Способ определения температуры

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК 1 у А 1 1 К 7/О ПАТЕНТНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ВЕДОМСТВОСССР (ГоспАтеиТ сссР 5 ОМУ С ЛЬСТВ 1 2Р 1)4866630/ь 10; .ческих преобразователя с калибраторами, 22) 21,06,90 .- . заполненными реперными материалами с 46) 23,02,93, Бюл. ч". 7:: раэличньми температурами фазового (71)Отделениенаучно-техническихисследо- . перехода, Затем измеряют рэзностную ваний. в конструкторских. работ"Оникс" и термоЭДС.термоэлектрических преобразоМосковский машиностроительный завод вателей .для определения начала и конца им, МВ.Хруничева .периода протекания фазового перехода в (72) Ю.ВПоздняков, В,н. Учанин Ю.М Ми реперном материале, После проведенных рощ и В,Р.Фесенко .. измерений калибруют измерительный ка) Авторское свидетельство СССР нал с целью определения его погрешности.Ь 1182282, кл. 601 К 7/02, 1985.Дополнительно иэмеряютскорость измене-,Авторскае свидетельство СССР ния разной термоЭДС и при достижении его . Ь 1737281; кл,"6 01 К 7 Ю 2, 1990." заданного порогового значения определя)СПОСОБОПРЕДЕЛЕНИЯТЕМПЕРАТУ- ют момент окончания фазового перехода в РЫ " реперном материале калибратора, Искомую (57)Использование: для контроля темпера- температуру объекта определяют по изме- туры в различных технологических процес:. ренному значению термоЭДС одного иэ з сах, Сущность изобретения: на объекте термопреобразователей с учетом погреш- у размещают два идентйчных термоэлектри- ности измерительного канала, 2 ил,го, Изобретение относйтся к измерениютемпературы тврмоэлектрическими методами.и может быть использовано для контролятемйературы в различных технологическихпроцессах, в частности, в полупроводниковой; металлургической, металлобрабатывающей отраслях проьмышленьности,Й вестенспособ измерения температуры, заключэощиьйся в размещении в среде,температуру которой измеряют, термоэлек. трического преобразователя, снабженного., калибратором с реперным материалом, измерениьи термо ЭДС термоэлектрическогойеобразователя, нагреве калибратора, определении момента Фазового перехода реперного материала, оценке погрешноститермоэлектрического преобразователя приь температуре фазового перехода и. определении температуры среды с.учетом погрешностй термоэлектрического преобразователяя, по которому размещают в среде второй термоэлектрический преобразователь, идентичный первому, с реперным материалом,. имеющим другую температуру фазового перехода,.дополни. 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 нулевозначения, а искомую термпературу средопределяют с учетом погрешностей термо- значительно повышает точность оценки по., электрического преобразователя при двух грешностиТЭП, посколькуеезначениеоце.температурах фазового перехода реперных нивается при температурах, близких кматериалов,. измеряемым.В предлагаемом способе недостатками 5 Применение способа позволяет- сниявля 1 отсянизкаянадежность и наличие по- зить затраты на выполнение поверочных ра-.грешности, обусловленной недостаточной бот, повысить степень их автоматизации идостоверностью идейтификации периодовпроизводительность,фазовых переходов реперных материалов.Поставленная цель достигается тем, чтоЭто приводит к расхождению получаемых "О известный способ измерения температуры,оценок погрешностей ТЭП, снижению их заключающийся в размещении на объекте: вдостоверности и снижейию точности кор- среде, температуру которой измеряют, двухрекции погрешности, в том числе и прогрес- идентичных термоэлектрических преобрасирующей погрешности ТЭП. "зователей, снабженных калибраторами,Наиболее близким по технической сущ заполненными реперными матерйаламиности к заявляемому решению является сспособ определения температуры, заключа- различными температурами фазового переющийся в размещении на объекте двух хода, измерении термоЭДС.одного из теридентичных термоэлектрических преобра-.моэлектрических преобразователей длязователей с калибраторами, заполненными 2 О определенйя начала и конца периодов про реперными материалами с различными тем- . текания Фазовых переходов реперных матепературами фазового перехода, измерении риалов с последующей калибровкойтермоЭДС одного из термопреобразовате-измерительйого каналав этом периоде длялей, измерении разностной термоЭДС доопределения его погрешности и апределемомента исчезновенйя нулевой разности, 25 нияискомой температуры объекта с учетомопределении 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 скоростьмоЭДС калибровке измерительного канала " изменения разностей термоЭДС и при додля определения его погрешности и опре- ЗО стижении ею заданного порогового значеделения искомой температуры объекта по . ния определяют момент окончанияизмеренному значению термаЭДС с учетом фазового. перехода в реперном материалеэтой погрешности, причем.