Способ определения температуры

,1) с 01 к 7/о САНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ДЕТЕЛЬСТВУ АВТОРСКОМ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(56) 1. Авторское свидетельство СССР Ь 1182282, кл. С 01 К 7/02, 1983.2. Авторское свидетельство СССР й 1281921, кл, С 01 К 7/02, 1985. (5) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ (57) Изобретение относится к термометрии и позволяет повысить точность определения температуры, В среде, температуру которой определяют, размещают два идентичных термоэлектрических преобразователя (ТЭП), снабженных калибраторами, заполненными Изобретение относится к измерению. температуры термоэлектрическими методами и может быть использовано для. контроля темпЕратуры в различных технологических процессах, в цастности в полулроводниковой, металлургической, металлообрабатывающей отраслях промышленности,Известен способ определения,температуры, заключающийся в размещении в среде, температуру которой измеряют,.термоэлектрического преобразователя (ТЭП)," снабженного калибратором с реперным материалом, измерении.термоЗДС термоэлектрического пререперными материалами с различными известными температурами фазового перехода, После этого нагревают калибраторы посредством монотонного повышения температуры обьекта измерения. В процессе нагрева калибраторов одновременно нагревают рабочие концы ТЭП посредством пропускания по ним импульсов постоянного токаИдентифицируют периоды протекания фазовых переходов в реперных материалах калибраторов как периоды времени, на протяжении которых разность приращений выходных сигналов ТЗП превышает пороговые знацения при одновременном выходе за пределы поля допуска раз- а ностной термоЭДС. Определение шкалой температуры среды осуществляют при отсутствии фазовых переходов в реперных материалах калибраторов. 3 ил. С,3 образователя, нагреве калибратора определении момента фазового перехода реперного материала, оценке погрешности термоэлектрического преобразователя при температуре фазовогоперехода и определении температурысреды с учетом погрешности термоэлек-.трического преобразователя, по кото",рому размещают в среде второй термо-электрический преобразователь, идентичный первому, с реперным материалом,имеющим другую температуру фазовогоперехода; дополнительно измеряют рааностную термоЗДС термопреобразователей, определяют погрешность измерения7281 2 О апазону и точности измерения темпе.ратуры,Устройство для определения температуры содержит два идентичных термоэлектрических преобразователя 1, 2,рабочие концы которых размещены в герметизированных полостях двух калибраторов 3, 4., заполненных двумя реперными материалами 5, 6 с различнымитемпературами Фазового перехода, при- ЗО чем первые выводы термоэлектрическихпреобразователей 1, 2 соединены между собой, два компаратора 7, 8, постоянное запоминающее устройство(ПЗУ) 9, блок цифровой индикации 10,два управляемых коммутатора 11, 12,аналого-цифровой преобразователь,(АЦП) 13, причем в устройство дополнительно введены три дифференциальныхусилителя 14-16, три источника 1719постоянного напряжения, третий управляемый коммутатор 20, два логических элемента И 21, 22, оперативноезапоминающее устройство (ОЗУ) 23,пульт 24 управления, порт 25 ввода,цифропечатающее устройство 26 и микропроцессор 27, При этом объединенные 55 173термоэлектрического преобразователяпри температуре фазового переходавторого реперного материала, при этоммоменты фазовых. переходов определяютпо отклонению разностного значениятермоЭДС преобразователей от нулевого значения, а искомую температурусреды определяют с учетом погрешностей термоэлектрического преобразователя при двух температурах фазовогоперехода реперных материалов 11,Недостатком известного способа является наличие погрешности, обусловленной недостаточной достоверностьюидентификации периодов фазовых пере-.