Способ определения достоверности результатов измерения термоэлектрического преобразователя
METHOD FOR DETERMINING THE RELIABILITY OF THE MEASUREMENT RESULTS OF A THERMOELECTRIC CONVERTER

Заявляемое изобретение относится к термометрии и может быть использовано для оценки достоверности результата измерения температуры с помощью термоэлектрических преобразователей (ТЭП) в процессе эксплуатации без извлечения ТЭП с объекта измерения.
ТЭП из типовых материалов (например, хромель-копель, хромель-алюмель, нихросил-нисил и др.) имеют рассчитанные номинальные статические характеристики (НСХ), связывающие термоэлектродвижущую силу (термоЭДС) ТЭП с температурой, и обратные функции для расчета температуры, представленные в стандартах [1, 2].Кроме того, стандарты нормируют допускаемую погрешность измеренной температуры для каждого типа ТЭП [3].
При запуске ТЭП в эксплуатацию НСХ ТЭП практически совпадает со своим расчетным видом, что позволяет получать достоверное значение температуры ТЭП с использованием стандартной обратной функции. Однако термоэлектрические свойства входящих в ТЭП термоэлектродов изменяются в процессе эксплуатации под влиянием рабочей среды и температурных циклов. В результате НСХ ТЭП также изменяется и значение температуры ТЭП, рассчитываемое по стандартной обратной функции, перестает соответствовать реальной температуре объекта измерения. Для оценки достоверности показаний ТЭП без демонтажа с измеряемого объекта на современном уровне развития техники известны следующие решения.
Известен способ контроля достоверности показаний термоэлектрического преобразователя в процессе его эксплуатации (патент RU 2 325 622 C1, МПК G01K 15/00, G01K 7/02, G01K 13/12, опубл. 27.05.2008), основанный на периодическом сличении показаний рабочего ТЭП с показанием контрольного ТЭП в виде кабельной термопары, размещаемой в дополнительном канале внутри защитного чехла с рабочим ТЭП.
Недостатки данного способа: процедура сличения проводится нерегулярно и не гарантирует своевременного выявления неисправности термоэлектрического преобразователя.
Известен способ бездемонтажной оценки достоверности показаний термоэлектрического преобразователя (RU 2 262 087 C1, МПК G01k 15/00, 7/02, опубл. 10.10.2005), заключающийся в периодическом сравнении дифференциальной термоэлектродвижущей силы (дифференциальной термоЭДС) ТЭП с первоначальным значением (при вводе в эксплуатацию) при фиксированных значениях температуры. Достоверность показаний ТЭП определяется по величине изменения дифференциальной термоЭДС, которая определяется как разность приращений термоЭДС ТЭП при пропускании постоянного электрического тока прямой и обратной полярности через термоэлектроды.
Недостатки данного способа: значительная ошибка в измерении приращений термоЭДС при колебаниях температуры процесса относительно фиксированных значений в процессе диагностики; отсутствие явной связи изменения дифференциальной термоЭДС с изменением НСХ ТЭП.
Известен способ проверки соответствия сигналов термоэлектрических преобразователей действительным значениям температуры (патент RU 2 129 708 C1, МПК G01K 15/00, G01K 7/02, опубл.  27.04.1999), заключающийся в сравнении значений температуры, которые получены по основной и дополнительным термоэлектрическим парам в ТЭП, состоящем из трех термоэлектродов с общим спаем. Два термоэлектрода предлагаемого ТЭП (основная термоэлектрическая пара) выполнены из стандартных термопарных материалов, дополнительный термоэлектрод выполнен из устойчивого к условиям среды материала, который образует две дополнительные термоэлектрические пары с термоэлектродами основной пары. Расчет температуры по термоЭДС основной и дополнительных термоэлектрических пар выполняется с использованием обратных функций, полученных на этапе экспериментальной градуировки ТЭП. В случае совпадения или несовпадения значений температур основной и дополнительных термоэлектрических пар делают вывод о соответствии или несоответствии показаний ТЭП действительному значению температуры объекта измерения.