в процессе на- калибратора,грева термопреобразователей дополни- На Фиг.1 показана структурная схемательно осуществляют нагрев их рабочих ЗБ устройства. реализующего предложенныйконцов в динамическоМ режиме импульса- способ; на фиг.2 - графики, поясняющиеми постоянного тока, измеряют разность сущность способа и устройства,приращенйй выходных сигналов. до дости-Способ определения температуры конжения ею йпороговогозначения, по которому кретно осуществляется следующим спосо. судят о начале Фазового перехода в репер бом. В процессе изменения температурыном материале калибратора, Недостатком среды объекта измерения непрерывно изспособа является низкая достоверность. меряют значение разностной термоЗДСидентификации периодов Фазовых перехо- первого и второго термоэлектрических предов, снижающая точность сйособа в,целом, образователей, при этом периодическиЦель изобретения - повышения точно сравнивают полученное значение с порогости определения температуры, . вым значением. По результату сравненияПреимуществом 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 ную разностной термоЭДС по времени,познавания моментов начала и конца про- сравнивают полученное значение первойцессов 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 ходов реперных материалов калибратора.ля, задающего режим изменения темпера- Таким образом, идентификация осуществ-.туры. Это также позволяет использовать ляется по двум признакам, Измеряютреперные материалы с температурами фа- значение термоЭДС Ен (Т 1) первого термоэового перехода, лежащими вблизи границ электрического преобразователя во времядиапазона измерения температуры, что протекания процесса фазового перехода1796919 А=А 1+А 2В=В 1+Вг,С=С 2,Для определения искомого значения5 температуры среды объекта измеряют значение термоЭДС Ен(Т) первого термоэлектрического преобразователя в моментывремени, когда процессы фазового перехода в реперных материалах калибратора не10 протекают, определяют скорректированноелинейное значение измерительного сигналапервого термоэлектрического преобразователя с учетом его собственной погрешностии погрешности от нелинейности его харак 15 теристики преобразования по формуле К = Ен (Т 2) - Е н(Т 1) запоминают полученное значение Ескл(Ен),20 определяют искомое значение температуры по формуле Тн=МЕскл(Ен),)=и где М - постоянный масштабирующий коэфю фициент, зависящий от характеристики- звеньев измерительного канала.го Введение в предложенный способ нои вых операций и использование новых элеу ментов позволяет получить положительныйэффект, обеспечиваемый достижением целиизобретения и заключающийся в повышении точности, достоверности, быстродействия измерения. а также надежности способа35 и устройства,В основу предложенного способа положен оригинальный метод формирования ииспользования для самокалибрования ТЭПдвухзначного тестового сигнала с заданны 40 ми параметрами, подаваемого в определенные моменты. времени на входы первогоТЗП, В предложенном способе в качествеобразцового тестового сигнала использованы подаваемые нэ рабочий конец (РК) пер 45 вого ТЗП известные и строго постоянныезначения температуры фазовых переходовреперных материалов калибратора, в который погрукен РК первого ТЭП, В устройстве, реализующем способ, могут быть0 использованы серийные ТЭП с нелинейнойстатической характеристикой преобразования, например, ТЭП градуировки ПП, микросхемы общего применения и другиесерийно 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 размещенв калибраторе 4, содержащем реперный маВ 1=К/Е н(Т 2)-Е н(Т 13 Е лн(Е н)= Ел(Е н) - Е н(Т) Далее определяют коэффициенты А 2.В 2 С 2 ДЕйСтвительНОй карРектиогУющей 5 функции Елд(Ен)=Аг+ВгЕн(Г)+СгЕн (Т), аппроксимирующей номинальную корректирующую функцию Елн(Ен), исходя из условия минимального среднеквадратического расхождения, и определяют коэффициенты обоб щенной функции для вычисления с учетом погрешности термоэлектрического преобразователя ЬЕ и погрешности линейности Ь Ел значения термоЗДС по формулам при температуре Т 1 в первом реперном материале калибратора, запоминают(записывают) измеренное значение термоЭДС. Ен (Т 1). измеряют значение термоЭДС Ен (Т 2) первого термоэлектрического преобразователя во время протекания процесса фазового перехода при температуре Тг во втором реперном материале калибратора, запоминают измеренное значение термоЭДС Ен (Тг), определяют значение промежуточной константы К, зависящей от типа используемых термоэлектрических преобразователей, по формуле Гдв Ен(Т 2), Ен(Т 1) - НОМИНаЛЬНОЕ. ЗНаЧЕНИЕ термоЭДС первого термоэлектрического преобразователя при температурах Тг и Т 1 соответственно. Полученное значение промежуточной константы К также запоминают (записывают, заносят в память и пр.), Далее определяют коэффициенты А 1, В 1 действительной корректирующей функции Ед(Ен = А 1+В 1 Ен(Т), аППрОКСИМИрувщЕй НОМ нальную корректирующую функци Етн(Ен)=Ен(Т)-Ен(Т), где ЕнЩ Ен(Т) - ном нальная и измеренная термоЭДС