ходов реперных материалов, Это приводит к расхождению получаемых оценокпогрешностей ТЗП, снижению их достоверности и снижению точности коррекции погрешности, в том числе и прогрессирующей погрешности ТЭП,Наиболее близким по техническойсущности и достигаемому результатук заявленному является способ определения температуры, заключающийся вразмещении на объекте двух идентичных термопреобразователей с калибраторами, заполненными реперными материалами с различными температурами фазового перехода, измерении термоЭДСодного из термопреобразователей, измерении разностной термоЭДС термопреобразователей до момента исчезновения нулевой фазы, определении начала фазового перехода в реперном материале каждого из калибраторов пополярности разностной термоЗДС, калибровке измерительного канала дляопределения погрешности последнегои определении искомой температурыобъекта по. измеренному значению сучетом погрешности измерительногоканала 21.Недостатком способа является низкая точность определения температуры.Цель изобретения - повышение точности определения температуры.На Фиг. 1 показана структурнаясхема устройства, реализующего спо рсоб; на фиг. 2 - блок-схема алгоритма, по .которому работает устройство;на фиг. 3 " блок-схема алгоритмаподпрограммы "Идентификация",В основу способа положен методформирования и использования длясамокалибрования ТЭП тестового сигнала с заданными параметрами, подаваемого в определенные моменты време ,ни на входы первого и второго ТЭП. В предложенном способе в качестве образцового тестового сигнала использованы подаваемые на рабочие концы (РК) ТЭП известные и строго постоян. ные значения температуры фазовых переходов реперных материалов калибраторов, в которые погружены РК обоих ТЭП.Конкретные численные значения основных метрологических характеристик устройства, реализующего способ, зависят в первую очередь, от типа ис" пользуемых в устройстве термоэлектрических преобразователей и репер-, ных материалов калибраторов, которые выбираются в соответствии с заданными пользователем требованиями к дипервые выводы термоэлектрических преобразователей 1, 2 соединены с первыми выходами первого источника 17 постоянного напряжения, первого 14 ивторого 15 дифференциальных усилителей и аналого-цифрового преобразователя 13, вторые выВоды термоэлектрических преобразователей 1, 2 соеди" нены с входами первого 11 и второго 12 управляемых коммутаторов, а также с первым и вторым входами третьего дифференциального усилителя 16 соответственно, второй выход первого51 источника 17 постоянного напряжения подключен к объединенным первым выходам первого 11 и второго 12 управляемых коммутаторов, вторые выходы которых подключены соответственно к входам первого 14 и второго 15 дифференциальных усилителей, выходы которых соединены с первым и вторым выходами третьего управляемого коммутатора 20, вход которого подключен к второму входу аналого- цифрового преобразователя 13, выход третьего дифференциального усилителя 16 соединен с объединенными первыми входами первого 7 и второго 8 компараторов, вторые входы которых соединены соответственно с выходами второго 18 и третьего 19 источников постоянного напряжения, а выходы - с первыми входами первого 21 и второго 22 логических элементов И, выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам порта 25 ввода, третий вход которого соединен с выходом пульта 24 управления, причем соответствующие выходы шины управления соединены с оперативным 23 и постоянным 9 запоминающими устройствами, пультом 24 управления, портом 25 ввода, блоком 10 цифровой индикации, цифропечатающим устройством 26, микропроцессором 27, управляющими входами первого 11, второго 12 и третье- го 20 управляемых коммутаторов, входомзапуска аналого-цифрового преобразователя 13, соответствующие выходы шины адреса соединены с оперативным 23 и постоянным 9 запоминающими устройствами микропроцессором 27, соответствующие выходы шины данных соединены с оперативным 23 и постоянным 9 запоминающими устройствами, портом 25 ввода, блоком,10 циФровой инди" кации, цифропечатающим устройством 26, микропроцессором 27, вторыми входами первого 21 и второго 22 логичес- ких элементов И, выходом аналого-цифрового преобразователя 13.1Способ определения температуры реализуется следующим образом.При нагревании объекта измерения РК обоих ТЭП имеют равную и одинаковую температуру до тех пор, пока температура объекта не достигнет значения, соответствующего температуре фазового перехода реперного материала первого калибратора. До этого момента времени выходные сигналы обо 73728 6их идентичных ТЭП равны по абсолютной величине, а при последовательно-встречном включении - противоположны по знаку. Поэтому разностнаятермоЭДС до момента начала фазовогоперехода равна или близка к нулю.