Способ определения температуры

 

Изобретение относится к термометрии и позволяет повысить точность определения температуры. В среде, температуру которой определяют, размещают два идентичных термоэлектрических преобразователя (ТЭП), снабженных калибраторами, заполненными реперными материалами с различными известными температурами фазового перехода „ После этого нагревают калибраторы посредством монотонного повышения температуры объекта измерения. В процессе нагрева калибраторов одновременно нагревают рабочие концы ТЭП посредством пропускания по ним импульсов постоянного тока. Идентифицируют периоды протекания фазовых переходов в реперных материалах калибраторов как периоды времени, на протяжении которых разность приращений выходных сигналов ТЭП превышает пороговые значения при одновременном выходе за пределы поля допуска разностной термоЭДГ.. Определение шкалой температуры среды осуществляют при отсутствии фазовых переходов в реперных материалах калибраторов. 3 ил. а Ј / с

ÄÄSUÄÄ 1737281 рц С 01 К 7/02

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

А1

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ .ГКНТ СССР

Н ABTOPCKOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4651899/10 (22) 17.02 ° 89 (46) 30 ° 05.92. Бюл. h" 20 (71) Специальное конструкторско-технологическое бюро Физико-механического института им. Г.B.Êàðïåíêî (72) .Ю.В.Поздняков (53) 536. 53(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

h 1182282, кл. С 01 K 7/02, 1983.

2. Авторское свидетельство СССР

М 1281921, кл. G Ol K 7/02, 1985. (54) СПОСОБ ОПРКД 1 ИИ ТКИП РАТУРЫ (57) Изобретение относится к термо метрии и позволяет повысить точность определения температуры. В среде, температуру которой определяют, размещают два идентичных термоэлектрических преобразователя (ТЭП), снабженных калибраторами, заполненными

Изобретение относится к измерению . температуры термоэлектрическими методами и может быть использовано для. контроля темпЕратуры в различных технологических процессах, B частности в полулроводниковой, металлургической, металлообрабатывающей отраслях промышленности.

Известен способ определения,температуры, заключающийся в размещении в среде, температуру которой измеряют,.термоэлектрического преобразователя (ТЭП), снабженного калибратором с реперным материалом, измерении.термоЗДС термоэлектрического пререперными материалами с различными известными температурами фазового перехода . После этого нагревают калибраторы посредством монотонного повышения температуры обьекта измерения.

В процессе нагрева калибраторов одновременно нагревают рабочие концы

ТЭП посредством пропускания по ним импульсов постоянного тока ° Идентифицируют периоды протекания фазовых переходов в реперных материалах калибраторов как периоды времени, на протяжении которых разность приращений выходных сигналов ТЗП превышает пороговые значения при одновременном выходе за пределы поля допуска разностной термоЭДС. Определение шкалой температуры среды осуществляют при отсутствии фазовых переходов в реперных материалах калибраторов. 3 ил. 3 образователя, нвгреве калибратора, определении момента фазового перехода реперного материала, оценке погрешности термоэлектрического преобразователя при температуре фазового перехода и определении температуры среды с учетом погрешности термоэлек-. трического преобразователя, по кото". рому размещают в среде второй термо- электрический преобразователь, идентичный первому, с реперным материалом, имеющим другую температуру фазового перехода; дополнительно измеряют разностную термоЗДС термопреобразователей, определяют погрешность измерения

7281

l0

2О апазону и точности измерения темпе.ратуры.

Устройство для определения температуры содержит два идентичных термоэлектрических преобразователя 1, 2, рабочие концы которых размещены в герметизированных полостях двух калибраторов 3, 4,, заполненных двумя реперными материалами 5, 6 с различными температурами Фазового перехода, при30 чем первые выводы термоэлектрических преобразователей 1, 2 соединены между собой, два компаратора 7, 8, постоянное запоминающее устройство

{ПЗУ) 9, блок цифровой индикации 10, два управляемых коммутатора l1, 12, аналого-цифровой преобразователь .,(АЦП) 3, причем в устройство дополнительно введены три дифференциальных усилителя 14-16, три источника 17«19 постоянного напряжения, третий управляемый коммутатор 20, два логических элемента И 21, 22, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 23, пульт 24 управления, порт 25 ввода, 4 . цифропечатающее устройство 26 и мик ропроцессор 27. При этом объединенные

173 термоэлектрического преобразователя при температуре фазового перехода второго реперного материала, при этом моменты фазовых. переходов определяют по отклонению разностного значения термоЭДС преобразователей от нулевого значения, а искомую температуру среды определяют с учетом погрешностей термоэлектрического преобразователя при двух температурах фазового перехода реперных материалов j1j .

