Способ определения температуры

 

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

союз советских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)з 6 01 К 7/02

° и г»

I»

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) К АВТО РС КО МУ С В ИДЕТЕЛ ЬСТВУ г

1 (21) 4866630/10 (22) 21.06.90 (46) 23.02.93. Бюл. ¹ 7 (71) Отделение научно-технических исследований.и конструкторских. работ "Оникс" и

Московский машиностроительный завгод им. M.,В.Хруничева (72) Ю.В..Поздняков, В;Н. Учанини Ю.М Мирош и В,Р.Фгесенко (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 1182282, кл. 6 01 К 7/02, 1985.

Авхторское свидетельство СССР . M 1737281; кл."УО 01 K 7/02, 1990. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ (57) Использование: для контроля температуры в различных технологических процессах, Сущность изобретения: на объекте размещают два идентйчных термоэлектри, Изобретение относйтся к измерению температуры термоэлектрическими методами.и может быть использовано для контроля

- темйературы в различных технологических процессах, в частности, в полупроводниковой; металлургической, металлобрабатывающей отраслях прохмышлентности.

Йвестенгспособ измерения температуры, заключающигйся в размещении в среде, температургу которой измеряют, термоэлек. трического преобразователя, снабженного ., калибратором с реперным материалом, измернениди термо ЭДС термоэлектрического йРеобразователя, нагреве калибратора, определении момента фазового перехода реперного материала, оценке погрешности термоэлектрического преобразователя при ь,,5Q, 1796919 А1 ческих преобразователя с калибраторами, заполненными реперными материалами с различными температурами фазового перехода. Затем измеряют разностную термоЭДС .термоэлектрических преобразователей .для определения начала и конца йериода протекания фазового перехода в реперном материале, После проведенных измерений калибруют измерительный канал с целью определения его погрешности.

Дополнительно измеряютскорость измене-, ния разной термоЭДС и при достижении его заданного порогового значения определяют момент окончания фазового перехода в реперном материале калибратора. Искомую температуру объекта определяют по измеренному значению термоЭДС одного из термопреобразователей с учетом погрешности измерительного канала. 2 ил, температуре фазового перехода и определении температуры среды с.учетом погрешностй термоэлектрического и реобразователя, по которому размещают в О среде второй термоэлектрический преобразователь, идентичный первому, с греперным материалом,. имеющим другую температуру фазового перехода..допопни- ) ь . тельно измеряют разностную термоЭДС термообразователей, определяют погрешность измерения 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 термпературу среды

1796919 определяют с учетом погрешностей термо- значительно повышает точность оценки по.. электрического преобразователя при двух грешностиТЭП, посколькуеезначениеоце.температурах фазового перехода реперных нивается при температурах, близких к материалов, .. :: .. измеряемым.

В предлагаемом способе недостатками 5 . Применение способа позволяет-сниявляются..низкая надежность и наличие по- зить затраты на выполнение поверочных рагрешности, обусловленной недостаточной бот, повысить степень их автоматизации и достоверностью идейтификации периодов производительность, фазовых переходов реперных материалов. " Поставленная цель достигается тем, что