Вследствие неидентичности характеристик преобразования первого и второ 10 го ТЭП возможны отклонения от нуляразностной термоЭДС, однако они будут достаточно малы по сравнению сабсолютными величинами ЭДС.В,момент, времени, когда начинается процесс фазового перехода реперного материала первого калибратора,температура его РК в течение всегопроцесса фазового перехода будет оставаться постоянной. Значение этой20 температуры при постоянном давлеииив замкнутой полости калибратора известно и строго постоянно. Соответственно, выходной сигнал первого ТЭПтакже остается постоянным в течение25 времени фазового перехода, определя-,ется массой реперного материала вполости калибратора, его удельнойтеплотой плавления и общей теплоемкостью измерительного зонда. Поэтомуимеется возможность выбора оптимальной продолжительности процессов фазового перехода, достаточной для выполнения измерений путем изменениямассы помещаемого в полость калибратора реперного материала.35После окончания процесса Фазового перехода температура реперногоматериала и РК первого ТЭП в течениедостаточно малого промежутка време 4 О ни становится равной температуре объекта измерения. С дальнейшим ростомтемпературы объекта измерения соответственно изменяется и температураРК обоих ТЭП. Начиная с момента вре 5 мени, соответствующего началу процесса фазового перехода реперного материала калибратора первого ТЭП, раз"ностная ЭДС начинает отклоняться отнулевого значения, принимая отрица 50 тельные значения, поскольку ЭДС первого ТЭП в течение периода временифазового перехода будет оставатьсяпостоянной, тогда как ЭДС второго .ТЭП будет изменяться. Благодаря этомусФормируется импульс разностной ЭДС,который является признаком протекания процесса Фазового перехда в ре-,перном материале калибратора первогоТЭП, Импульс разностной ЭДС сформиру 7173 ется только в случае протекания про-цесса фазового перехода, поскольку даже при наличии слуцайно образованного в процессе изменения температуры объекта измерения участка постоянной в течение некоторого времени температуры выходные сигналы первого и второго ТЭП будут равны и, следовательно, разностная ЭДС будет равна нулю. При достижении температурой объекта измерения значения, соответствующего температуре фазового пере хода реперного материала второго ка. либратора, в некоторый момент времени разностная ЗДС начнет отклоняться от нулевого уровня и сформируется второй, на этот раз положительный импульс с длительностью, соответству- ющей длительности протекания процессов фаэового перехода реперного материала второго калибратораПо окончании этого процесса значение разностной ЗДС снова вернется к нулю.Таким образом длительности импульсов разностной ЭДС находятся встрогом соответствии с длительностьюпроцессов фазовых переходов, которая, в свою очередь, определяетсямассой реперных материалов и другими.постоянными факторами, Амплитуда импульсов определяется характером изменения температуры во времени, аполярность определяет однозначно, вкаком из двух реперных материаловпротекает процесс фазового перехода.Эта особенность, а также тот факт,что в случае наличия периода стабильности температуры измерительныхзондов импульсы разностной ЭДС небудут сформированы, позволяют идентифицировать периоды фазовых пере". ходов в квазистатицеском режиме (при . сравнительно медленном изменении температуры квалибраторов).Идентификация периодов фазовых переходов в динамическом режиме (прискачкообразном изменении температуры калибраторов) позволяет существенно повысить достоверность распознавания фазовых переходов. Идентификация их в двух режимах - квази- .статицеском и динамическом - и подвум независимым параметрам (разностная термоЭДС и разность приращений .выходных сигналов ТЭП) дает возможность повысить достоверность иденти фикации Фазовых переходов, точность и метрологическую надежность метода7281 и тем самым обеспечить достижение цели изобретения. При этом подсистемыидентификации в квазистатицеском идинамическом режимах работают одновременно и независимо.