Недостатком известного способа является-наличие погрешности, обусловленной недостаточной достоверностью идентификации периодов фазовых пере-. ходов реперных материалов. Это приводит к расхождению получаемых оценок погрешностей ТЗП, снижению их достоверности и снижению точности коррекции погрешности, s том числе и прогрессирующей погрешности ТЭП.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявленному является способ определения температуры, заключающийся в размещении на объекте двух идентичных термопреобразователей с калибраторами, заполненными реперными материалами с различными температурами фазового перехода, измерении термоЭДС одного из термопреобразователей, измерении разностной термоЗДС термопреобразователей до момента исчезновения нулевой фазы, определении начала фазового перехода в реперном материале каждого -из калибраторов по полярности разностной термоЗДС, калибровке измерительного канала для определения погрешности последнего и определении искомой температуры объекта по- измеренному значению с учетом погрешности измерительного канала (21.

Недостатком способа является низкая точность определения температуры.

Цель изобретения - повышение точности определения температуры.

На Фиг. 1 показана структурная схема уст ройст ва, реалиэующе го с по- ур соб; на фиг. 2 - блок-схема алгоритма, по .которому работает устройство; на фиг. 3 - блок-схема алгоритма подпрограммы "Идентификация".

В основу способа положен метод формирования и использования для самокалибрования ТЭП тестового сигнала с заданными параметрами, подава емого в определенные моменты време» ни на входы первого и второго ТЭП. В предложенном способе в качестве образцового тестового сигнала использованы подаваемые на рабочие концы (РК) ТЭП известные и строго постоян. ные значения температуры фазовых переходов реперных материалов калибраторов, в которые погружены PK обоих ТЭП.

Конкретные численные значения основных метрологических характеристик устройства, реализующего способ, зависят в первую очередь, от типа используемых в устройстве термоэлектрических преобразователей и репер-, ных материалов калибраторов, которые выбираются в соответствии с заданными пользователем требованиями к дипервые выводы термоэлектрических преобразователей 1, 2 соединены с первыми выходами первого источника 17 постоянного напряжения, первого 14 и второго 15 дифференциальных усилителей и аналого-цифрового преобразователя 13, вторые выВоды термоэлектрических преобразователей 1, 2 соединены с входами первого 11 и второго

12 управляемых коммутаторов, а также с первым и вторым входами третьего дифференциального усилителя 16 соответственно, второй выход первого

1 источника 17 постоянного напряжения подключен к объединенным первым выходам первого 11 и второго 12 управляемых коммутаторов, вторые выходы которых подключены соответственно к входам первого 14 и второго 15 дифференциальных усилителей, выходы которых соединены с первым и вторым выходами третьего управляемого коммутатора 20, вход которого подключен к второму входу аналого- цифрового преобразователя 13, выход третьего дифференциального усилителя 16 соединен с объединенными первыми входами первого 7 и второго 8 компараторов, вторые входы которых соединены соответственно с выходами второго 18 и третьего 19 источников постоянного напряжения, а выходы - с первыми входами первого 21 и второго 22 логических элементов И, выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам порта 25 ввода, третий вход которого соединен с выходом пульта 24 управления, причем соответствующие выходы шины управления соединены с оперативным 23 и постоянным 9 запоминающими устройствами, пультом 24 управления, портом 25 ввода, блоком 10 цифровой индикации, цифропечатающим устройством 26, микропроцессором 27, управляющими входа ми первого 11, второго 12 и третьего 20 управляемых коммутаторов, входом запуска аналого-цифрового преобразователя 13, соответствующие выходы шины адреса соединены с оперативным

23 и постоянным 9 запоминающими устройствами,. микропроцессором 27, соответствующие выходы шины данных соединены с оперативным 23 и постоянным

9 запоминающими устройствами, портом

25 ввода, блоком,10 цифровой индикации, цифропечатающим устройством 26, микропроцессором 27, вторыми входами первого 21 и второго 22 логичес ких элементов И, выходом аналого-цифрового преобразователя 13.