Это приводит к расхождению получаемых 10 известный способ измерения температуры, оценок погрешностей ТЭП, снижению их заключающийся в размещении на объекте: в достоверности и снижейию точности кор- среде, температуру которой измеряют, двух рекции погрешности, в том числе и прогрес- идентичных термоэлектрических npeo6pa.. сирующей погрешности ТЭП. "зователей, -снабженных калибраторами, Наиболее близким по технической сущ- "5 заполненными реперными матерйалами ности к заявляемому решению является: с способ определения температуры, заключа- различными температурами фазового переющийся в размещении на объекте двух хода, измерении термоЭДС.одного из теридентичных термоэлектрических преобра-. моэлектрических преобразователей для зователей с калибраторами, заполненными 2О определенйя начала и конца периодов про реперными материалами с различными тем- . текания фазовых переходов реперных матепературами фазового перехода, измерении риалов с последующей калибровкой термоЭДС одного из термопреобразовате- - измерительйого канала в этом периоде для лей, измерении разнастной термоЭДС до определения его погрешности и апределемомента исчеэновенйя нулевой разности, 25 ния искомой температуры объекта с учетом определении начала периода фазового пе- . погрешности измерительного канала, дорехода в рейерном материале каждого из полйен последовательностьюопераций, закалибраторов по полярности разностей тер- "ключающихся в том, что измеряют скорость моЭДС калибровке:измерительного канала " изменения разностей термоЭДС и при додля определения его погрешности и oripe- Р стижении ею заданного порогового значеделения искомой температуры объекта по ..ния определяют момент окончания измеренному значению термаЭДС с учетам фазового. перехода в реперном материале этой погрешности, причем в процессе на- калибратора. грева термопреобраэователей дополни- На фиг.1 показана структурная схема тельно осуществляют нагрев их рабочих ЗБ устройства. реализующего предложенный концов в динамической режиме импульса-; на фиг.2 = графики, поясняющие ми постоянного тока, измеряют разность сущность способа и устройства, приращенйй выходных сигналов. до дости- . Способ определения температуры конжения ею йорогового значения, по которому кретно осуществляется следующим спосо. судят о начале фазового перехода в репер- 4О бом. В процессе изменения температуры ном материале калибратора, Недостатком среды объекта измерения непрерывно изспособа является низкая достоверность. меряют значение разностной термоЗДС идентификации периодов фазовых перехо- первого и второго термоэлектрических предов, снижающая точность сйособа в.целом. - образователей, при этом периодически Цель изобретения — повышения точно- 45 сравнивают полученное значение с порогости определениятемпературы, вым значением. По результату сравнения

Преимуществом предложенного спосо- определяют моменты начала фазовых переба является более высокая точность измере- ходов реперных материалов калибратора. ния и повышенная метрологическая Кроме того, определяют первую, производнадежность. Высокая достоверность рас- 50 ную разностной термоЭДС по времени, познавания моментов начала и конца про- сравнивают полученное значение первой цессов фазовых переходов реперных производной с вторым пороговымзначениматериалов, .обеспечиваемая предлагае- ем и определяют по результату сравнения . мым методом, дает вбзможность исключить моменты начала и окончания фазовых перенеобходимость использования нагревате- 55 ходов реперных материалов калибратора. ля, задающего режим изменения темпера- Таким образом, идентификация осуществ-. туры. Это также позволяет испольэовать ляется по двум признакам. Измеряют реперные материалы с температурами фа- значение термоЭДС Е> (Т1) первого термоэового перехода, лежащими вблизи границ электрического преобразователя во время диапазона измерения температуры, что протекания процесса фазового перехода

i 796919

А=А1+А2

В=B1+82, C=C2, 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 калибратора не

10 протекают, определяют скорректированное линейное значение измерительного сигнала первого термоэлектрического преобразователя с учетом его собственной погрешности и погрешности от нелинейности его харак15 теристики преобразования по формуле

K = Ен (T2) — Ен(Т1) запоминают полученное значение Еккл(Ен), 20 определяют искомое значение температуры по формуле

Тн=М*Ескл(Ен), )= и- 25 где М вЂ” постоянный масштабирующий каэфю фициент, зависящий от характеристик и- звеньев измерительного канала. га Введение в предложенный способ нои вых операций и использование новых элеу- 30 ментов позволяет получить положительный эффект, обеспечиваемый достижением цели изобретения и заключающийся в повышении точности, достоверности, быстродействия измерения. а также надежности способа

35 и устройства, В основу предложенного способа положен оригинальный метод формирования и использования для самокалибравания ТЭП двухзначного теставога сигнала с заданны40 ми параметрами, подаваемого в определенные моменты. времени на входы первого

ТЗП. В предложенном способе в качестве образцового тестового сигнала использованы подаваемые на рабочий конец (PK) пер45 вага ТЗП известные и строго постоянные значения температуры фазовых переходов реперных материалов калибратора, в который погру>кен PK первого ТЭП. В устройстве, реализующем способ, могут быть

0 использованы серийные ТЭП с нелинейной статической характеристикой преаб раэавэния, 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 маВ1= К/(Ен(Т2)-Е н(Т 1Ц

