Устройство для измерения разности температур Советский патент 1993 года по МПК G01K7/02 

Изобретение относится к области измерения температур и может быть использовано для повышения точности термоэлектрических дифференциальных измерителей разности температуре вмонтированными в контролируемый обьект первичными измерительными преобразователями, демонтаж которых с целью периодической их поверки с требуемой частотой невозможен из-за трудного доступа к ним и агрессивности окружающей среды.

Целью изобретения является повышение точности измерения путем автоматической коррекции погрешности от неидентичности термоэлектрических преобразователей.

На чертеже представлена структурная схема устройства.

Устройство содержит термоэлектрические преобразователи (ТЭП) 1 и 2, соединенные своими рабочими спаями с рабочими

спаями дополнительных однотипных термоэлектрических преобразователей 3 и 4, резисторы 5 и 6, через которые .свободные выводы ТЭП 1 и 2. включенных встречно, соединены с входами дифференциального усилителя 7, к выходу которого через фильтр 8 нижних частот подключен цифровой милливольтметр 9, а также последовательно со- единенные фильтр 10 верхних частот, усилитель 11 низкой частоты, фазочурстви- тельный выпрямитель 12 и микродвигатель 13 с редуктором 14, который механически соединен с подвижным контактом реохорда 15, включенного между входами дифференциального усилителя 7. Подвижный контакт реохорда электрически соединен с подвижным контактом потенциометра 16, ко- торый включен между одноименными электродами термоэлектрических преобразователей 1 и 2, генератор 17 низких частот, симметричные выходы которого соединены с управляющими входами фазочувствительсо С

00 GJ О

Jo

1СЛ

ного выпрямителя 12 и свободными выводами ТЭП 3 и А, включенных согласно.

Устройство работает следующим образом.

Рабочие спаи ТЭП 1, 2. 3 и 4 соединены механически, например сваркой, и помещены в тепловое поле с температурами Т1 и Т2, разность которых подлежит измерению. При встречном включении ТЭП 1 и ТЭП 2 разностная термоЭДС Аи будет равна:

AU Si(1 + yi)Tr-S2(,

(1)

гдеРр.Рр , Rn , Rn - сопротивления плеч реохорда 15 и потенциометра 16 соответственно.

Тогда на один вход дифференциального усилителя 7 поступает напряжение Ui:

(1+ yi)KiTi.(6)

а на второй вход - напряжение Ua:

Ua S(1 + n)K2T2 .(7)

Использование: термометрия, термоэлектрические дифференциальные измерители разности температур, вмонтированные в контролируемый обьект. Сущности изобретения: устройство содержит четыре термоэлектрических преобразователя, два резистора, дифференциальный усилитель, фильтр нижних частот, цифровой милливольтметр, фильтр верхних частот, усили тель нижней частоты, фазочувствительный выпрямитель, микродвигатель, редуктор, реохоод. потенциометр, генератор низких частот. 1 ил.

где 81 S2 S - нормированная чувствительность ТЭП 1 и 2;

ASiASa°

ул Yi c относительные

погрешности ТЭП 1 и 2, обусловленные технологическим разбросом параметров ТЭП, а также процессами износа и старения, особенно при эксплуатации их в агрессивной среде.

В случае непосредственного измерения разностной термоЭДС и неравенстве погрешностей (yi f-yi) имеем:

AUi SAT+S(xiTi-xzT2)

(2)

При равенстве абсолютных значений температур Тт и Т2 (Tt Т2 Т) возникает погрешность нуля Д1)2:

AU2 S(yi-T2)T,

(3)

которая не позволяет достоверно измерять малые разности температур.

Погрешность нуля (3) трудно учесть или скомпенсировать, так как она зависит от абсолютного уровня сравниваемых температур и степени идентичности ТЭП 1 и ТЭП 2.

В настоящем устройстве термоЭДС ТЭП 1 и ТЭП 2 масштабируются делителями напряжения, образованными резисторами 5, 6, реохордом 15 и потенциометром 16. Если сопротивления резисторов 5 и 6 обозначить соответственно RI и R2, то коэффициенты передач «1 и К2 этих делителей напряжений будут определяться сопротивлениями плеч реохорда в зависимости от положения подвижных контактов реохорда 15 и потенциометра 16:

Ki

4

R1 + Вп + Rp

(4)

К2

RE RT ч-нй +R PI

(5)

На выходе дифференциального усили- 15 теля 7 формируется разностное напряжение АИ)з:

AU3 S(1 + yi)K,Ti - (1 + }АОК2Т2}, (В)

20Если T.i Т2 Т, то погрешность нуля

AUk принимает вид:

ДЩ S(1 +yi)Ki - (1 }) .

(9)

Для автоматической коррекции погрешности измерения от неидентичности ТЭП 1 и ТЭП 2 через ТЭП 3 и ТЭП 4. включенные согласно, пропускают переменный ток от генератора 17 низкой част.оты. Значение частоты to переменного тока выбирают в диапазоне 0,1-10 Гц в зависимости от тепловой инерционности используемых ТЭП.

Если тепловую постоянную времени ТЭП 1,3 и ТЭП 2,4 обозначить через г. то

необходимо при выборе частоты ш соблюдать условие:

40

2я ш

(1 -3)Г

(10)

При выполнении условия (10) за счет эффекта Пельтье в рабочих спаях ТЭП 3 и 4 будет выделяться или поглощаться тепло в зависимости от полярности протекающего тока. Так, в случае протекания через спай полуволны переменного тока в нем выделяется (поглощается) теплота Пельтье Qn

л/й Qn ±Ш / Icosfiffdt.