В динамическом режиме источник 17 кратковременно подключается через, управляемые коммутаторы 11 и 12 к параллельно соединенным ТЭП 1 и 2, При этом через каждый из ТЭП протекают импульсы постоянного тока, вызывающие нагрев РК обоих ТЭП в результате проявления обратимого термо. электрического эффекта Пельтье. В случае, если температуры обоих реперных материалов одинаковы (фазовые переходы не протекают), дополнительный нагрев РК ТЭП, вызванный выде 10 15 лением в них тепла вследствие протекания тока, будет одинаковым для обоих ТЭП. Соответственно одинаковымибудут и приращения выходных сигналовТЭП, вызванные этим нагревом. В слу" чае же протекания процесса фазовогоперехода в реперном материале одного из калибраторов дополнительный нагрев РК ТЗП импульсами тока не будет одинаковым для первого и второго30 ТЭП, поскольку состояние термодина"мического равновесия системы реперный материал - РК ТЭП будет иметь место лишь в одном из двух калибраторов, Поэтому приращения выходных сиг".налов ТЭП, обусловленные дополнительным нагревом РК ТЭП импульсами тока,будут неодинаковы. При превышенииразностью этих приращений некоторогопостоянного предела можно с высокой4 достоверностью судить о наличии фазового перехода,Указанная выше последовательностьопераций реализуется при выполненииподпрограммы "Идентификация", которая реализует процесс идентификациипроцессов фазового перехода в динамическом режиме.В квазистатическом режиме идентйфикация периодов фазовых переходово осуществляется как описано выше,посредством анализа амплитуды и полярности импульсов разностной термоЭДС, Усиленная усилителем 16 разностная термоЭДС обоих ТЭП подается напервые входы компараторов 7, 8, навторые входы которых подаются пороговые напряжения от источников 18,19. На выходах компараторов 7, 8,соответственно, формируется сигнал9 1 логйческой "1" в случае выхода зна-., чения разностной ЭДС за пределы поля допуска, Выходные сигналы компараторов поступают на первые входы логичес ких элементов И 21, 22, на вторые входы которых по шине данных поступают с выхода АЦП 13 через шину данных сигналы логической "1" в случае идентификации периодов .соответствен - но второго и первого фазовых переходов в динамическом режиме. Таким образом, логические элементы И 21, 22 реализуют функцию определения периодов времени, в течение которых наличествуют признаки фазового перехода в обоих подсистемах идентификации, в квазистатическом и динамическом режимах. Сигнал логической "1" на выходах элементов И 21, 22 Формируется в случае одновременного наличия признаков фазового перехода при иденти 1 фикации их по двум параметрам; Эти сигналы поступают на входы порта 25 ввода и используются как управляющие в.микропроцессорной системе,Совмещение во времени режимов идентификации дает возможность резко повысить достоверность распознавания фазовых переходов, поскольку последняя осуществляется по двум со-. вершенно независимым параметрам,При переключении коммутаторов 11,12 в положение "2" выходные сигналы ТЭП 1, 2 через усилители 14, 15 икоммутатор 20 подаются попеременно на вход АЦП 13. При этом коммутатор 20 работает как распределитель по управляющим сигналам, поступающим с соответствующего входа шины управления. Коды с выхода АЦП 13, соответствующие уровням выходных сигналов ТЭП, поступают через шину данных в микропроцессор 27, где обрабатываются по . алгоритму, реализующему заявленный способ измеренияРезультат сравнения разности приращений с хранимой в ПЗУ 9 фиксированной постоянной и определяет признак наличия фазового перехода. Вычисление приращений, их разности, сравнение ее с фиксированной постоянной осуществляется программным путем при помощи микропроцессора 27 в соответствии с алгоритмом способа. Знак разности приращений, также выявляемый в процессе обработки, является признаком, определяющим, в калибраторе какого из двух ТЭП протекает процесс Фазового перехода, Последова 737281 10тельность работы узлов и блоков устройства ясна из блок-схемы алгоритма(см. Фиг. 2) его работы.