Способ определения температуры

 

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

(19) (1 I) СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (si)s G 01 К 7/02

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

"сс С с,.ссср с пары. 1 ил. (21) 4835207/10 (22) 08,06,90 (46) 15,07.92, Бюл. ¹ 26 (71) Киевский технологический институт легкой промышленности (72) Ю.А, Скрипник, О.Ю. Скрипник; B,È. Водотовка и А.В, Водотовка (53) 531,36 (088.8) (56) Линевег Ф. Измерение температуры в технике, Справочник, пер. с нем., M.: Металлургия, 1980, с, 115.

Авторское свидетельство СССР

¹ 777475, кл. 6 01 К 7/02, 1980, (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ

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, и. изменя(57) Изобретение относится к способам измерения температуры и может быть использовано для повышения точности термоэлектрических преобразователей, находящихся в условиях длйтельной. эксплуатации под воздействием факторов, дестабилизи рующих 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 термоется 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. с

Известен способ измерения температуры термоэлектрическим термометром, за ключающийся во внесении спая термопары в среду, температуру которой измеряют, и компенсации термозлектродвижущей силы, возникающей на свободных концах термо1747945

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

При компенсационном способе измере- 5 ния искл ючается погрешность изменения сапротивленйя цепи термопары и" непостоянства чувствительности вторичного прибора, Однако погрешность от нестабильности самой термопары и непостоянства темпера- 10 тур ее свободных концов не исключается, что не позволяет обеспечить высокую точность измерения температуры, Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ иэ- 15 мерения температуры, заключающийся во внесении спал термопары в среду, температуру которой измеряют, регистрации значения измеряемой термоэлектродвижущей силы, нагреве спая термопары пропускани- 20 ем тока через термопару, регистрации установившегося значейия термоЭДС и определении отношения зарегистрированных значений термоэлектродвйжущих сил, при этом температуру О определяют по 25 формуле где П вЂ” коэффициент Пельтье;

I — ток, пропускаемый через спай термопары, К - — —. отношение значений зарегист- 35

Ер

Е1 рированных термоэлектродвижущих сил Е1 и Ер до и после нагрева;

А — теплопроводность спая.

Как следует из приведенной формулы, на точность измерения температуры этим 40 способом не влияет чувствительность термопары, а следовательно, и ее нестабильность, Однако исследования способа показали, что лийейная зависимость между измеряемой температурой О и током через 45 спай I нарушается. Это вызвано тем, что кроме теплоты, выделяемой в спае эа счет эффекта Пельтье при протекании тока через . термоэлектроды выделяется и теплота

Джоуля, часть которой поступает на раба- 50 чий спай термопары. И хотя эффект Пельтье для спал термопары является определяющим, результирующий перегрев спая зависит и от теплоты Джоуля, которая пропорциональна квадрату протекающего 55 тока. B результате этого реальная эавиеимость измеряемой температуры Вот тока 1, пропускаемого через .спай термойары, нелинейна. Поэтому при. определении температуры способом-прототипом, например, в диапазоне от 150-400 С возникает значительная методическая погрешность (до 250 C)

Целью изобретения является повышение точности определения температуры по расчетной формуле путем исключения влияния Джоулева тепла, попадающего в спай термопары эа счет теплопроводности термоэлектродов, Поставленная цель достигается тем, что в способ, включающий нагревание спая термопары пропусканием тока через нее, измерение значений термозлектродвижущей 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 термозлектродвижущей силы превысит в 10-20 раз среднеквадратичное значение ее случайных отклонений; вычисление температуры осуществляют по математическому выражению; где Оо — температура свободных концов термопары;

Е1, Е2, Ез — значения термозлектродвижущей силы соответственно до нагрева, после нагрева и после охлаждения спая термопары;

П вЂ” коэффициент Пельтье;

I — ток через спай термопары;

А — эквивалентная теплоп роводность спая термопары, с учетом теплообмена с окружающей средой.

На чертеже представлен вариант схемы термоэлектрического устройства для осуществления предлагаемого способа. устройство с6держит четырехэлектродный 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 размещеннйми в них свободными концами первой 2 и второй

3 пар:удлинительных термоэлектродов, двухканальный ключ 6, двухполюсный переключатель 7, регулируемый источник постоянного напряжения 8 и цифровой милливольтметр 9;

Предлагаемый способ. определения температуры заключается в следующем.

