Способ измерения температуры веществ при фазовых переходах

Изобретение относится к термометрии и может быть использовано для измерения температуры веществ при фазовых переходах. Сущность: способ предусматривает использование датчиков температуры с преобразованием электрического сигнала, идентификацию вида фазового перехода. При этом электрический сигнал датчика температуры корректируют на величину электрического сигнала, генерируемого фазовым переходом вещества. Причем корректирующий электрический сигнал получают с помощью дополнительного зонда. Технический результат: повышение точности измерений. 3 з.п. ф-лы, 9 ил.

 

Изобретение относится к области термометрии и может быть использовано во всех областях промышленности в процессах обработки веществ с фазовыми переходами первого и второго рода, требующих или предусматривающих измерения температуры с помощью электрических датчиков.

Известно три типа электрических датчиков: полупроводниковые термометры, термоэлектрические термометры и термометры сопротивления.

Полупроводниковые термометры сопротивления (термисторы) [1] используют для измерения температуры с допустимой погрешностью ±0,1%. Преимущества термисторов состоит в том, что они имеют примерно на порядок более высокий температурный коэффициент, чем металлы. Недостатки термисторов - их нестабильность, которая заключается в невоиспроизводимости значений сопротивлений при одной температуре и неодинаковым сопротивлением термистора с течением времени.

Термоэлектрические термометры (термопары) [1] представляют собой измерительные устройства, состоящие из термоэлектрических преобразователей температуры, электроизмерительных приборов и проводов, соединяющих их между собой в единое целое. Датчик термопары состоит из двух соединенных между собой разнородных электропроводящих элементов (обычно металлических проводников или полупроводников). Действие термопары основано на эффекте Зеебека. Если контакты (обычно спаи) проводящих элементов, образующих термопару (их называют термоэлектродами), находятся при разных температурах, то в цепи термопары возникает термоЭДС, величина которой однозначно определяется температурой горячего и холодного контактов и природой материалов, примененных в качестве термоэлектродов. ЭДС термопары из металлических проводников обычно лежит в пределах 5-60 мкВ/К. ЭДС термопар из полупроводников может быть на порядок выше. Точность определения температуры с помощью термопар составляет, как правило, несколько градусов К, а у некоторых термопар достигает 0,01 К. В сочетании с электроизмерительными приборами (милливольтметром, потенциометром и др.) термопара образует термоэлектрический термометр. Преимущества термоэлектрических термометров заключаются в их широком применении во всех отраслях промышленности практически во всем диапазоне измеряемых температур. Недостатком термопар является необходимость использования термокомпенсационных проводов для снижения погрешности измерения, что удорожает систему, усложняет ее монтаж и эксплуатацию.

Термометры сопротивления [2] представляют собой измерительные устройства, состоящие из термопреобразователей сопротивления, электроизмерительных приборов и проводов, соединяющих их между собой в единое целое. Измерение температуры с помощью термопреобразователей сопротивления основано на использовании зависимости электрического сопротивления чувствительного элемента от температуры. Термометры сопротивления широко применяются во всех отраслях промышленности для измерения температуры в достаточно широком диапазоне (от -270 до +650°С).

При измерении температуры веществ в промышленности и в научных исследованиях используют все три типа электрических датчиков. Однако все они имеют общий недостаток: существенную погрешность при измерении температуры веществ в процессах с фазовыми переходами первого или второго рода.

Известно, что значение температуры, давления или какой-либо другой физической величины, при которой происходит фазовый переход, называют точкой перехода. Различают фазовые переходы двух родов. При фазовом переходе первого рода скачком меняются такие характеристики вещества, как плотность, концентрация компонентов, в единице массы выделяется или поглощается вполне определенное количество теплоты, называемое теплотой фазового перехода. При фазовом переходе второго рода некоторая физическая величина, равная нулю с одной стороны от точки перехода, постепенно растет при удалении от точки перехода в другую сторону, при этом плотность изменяется непрерывно, теплота не выделяется и не поглощается. Фазовый переход первого рода - широко распространенное в природе явление. К нему относятся: испарение и конденсация, плавление и затвердевание, сублимация и конденсация в твердую фазу, некоторые структурные переходы в твердых телах, например образование мартенсита в сплаве железо-углерод [3].

