Способ определения температуры

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК 151)5 О 01 К 7 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИПРИ ГКНТ СССР ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКО ИДЕТЕЛЬСТВ Воуры вМеталПЕРА- ЕОБ(21) 4835207/10(71) Киевский технологический инститкой промышленности(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМТУРЫ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПРРАЗОВАТЕЛЕМ 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 2(57) Изобретение относится к способам измерения температуры и может быть использовано для повышения точности термоэлектрических преобразователей, находящихся в условиях длйтельной, 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 и редложен ной формуле.Результат определения температуры не зависит от коэффициента чувствительной термо- Б пары. 1 ил. ется 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.сИзвестен способ измерения температуры термоэлектрическим термометром, заключающийся 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 ния исключается погрешность изменения сопротивленйя цепи термопары и непостоянства чувствительности вторичного прибора, Однако погрешность от нестабильности самой термопары и непостоянства темпера тур ее свободных концов не исключается, что не позволяет обеспечить высокую точность измерения температуры,Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ иэ мерения температуры, заключающийся во внесении спал термопары в среду, температуру которой измеряют, регистрации значения измеряемой термоэлектродвижущей силы, нагреве спая термопары пропускани 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 - коэффициент Пельтье;1 - ток, пропускаемый через спай термопары,К - -- . отношение значений зарегистЕ 2Е 1рированных термоэлектродвижущих сил Е 1и Е 2 до и после нагрева;А - теплопроводность спая.Как следует из приведенной Формулы,на точность измерения температуры этим 40способом не влияет чувствительность термопары, а следовательно, и ее нестабильность, Однако исследования способапоказали, что лийейная зависимость междуизмеряемой температурой О и током через 45спайнарушается. Это вызвано тем, чтокроме теплоты, выделяемой в спае эа счетэффекта Пельтье при протекании тока черезтермоэлектроды выделяется и теплотаДжоуля, часть которой поступает на рабачий спай термопары. И хотя эффект Пельтьедля спал термопары является определяющим, результирующий перегрев спая зависит и от теплоты Джоуля, котораяпропорциональна квадрату протекающего 55тока. В результате этого реальная зависимость измеряемой температуры Вот тока,пропускаемого через .спай термойары, нелинейна. Поэтому при. определении температуры способом-прототипом, например, в диапазоне от 150-400 С возникает значительная методическая погрешность (до 2- 5 ОС),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 температурыпри 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 термо пары;Е 1, Е 2, Ез - значения термозлектродвижущей силы соответственно до нагрева, после нагрева и после охлаждения спая термопары;П - коэффициент Пельтье;- ток через спай термопары;А - эквивалентная теплопроводность спая термопары, с учетом теплообмена с окружающей средой.На чертеже представлен вариант схемы термоэлектрического устройства для осуществления предлагаемого способа.устройство сбдержит четырехэлектродный термоэлектрический преобразователь 1, состоящий из .двухэлектродных термоэлектрических преобразователей с общимрабочим спаем, первую 2 и вторую 3 пары удлинительных термоэлектродов, первый 4 и второй 5 термостаты с размещеннйми в них свободнь 1 ми 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.(5) Е 1= 31 (01 -Оо),Е 2= Е 1 (10.20) Ле,(10) А т 01- ЬО 1,(6) Измеряемая температура 01 и термо- ЭДС, возникающая на свободных концах термопары, связаны нелинейной зависимостью 5 Е = А (01 - Оо) + В (01 - Оо)2 + С (01 - О )з, ( 1) где А, В и С - коэффициенты уравнения, зависящие от материалов термоэлектродов 10 и технологии изготовления термопары;Оо - температура свободных концов термопары.В окрестностях рабочей точки термопары, задаваемой значением температуры 15 01,прилегающий участок градуировочной характеристикй(ЛОс 01) можно заменить прямой линией (хордой), проходящей через начала градуировочной характеристики (нуль) и рабочую точку 01, Зависимость тер моЭДС от температуры в окрестностях рабочей точки можно представить линейной зависимостью где Я = - средняя чувствительность терЛЕмопары, зависящая от измеряемой температуры 01. 30Среднюю чувствительность термопары можно определить из соотношения Я (01 - Оо) = А (01 - Оо) 4- В (01 - Оо) +С(0 0)з (3) Я = А + В (01 - О ) + С (01 - 0,)2. (4)40 Вначале измеряют значение термоЭДС, соответствующей измеряемой температуре 01 и температуре свободных концов термопары Оо где Б 1 - средняя чувствительность термопары при разности температур д О01-0,. Затем через спай термопары пропускают постоянный токот источника электрического напряжения. За счет эффекта Пельтьев спае и выделения тепла Джоуля в электродах термопары происходит нагрев спая термопары до температуры где ЛО 1 - температура перегрева спая относительно контролируемой среды,Температура перегрева спая опреДеляетсясуммарной рассеиваемой электрическоймощностью и теплопроводностью спая где В - омическое сойротивление термоэлектродов;К - коэффициент, учйтйвающий часть тепла Джоуля, нагревающая спай;П - коэффициент Пельтье, зависящий от материалов спая;Л - эквивалентная теплопроводность спал, учитывающая теплообмен со средой;1 - сила постоянного тока.Измеряют установившееся значение тЕрмоЭДС Е 2 Кг+ П,Е 2=а(В 1+ - т Ва), (8)где Я 2 - средняя чувствительность термопары при разности температур д О = 02 - О, Силу тока выбирают такой, цтобы возросшее значение термоЭДС превышало раннее измеренное значение Е 1 на величину; превышающу)о максимальные случайные изменения термоЭДС гдеЬ Е - среднеквадратичное отклоне/ 2ние (СКО) термоЭДС;а - коэффициент, зависящий от доверительной вероятности.При нормальном распределении случайных 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 выборе а = 10-20 термоЭДС Е измеряют практически с той же систематической погрешностью, что и Е 1 Далее изменяют направление тока, пропускаемого через спай, Так как эффект Пельтье резерсивный, то приизменении направления тока через спай возникает его охлаждение, и термо-ЭДС уменьшается до значения К Р (ПЕЗ = ЯЗ (01 +Оо), (11)10 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 термо- ЭДС, на 3045 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. 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 200400 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 ППсоставило всего 0,5 С,Экономический эффект от внедрения предлагаемого способа состоит в повышении 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 про пусканием тока через нее, измерение значений теомоэлектродвижущей силы до и после, нагрева, измерение температуры свободных концов термопары и вычисление температуры окружающей среды, о т л и ч а ющий ся тем,что, с целью повышения точности, охлаждают спай термопарыизменением направления тока через нее и до температуры, прикоторойизменение измеряемого значения термоэлектродви жущей силы в 10-20 раз больше еесреднеквадратичного отклонения, а температуру окружающей среды вычисляют по математическому выражению 0 е 1 2 П где Оо - .температура свободных концов термопары;Е 1, Е 2, Ез - значения термоэлектродвижущей силы соответственно до нагрева, после нагрева и после охлаждения спая термопары;П - коэффициент Пельтье;- ток через спай термопары;Я - эквивалентная теплопроводность спая термопары с учетом теплообмена с окружающей средой,