Е лн(Е н)=Ел(Е н)-E н(Т), Далее определяют коэффициенты

А2.Â2,Ñ2 действительной карректиоующей 5 фУнкции Елд(ЕН)=А2+В2*Ен(Г)+С2*Е (Т), аппраксимирующей номинальную корректирующую функцию E«(EH), исходя из условия минимального среднеквадратическага расхождения, и определяют коэффициенты абаб- 5 щенной функции для вычисления с учетом погрешности термоэлектрического преобразователя ЬЕт и погрешности линейности Ь Ел значения термоЗДС по формулам при температуре Т1 в первом реперном материале калибратора, запоминают (записывают) измеренное значение термоЭДС. Ен (Т1). измеряют значение термаЭДС Е, (T2) первого термоэлектрического преобразователя во время протекания процесса фазового перехода при температуре Т2 во втором реперном материале калибратора, запоминают измеренное значение термоЭДС Ен (T2), определяют значение промежуточной константы К, зависящей от типа используемых термоэлектрических преобразователей, по формуле

Гдв Ен(Т2), Ен(Т1) — НОМИНаЛЬНОЕ. ЗНаЧЕНИЕ термоЭДС первого термоэлектрического преобразователя при температурах Т2 и Т1 соответственно. Полученное значение промежуточной константы К также запоминают (записывают, заносят в память и пр.). Далее определяют коэффициенты А1, В1 действительной корректирующей функции Етд(Ен

= А1+В1*ЕнЩ, аППрОКСИМИрувщЕй НОМ нальную корректирующую функци

Е н(Ен)=Ен(Т)-Ен(Т), где Ен(Т), Е,(Т} — ном нальная и измеренная термоЭДС перво термоэлектрического преобразователя пр температуре Т, соответственно, по форм лэм

А1=(Ен(Т1) Ен(Т2) — Ен(Т2) Ен(Т1И/К, и запоминают полученные коэффициенты

А1, 81, затем определяют линейную функцию при произвольно выбранных узлах аппроксимации. определяемых точками с

КООрдИНатаМИ Т3. Ен(Т3) И Т4. Ен(Т4), ПрИНадлежэщими номинальной статической характеристике преобразования первого термоэлектрического преобразователя и определяют номинальную корректирующую функцию

Ескл(Ен}=А+В*Ен(Т)+С+Ен (Т) 1796919 териал 5 с известной температурой фазово.. го перехода, причем свободные концы обоих ТЭП 2,3 соединены последовательно встречна, причем в устройство дополнительно введены два компаратора 6, 7, два 5 источника опорного напряжения 8, 9, дифференциатар 10, логический элемент НЕ, триггер 10 и индикатор фазового перехода

13, в калибратор первого термоэлектрического преобразователя 2 введен второй ре- 10 перный материал 14 с температурой фазового перехода, отличнои от температу-. ры фазового перехода первого репернога материала, свободные концы первого термоэлектрического преобразователя под- 15 ключены к входу измерительного прибора, крайние одноименные свободные концы первого и второго термоэлектрических преобразователей соединены с входом диффе- . ренциальным усилителя 15, выход которого 20 подключен к первому входу первого компаратора 6 и входу дифференциатора 10, выход которого соединен с первым входом второго компаратора 7. Ко вторым входам обоих компараторов б и 7 подключены вы- 25 ходы первого 8 и второго 9 источников опорного напряжения, соответственно. Выход первого компаратора 6 соедийен с первым входом триггера 12, выход второго компаратора 7 через логический элемент НЕ 11 ЗО соединен с вторым входом триггера 12, выход которого подключен. ка входу и. дикатора 13 фазового перехода. Конкретные численные значения основных метрологических характерйстик устройства, рейли- 35 зующего способ, зависят от типа используемых в устройстве ТЗП и реперных материалов калибраторов, которые выбираются в соответствии с заданными пользователем требованиями к диапазону и 40 точности измерения температуры.

Устройство работает следующим образом, При нагревании объектз измерения РК обоих ТЭП имеют и равную и одинаковую 45 температуру до тех пор, пока гемпература объекта не достигает значения, соответствующего температуре фазового перехода первого реперного материала калибратора. До этого момента времени выходные сигналы 50 обоих идентичных ТЭП равны по абсолютной величине, а при последовательновстречном включении — противойоложны. по знаку. Поэтому разностная термоЗДС до момента начала фазового перехода равна 55 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, когдз начинается процесс фазового перехода первого реперного. материала калибратора, температура его РК в течении всего процесса фазового перехода будет - оставаться постоянной. Значвние этой температуры при постоянном давлении в замкнутой полости калибратора известно и строго постоянно, Соответственно, выходной сигнал пер- вого ТЭП также остается постоянным в течении времени фазового перехода, которое определяется массой репврного материала в полости калибратора, его удельной теплотой плавления и общей теплаемкостью измерительного зонда, Поэтому имеется возможность выбора оптимальной продолжительности процессов фазового перехода, достаточной для выполнения. измерений, путем изменения массы помещаемого в полость калибрзтора репернаго материала.