Известно, что температура является неэлектрической величиной, при измерении которой с помощью унифицированных электрических сигналов одной из наиболее важных задач является обеспечение удобства при измерениях, обработке и представлении информации. Решению этих задач способствуют промежуточные преобразователи, представляющие собой электрические схемы, в которые включают датчики. Подавляющее большинство первичных преобразователей характеризуются низким уровнем выходных сигналов. С целью повышений уровня сигнала до величины, достаточной для нормального функционирования прибора индикации, применяют масштабные промежуточные преобразователи-усилители.

Нами установлено, до настоящего времени во всех научно-исследовательских работах и в промышленных условиях при измерении температуры веществ в процессах с фазовыми переходами первого рода с помощью всех трех типов электрических преобразователей [1] фиксируют недостоверную информацию. Величина погрешности при этом зависит от величины электрических импульсов, генерируемых в веществе при фазовом переходе первого рода одного или нескольких компонентов, входящих в состав вещества. Эти импульсы суммируются с сигналами электрических преобразователей температуры, и полученный таким образом интегральный сигнал усиливается в промежуточном преобразователе и в таком виде поступает на индикатор прибора. В конечном итоге мы получаем недостоверную информацию о температуре вещества, хотя датчики и приборы будут соответствовать эталонным требованиям метрологии.

Базовой основой изобретения является новый эффект, обнаруженный В.В.Илюхиным с помощью устройства [4], оснащенного осциллографом с памятью и высокой разрешающей способностью. Сущность обнаруженного эффекта заключается в том, что экспериментальным путем установлено неизвестное ранее явление генерирования и синхронизации униполярных электрических импульсов веществами при фазовых переходах первого рода и отсутствия генерирования электрических импульсов при фазовых переходах второго рода, состоящее в том, что дискретные частицы веществ (молекулы или группы молекул), которые могут свободно относительно друг друга осуществлять фазовый переход, взаимодействуют посредством сколь угодно малых сил, зависящих от их взаимного расположения, обнаруживают тенденцию к генерированию униполярных электрических импульсов в виде гармонических колебаний с одинаковыми амплитудами, частотами и скважностью.

За прототип принимают способ измерения температуры веществ, основанный на термопаре. Недостатком термопар является необходимость использования термокомпенсационных проводов для снижения погрешности измерения, что удорожает систему, усложняет ее монтаж и эксплуатацию.

Задача изобретения направлена на создание способа, позволяющего осуществлять достоверное измерение температуры веществ при фазовых переходах с учетом нового электронного эффекта, обнаруженного В.В.Илюхиным.

Поставленная задача достигается тем, что в способе измерения температуры веществ при фазовых переходах согласно изобретению термоэлектрический сигнал датчика температуры корректируют на величину электрического сигнала, генерируемого фазовым переходом вещества, причем корректирующий сигнал получают с помощью дополнительного зонда.

Целесообразно осуществлять индикацию и идентификацию в веществах фазового перехода первого или второго рода.

Целесообразно для веществ при фазовом переходе первого рода в процессах испарения, плавления и сублимации веществ преобразуемый термоэлектрический сигал уменьшать на величину сигнала, генерируемого непосредственно фазовым переходом первого рода.

Целесообразно для веществ при фазовом переходе первого рода в процессах конденсации, кристаллизации и десублимации веществ преобразуемый термоэлектрический сигнал увеличивать на величину сигнала, генерируемого непосредственно фазовым переходом первого рода.

Целесообразно коррекцию термоэлектрического сигнала термодатчика с помощью дополнительного зонда и идентификацию вида фазового перехода осуществлять в автоматическом режиме.

Признаки, отличающие предлагаемый способ от прототипа, заключаются в регистрации с помощью зонда дополнительного электрического сигнала, генерируемого непосредственно фазовым переходом, и коррекцией этим сигналом термоэлектрического сигнала, генерируемого термоэлектрическим датчиком, косвенно регистрирующим теплоту фазового перехода.

Предлагаемый способ иллюстрируется чертежом и графиками, представленными на фиг.1-9.

