 и Ез и рекомендуемого соотношения (10), снижающего случайную составляющую погрешности измерения термоЭДС до допустимого значения,

Ез-Е2

25ГИ

(10

(14)

Из соотношения (14) минимальное значение тока

м

ИН

2ТУ5 {10..20)VAf

(15)

где S - средняя чувствительность термопары при измеряемой температуре ft.

Предлагаемый способ определения температуры может быть реализован с термопарами различных градуировок которые в процессе длительной эксплуатации

0

5

0

под воздействием контролируемой среды изменяют свою чувствительность

Способ реализуется устройством, изображенном на чертеже, в следующей последовательности

Рабочий спай термопреобразователя 1 помещен в зону измеряемой температуры ft, а к свободным концам термопреобразователя присоединены две пары удлинительных термоэлектродов 2 и 3 свободные концы которых помещены в термостаты соответственно 4 и 5 Термостат 4 поддерживает постоянную температуру 00 а термостат 5 - температуру близкую к во.

Вначале ключ 6 размыкают и милливольтметром 9 производят ряд измерений термоЭДС, создаваемой разностью температур - спая ft и свободных концов во,определяют ее среднеквадратичное отТе

5

0

5

, а также среднеарифме- Ej/n Затем по градуклонениетическое значение

ировочной характеристике термопары и среднеарифметическому значению ее термоЭДС определяют среднее значение чувствительности S термопары для приближенного значения определяемой температуры ft Затем по формуле (15) определяют необходимое значение тока, пропускаемого черехспай, которым пользуются в дальнейшем постоянно для всех термопар данной градуировки, работающих в аналогичных условиях В качестве значения Ei термоЭДС (5) принимают полученное среднеарифметическое значение выполненного ряда измерений

Ei

Ei/n

5

5

0

Затем ключ 6 замыкают и регулировкой напряжения источника 8 через спай термопреобразователя 1 пропускают ток, значение которого соответствует выражению (15) Установившееся значение термоЭДС соответствует измеренной величине Е2 (8) и условию (10).

Затем переключателем 7 изменяют направление тока через спай термопреобразователя 1 и милливольтметром 9 измеряют установившееся значение термоЭДС Ез.

Далее, используя полученные величины Ei, Еа, Ј3 определяют по формуле (13) неизвестную температуру.

Например, при измерении температуры рабочей зоны водородной печи рекристал- лизационного отжига деталей под влиянием водорода как восстановительной среды чувствительность термопары градуировки ХА

изменяется в среднем на 10-15 за 100 рабочих часов, что приводит к отклонению температуры 300°С рабочей зоны водородной печи, регулируемой по значению термо- ЭДС, на 30...45°С. Согласно предлагаемому способу определение температуры с по- мощью такой термопары дало следующие результаты.

Температура рабочей зоны водородной печи была установлена равной 300°С потермоЭДС образцоврй термопары градуировки ПП-1. Среднеквадратичное отклонение термоЭДС термопары градуировки ХА при температуре свободных концов термопары в0 60°С, помещенных в термостат, составило после 15-кратных измерений 0,004 мВ, средняя чувствительность, определенная по градуировочной характеристике термопары в диапазоне температур 200....400°С, составила 0,004 (мВ/°С).

Таким образом, отличие определенной по заявляемому способу температуры с помощью термопары градуировки ХА, чувствительность которой в процессе эксплуатации неконтролируемо изменилась, по сравнению с образцовой термопарой градуировки ПП-1 составило всего 0,5°С,

Экономический эффект от внедрения предлагаемого способа состоит в повышении уровня качества изделий, в технологическом процессе изготовления которых содержатся операции термической обработки или заданные тепловые режимы.

0

Формула изобретения Способ определения температуры, включающий нагревание спая термопары термоэлектрического преобразователя пропусканием тока через нее, измерение значений термоэлектродвижущей силы до и после нагрела, измерение температуры свободных концов термопары и вычисление температуры окружающей среды, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, охлаждают спай термопары изменением направления тока через нее и до температуры, при которой изменение измеряемого значения термоэлектродвижущей силы в 10-20 раз больше ее среднеквадратичного отклонения, а температуру окружающей среды вычисляют по математическому выражению

20

0

EI

Е2 - Ез

где во - температура свободных концов термопары;

EI, Ез, Ез - значения термоэлектродвижущей силы соответственно до нагрева, после нагрева и после охлаждения спая термопары;

П - коэффициент Пельтье;

I - ток через спай термопары;

Я - эквивалентная теплопроводность спая термопары с учетом теплообмена с окружающей средой