Термоелектричні термометри
Вступ
Температура є одним з важливіших параметрів, а точність температурних вимірювань в значній мірі впливає на безпеку. Незважаючи на все різноманіття існуючих у цей час методів і засобів вимірювання температури найбільшого поширення одержали контактні методи.
Основу таких засобів вимірювань складають автоматичні потенціометри, мілівольтметри і мости, що працюють в комплекті з термоелектричними перетворювачами і термоперетворювачами опору. У зазначених умовах домінуючою похибкою вимірювання температури є інструментальна похибка вимірювального комплекту. Отже ставиться задача точного виміру температури, що досягається двома шляхами: 1) вдосконалення елементної бази, 2) калібрування (датчика, вимірювального каналу).
Температура як фізична величина не має властивість адитивності, тому
міру температури, подібно до того як це робиться з електричними величинами, створити не можна. Тим не менше існують різні пристрої, що дозволяють відтворювати еталонні значення температури з досить великою точністю. У всіх цих пристроях використовується сталість температури фазового переходу чистих металів. Так як чисті метали характеризуються постійними і фіксованими температурами плавлення (затвердіння), в печі можна отримати точні або так звані реперні значення температур, наприклад: алюмінію 660,1 ° С, срібла 960,8 ° С, міді 1083,0 ° С. Якщо метал нагріти або охолодити до температури фазового переходу, то ця температура остається постійною протягом - певного часу до моменту повного розплавлення або затвердіння металу. На графічній залежності температури від часу такий ефект зображується паралельною осі часу майданчиком (плато). Цей ефект можна використовувати для калібрування приладу в робочому стані. Чистий метал дозволяє багаторазово відтворювати реперні значення температури з високою точністю. Прилад, що проектується є перетворювачем температури з вбудованими калібратороми та сам вимірювальний прилад. Датчик буде містити декілька шарів чистих металів, для калібрування в широкому діапазоні температур. У більш сучасному конструктивному оформленні пристрій для відтворення реперної температури представляє собою герметичну оболонку у вигляді заповненого чистим металом графітового циліндричного тигля з герметичною пробкою. Вимірювальний прилад буде сконструйований на новітній елементній базі. Він повинен забезпечувати заданий клас точності та відслідковувати фазові переходи чистих металів з подальшим калібруванням датчика.
Однією з основних особливостей вимірювачів температури з вбудованим калібратором є необхідність розроблення методу ідентифікації фазового переходу, що супроводжується моментом плавлення (затвердіння) реперного матеріалу калібратора. Так як на час фазового переходу реперного матеріалу термо-ЕРС ТП залишається практично постійною, метод має реагувати на зменшення швидкості зміни температури кінця ТП до заданого рівня, тобто порівнювати похідну температури за часом.
У калібратора швидкість зміни температури при виході на режим
фазового переходу знижується поступово. При різниці температур робочого
кінця ТП і фазового переходу в межах 1-2 °С швидкість зміни температури не перевищує 0,03 °С / с, що в перерахунку на термо-ЕРС ТП градуювання
хромель - алюмель складе 1,2 мкВ / с. Тому АЦП повинен мати високу
чутливість, шум підсилювача не повинен перевищувати 1,2 мкВ; для
індифікації фазового переходу. Таким чином, поріг чутливості АЦП не повинен бути нижче напруги зміщення (шуму) підсилювача :
U<|ETП(t) – EТП(t+t)|< Ut
де ЕТП(t) – термо-ЕРС ТП в момент часу t,
ETП(t+t) – термо-ЕРС ТП в момент часу
t+t ,Ut – шум підсилювача,
U– чутливість АЦП.
Якщо умова не задовольняється, а швидкість наростання температури робочого кінця ТП порівняно невелика, можливо помилкове виявлення моменту фазового переходу.
Розглянемо реалізацією цифрового методу аддитивної корекції. У режимі «Калібрування» під впливом сигналу «Калібрування» спрацьовує комутатор кодів КК, забезпечуючи тим самим подачу на вхід суматора См вихідного коду постійного запам'ятовуючого пристрою ПЗП. Так як температура фазового переходу реперного матеріалу зберігається в ПЗП в додатковому коді, різниця між нею і термо-ЕРС ТП, перетвореної в код за допомогою аналого-цифрового перетворювача АЦП, переписується під дією
сигналу «Калібрування» з См в оперативно запам'ятовуючий пристрій ОЗП.
