Способ определения температуры Советский патент 1993 года по МПК G01K7/02 

л :, Изобретение относится к измерению температуры термо-электрйческими метода; ми-и может быть использовано для контроля

: температуры в разлмчнйх технологических процессах, в частности, в полупроводнико; вой,: металлургической;, металлЬ брабатыва-.

, ющёй отраслях промышленности. ; .., , 1 Известен способ измерения температуры, заключающийся в размещении в среде, температуру которой измеряют, термоэлектрического; преобразователя, снабженного

; калибратором с реперным материалом, из. М ерёнйи тёрмО ЗД С .термоэлектрического

преобразователя, нагреве калибратора, оп

:рёделёнйй момента фазового перехода репёрного материала, оценке погрошности

, термоэлектрического преобразователя при

температуре фазового перехода и. определении/ температуры среды с учетом . погрешности термоэлектрического преобразователя., по которому размещают в среде второ.й термоэлектрический преобразователь, идентичный первому, с реперным материалом,: имеющим другую температуру фазового перехода,.дополнительно измеряют разностную термоЭДС термообразователей, определяют погрешность измерения термоэлектрического преобразователя при температуре фазового перехода второго реперного материала, при этом Иоменты фазовых переходов определяют по отклонению разностного значения. термоЭДС преобразователей от нулевого значения, а искомую термпературу среды

ч

ю ( ю

ю

определяют с учетом погрешностей термо- . электрического преобразователя при двух температурах фазового перехода реперных материалов, Л;;/:.-:; . V :i-:;; -;:; .v .. В предлагаемом способе недостатками являются :низкая надежность и наличие погрешности, обусловленной недостаточной Достоверностью идентификации периодов фазовых переходов реперных материалов. Это приводит к расхождению получаемых оценок погрешностей ТЭГК снижению их достоверности иснйжейию точности коррекции погрешности,, в том числе и прогрес- си руюидей погрешности ТЭП.- :,Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является способ определения температуры, з аключа. ющийся в размещении на объекте двух идентичных термозлектринеских. преобра- зователей С калйбраторами, заполненными V реперными материалами с различными тем- пературами фазоеогб перехода, измерении тёрмоЭДС одного из термопреобразовате- дёй, измерении разностной термоЭДС до момента исчезновения нулевой разности, определении начала периода фазового перехода в ре.перном материале каждого из калйбраторов по полярности разностей тер: .. моЭДС калибровке:измерительного канала для определения его погрешности и определения искомой температуры объекта: по измеренному значению тёрмоЭДС с учетом этой погрешности, причем в процессе на- грева тёрмопрербразоватёлей дополни-; те льно осуществляют нагрев их рабочих концов в динам.ическом режиме импульсами постоянного тока, измеряют разность приращений выходных сигналов, до дости- женйя ею порогового значения, по которому .судят о начале фазового перехода в репер- ном материале калибратора, Недостатком способа является низкая достоверность идентификации периодов фазовых переходов, снижающая точность способа в.целом. .-.- Цель изобретения.- повышения точности определения температуры.

Преимуществом предложенного способа является более высокая точность измерения и повышенная метрологическая надежность. Высо.кая достоверность распознавания моментов начала и конца процессов фазовых переходов реперных материалов, обеспечиваемая предлагае- . мым методом, дает возможность исключить необходимость использования нагревателя, задающего режим изменения температуры. Это также позволяет использовать реперные материалы с температурами фазового перехода, лежащими вблизи границ диапазона измерения температуры, что

значительно повышает точность оценки погрешности ТЭП, поскольку ее значение оценивается при температурах, близких к измеряемым. . .