Способ определения температуры реализуется следующим образом.

При нагревании объекта измерения

PK обоих ТЭП имеют равную и одинаковую температуру до тех пор, пока температура объекта не достигнет значения, соответствующего температуре фазового перехода реперного материала первого калибратора. До этого момента времени выходные сигналы обо73728! 6 их идентичных ТЭП равны по абсолютной величине, а при последовательно-встречном включении - противоположны по знаку. Поэтому разностная термоЭДС до момента начала фазового перехода равна или близка к нулю.

Вследствие неидентичности характеристик преобразования первого и второ10 го 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 реперного материала первого калибратора, температура его РК в течение всего процесса фазового перехода будет оставаться постоянной. Значение этой

20 температуры при постоянном давлеиии в замкнутой полости калибратора известно и строго постоянно. Соответственно, выходной сигнал первого ТЭП также остается постоянным в течение

25 времени фазового перехода, определя-, ется массой реперного материала в полости калибратора, его удельной теплотой плавления и общей теплоемкостью измерительного зонда. Поэтому имеется возможность выбора оптимальной продолжительности процессов фазового перехода, достаточной для выполнения измерений путем изменения массы помещаемого в полость калибратора реперного материала.

35 I

После окончания процесса фазового перехода температура реперного материала и PK первого ТЭП в течение достаточно малого промежутка време4О ни становится равной температуре объекта измерения. C дальнейшим ростом температуры объекта измерения соответ ственно изменяется и температура

PK обоих ТЭП. Начиная с момента вре<> мени, соответствующего началу процесса фазового перехода реперного материала калибратора первого ТЭП, разностная ЭДС начинает отклоняться от нулевого значения, принимая отрица5О тельные значения, поскольку ЭДС первого ТЭП в течение периода времени фазового перехода будет оставаться постоянной, тогда как ЭДС второго .

ТЭП будет изменяться. Благодаря этому сформируется импульс разностной ЭДС, который является признаком протекания процесса фазового перехда в ре-, перном материале калибратора первого

ТЭП. Импульс разностной ЭДС сформиру7

173 ется только в случае протекания про- цесса фазового перехода, поскольку даже при наличии случайно образованного в процессе изменения температуры объекта измерения участка постоянной в течение некоторого времени температуры выходные сигналы первого и второго ТЭП будут равны и, следовательно, разностная ЭДС будет равна нулю. При достижении температурой объекта измерения значения, соответствующего температуре фазового пере хода реперного материала второго калибратора, в некоторый момент времени разностная ЗДС начнет отклоняться от нулевого уровня и сформируется второй, на этот раз положительный импульс с длительностью, соответствующей длительности протекания процессов фаэового перехода реперного материала второго калибратора ° По окончании этого процесса значение разностной ЗДС снова вернется к нулю.

Таким образом, 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 из двух реперных материалов 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 идентифицировать периоды фазовых пере-. ходов в квазистатическом режиме (при . сравнительно медленном изменении температуры квалибраторов).

Идентификация периодов фазовых переходов в динамическом режиме (при скачкообразном изменении температуры калибраторов) позволяет существенно повысить достоверность распознавания фазовых переходов. Идентификация их в двух режимах - квазистатическом и динамическом - и по двум независимым параметрам (разностная термоЭДС и разность приращений .выходных сигналов ТЭП) дает возможность повысить достоверность иденти° фикации фазовых переходов, точность и метрологическую надежность метода

7281 и тем самым обеспечить достижение це ли изобретения. При этом подсистемы идентификации в квазистатическом и динамическом режимах работают одновременно и независимо.

В динамическом режиме источник 17 кратковременно подключается через, управляемые коммутаторы 11 и 12 к параллельно соединенным ТЭП 1 и 2.