Обеспечиваемая предлагаемым методом высокая достоверность распознавания моментов начала и конца процессов фазовых переходов реперных материалов дает возможность исключитьнеобходимость использования нагревателя, задающего режим изменения температуры, Целесообразность использовать реперные материалы с температурами фазового перехода, лежащимивблизи границ диапазона измерениятемпературы, что значительно повышает точность оценки погрешности ТЭП,поскольку ее значение оцениваетсяпри температурах, близких к измеряещ мым.При первичном включении устройства оно работает в режиме калибровки;при этом системой формируется последовательность команд управления, по ступающих по шине управления ко всемподключенным к ней устройствам в ус"тановленной алгоритмом работы устройства последовательности. Последовательность выполнения управляющихкоманд и, соответственно последова. тельность работы отдельных блоков иузлов устройства определяется алгоритмом работы устройства, реализующим предложенный способ измерения,Алгоритм предусматривает ожидание 5 начала периода Фазового перехода,идентификацию периодов фазовых переходов по двум независимым параметрам, выполнение операции сквозной са"мокалибровки всего измерительного кафф нала, получение двух оценок погрешности измерительного канала, ожидание окончания периода фазового перехода реперного материала, вычислениекоэффициентов поправочной функции и 4 их запоминание, переход устройства врежим измерения, вычисление скорректированного значения измерительногосигнала, его индикацию и вывод нацифропечать. Алгоритм работы устрой 50 ства (см. Фиг. 2) реализует предложенный способ измерения температуры.Повышение достоверности оценок погрешности ТЭП, обеспечиваемое способом, дает возможность резко увеличитьмежповерочный интервал серийных ТЭП,применяемых в различных областяхпромышленности, Наряду с этим использование способа обеспечивает значи 1737281тельное повышение быстродействия, а также сокращение объема поверочных работ при гарантированной высокой точности измерения и позволяет в ряде случаев вообще отказаться от вы" полнения. периодических поверок ТЭП, поскольку поверка (самокалибрование) ТЭП по предложенному. способу может осуществляться непосредственно на объекте измерения в процессе эксплуатации ТЭП без их демонтажа, что дает возможность значительно повысить . степень автоматизации поверочных работ.Использование в способе более точных формул для определения поправочной функции дает возможность снизить остаточную погрешность измерения.Использование способа представляется весьма перспективным для контроля и измерения температуры диффу" зионных печей на предприятиях полупроводниковой промышленности, где требуется высокая точность измерения температуры при проведении технологических операций диффузии, окисления и эпитаксии в процессе производства ийтегральных микросхем и полупроводниковых приборов.ф о р м у л а. и з оЬ р е т е н и я Способ определения температуры,заключающийся в размещении на объектедвух идентичных термоэлектрическихпреобразователей с калибраторами, заполненными реперными материалами с 5различными температурами фазовогоперехода, измерении термоЭДС Е(Т)одного из термоэлектрических преобразователей, измерении разностной термоЭДС термоэлектрических преобразова О телей до момента исчезновения нулевой разности, определении началапериода фазового перехода в реперномматериале каждого из калибраторов пополярности разностной термоЭДС, калибровке измерительного канала дляопределения погрешности последнего иопределении искомой температуры объекта по измеренному значению Е(Т)с учетом погрешности измерительногоканала, о т л и ч а ю щ и й с я тем,что, с целью повышения точности определения, в процессе нагрева термоэлектрических преобразователей тепломобъекта контроля осуществляют нагрев 5 .их рабочих концов в динамическом режиме импульсами постоянного тока, измеряют разность приращений выходныхсигналов термоэлектрических преобра":зователей до,достижения превышения 30 ею заданного порогового значения., покоторому судят о начале фазового пе"рехода в реперном материале калибра-торов.1727281 Редактор Т.Лошкарева Т Корректор С.ШекмарШо . мар 8 ира при ГКНТ ССС тельский комбинат "Патент", г. Укгород, .ул, Гагарина, 10 роизводственноЗаказВНИИПИ Составитель В.Ярь ехред А,Кравчуксударственного комитета но изобретен 113035, Иосква, Ж, Раушска Подписноем и открыти наб., д 4/