Применение способа позволяет снизить затраты на выполнение поверочных ра- бот, повысить Степень их автоматизации и производительность,

Поставленная цель достигается тем, что

известный способ измерения температуры; заключающийся в размещении на объекте в среде, температуру которой измеряют, двух идентичных термоэлектрических преобра1- зователей, снабженных калйбраторами,

заполненными реперными материалами

С .. ;-::: :. -. - ;: -,./,;л ;-.- -;..- -.- /..:.;

различными температурами фазового перехода, измерении термоЭДС одного из термоэлектрических преобрэзователей для

определения начала и конца периодов Протекания фазовых переходов реперных материалов с последующей калибровкой измерительного канала в этом периоде для определения его погрешности и определения искомой температуры объекта с учетом погрешности измерительного канала, дополнен последовательностью операций, заключающихся в .том, что измеряют скорость изменения разностей тёрмоЭДС и при достижении ею заданного порогового значе.ния определяют момент, окончания

фазового:перехода в реперном материале

калибратора; .-. v / : : . :.: На фиг.1 показана структурная схема

устройства, реализующего предложенный

.способ ; на фиг.2 - графики, поясняющие

сущность способа и устройства.

Способ определения температуры конкретно осуществляется следующим способом. В процессе изменения температуры среды объекта измерения непрерывно измеряют значение разностной тёрмоЭДС первого и второго термоэлектрических преобразователей, при этом периодичерки

сравнивают полученное значение с пороговым значением. По результату сравнения определяют моменты начала фазовых Переходов реперных материалов калибратора. Кроме того, определяют первую, произволную разностной термоЭДС по времени, сравнивают полученное значение первой производной с вторым пороговым значением и определяют по результату сравнения моменты начала и окончания фазовых переходов реперных материалов калибратора. Таким образом, идентификация осуществляется по двум признакам. Измеряют значение термоЭДС Ен (Ti) первого термо- электрического преобразователя во время протекания процесса фазовотр перехода

при температуре Ti в первом реперном материале калибратора, запоминают (записывают) измеренное значение термоЭДС. Ен (Ti). измеряют значение термоЭДС Ек (Тг) первого термоэлектрического преобразователя во время протекания процесса фазового перехода при температуре Та во втором реперном материале калибратора, запоминают измеренное значение термоЭДС Ен (Та), определяют значение промежуточной константы К, зависящей от типа используемых термоэлектрических преобразователей, по формуле

(Т2)- EH(Ti)

где ЕН(Т2), EH(TI) номинальное значение термоЭДС первого термоэлектрического преобразователя при температурах Tz и Ti соответственно. Полученное значение промежуточной константы К также запоминают (записывают, заносят в память и пр.). Далее определяют коэффициенты AI, 81 действительной корректирующей функции Етд(Ён) Ai+Bi EH(T), аппроксимирующей номинальную корректирующую функцию ЕгЛЕн ЕнГО-ЕнОО. где Ен(Т), ЕН(Т) - номинальная и измеренная термоЭДС первого термоэлектрического преобразователя при температуре Т, соответственно, по формулам

АНЕнСП) Ен(Т2)-Ен(Т2)-Ен(Т1)/К.

(Т2)-Ен(Т1).

и запоминают полученные коэффициенты Ai, Bi, затем определяют линейную функцию при произвольно выбранных узлах аппроксимации, определяемых точками с координатами Тз. Ен(Тз) и ТА. Ен(, принадлежащими номинальной статической характеристике преобразования первого термоэлектрического преобразователя и определяют номинальную корректирующую функцию

.Е„н(ЕнК„(Ен)-Ен(Т).

Далее определяют коэффициенты А2.В2.С2 действительной корректирующей функции Јлд(Ен)А2+В2 Е„(Т) (Т), аппроксимирующей номинальную корректирующую функцию Елн(Ен), исходя из условия минимального среднеквадратического расхождения, и определяют коэффициенты обобщенной функции для вычисления с учетом погрешности термоэлектрического преобразователя ДЕт и погрешности линейности Л Ел значения термоЭДС по формулам.

A Ai+A2, 6 81+62, .