Недостатки данного способа: потребность индивидуального подбора материала опорного термоэлектрода для каждого типа термопары; необходимость экспериментального построения обратных функций для пересчета термоЭДС каждой дополнительной термоэлектрической пары в температуру; высокая ошибка при расчете температуры для термоэлектрических пар, у которых чувствительность термоЭДС к температуре мала.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ проверки достоверности показаний термоэлектрического преобразователя (патент RU 2 079 824 C1, МПК G01K 7/02, опубл. 20.05.1997), заключающийся в сравнении значений температуры, которые получены по нескольким разнородным термоэлектрическим парам в ТЭП, который состоит из не менее трех разнородных термоэлектродов, объединенных общим спаем. Расчет температуры по термоЭДС полученных термоэлектрических пар выполняется с использованием обратных функций, полученных на этапе экспериментальной градуировки ТЭП. Условием достоверности показаний ТЭП служит условно принятый предел возможного отклонения измеряемой температуры по всем термоэлектрическим парам друг от друга.
Недостатки данного способа: необходимость экспериментального построения обратных функций для пересчета термоЭДС каждой пары термоэлектродов в температуру; высокая ошибка при расчете температуры для термоэлектрических пар, у которых чувствительность термоЭДС к температуре мала; эмпирический подход к определению порогового значения возможного отклонения измеряемой температуры по всем термоэлектрическим парам друг от друга; величина порогового значения допустимого отклонения не связана с текущим значением температуры процесса, при этом допускаемое отклонение НСХ ТЭП зависит от измеряемой температуры.
Задачей данного изобретения является устранение указанных недостатков, а именно: устранение необходимости экспериментального определения обратных функций термоэлектрических пар, входящих в ТЭП; повышение чувствительности диагностического критерия к недостоверности показаний ТЭП во всем диапазоне рабочих температур ТЭП. В итоге, технической задачей изобретения является повышение достоверности измерения температуры объекта термоэлектрическим преобразователем без извлечения преобразователя с объекта измерения.
Техническая задача достигается тем, что способ определения достоверности результатов измерения термоэлектрического преобразователя, состоящего из термоэлектродов с известными термоэлектрическими характеристиками, которые соединены общим спаем, заключается в том, что по образованным термоэлектрическим парам формируют критерий достоверности результата измерений термоэлектрического преобразователя, согласно изобретения, термоэлектрический преобразователь состоит из не менее четырех разнородных термоэлектродов, для каждой пары разнородных термоэлектродов определяют термоЭДС и рассчитывают при помощи алгоритма на базе микропроцессора значения температур с использованием теоретически полученных обратных функций, а для каждой пары однородных термоэлектродов фиксируют рассогласования термоЭДС, затем рассчитанные значения температур и значения рассогласования термоЭДС совместно используют  для определения величины рассогласования в составе диагностического критерия, основанного на сравнении размаха значений рассчитанных температур с их пороговым значением и сравнении рассогласования термоЭДС с пороговыми значениями; по результатам сравнения формируют один из статусов результата измерения термоэлектрического преобразователя: «подтвержденный», «ориентирующий» или «недостоверный».
Сущность предлагаемого способа состоит в том, что для его осуществления используют ТЭП, состоящий из не менее четырех термоэлектродов с известными термоэлектрическими характеристиками, объединенных общим спаем; по образованным термоэлектрическим парам измеряют значения термоЭДС, для пар разнородных термоэлектродов с высокой чувствительностью термоЭДС к температуре рассчитывают значения температуры по измеренным термоЭДС с использованием теоретически полученных обратных функций, для пар однородных термоэлектродов с низкой чувствительностью термоЭДС к температуре фиксируют измеренные рассогласования термоЭДС, и формируют диагностический критерий, основанный на вычислении и сравнении размаха рассчитанных температур с пороговым значением, а также сравнении рассогласований термоЭДС с пороговыми значениями, по результатам сравнений результирующему измерению температуры с использованием данного ТЭП присваивается один из следующих статусов: «подтвержденный» – термоЭДС каждого термоэлектрода в составе ТЭП близка к своей НСХ (с доверительной вероятностью ), в этом случае  результирующее показание ТЭП считается достоверным; статус «ориентирующий» – термоЭДС одного или нескольких термоэлектродов в составе ТЭП незначительно отличается от НСХ, и результирующее показание ТЭП может незначительно отличаться от НСХ; при статусе «недостоверный» – термоЭДС одного или нескольких термоэлектродов в составе ТЭП существенно отличаются от НСХ (с доверительной вероятностью ), и результирующее показание ТЭП может значительно отличаться от НСХ и считается недостоверным.
Сущность изобретения поясняется следующими графическими материалами, где:
Фиг. 1 – Пример конструкции ТЭП для реализации способа;
Фиг. 2 – Блок-схема алгоритма оценки достоверности результата измерения ТЭП;
Фиг. 3 – Пример устройства для реализации способа;
Фиг. 4 – Результаты лабораторных испытаний ТЭП (таблица 1).