У режимі «Вимір» на один вхід См через комутатор коду КК надходить вихідний код ОЗП, на іншій - вихідний код АЦП. У результаті з його виходу знімається скоригований код перетворювача температури. Точність описаного перетворювача досить висока і практично наближається до гранично можливої при методі зразкового сигналу. Всі функції виконуватиме мікроконтролер.
Методична похибка в режимі «Калібрування» визначається випадковою
похибкою АЦП, а інструментальна - тільки похибкою відтворення температури фазового переходу і дискретністю АЦП. Інструментальна похибка у режимі «Вимір» відсутня, а методичні похибки визначаються в основному не залежними від перетворювача факторами - швидкістю дрейфу ТП і похибкою, зумовленої апроксимацією кривої похибки дрейфу прямою лінією, паралельною осі абсцис.
Похибка вимірювального перетворювача температури описується складними (нелінійними) функціями. Тому застосування суто адитивноїкорекції при вимірюванні температури в широкому діапазоні неефективно. В цьому випадку доцільно використовувати мультипликативну корекцію, яка полягає у зміні значення коефіцієнта перетворення функції перетворення пристрою корекції за допомогою сигналу, функціонально пов'язаного з відносною похибкою пристрої корекції. Відповідно з цим визначенням структурна схема вимірювального перетворювача температури з мультиплікативної корекцією похибки повинна містити крім пристрої корекції ПК, термоелектричного перетворювача ТП і проміжного вимірювального перетворювача ПВП керований масштабним перетворювачем КМП. Коригувальний множник буде реалізований як коефіцієнт алгоритму обробки за допомогою мікропроцесора.
Використання даної системи дозволить підвищити точність вимірювання температури.
Огляд літератури
Вимірювання температури
Термоелектричні термометри
Застосування термоелектричних термометрів (або інша більш сучасна назва - термо-електричні перетворювачі) для вимірювання температури засноване на залежності термоелектрорушійної сили (термо-ЕРС) термопари від температури. Термо-ЕРС виникає в ланцюзі, складеній з двох різнорідних провідників при нерівності температур в місцях з'єднання цих провідників.
Чутливим елементом перетворювача є термопара. До вільних кінців термопари приєднані дроти, що направляються до вторинних вимірювальних пристроїв, якими можуть бути магнітоелектричні мілівольтметри і потенціометри.
Термоелектричні перетворювачі широко застосовуються в енергетичних установках для вимірювання температури перегрітої пари, димових газів і т.д. Позитивними їхніми властивостями являються: великий діапазон вимірювання, висока чутливість, незначна інерційність, відсутність стороннього джерела струму і легкість здійснення дистанційної передачі показів.
Явище термоелектрики полягає в тому, що в замкнутому контурі, що складається з двох різнорідних провідників, безперервно тече електричний струм, якщо місця спаїв провідників несуть різні температури. Концентрація в міжмолекулярному просторі вільних електронів, що знаходяться в одиниці об'єму, залежить від матеріалу провідника і його температури.
При з'єднанні однаково нагрітих кінців двох провідників з різнорідних металів, з яких в одному кількість вільних електронів більше в одиниці об'єму, ніж в іншому, то електрони з провідника, де їх більше, будуть дифундувати в другій, де їх менше. Таким чином, через втрату електронів перший провідник буде заряджатися позитивно, а другий через придбання електронів - негативно. Утворюється при цьому в місці спаю різнорідних провідників електричне поле буде протидіяти цій дифузії, в результаті чого наступить стан рухомої рівноваги, при якому між вільними кінцями провідників з'явиться стабільність, однозначність і лінійність градуювальної характеристики.
До числа обов'язкових вимог відносяться стабільність градуювальної характеристики і відтворюваність у необхідних якась різниця потенціалів, тобто термо-ЕРС. З збільшенням температури провідників значення цієї термо-ЕРС також збільшується.