Для определения искомого значения 5 температуры среды объекта измеряют значение термоЭДС Ен(Т) первого термоэлектрического преобразователя в моменты времени, когда процессы фазового перехода в реперных материалах кэлибрзтора не 0 протекают, определяют скорректированное линейное значение измерительного сигнала первого термоэлектрического преобразователя с учетом его собственной погрешности и погрешности от нелинейности его харак- 5 тёристики преобразования по формуле

ЕСкл(Е„)(Т}+С+Е„2(Т),

запоминают полученное значение Ескл(Ен), 0 определяют искомое значение температуры по формуле

. (Ен),

5 где М - постоянный масштабирующий коэффициент, зависящий от характеристик звеньев измерительного канала.

Введение в предложенный способ новых операций и использование новых эле0 ментов позволяет получить положительный эффект, обеспечиваемый достижением цели изобретения и заключающийся в повыше- : нии точности, достоверности, быстродействия измерения, а также надежности способа

5 и устройства.

В основу предложенного способа положен оригинальный метод формирования и использования для самокалибрования ТЭП двухзначного тестового сиглала с зэданны0 ми параметрами, подаваемого в определенные моменты, времени на входы первого ТЭП. В предложенном способе в качестве образцового тестового сигнала использованы подаваемые на рабочий конец (РК) пер5 вого ТЭП известные и строго постоянные значения температуры фазовых переходов реперных материалов калибратора, в который погружен РК первого ТЭП. В устройстве, реализующем способ, могут быть

0 использованы серийные ТЭП с нелинейной статической характеристикой преобразования, например, ТЭП градуировки ПП-1, микросхемы общего применения и другие серийно выпускаемые элементы и блоки.

5 Реализующее способ устройство для измерения температуры содержит измерительный прибор 1 и два идентичных ТЭП 2,3, рабочий спай первого из которых размещен в калибраторе 4, содержащем реперный маериал 5 с известной температурой фазовоо перехода, причем свободные концы боих ТЭП 2,3 соединены последовательо встречно, причем в устройство дополниельно введены два компаратора 6, 7, два сточника опорного напряжения 8, 9, диференциатор 10, логический элемент НЕ, риггер 10 и индикатор фазового перехода 13, в капибратор первого термоэлектричекого преобразователя 2 введен второй репарны и материал 14 с температурой азового перехода, отличнойгот температуры фазового перехода первого реперного материала, свободные концы первого термоэлектрического преобразователя под ключены к входу измерительного прибора, крайние одноименные свободные концы первого и второго термоэлектрических преобразователей соединены с входом дифференциальным усилителя 16, выход которого подключён к первому входу первого компаратора б и входу дифференциатора 10, выход которого соединен с первым входом второго компаратора 7, Ко вторым входам обоих компараторов б и 7 подключены выходы первого 8 и второго 9 источников опорного напряжения, соответственно. Выход первого компаратора 6-соединен с первым входом триггера 12, выход второго компаратора 7 через логический элемент НЕ 11 соединен с вторым входом триггера /выход которого подключен ко входу и.щикато- ра 13 фазового перехода. Конкретные численные значения основных метрологических характеристик устройства, реали- зующегр способ, зависят от типа используемых в устройстве ТЭП и репер- ных материалов калибраторов, которые выбираются в соответствии с заданными пользователем требованиями к диапазону и точности измерения температуры.

Устройство работает следующим образом.. . . :.. ; : ..

При нагревании объекта измерения РК обоих ТЭП имеют и равную и одинаковую

температуру до тех пор, пока температура объекта не достигает значения, собтветству- ющего температуре фазового перехода первого реперного материала калмбратора. До этого момента времени выходные сигналы обоих идентичных ТЭГ1 равны по абсолютной величине, а при последовательно- встречном включений -противоположны по знаку. Поэтому разностная термоЭДС до момента качала фазового перехода равна или близка нулю. Вследствие неидентичности характеристик первого и второго ТЭП возможны отклонения от нуля разностной термоЭДС, однако они будут достаточно малы по сравнению с абсолютными величинами ЭДС, В момент времени, когда начинается процесс фазового перехода первого реперного. материала калибратора, температура его РК в течении всего процесса фазового перехода будет оставаться постоянной. Значение этой температуры при постоянном давлении в замкнутой полости калибратора известно и строго постоянно.:

0 Соответственно, выходной сигнал первого ТЭП также остается постоянным в течении времени фазового перехода, которое определяется массой реперного материала в прлоспл калибратора, его удельной тепло5 той плавления и общей теплоемкостью измерительного зонда, Поэтому имеется возможность выбора оптимальной продолжительности процессов фазового перехода, достаточной для выполнения измерений,

0 путем изменения массы помещаемого в полость калибратора реперного материала. Сразу после окончания процесса фазового перехода температура первого реперного материал и РК первого ТЭП в течении доета5 точно малого промежутка бремени становится равной температуре объекта измерения. С дальнейшим ростом температуры объекта измерения соответственно изменяется и температура РК обоих ТЭП.

0 Начиная с момента времени, соответствующего началу процесса фазового перехода реперного материала калибратора первого ТЭП, разностная ЭДС начинает отклонятся от нулевого значения, принимая отрица5 тельные значения, поскольку ЭДС первого ТЭП в течение периода времени фазового перехода будет оставаться постоянной, тогда как ЭДС второго ТЭП будет изменятся, Благодаря этому сформируется импульс

0 разностной ЭДС, который является признаком протекания процесса фазового перехода в первом реперном материале калибратора ТЭП. Импульс разностной ЭДС сформируется только в случае протека5 имя процесса фазового перехода, поскольку даже при наличии случайно образованного и процессе изменения температуры объекта измерения участка постоянной в течение некоторого времени температуры выходные

0 сигналы первого w второго ТЭП будут равны и, следовательно, разностная ЭДС будет равна нулю. При достижении температурой объекта измерения значения, соответствующего температуре фазового перехода вто5 рого реперного материала калибратора, в некоторый момент времени разностная ЭДС начнет отклонятся от нулевого уровня и сформируется второй, на этот раз положительный импульс с длительностью, соответствующей длительности протекания

процессов фазового перехода второго ре- перного материала калибратора. По окончании этого процесса значение разностной ЭДС снова вернется к нулю. Длительности импульсов разностной ЭДС находятся в строгом соответствии с длительностью процессов фазовых переходов, которая в свою очередь, определяется массой реперных материалов и другими постоянными факторами. Амплитуда импульсов определяется характером изменения температуры во времени, а полярность определяет однозначно, в каком реперном материале протекает процесс фазового перехода. Эта особенность, а также тот факт, что в случае наличия периода стабильности температуры измерительных зондов импульсы разностной ЭДС не будут сформированы, позволяют уверенно идентифицировать периоды фазовых переходов. При отсутствии протекания фазовых переходов в первом и втором реперном материале калибратора значения выходного сигнала дифференциатора 10 будут постоянными, поскольку разностная ДЭС будет постоянна и близка к нулю. В случае же протекания процесса фазового перехода в любом реперном материале значение выходного сигнала не будет одинаковым для первого .и второго ТЭП, Поэтому приращение разностной тэрмоЭДС, обусловленные замедлением нагрева РК одного из ТЭП, вызовет появление сигнала на выходе дифференциатора. При превышении значением этого сигнала некоторого постоянного предела, заданного и.о.н, 9, можно с высокой достоверностью судить о наличии фазового перехода.

В рабочем режиме идентификация периодов фазовых переходов в устройстве осуществляется, как описано выше, посредством анализа амплитуды и скорости нарастания (спада) импульсов разностной тзрмо ЭДС. Усиленная усилителем 15 разностная тэрмоЭДС обоих ТЭП подается на входы компаратора б и дифференциатора 10 одновременно, вследствие чего на выходах компараторов б, 7 соответственно, формируется сигнал логической единицы лишь в случае выхода значения разностной ЭДС за пределы поля допуска по амплитуде и по крутизне нарастания - спада импульсов. Сигналы компараторов поступают на первые входы триггера 12. Таким образом, элементы 6, 12 реализуют функцию определения периодов времени, в течение которых наличествуют два признака фазового перехода. Сигнал логической единицы на выходе триггера 12 формируется в случае наличия признаков Начала фазового перехода при идентификации их по двум параметрам.