Способ осуществляется следующим образом.
Закон изменения термоЭДС термоэлектрода от температуры  является свойством материала термоэлектрода, находящимся в градиенте температур[4]. Соединение двух термоэлектродов в общий спай формирует термоэлектрический преобразователь (ТЭП). ТЭП из типовых материалов (например, хромель-копель, хромель-алюмель, нихросил-нисил и др.) имеют рассчитанные номинальные статические характеристики (НСХ), связывающие термоэлектродвижущую силу (термоЭДС) ТЭП с температурой, и обратные функции для расчета температуры, представленные в стандартах [1, 2].
Измерение термоЭДС отдельного термоэлектрода может быть выполнено путем соединения его с опорным термоэлектродом (например, платиновым), термоЭДС которого известна. Измеренные значения термоЭДС отдельных термоэлектродов из типовых материалов представлены в справочниках, например [5], причем, из термоЭДС отдельных термоэлектродов может быть получена термоЭДС ТЭП:
, (1)
где  – термоЭДС 1-го и 2-го термоэлектродов соответственно. Получаемая таким образом термоЭДС ТЭП соответствует стандартной НСХ для данного ТЭП, нормируемой стандартами [1, 2].
Предлагаемый способ определения достоверности результатов измерения термоэлектрического преобразователя включает ТЭП, состоящий из не менее 4 типовых термоэлектродов, термоЭДС каждого из которых известна из справочных данных, объединенных в общий спай, как показано на фиг.1. ТЭП включает термоэлектроды 1, 2, 3, 4, объединенные в спай 5. Для измерения в предложенном ТЭП доступны следующие термоЭДС:  – термоЭДС термоэлектродов 1 и 2;  – термоЭДС термоэлектродов 1 и 3;  – термоЭДС термоэлектродов 1 и 4;  – термоЭДС термоэлектродов 2 и 3;  – термоЭДС термоэлектродов 2 и 4;  – термоЭДС термоэлектродов 3 и 4. Измеренные термоЭДС разделяются на 2 группы:
1. ТермоЭДС разнородных термоэлектродов (например, хромель-алюмель, нихросил-хромель) с высокой чувствительностью к температуре (коэффициент Зеебека термоэлектрической пары ). По термоЭДС пары разнородных термоэлектродов может быть рассчитана температура на основе стандартных или рассчитанных обратных функций, полученных по справочным данным [5] с использованием соотношения (1) и построением обратной функции для полученной термоэлектрической пары в виде полинома, например, с расчетом коэффициентов полинома методом наименьших квадратов.
2. ТермоЭДС однородных или близких к однородным термоэлектродов (например, хромель-хромель, алюмель-нисил) с низкой чувствительностью к температуре (коэффициент Зеебека термоэлектрической пары ).
Рассчитанные температуры ТЭП формируют вектор, по которому вычисляются среднее значение температуры ТЭП и размах измеренных температур  соответственно:
, (2)
где  – число измеренных по ТЭП температур,
(3)
Далее, значение размаха сравнивается с пороговым значением, которое является постоянной величиной  или функцией температуры .
ТермоЭДС однородных термоэлектродов напрямую сравнивается с пороговым значением, которое является постоянной величиной  или функцией температуры .
Пороговые значения  и  могут быть рассчитаны, например, на основе допускаемых отклонений термоЭДС входящих в ТЭП термоэлектрических пар. Для формирования 3 статусов результата измерения («подтвержденный» / «ориентирующий» / «недостоверный») необходимо задать по 2 пороговых значения каждого вида.
В соответствии с фиг.2 алгоритм определения статуса результата измерения состоит из следующих шагов:
6-8 – входные данные алгоритма: классификация термоЭДС каждой пары термоэлектродов (разнородные / однородные); функции для расчета температуры по каждой паре однородных термоэлектродов; функции для расчета  и ;
9 – шаг 1: измерить термоЭДС для всех пар термоэлектродов, входящих в ТЭП;
10 – шаг 2: для пар разнородных термоэлектродов рассчитать вектор значений температуры , для пар однородных термоэлектродов сформировать вектор значений термоЭДС ;
11 – шаг 3: рассчитать среднюю температуру ТЭП  и размах температур  по (2) и (3) соответственно; рассчитать  на основе; рассчитать  и  для каждого  на основе;
12-14 – шаг 4: сравнить значения  и  с пороговыми, сделать вывод о статусе результата измерения:
- если  и  то результату измерения присвоить статус «подтвержденный»;
- если  или  то результату измерения присвоить статус «ориентирующий»;
- если  или  то результату измерения присвоить статус «недостоверный»;
15-17 – выходные данные алгоритма: результат измерения , статус результата измерения («подтвержденный» / «ориентирующий» / «недостоверный»).
