Способ определения температуры

 

Использование: термометрия особо ответственных объектов, например атомных энергетических установок. Сущность изобретения: измеряют термоЭДС двух термопар, образованных двумя основными и дополнительным термоэлектродами. По измеренным термоЭДС находят значение коэффициента термо ЭДСтермопары, по которому определяют действительную температуру объекта. Дополнительный термоэлектрод идентичен по материалу одному из основных термоэлектродов и выполнен диаметром, отличным от диаметра второго основного термоэлектрода. 3 ил.

Изобретение относится к термометрии и может быть использовано для измерения температуры особо ответственных объектов, эксплуатируемых без остановки в течение длительного времени (несколько тысяч часов) с помощью термопар.

Известно, что термопары (термоэлектрические преобразователи - ТП) при работе в условиях особенно повышенных температур (400^оС) вследствие окисления термоэлектродов, испарения отдельных химических составляющих материала термоэлектродов и других химических взаимодействий изменяют свою термоэлектродвижущую силу (ТЭДС), а точнее, свой коэффициент ТЭДС. Измерение таким ТП становится невозможным, это значит, что ТП имеет погрешность, которая со временем увеличивается.

Известные способы измерения температуры в условиях нестабильности ТП основаны на принципе определения текущей погрешности измерения и ее учета. Определение погрешности производится на месте эксплуатации ТП без его демонтажа.

Известен способ измерения температуры, заключающийся в пропускании через термопару электрического тока соответствующей полярности, регистрации установившегося значения показаний термопары, охлаждении спая термопары потоком воздуха при отключенном токе с последующим нагреванием спая током того же значения и определением измеряемой температуры по установившемуся значению показаний температуры [1].

Недостатками этого способа измерения являются низкая точность, сложная процедура выполнения измерения и необходимость в термопреобразователе специаль- ной конструкции. Эти недостатки обусловлены тем, что способ основан на изменении тепловых констант термоэлектродов, величина которых коррелируют с величиной изменения коэффициента ТЭДС термопары, т.е. на изменении тепловых свойств термопреобразователя, а тепловые явления плохо воспроизводятся. Так, на измерении сильно сказываются малейшие колебания температуры измеряемой среды, происходящие в момент измерения, а также изменения коэффициента теплоотдачи термопреобразователя, и при измерении в потоке газа, скорость которого меньше 1 м/c, измерение температуры становится невозможным из-за очень длительного (десятки минут) наступления теплового равновесия термопреобразователя.

Наиболее близким по своей технической сущности к изобретению является способ определения температуры, основанный на определении погрешности термопары при измеряемой температуре. Погрешность определяется путем сравнения температуры, измеренной термопарой с дополнительным термоэлектродом, идентичным по материалу одному из термоэлектродов термопары, и температуры, измеренной резистором, расположенным в зоне рабочего спая термопары и присоединенным к нему и дополнительному термоэлектроду, которая определяется путем измерения на нем термошумового напряжения [2]. Для измерения по этому способу требуется сложная измерительная аппаратура, которая измеряет термошумовое напряжение, амплитуда которого составляет доли и единицы микровольта. Погрешность измерения напряжения большая, что в свою очередь приводит к большой погрешности измерения температуры термопарой. Наличие в устройстве резистора, который располагается в зоне рабочего конца термопары, приводит к увеличению габаритов устройства и, следовательно, к динамической погрешности измерения.

При реализации известного способа также возникает погрешность, обусловленная термоэлектрической неоднородностью, вызванной нестабильностью термопары, приводящей к наличию распределения температуры по ее длине.

Цель изобретения - повышение точности измерения температуры термоэлектрическим преобразователем в условиях длительной эксплуатации под воздействием дестабилизирующих факторов.