Сброс триггера в ноль происходит по признаку достаточной крутизны заднего фронта импульса в конце фазового перехода, Эти сигналы поступают на ИФП 13 и использу- 5 ются как управляющие. Разделение признаков начала и конца фазовых переходов при их идентификации дает возможность резко повысить достоверность распознавания фа- зоаых переходов, поскольку распознавание

0 осуществляется по двум независимым параметрам. Достоверное определение моментов начала и окончания фазовых переходов дает возможность оптимальным образом, выбрать момент выполнения калибровки

5 на продолжении периода протекания фазового перехода, например, ближе к моменту окончания последнего, что существенно повышает точность калибровки и, соответственно, способа в целом.

0

Технико-экономический эффект, обеспечиваемый применением способа и устройства, определяется, с одной стороны, сокращением затрат времени, материаль5 ных и трудовых затрат на изготовление устройства и поверку ТЭП, что равнозначно повышению производительности этих работ, и - с другой стороны, - повышением точности, достоверности и быстродействия

0 измерения температуры за счет обеспечения возможности точной оценки суммарной погрешности измерительного канала, в том числе и прогрессирующей погрешности ТЭП. Предложенные способ и устройство

5 могут найти применение для измерения температуры и автоматической самопроверки ТЭП без их демонтажа с объекта измерения в технологических процессах, особенно непрерывных, в различных отраслях про0 мышленности. В частности, использование предложенных способа и устройства представляется весьма перспективным для контроля и измерения температуры диффузионных печей на предприятиях полупро5 еодниковой промышленности, где требуется высокая точность измерения температуры при проведении технологических операций диффузии, окисления и эпитаксии в процессе производства интегральных

0 микросхем.;

Точность измерения температуры в этой области применения с настоящее время ограничена, в основном, значительной 5 погрешностью временной нестабильности характеристик преобразования, серийных ТЭП, чем обусловлена необходимость их частой поверки и замены. Применение предложенных способа и устройства в указанной области позволит резко снизить затраты на

выполнение поверочных работ, повысить точность контроля температуры и увеличить

за счет этого процент выхода годных изделий.

Использование: для контроля температуры в различнух технологических процес - сах. Сущность изобретения: на объекте размещают два идентичных термоэлектрических преобразователя с калибраторами, заполненными реперными материалами с различными темп ературами фазового перехода. Затем измеряют разностную термоЭДС термоэлектрических преобразователей для определения начала и конца периода протекания фазового перехода в реперном материале. После проведенных. измерений калибруют измерительный канал с целью определения его погрешности. Дополнительно измеряют скорость измене-, . ния разной термоЭДС и при достижении его заданного порогового значения определя- . момент окончания фазового перехода в реперном материале калибратора. Искомую температуру объекта определяют по измеренному значению термоЭДС одного из термопреобразо.вэтелей с учетом погрешности измерительного канала. 2 ил. ел С

Формула изобретения Способ определения температуры, заключающийся в размещении на объекте двух идентичных термоэлектрических преобразователей с калибраторами, заполненными реперными материалами с различными температурами фазового перехода, измерении тэрмоЭДС Ei(t) одногоиз термоэлектрических преобразователей, измерении разностной термоЭДС термоэлектрических преобразователей для определения начала и конца периода протекания фазового перехода в

реперном материале с последующей калибровкой измерительного канала в этом периоде для определения его погрешности и определении искомой температуры объекта по измеренному значению El(t) с учетом погрешности измерительного канала, отличаю щи и с я тем, что. с целью повышения точности определения, дополнительно измеряют скорость изменения разностной термоЭДС и при достижении его заданного порогового значения определяют момент окончания фазового перехода в реперном материале калибратора.

Фиг. f