На фиг.1 представлено устройство для компьютерной термометрии с использованием виртуального осциллографа с памятью.

На фиг.2 - представлена осциллограмма сигналов, генерируемых при фазовом переходе первого рода, полученная зондом при замораживании воды без участия электрического сигнала от термопары.

На фиг.3 представлена интегральная осциллограмма сигналов, полученная в результате суммирования сигнала, генерируемого при фазовом переходе первого рода, и сигнала, полученного от термопары при замораживании воды (способ по прототипу).

На фиг.4 представлен график, построенный путем вычитания усредненных значений осциллограмм, представленных на фиг.1 и фиг.2

На фиг.5 представлена осциллограмма сигналов, генерируемых при фазовом переходе первого рода, полученная зондом при оттаивании льда без участия электрического сигнала от термопары.

На фиг.6 представлена интегральная осциллограмма сигналов, полученная в результате суммирования сигнала, генерируемого при фазовом переходе первого рода, и сигнала, полученного от термопары при оттаивании льда.

На фиг.7 представлен график, построенный путем вычитания усредненных значений осциллограмм, представленных на фиг.5 и фиг.6

На фиг.8 представлена осциллограмма сигнала, генерируемого при фазовом переходе второго рода, полученная при замораживании аморфного вещества (жировой ткани).

На фиг.9 представлена осциллограмма сигнала, генерируемого при фазовом переходе второго рода, полученная при оттаивании аморфного вещества (жировой ткани)

Способ осуществляют с помощью устройства, содержащего образец вещества в диэлектрической емкости 1, например, воды, установленной в холодильной камере 2. На образце 1 зафиксирован зонд 3 и датчик температуры - термопара 4. В сосуде Дьюара 5 расположена термопара 6, погруженная в раствор 7 воды со льдом (термостатированная и предназначенная для сравнительного измерения температуры с термопарой 4). Зонд 3, термопары 4 и 6 соединены с помощью проводов 8 с соответствующими контактами блок-переходника 9, который последовательно подключен к универсальной плате сбора и контроля ввода/вывода цифровой и аналоговой информации 10, расположенной внутри системного блока 11 компьютера типа 1BM PC с монитором 12 и принтером 13. Элементы 8, 9 устройства подсоединены к заземлению 14. Зонд 3 выполнен в виде медной пластины, к которой припаян экранированный провод. Датчик 4 температуры, выполненный в виде сварной хромель-копелевой термопары в экранированной оплетке, подключен к блок-переходнику 9.

Способ измерения температуры веществ при фазовых переходах осуществляют следующим образом. В процессе замораживания происходит фазовый переход первого рода воды в лед, т.е. кристаллизация, и на зонд 3 поступают электрические сигналы, генерируемые в процессе фазового перехода. Эти импульсы по проводу передаются на блок-переходник 9, затем на универсальную плату 10, в результате чего обрабатываются программой и отображаются на мониторе 12, а затем выводятся на принтер 13 (фиг.2).

Термопара 4 при замораживании будет фиксировать интегральный сигнал от двух источников: первый от температуры за счет эффекта Зеебека и второй от эффекта фазового перехода. Этот интегральный сигнал поступает по проводам 8 в блок-переходник 9, затем на универсальную плату 10, в результате чего обрабатывается программой и отображается на мониторе 12, а затем выводится на принтер 13 (фиг.3).

Анализ графика фиг.3, позволяет сделать вывод о том, что на нем представлена интегральная импульсная модуляция, полученная в результате сложения сигналов, полученных от зонда 3 и датчика 4. Дезинтегрирование графика на фиг.3, т.е. вычитание из него графика на фиг.2, дает истинные скорректированные значения сигналов термодатчика (фиг.4)

Определим погрешность измерения температуры на примере кристаллизации воды по прототипу в сравнении с изобретением с помощью фиг.2, фиг.3 и фиг.4. Усредненное значение интегрального сигнала U_и термопары (фиг.3) равно -25 мВ и является значением температуры фазового перехода по прототипу. Разница значений (фиг.4) между интегральным сигналом U_и и сигналом зонда U_з (фиг.2) равна -10 мВ. Отсюда ошибка измерения равна: Δ=(U_и-U_з)·100%/U_з=((-25 мВ)-(-10 мВ))·100%/(-10 мВ)=150%

Способ при термометрии веществ при конденсации и десублимации (с фазовыми переходами первого рода) осуществляют в той же последовательности операций.