1/1 о

(11)

где t - амплитуда переменного тока.

В результате этого температура рабо- чих спаев ТЭП 1 и ТЭП 2 будет периодически с частотой переменного тока колебаться относительно температур спаеа TI и Та.

Максимальная температура перегрева (охлаждения) спаев определйется количе ством теплоты Пельтье Qn, коэффициен

гомтеплоотдачи спая ;/и поверхности спая F. При условии, что In/at г, имеем:

л/а)

г ,

J I .cos oitdt

П1

F ltp

(12)

где Jcp - среднее значение переменного тока.

При периодическом изменении поляр ности протекающего тока амплитуда переменной составляющей температуры, с учетом данного соотношения тепловой инерционности спая и фазы переменного тока, будет иметь вид:

AT (w) ЛТтехр{-2 я/(1).т)со&(аЛ ), (13)

где э- фазовый сдвиг периодических изменений температуры относительно фазы переменного тока, вызванный тепловой инерционностью ТЭП.

Из-за встречного включения ТЭП 1 и ТЭП 2 на входы дифференциального усилителя 7 будет воздействовать переменная составляющая термоЭДС, обусловленная только неравенством чувствительностей этих ТЭП. В соответствии с выражениями(8) и (13) имеем:

AUS S(1 + yt)KiTi - (1 + Xz)K2T2} + S(1 + +yi)Ki - (1 + хг)К2 ATmexp(-2 л/ш t) x x cos(wt ) .(14)

Переменная составляющая термоЭДС AU&, усиленная дифференциальным усили- телэм 7, выделяется фильтром 10 верхних частот:

АОб Ку Кф S(1 + yi)Kt - (1 + yz)K2 x х ДТтехр(-2л/й т}софД-#ну)ф) (15)

где Ку и Кф - коэффициент усиления дифференциального усилителя 7 и коэффициент передачи фильтра 10 верхних частот соответственно;

рф - фазовый сдвиг, вносимый фильтром верхних частот.

Переменная составляющая термоЭДС AUe дополнительно усиливается усилителем 11 низкой частоты и выпрямляется фа- зочувствительиым выпрямителем 12,

который управляется непосредственно пе ременным напряжением генератора 17. Выпрямленное напряжение управляет работой микродвигателя 13. который через редуктор 14 изменяет положение подвижного контакта реохорда 15.

Вращение двигателя продолжается до тех пор, пока не выполнится условие:

10

(1 + yi)Ki - (1 р)К2 0 .

(16)

При достижении равенства (16) исчезает переменная составляющая напряжения на выходе дифференциального усилителя 7, и двигатель 13 затормаживается, при этом милливольтметр 9 измеряет постоянную составляющую напряжения

20

AU S (1 + yi)KiTi - (1 + уг)КгТг h S(1 +) i )Ki(Ti - Т2),

(17)

или:

(18)

Из сравнения вьгражений (18) и (8) можно сделать вывод, что погрешность нуля (9) автоматически скорректирована. Действительно, при Ti Та Т выражения (17) и (18) обращаются в нуль при любых значениях погрешностей yi и }Ч ТЭП 1 и ТЭП 2. ;

При изменении знака разности в равенстве (16) из-за случайного характера

процессов износа и старения термоэлектрических преобразователей (yi yz} изменяется фаза переменной составляющей напряжения (15) на 180°. При этом изменяется полярность выпрямленного напряжен:ия на выходе фазочувствительного выпрямителя 12, и микродвигатель 13 изменяет направление вращения. Последнее приводит к перемещению контакта реохорда 15 в новое положение, при котором восстанавливается равенство (16).

Первоначальная установка нуля при Т1 12 (ТЭП 1 и ТЭП 2 перемещаются е одну точку теплового поля) осуществляется перемещением подвижного контакта потенциометра 16.

По сравнению с прототипом погрешность нуля автоматически корректируется при изменениях как чувствительности ТЭП 1 и ТЭП 2, так и изменениях абсолютных

уровней сравниваемых температур. Последнее обусловлено реальной нелинейностью ТЭП, приводящей к зависимости у и }1 от абсолютного уровня температур Tt и Т2.

Формула изобретения

Устройство для измерения разности температур, содержащее соединенные встречно первый и второй термоэлектрические преобразователи с рабочими спаями, резистор и милливольтметр, отличающееся тем. что, с целью повышения точности измерения путем автоматической коррекции погрешности от неидентичности термоэлектрических преобразователей, в него введены дополнительный резистор, потенциометр и реохорд с подвижным контактом, генератор низких частот, третий и четвертый термоэлектрические преобразователи, соединенные согласно, по,следова- тельно подключенные дифференциальный усилитель и фильтр нижних частот, а также последовательно связанные фильтр верхних частот, усилитель низкой частоты, фазочувст- вительный выпрямитель и микродвигатель с редуктором, выход которого механически

0

5

0

связан с подвижным контактом реохорда, первый и второй термоэлектрические преобразователи соединены между собой через потенциометр, электрически подсоединенный подвижным контактом к подвижному контакту реохорда, выходы генератора низкой частоты подключены к управляющим входам фазочувствительного выпрямителя и к свободным выводам третьего и четвертого термоэлектрических преобразователей, соединенных рабочими спаями с рабочими спаями соответственно первого и второго термоэлектрических преобразователей, свободные выводы которых соответственно через резистор и дополнительный резистор связаны с входами дифференциального усилителя, между которыми включен реохорд, при этом выход фильтра нижних частот подключен к входу цифрового милливольтметра, а вход фильтра верхних частот - к выходу дифференциал ь н о го усил ите л я.

в