При этом через каждый из ТЭП протекают импульсы постоянного тока, вызывающие нагрев PK обоих ТЭП в результате проявления обратимого термоэлектрического эффекта Пельтье. В случае, если температуры обоих реперных материалов одинаковы (фазовые переходы не протекают), дополнительный нагрев PK ТЭП, вызванный выдеl0

15 лением в них тепла вследствие протекания тока, будет одинаковым для обоих ТЭП. Соответственно одинаковыми будут и приращения выходных сигналов

ТЭП, вызванные этим нагревом. В случае же протекания процесса фазового перехода в реперном материале одного из калибраторов дополнительный нагрев РК ТЗП импульсами тока не бу дет одинаковым для первого и второго

30 ТЭП, поскольку состояние термодина" ... мического равновесия системы реперный материал — PK ТЭП будет иметь место лишь в одном из двух калибраторов. Поэтому приращения выходных сиг.налов ТЭП, обусловленные дополнительным нагревом PK ТЭП импульсами тока, будут неодинаковы. При превышении разностью этих приращений некоторого постоянного предела можно с высокой

40 достоверностью судить о наличии фазового перехода.

Указанная выше последовательность операций реализуется при выполнении подпрограммы "Идентификация", которая реализует процесс идентификации процессов фазового перехода в динамическом режиме.

В квазистатическом режиме идентйфикация периодов фазовых переходов щ0 осуществляется,, как описано выше, посредством анализа амплитуды и полярности импульсов разностной термоЭДС. Усиленная усилителем 16 разностная термоЭДС обоих ТЭП подается на первые входы компараторов 7, 8, на вторые входы которых подаются пороговые напряжения от источников 18, 19. На выходах компараторов 7, 8, соответственно, формируется сигнал

9 1 логйческой "1" в случае выхода зна-. чения разностной ЭДС за пределы поля допуска. Выходные сигналы компараторов поступают на первые входы логичес ких элементов И 21, 22, на вторые входы которых по шине данных поступают с выхода АЦП 13 через шину данных сигналы логической "1" в случае идентификации периодов .соответствен— но второго и первого фазовых переходов в динамическом режиме. Таким образом, логические элементы И 21, 22 реализуют функцию определения периодов времени, в течение которых наличествуют признаки фазового перехода в обоих подсистемах идентификации, в квазистатическом и динамическом режимах. Сигнал логической "1" на выходах элементов И 21, 22 формируется в случае одновременного наличия признаков фазового перехода при иденти1 фикации их по двум параметрам; Эти сигналы поступают на входы порта 25 ввода и используются как управляющие в.микропроцессорной системе.

Совмещение во времени режимов идентификации дает возможность резко повысить достоверность распознавания фазовых переходов, поскольку последняя осуществляется по двум со-. вершенно независимым параметрам.

При переключении коммутаторов 11, 12 в положение "2" выходные сигналы

ТЭП 1, 2 через усилители 14, 15 и коммутатор 20 подаются попеременно . на вход АЦП 13. При этом коммутатор

20 работает как распределитель по управляющим сигналам, поступающим с соответствующего входа шины управления. Коды с выхода АЦП 13, соответствующие уровням выходных сигналов ТЭП, поступают через шину данных в микропроцессор 27, где обрабатываются по . алгоритму, реализующему заявленный способ измерения ° Результат сравнения разности приращений с хранимой в ПЗУ

9 фиксированной постоянной и определяет признак наличия фазового перехода. Вычисление приращений, их разности, сравнение ее с фиксированной постоянной осуществляется программным путем при помощи микропроцессора 27 в соответствии с алгоритмом способа.

Знак разности приращений, также выявляемый в процессе обработки, является признаком, определяющим, в калибраторе какого из двух ТЭП протекает процесс фазового перехода. Последова737281 10 тельность работы узлов и блоков устройства ясна из блок-схемы алгоритма (см. Фиг. 2) его работы.

Обеспечиваемая предлагаемым мето 5 дом высокая достоверность распознавания моментов начала и конца процессов фазовых переходов реперных материалов дает возможность исключить необходимость использования нагревателя, задающего режим изменения температуры, Целесообразность 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 измеряе2О мым.

При первичном включении устройства оно работает в режиме калибровки; при. этом системой формируется последовательность команд управления, по25 ступающих по шине управления ко всем подключенным к ней устройствам в установленной алгоритмом работы устройства последовательности. Последовательность выполнения управляющих команд и, соответственно последова. тельность работы отдельных блоков и узлов устройства определяется алгоритмом работы устройства, реализующим предложенный способ измерения.