Цель достигается тем, что в известном способе определения температуры, заключающемся в измерении ТЭДС первой термопары с дополнительным термоэлектродом, измеряют ТЭДС второй термопары, образованной одним из основных термоэлектродов и добавочным термоэлектродом, диаметр которого отличен от диаметра основного термоэлектрода, определяют величину отношения этих ТЭДС, находят значение коэффициента ТЭДС, а по нему - значение температуры.

На фиг.1 схематически показана термопара с добавочным термоэлектродом; на фиг. 2 - температурные зависимости ТЭДС от величины отношения ТЭДС термопары. Основные термоэлектроды обозначены (см. фиг.1) буквами "а" и "b", а дополнительный термоэлектрод - "с", температурные зависимости ТЭДС Еаb и Eac термопар, образованных термоэлектродами "аb" и "с" и их коэффициенты ТЭДС, равные γ_ab = E_ab/T и γ_ac = E_ac/T, показаны на фиг.2, где Т - значение температуры. При условии, что термопары стабильные (начало эксплуатации ТП), отношение ТЭДС S при любой температуре измерения Т_и равно S = = = . (1) Таким образом, величина S определяется через коэффициенты ТЭДС и не зависит от температуры. Под действием дестабилизирующего фактора τ (длительность эксплуатации, влияние высоких температур и т.п.) коэффициенты γ_ab и γ_ac изменяются. Закон этих изменений от влияния фактора τ неизвестен. После воздействия фактора τ коэффициенты примут значения γ_ab1 и γ_ac1. Из- меряя ТЭДС термопар E_ab1 и E_ac1 при измеряемой температуре Т_и, получим S₁= = (2) Если стабильность термопары аb больше, чем термопары ас, значение S₁будет меньше S₂, так как при работе термопар их ТЭДС уменьшается под воздействием дестабилизирующих факторов τ .

Очевидно, можно записать, что γ_ab = f_ab (τ), (3) γ_ac = f_ac (τ) (4) и, следовательно, S = = = F_τ(τ) (5) Таким образом, величина S однозначно связана с фактором τ, но зависимость (5), также как и зависимости (3) и (4), неизвестна. Зависимость (5) можно записать τ = F_s (S) (6) Подставив (6) в (3), получим γ_ab = f_ab [F_s (S)] = F_bs (S) (7) Таким образом, существует однозначная зависимость F_bs между коэффициентом ТЭДС и отношением коэффициентов ТЭДС двух термопар, которые изменяются под влиянием дестабилизирующего фактора τ .

Зная зависимость (7), можно определить действительную температуру Тд. Как следует из выражений (7) и (5), условием возможности использования способа является различная стабильность термопар. Из этого следует, что в устройстве для определения температуры по этому способу три термоэлектрода должны отличаться диаметром, так как стабильность их зависит от диаметра, либо должны быть различными по составу. Зависимость (7) определяется для конкретной конструкции (типа) ТП на предприятии-изготовителе при, например, проведении ресурсных испытаний ТП.

Определяя при измеряемой температуре значения ТЭДС термопар Е_аb и Е_ас, на основании (2) вычисляют текущее значение величины S, т.е.

S_т = E_ab/E_ac.

По известной зависимости (7) определяют текущее значение γ_ab(т), а затем - измеряемую температуру по формуле Т_д = Е_аb/γ_ab(т).

Погрешность измерения будет определяться погрешностью, с которой определяется действительное значение текущего коэффициента γ_ab(т) по зависимости (7).

Использование термопары с дополнительным термоэлектродом, идентичным по материалу одному из основных термоэлектродов, позволяет получить более высокую точность измерения, так как одинаковые по химическому составу термоэлектроды будут более точно изменять свой коэффициент ТЭДС под воздействием фактора τ (см. выражение (3) и (4). В этом случае начальная величина отношения ТЭДС равна S=1. При этом следует отметить, что при измерении величины отношения S будет достигнута более высокая точность, так как величины ТЭДС E_ab и Е_ас будут примерно равными.