Е = S(01 — 0), (2) откуда

Е1 = St (01 - Оо), (5) Ог =. 01- М (6) Измеряемая температура 01 и термоЭДС, возникающая на свободных концах термопары, связаны нелинейной зависимостью

Е=А(О -О.)+В(о -О.) +С(01-0.), (1) где А, В и С вЂ” коэффициенты уравнения, зависящие от материалов термоэлектродов и технологии изготовления термопары;

Оо — температура свободных концов термопары.

В окрестностях рабочей точки термопары, задаваемой значением температуры

01,прилегающий участок градуировочнай характеристикй(ЛО«01) можно заменить прямой линией (хордой), проходящей через начала градуировочной характеристики (нуль) и рабочу)о точку 01, Зависимость термоЭДС от температуры в окрестностях рабочей точки можно представить линейной зависимостью

h,Е где 5 = - средняя чувствительность термопары, зависящая от измеряемой температуры 01.

Среднюю чувствительность термопары можно определить из соотношения

S(01-Оо)=А(01-Оо)4-В(01-Оо) +

+ С (01 - Оо), (3) $ = А + B (g1 - gp) + С (01 - Оо) . (4) Вначале измеряют значение термоЭДС, соответствующей измеряемой температуре

01 и температуре свободных концов термопары Оо где S1 — средняя чувствительность термопары при разности температур д 0 01-О,.

Затем через спай термопары пропускают постоянный ток l от источника электрического напряжения. За счет эффекта Пельтье в спае и выделения тепла Джоуля в электродах термопары происходит нагрев спая термопары до температуры где АО1-температура перегрева спая относительно контролируемой среды.

Температура перегрева спая опреДеляется суммарной рассеиваемой электрической мощнОстью и теплопроводностью спая

Л О = - — : у-; . (7)

,R. г + П. где R — омическое сой00ротивление термоэлектродов;

К вЂ” коэффициент, учйтйвающий часть тепла Джоуля, нагревающая спай;

П вЂ” коэффициент Пельтье, зависящий от материалов спая;

Л вЂ” эквивалентная теплопроводность спал, учитывающая теплообмен со средой;

1 — сила постоянного тока.

Измеряют установившееся значение термоЭДС Ez

К. . г + П.

82 = S2 (81 + — т В ), (8) где Я2 — средняя чувствительность термопары при разности температур д 0" = gz — Оо

Силу тока l выбирают такой, чтобы возросшее значение термоЭДС превышало раннее измеренное значение Е1 на величину; превышающу)о максимальные случайные изменения термоЭДС

Ez- Е1>а ЛЕ (9) 35 где Ь Е вЂ” среднеквадратичное отклоне2 ние (СКО) термоЭДС; а — коэффициент, зависящий от доверительной вероятности.

При нормальном распределении случайных

40 отклонений термоЗДС от среднего значения при вероятности р=-0.997 максимальное случайное отклонение не может превысить

СКО более чем в 3 раза. Поэтому коэффициент а выбирают в пределах 10-20. При вы45 боре а = 10-20 термоЭДС Е> измеряют практически с той же систематической погрешностью, что и Е1

82 = E> t(10...20) 1ЛЕ, (10)

Далее изменяют направление тока, пропускаемого через спай, Так как эффект Пельтье резерсивный, то при изменении направления тока через спай возникает его

55 охлаждение, и термо-ЭДС уменьшается до значения

Ез = S3 (01 + т Оо), (11) К R l -- П

1747945 где Яз — средняя чувствительность термопары при разности температур дО" =

=Ь о Измеряют установившееся значение термоЭДС Ез.