Пример устройства для реализации способа представлен на фиг.3, где 19 – исследуемый ТЭП, состоящий из термоэлектродов: 1 – хромель, 2 – копель, 3 – хромель, 4 – алюмель, объединенных в спай 5 и изолированные керамической трубкой 18, причем хромелевые и копелевый термоэлектроды (1, 2) выполнены из проволоки 0,5 мм с подбором результирующей НСХ ТЭП хромель-копель под стандартную НСХ, хромелевый и алюмелевый термоэлектроды (3, 4) также выполнены из проволоки диаметром 0,5 мм с подбором результирующей НСХ ТЭП хромель-алюмель под стандартную НСХ. Выводы сформированного ТЭП 19 подключаются к клеммной колодке 20 выполненной таким образом, что температура вдоль колодки стабильна и измеряется прецизионным термометром 21. Колодка подключается к многоканальному сигма-дельта аналого-цифровому преобразователю (-АЦП) 22, который в свою очередь подключен к 32-разрядному микропроцессорному устройству 23 с пониженным энергопотреблением, выполняющему все вычислительные операции согласно представленному на фиг.2 алгоритму.
В качестве допускаемого отклонения  температуры от НСХ для испытуемого ТЭП принята функция отклонения ТЭП хромель-копель 2-го класса допуска из [1]:
(3)
где  – измеряемая температура.
На основе функции допускаемого отклонения определены функции пороговых значений размахов , , где вместо неизвестной температуры объекта измерений   используется измеренное значение температуры ТЭП .Значения  определены из отклонений термоЭДС электродов для ТЭП хромель-алюмель из [3], где вместо  также .
Результаты эксперимента для образца ТЭП представлены в таблице 1 (фиг.4), которая содержит результаты тестирования ТЭП в диапазоне температур 300-500ºС, определенные согласно указанного алгоритма на базе микропроцессора с указанием статуса термоэлектрического преобразователя.
ТЭП был протестирован диапазон температур в диапазоне температур  с шагом  непосредственно после сборки («сборка») и после ускоренных испытаний ТЭП на надежность («износ»). Ускорение процессов изменения НСХ ТЭП («износ») было достигнуто отжигом ТЭП в печи в течение 15 ч при температуре . В эксперименте после калибровки термоЭДС всех термоэлектродов не превосходят допустимого отклонения от НСХ, чему соответствует статус «подтвержденный». После ускоренных испытаний НСХ термоэлектродов ТЭП изменилось, при температурах  отклонение части  от НСХ превосходят допуск, чему соответствуют статусы «ориентирующий» и «недостоверный» (элементы вектора , отклонение которых от температуры эталона превосходят допуск, в таблице выделены заливкой).
Как видно из примера, предлагаемый способ, выполненный на базе разнородного четырех электродного термоэлектрического преобразователя, реализованный в описанном алгоритме расчетов с помощью микропроцессора, позволяет сформировать статус результата измерений термоэлектрического преобразователя: «подтвержденный», «ориентирующий» или «недостоверный», что способствует повышению достоверности результатов измерения температуры термоэлектрическим преобразователем.
Список использованной литературы
1. ГОСТ Р 8.585 – 2001. Государственная система обеспечения единства измерений. Термопары. Номинальные статические характеристики преобразования. – Введ. 2001 – 11. 21. – М.: Стандартинформ, 2010. – 81 с.
2. ASTM E601:2020. Standard Guide for Measuring Electromotive Force (EMF) Stability of Base-Metal Thermoelement Materials With Time in Air. – American Society for Testing and Materials, 2020. – 7 p.
3. ГОСТ 1790-2016. Проволока из сплавов хромель Т, алюмель, копель и константан для термоэлектродов термоэлектрических преобразователей. Технические условия. – Введ. 2017 – 04 – 01. – М.: Стандартинформ, 206. – 20 с.
4. Рогельберг И.Л. Сплавы для термопар / И.Л. Рогельберг, В.М. Бейлин. – М.: Металлургия, 1983. – 360 c.
5. Thermocouple reference tables based on the IPTS-68, 1974 / Powell R.L., Hall W.J., Hyink C.H., Sparks L.L., Burns G.W., Scroger M.G., Plumb H.H. – U.S. Department of commerce, National; Bureau of standards, 1974. – 424 p.