перво термоэлектрического преобразователя пр температуре Т, соответственно, по форм лэмА 1=(Ен(Т 1)Ен(Т 2) - Ен(Т 2) Ен(Т 1 Ц/К,и запоминают полученные коэффициенты А 1, В 1, затем определяют линейную функцию при произвольно выбранных узлах аппроксимации. определяемых точками с КООрдИНатаМИ ТЗ. Ен(ТЗ) И Т 4. Ен(Т 4), ПрИНадлежэщими номинальной статической характеристике преобразования первого термоэлектрического преобразователя и определяют номинальную корректирующую функцию Ескл(Ен)=А+ВЕн(Т)+С+Ен (Т)териал 5 с известной температурой фазово. го перехода, причем свободные концыобоих ТЭП 2,3 соединены последовательно встречна, причем в устройство дополнительно введены два компаратора б, 7, два 5источника опорного напряжения 8, 9, дифференциатар 1 О, логический элемент НЕ,триггер 10 и индикатор фазового перехода13, в калибратор первого термоэлектрического преобразователя 2 введен второй реперный материал 14 с температуройфазового перехода; отличнои от температу-.ры фазового перехода первого реперногаматериала, свободные концы первого термоэлектрического преобразователя подключены к входу измерительного прибора,крайние одноименные свободные концыпервого и второго термоэлектрических преобразователейй соединены с входом диффе- .ренциальным усилителя 16, выход которого 20подключен к первому входу первого кампаратора 6 и входу дифференциатора 10, выход которого соединен с первым входомвторого компаратора 7. Ко вторым входамобоих компаратаров б и 7 подключены выходы первого 8 и второго 9 источников опорного напряжения, соответственно. Выходпервого кампаратора б соедийен с первымвходом триггера 12, выход второго компаратора 7 через логический элемент НЕ 11 ЗОсоединен с вторь 1 м входом триггера 12, выход которого подключен.кавходу юдикатора 13 фазового перехода. Конкретныечисленные значения основных метрологических характерйстик устройства, рвалиэующего способ, зависят от типа.используемых в устройстве ТЗПи репер-.ных материалов калибраторов, которые выбираются в соответствии с заданнымипользователем требованиями к диапазону и 40точности измерения температуры.Устройство работает следующим образом,При нагревании обаектз измерения РКобоих ТЭП имеют и равную и одинаковую 45температуру до тех пор, пока температураобъекта не достигает значения, соответствующего температуре Фазового перехода первого реперного материала калибратора. Доэтого момента времени выходные сигналы 50обоих идентичных ТЭП равны по абсолютной величине, а при последовательновстречном включении - противойоложны.по знаку. Поэтому разностная термоЗДС домомента начала фазового перехода равна 55или близка нулю; Вследствие неидентичности характеристик первого и второго ТЗПвозможны отклонения от нуля разностнойтермоЭДС, 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. Значение 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 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 калибрзтора реперного материала. Сразу после окончания процесса фазового перехода температура первого реперного материал и РК первого ТЭО 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, рззностная ЭДС начинает отклонятся ат нулевого значения. принимая отрицательные значения, поскольку ЭДС первого ТЭП в течение периода времени фазового перехода будет оставаться постоянной, тогда кзк 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 раэностной ЗДС сформируется только 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 нулевого уровня и сформируется второй, нз этот раз положительный импульс с длительностью, соответствующей длительности протеканияпроцессов фазового перехода второго реперного материала калибратора, По окончании этого процесса значение разностной ЭДС снова вернется к нулю, Длительности импульсов разностной ЭДС находяся 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 РК одного из ТЗП, 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 использу 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, материаль 25 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 том ки ТЭП без их демонтажа с обьекта измерения в технологических процессах, особенно непрерывных, в 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 эпитаксиив процессе производства интегральныхмикросхем. 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 измерениятемпературы 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 Еф) одного из 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 Е(с) с учетом погрешности измерительного канала, о т л ич а ю щ и й с я 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 тор Т.Вашкови дактор Т,щагова каз 64 8 НИ Составитель Ю;ПоздняковТехред М,Моргентал . Ко Тираж . ПодписноеИ Государственного комитета по изобретениям и открьииям йри.ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж; Рауаская наб 4/5 изводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород; ул. Гагарина, 101