Сразу после окончания процесса фазового перехода температура первого реперного материал и РК первого ТЭА в течении достаточно малого промежутка времени становится равной температуре обьектз измерения. С дальнейшим ростом температуры объекта измерения соответственно изменяется и температура РК обоих ТЭП.

Начиная с момента времени, соответствую щего началу процесса фазового перехода реперного материала калибратора первого

ТЭП, разнастная ЭДС начинает отклонятся от нулевого значения. принимая отрицательные 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 разностной ЗДС, который является признаком:протекания процесса фазового перехода в первом рейерном материале калибратора ТЭП. Импульс разностной

ЗДС сформируется толька в случае йротекзния процесса фазового перехода, поскольку даже при наличии случзйно образованного в процессе изменения температуры объекта измерения участка постоянной в течение некоторого времени температуры выходные сигналы первого и второго ТЗП будут равны и, следовательно, разностная ЭДС будет равна нулю. При достижении температурой объекта измерения значения, соответствующего температуре фазового перехода второго реперного материала калибратора, в некоторый момент времени разностнзя

ЭДС начнет отклонятся от нулевога уровня и сформируется второй, на этот раз положительный импульс с длительностью. соответствующей длительности протекания

1796919

10 процессов фазового перехода второго реперного материала калибратора, По окончании этого процесса значение разностной

ЭДС снова вернется к нулю, Длительности импульсов разностной ЭДС находя ся 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 PK 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 тэрмо

ЭДС, Усиленная усилителем 15 разностная тэрмоЭДС обоих ТЭП. подается на входы компаратора 6 и дифференциатора 10 одновременно, вследствие чего на выходах компараторов 6, 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 йачала 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 использу5 ются как управляющие. Разделение признаков начала и конца фазовых переходов при их идентификации дает возможность резко повысить достоверность распознавания фазовых переходов, поскольку распознавание

10 осуществляется по двум независимым параметрам, Достоверное определение моментов начала и окончания фазовых переходов дает возможность оптимальным образом выбрать момент выполнения калибровки на продолжении периода протекания фазового перехода, например, ближе к моменту окончания последнего, что существенно повышает точность калибровки и, соответственно, способа в целом.

Технико-экономический эффект. обеспечиваемый применением способа и устройства, определяется, с одной стороны, сокращением затрат времени, материаль25 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

30 измерения температуры за счет обеспечения возможности точной оценки суммарной погрешности измерительного канала, в TGM ки ТЭП без их демонтажа с обьекта измерения в технологических процессах, особенно непрерывных, s различных отраслях промышленности. В частности, использование

40 предложенных способа и устройства представляется весьма перспективным для контроля и измерейия температуры диффузионных печей на предприятиях полупроводниковой промышленности, где требуется высокая точность измерения температуры при проведении технологических операций диффузии, окисления и эпитаксии в процессе производства интегральных микросхем.

Точность измерения температуры в этой области применения с настоящее время ограничена, в основном, значительной 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 числе и прогрессирующей погрешности

ТЭП; Предложенные способ и устройство

35 могут найти применение для измерения температуры и автоматической самопровер1796919

12 выполнение поверочных работ, повысить за счет этого процент выхода годных издеточность контроля температуры и увеличить лий, Формула изобретения

Способ определения температуры, заключающийся в размещении на обьекте двух идентичных термоэлектрических преобразователей с калибраторами, заполненными реперными материалами с различными температурами фазового перехода, измерении тэрмоЭДС El(t} одного иэ термоэлектрических преобразователей, измерении разностной термоЗДС 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 обьекта по йэмеренному значению El(t) с учетом погрешности измерительного канала, о т л ич а ю шийся 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, . 1796919 Ъ2

Составитель Ю;Поздняков

Техред М.Моргентал Корректор " Ранкович

Редактор Т.Шагова

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

Заказ 644 .Тираж . . Подойсное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открьииям йри ГКНТ СССР

113035. Москва. Ж-35; Раущская наб„4/5