Поскольку два дополнительно измеренных значений термоЭДС (Ег и Ез) лежат. в окреастностях рабочей точки термопары, задаваемой первоначальным значением термоЭДС Е1,.то правомерно считать, что

S1 = $г - Яз, С учетом последнего определяют относительную разность термоЭДС

Ег — Ез 2 П (12)

Е1 Ц% — д,)

Поскольку температуру определяют по формуле, получаемой из выражения (12), В1 — О,=

Е1 2Л 1 — (12)

Ег — Ез

Из полученного выражения видно, что результат измерения йе зависит от непостоянства чувствительности S термопары к температуре О 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 Е1, Ег и Ез значений 01 = (1+

+y) E1 0г (1+ y) Ег и 03 - (1+ Q E3, где 01, 0ã, 03 — измеряемые значения термо-ЭДС, а y — отйосительная погрешность измерения; Необходимую силу тока 1, входящую в выражение (13) можно определить иэ разности термоЭДС Ег и Ез и рекомендуемого соотношения (10), снижающего случайную составляющую погрешности измерения термоЭДС до допустимого значения, Ез-Е2 — —. (10 ... 20)1 ЬЕ . (14)

Из соотношения (14) минимальное значение тока(10 ...20) (Г, (15) где S — средняя чувствительность термопары при измеряемой температуре 91.

: Предлагаемый способ определения температуры может быть реализован с термопарами раэличйых градуировок, которые в процессе длительной эксплуатации под воздействием контролируемой среды изменяют свою чувствительность, Способ реализуется устройством. изо- браженном на чертеже, в следующей последовательности, Рабочий .спай термопреобраэователя 1 помещен в зону измеряемой температу.ры Â1, а к свободным концам термопреоб- . разователя присоединены две .пары удлинительных термоэлектродов 2 и 3, свободные концы которых помещены в термостаты соответственно 4 и 5. Термостат 4 поддерживает постоянную температуру 0, а тер1 мостат 5 — температуру Оо,близкую к К

15 Вначале ключ 6 размыкают и милливольтметром 9 производят ряд измерений термоЭДС, создаваемой разностью температур — спая 01 и свободных концов

Оо,определяют ее среднеквадратичное отЯл клонение Л Е, а также среднеарифметическое значение Е(/п. Затем по градуировочной характеристике термопары и

25 среднеарифметическому значению ее термоЭДС определяют среднее значение чувствительности S термопары для приближенного значения определяемой температуры 01. Затем по формуле (15) определяют

3п необходимое значение тога, пропускаемого череьспай, которым пользуются в дальнейшем постоянно для всех термопар данной градуировки, работающих в аналогичных условиях. В качестве значения Е1 термоЭДС (5) принимают полученное среднеарифметическое значение выполненного ряда измерений

E1 = Е)/п.

Затем ключ 6 замыкают и регулировкой . напряжения источника 8 через спай термопреобразователя 1 пропускают ток, значение которого соответствует выражению (15).

45 Установившееся значение термоЭДС соответствует измеренной величине Ег (8) и условию (1 О).

Затем переключателем 7 изменяют на. правление тока через спай термопреобра5 зователя 1 и милливольтметром 9 измеряют установившееся значение термоЭДС Ез.

Далее, используя полученные величины

Е1, Еj, Ез определяют по формуле (13) неизвестную2 температуру, Например, при измерении температуры рабочей зоны .водородной печи рекристаллизационного отжига деталей под влияйием водорода как восстановительной. среды чувствительность термопары градуировки ХА

1747945

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

Температура рабочей зоны водородной печи была установлена равной 300 С по термоЭДС образцовой термопары градуировки ПП-1. Среднеквадратичное отклонение термоЭДС термопары градуировки

ХА при температуре свободных концов термопары Оо - 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 (мБ/ 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 повыше нии уровня качества изделий, в технологическом процессе изготовления которых содержатся операции термической обработки или заданные тепловые режимы, Формула изобретения

Способ определейия температуры. включающий нагревание спая термопары термоэлектрического преобразователя про5 пусканием тока через нее, измерение значений теомоэлектродвижущей силы до и после, нагрева, измерение температуры свободных концов термопары и вычисление температуры окружающей среды, о т10 л и ч а ющий ся тем,что, с целью повышения точности, охлаждают спай термопары изменением направления тока через нее и до температуры, при которой изменение измеряемого значения термоэлектродви15 жущей силы в 10-20 раз больше ее среднеквадратичного отклонения, а температуру окружающей среды: вычисляют по математическому выражению

20 е Е1 2П! @ где Oo — .температура свободных концов термопары;

Е1, Е2, Ез — значения термоэлектродвижущей силы соответственно до нагрева, после нагрева и после охлаждения спая термопары;

П вЂ” коэффициент Пельтье; ! — ток через спай термопары;

Я вЂ” эквивалентная теплопроводность спая термопары с учетом теплообмена с окружающей средой.