Способ при термометрии веществ в обратных процессах с фазовыми переходами первого рода: испарением, плавлением и сублимацией осуществляют в той же последовательности операций, кроме последней, при которой термоэлектрический сигнал увеличивают на величину сигнала генерируемого зондом при фазовых переходах первого рода (фиг.5, фиг.6, фиг.7).

Способ при термометрии веществ с фазовым переходом второго рода осуществляют в той же последовательности операций, что при термометрии веществ с фазовым переходом первого рода, однако если в образце вещества происходит фазовый переход второго рода, то отсутствует генерированные в веществе зондом 3 термоэлектрические сигналы и на зонд 3 они не поступают. Термодатчик 4 при этом будет воспринимать сигнал только за счет термоэлектрического эффекта. При этом на дисплее и принтере будет осуществлена индикация только от одного источника - термодатчика 4. На фиг.8 и фиг.9 представлен фазовый переход второго рода, как это представлено соответственно при охлаждении (замораживании) и нагреве(оттаивании) в виде линейной зависимости Т=f(τ).

Следует отметить, что для регистрации сигналов необходима специализированная программа для корректной работы универсальной платы для персонального компьютера, позволяющая осуществлять регистрацию и обработку сигналов с периодом опроса состояния внешних датчиков сигнала до 2·10^-6 с.

Сравнительный анализ графиков регистрирующих в веществах фазовый переход первого рода (фиг.2, фиг.3, фиг, 5, фиг.6) и фазовый переход второго рода (фиг.8 и фиг.9) доказывает, что представленный способ термометрии позволяет осуществить индикацию и последующую идентификацию в веществах вида фазового перехода первого или второго рода.

При составлении и реализации соответствующей программы с помощью компьютера коррекцию термоэлектрического сигнала термодатчика и идентификацию вида фазового перехода можно осуществлять в автоматическом режиме.

Представленный способ измерения температуры был апробирован на воде, бензине, керосине, ацетоне, нафталине, на кожном покрове человека, на живых растениях и на плодах овощей и фруктов в процессе хранения. Все проведенные эксперименты показали высокую надежность и достоверность полученных результатов.

Предложенный способ, а также устройство для его осуществления прошли опытную проверку в лаборатории кафедры "Технологическое оборудование и процессы отрасли" МГУПБ и в ЗАО "Сибирь-Ялотуровскмолоко".

Изобретение вносит существенный вклад в науку о физике фазовых переходов, кроме того, имеет большое прикладное значение. Достаточно отметить, что целый ряд ГОСТов и приборов, основанный на точном измерении криоскопической температуры, необходимо пересмотреть и осуществить их ревизию. Приведем два конкретных примера.

Пример 1. Для определения содержания посторонней воды в молоке применяют различные приборы таких известных фирм, как Advanced milk cryoskope (Adv. Instr., USA), Fiske Cryoskope (Fiske Ass,, USA), Cryo-Star (Funke-Gerber, GER), Cryo-Task (PBI, ITA). Эти приборы реализуют один и тот же принцип анализа. Однако если криоскопы разработаны специально для измерения температуры замерзания молока, то осмометры, которые в принципе пригодны для измерения этого параметра, преимущественно используются в биохимических исследованиях.

С 2004 г. Россия присоединилась к международной практике оценки посторонней воды в молоке, введя в ГОСТ Р 52054-2003 "Молоко натуральное коровье - сырье. Технические условия" показатель температуры замерзания молока. Это обстоятельство вынуждает молочные хозяйства следовать требованиям указанного стандарта при приемке молока и искать оптимальные решения в оснащении лабораторий необходимым оборудованием. Следует отметить, что зафиксированная в стандарте температура замерзания молока, равная минус 0.520, является достаточно "жесткой" и цена ошибки при измерении этого показателя может быть достаточно высокой.