Типичная зависимость γ = F (S), построенная для хромель-алюмелевой термопары с диаметром термоэлектродов 1,2 мм, с дополнительным алюмелевым электродом диаметром 1,8 мм, показана на фиг.3. Величина S изменяется от 1 до 0,95 при работе термопары 12000 ч и температуре 800^оС. Величина γ при этом изменяется от 40 до 36 мкВ/^oC.

П р и м е р. Для измерения температуры 800-900^оС используется хромель-алюмелевая термопара с основными термоэлектродами а, b диаметром 0,8 мм и дополнительным алюмелевым термоэлектродом с диаметром 1,2 мм. Термопара работает в комплекте с показывающим прибором типа ПСР. Через 500-600 ч необходимо определить погрешность термопары, не снимая ее с места эксплуатации.

Зависимость (7) можно аппроксимировать определенным алгебраическим выражением для термопары с основными и дополнительными термоэлектродами разного диаметра, зная поэлектродную зависимость нестабильности во времени.

Для термопары данной конструкции:
γ_ab= F = 60 - 20, мкВ/°C (III) при условии, что значение отношения ТЭДС лежит в пределах от 1 до 0,95.

Предположим, что прибор ПСР показывает, что измеряемая температура Т_и= 840^оС, т.е. при условии, что начальный коэффициент γ_ab принят равным γ_ab = 40 мкВ/^oC при градуировке прибора ПСР. Требуется определить действительное значение температуры.

Для этого с помощью внешнего измерительного прибора (более точного, чем прибор ПСР) измеряют значения ТЭДС Е_аb и Е_ас, т.е. ТЭДС на термоэлектродах аb и ас соответственно. Предположим, что они равны: E_ab=33,3 мВ и Е_ас=35,0 мВ. Определяют отношение
S = = = 0,95 Подставив значение S в (III), получим
γ_ab = 60 ˙ 0,95-20=37 мкВ/^oC,
(0,037 мВ/^оС). Действительное значение температуры равно
T_д= = 33,3/0,037 = 900°C Абсолютная погрешность определения температуры термопарой составляет
Δ Т = Т_и - Т_д = 840-900 = - 60^оС
Принципиально можно измерение ТЭДС Е_аb и Е_ас осуществить прибором ПСР, но в этом случае погрешность измерения величины отношения S будет равна удвоенной погрешности прибора ПСР, что нельзя считать приемлемым.

Измерение температуры можно было бы провести и в случае, если бы термоэлектрод с по диаметру был меньшим диаметра термоэлектродов а и b. В этом случае формула (III) выглядела бы по другому: с увеличением работы термопары величина S увеличилась бы, так как скорость измерения величины Е_ас была бы большей, чем Е_аb, так как нестабильность тонкого провода с была бы большей, чем толстого b.

Предложенный способ определения температуры позволяет в любой момент времени определить погрешность ТП, не снимая его с работающего объекта.

Для этого нет необходимости в стабилизации режима работы объекта с целью стабилизации коэффициента теплоотдачи и температуры ТП, как этого требует способ [1]. В процессе определения погрешности измерение температуры не прерывается.

Значение текущей погрешности ТП, которая является систематической погрешностью, позволяет ее учесть и тем самым резко увеличить технический ресурс ТП за счет обеспечения достоверности определения действительного значения температуры объектов, в частности атомных энергетических установок, с которых термопара не может быть снята для проверки без их остановки.

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ, заключающийся в измерении термоЭДС, установленной на объекте первой термопары с дополнительным термоэлектродом, идентичным по материалу одному из основных термоэлектродов, отличающийся тем, что, с целью повышения точности в условиях длительной эксплуатации под воздействием дестабилизирующих факторов, измеряют термоЭДС второй термопары, образованной вторым основным термоэлектродом первой термопары и дополнительным термоэлектродом, выполненным с диаметром, отличным от диаметра второго основного термоэлектрода, и по измеренным термоЭДС находят значение коэффициента термоЭДС первой термопары, по которому определяют искомую температуру.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3