Алгоритм предусматривает ожидание начала периода фазового перехода, идентификацию периодов фазовых переходов по двум независимым параметрам, выполнение операции сквозной самокалибровки всего измерительного канала, получение двух оценок погрешности измерительного канала, ожидание окончания периода фазового перехода реперного материала, вычисление коэффициентов поправочной функции и их запоминание, переход устройства в режим измерения, вычисление скорректированного значения измерительного сигнала, его индикацию и вывод на цифропечать. Алгоритм работы устройства (см. Фиг. 2) реализует предложенный способ измерения температуры.

Повышение достоверности оценок погрешности ТЭП, обеспечиваемое способом, дает возможность резко увеличить межповерочный интервал серийных ТЭП, применяемых в различных областях промышленности. Наряду с этим использование способа обеспечивает значи1737281

12 тельное повышение быстродействия, а также сокращение объема поверочных работ при гарантированной высокой точности измерения и позволяет в ряде случаев вообще отказаться от выполнения. периодических поверок ТЭП, поскольку поверка (самокалибрование)

ТЭП по предложенному. способу может осуществляться непосредственно на объекте измерения в процессе эксплуатации ТЭП без их демонтажа, что дает возможность значительно повысить степень автоматизации поверочных работ.

Использование в способе более точных формул для определения поправочной функции дает возможность снизить остаточную погрешность измерения.

Использование способа представляется весьма перспективным для контроля и измерения температуры диффузионных печей на предприятиях полупроводниковой промышленности, где требуется высокая точность измерения температуры при проведении технологических операций диффузии, окисления и эпитаксии в процессе производства ийтегральных микросхем и полупроводниковых приборов.

Ф о р м у л а . и з оЬ р е т е н и я

Способ определения температуры, заключающийся в размещении на объекте двух идентичных термоэлектрических преобразователей с калибраторами, заполненными реперными материалами с различными температурами фазового перехода, измерении термоЭДС Е (Т) одного из термоэлектрических преобразователей, измерении разностной термоЭДС термоэлектрических преобразова1О телей до момента исчезновения нулевой разности, определении начала периода фазового перехода в реперном материале каждого из калибраторов по полярности разностной термоЭДС, калибровке измерительного канала для определения погрешности последнего и определении искомой температуры объекта по измеренному значению E (T) с учетом погрешности измерительного канала, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения, в процессе нагрева термоэлектрических преобразователей теплом объекта контроля осуществляют нагрев их рабочих концов в динамическом режиме импульсами постоянного тока, измеряют разность приращений выходных сигналов термоэлектрических преобра-: зователей до,достижения превышения

30 ею заданного порогового значения., по которому судят о начале фазового пе" рехода в реперном материале калибра- торов.

1737281

1737281

Остама6 (пре рыбное) Br . П аала

Фл1"

УК /1 — а аи.2 (Е на й. 914) УК20- лОЛ 1

Е на ба4МП)

ДУпУСК АЦП Иди.5у (Щ

Перюылка

Када бц505У23

Яалускюадпр. иденаид" бьял. яадлО

«©О

Af

Elg=/

Осана Я (прерь! Юаюб

8KJl та ла

«enz»

Ук 1Я- алаи.2 (Е2 а7 Юх. У/5) УК 20-Юйаи.2 (ер на дх. Айй) даПУСК Даа

ЕИЗК Еи(Ту)3 черевика капа ЕиРа) 8 033

Запуск и пр. . Фдгнтиа.

ОСПИНО 2 (преры5цнае) дым. mudiru

«4602"

Чвюнт ПЗУ9

Каа Eí

Фоение ГУУН кМы4ЩЯи(1и) 8ииаслить f» избр. 4,С

Записе 8 ИУ кадаР A,С аыкл. mu ла ,Рея. катбр. дкл. таала ,Рж изв" яалугтию

d<=1 u>=1

УК И, Q 8юыЯ

УК20- поиЛ

Е на Юх. У(4

УК20- Уаю2

Е2И &. ИХ

Запуск 4ЮПО

ИЯК Ефу (Т) Чтное 03У23 кааы A,g джиислиюь

Кад Еск(Ц

Зались ИУ

Я 0 Egg

Вичиаюиаь

Аад Ти

Ин интим

Tg ИИО

1 727281

Составитель В.Ярыч

Техред А.Кравчук

Редактор Т.Лошкарева

Корректор С.Шекмар., Заказ 1884 .Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета но изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Иосква, Ж-35, Раушская наб., д.. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, .ул. Гагарина, 101