В настоящее время на отечественном рынке появились универсальные приборы, в технической документации которых наряду с определением ряда параметров молока (содержание жира, белка, и др.) заявлены определение температура замерзания. Однако необходимо учесть, что в приборах, в которых определение точки замерзания проводили косвенным (расчетным) методом, параметр либо не нормирован (не определены точностные характеристики измерений), либо погрешность измерений значительно хуже (в 5-10 раз) нормируемого в ГОСТ 30562-97 ИСО 5764-87) значения. В настоящее время выпускают несколько моделей криоскопов и осмометров типа МТ-5 (МТ-5-01, МТ-5-С) удовлетворяющих требованиям Межгосударственного стандарта ГОСТ 30562-(ИСО 5764-87) "Молоко. Определение точки замерзания. Термисторный криоскопический метод" [5].

С помощью представленного изобретения доказано, что погрешность измерения температуры молока при фазовом переходе с помощью традиционного способа и устройства может составлять в зависимости от состава молока 10мВ, что составляет 100%.

Пример 2. Для измерения активности воды используется прибор криометр AWK-30. Криометр является наиболее точным инструментом для определения активности воды для высоких требований. Устройство использует современный запатентованный метод измерений. Прибор обеспечивает несколько независимых друг от друга преимуществ: высокую точность, высокую способность восстановления, высокую разрешающую способность и невысокую длительность измерений. Измеряемый диапазон от 0,8 до 1,0 «ав» особенно функционален для применения в области мяса и мясопродуктов (или продукции со сравнимыми ав-величинами) [6].

Устройство может измерять температуру с высокой точностью (до 0,01 градуса) разницу температур, и с дополнительным оборудованием относительную влажность. Необходимо отметить, что стоимость прибора составляет порядка 350 тысяч рублей [6].

В примере 2, так же как и в примере 1, при измерении температуры не учитывают электрический импульсный ток, генерируемый при фазовом переходе воды. Поэтому при определении «ав» погрешность при измерении может составлять от 50 до 100%.

Кроме того, все научные публикации (монографии, кандидатские и докторские диссертации), касающиеся вопросов, связанных с фазовым переходом веществ, необходимо оценивать с новых позиций согласно предполагаемому открытию В.В.Илюхина и данного изобретения.

Отмеченные сентенции в равной степени относятся и к биофизике, метерологии, к физиологии животных и растений. Таким образом, изобретение носит глобальный характер и вносит существенный вклад в познание окружающего нас мира.

Источники информации

1. Олейник Б.Н. Точная калориметрия. - М.: Издательство государственного комитета стандартов мер и измерений приборов СССР, 1964. - 159 с.

2. Петров И.К. Технологические измерения и приборы в пищевой промышленности, 2-е издание перераб. и доп. - М.: Агропромиздат, 1985. - 344 с.

3. Физический энциклопедический словарь М.: Советская энциклопедия, 1983.

4. А.С. СССР №1322516 Устройство для контроля параметров электризации ионизированного потока газа. Илюхин В.В. Опубл. 07.07.87 Бюл. №25.

5. В.И. Кирсанов. Измерение температуры замерзания молока-сырья. Журнал "Молочная промышленность", №9, 2004 г.

6. Материалы сайта http://www.nagy-instruments.de/aw-value.html.

1. Способ измерения температуры при фазовых переходах веществ, предусматривающий использование датчиков температуры с преобразованием электрического сигнала, идентификацию фазового перехода, отличающийся тем, что электрический сигнал датчика температуры корректируют на величину электрического сигнала, генерируемого фазовым переходом вещества, причем корректирующий электрический сигнал получают с помощью дополнительного зонда.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для веществ при фазовом переходе первого рода в процессах испарения, плавления и сублимации веществ преобразуемый электрический сигнал уменьшают на величину сигнала, генерируемого непосредственно фазовым переходом первого рода.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что для веществ при фазовом переходе первого рода в процессах конденсации, кристаллизации и десублимации веществ преобразуемый электрический сигнал увеличивают на величину электрического сигнала, генерируемого непосредственно фазовым переходом первого рода.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что коррекцию электрического сигнала термодатчика с помощью дополнительного зонда и идентификацию вида фазового перехода осуществляют в автоматическом режиме.