САМОКАЛИБРУЮЩИЙСЯ ДАТЧИК ТЕМПЕРАТУРЫ
SELF-CALIBRATING TEMPERATURE SENSOR

Изобретение относится к измерительной технике в области контактной термометрии, предназначено для повышения точности измерений, достигаемой за счет функции автоматической самокалибровки датчика температуры, и может быть применено для измерения температуры объектов, доступ к которым по ряду причин ограничен.
На современном уровне развития техники известны следующие технические решения, которые, в той или иной степени, можно отнести к самокалибрующимся датчикам температуры.
Известен способ измерения температуры, заключающийся в том, что измерительный термочувствительный элемент помещают в рабочую среду, измеряют сигнал, зависимый от температуры рабочей среды, измеряют сигнал на опорном элементе, и по результатам измерений, с учетом существующей функции зависимости температурного параметра чувствительного элемента от температуры, (найденного на основании зависимости параметров чувствительного и опорного элементов) вычисляют значение измеряемой температуры, при этом в качестве опорного элемента используют элемент того же типа, что и термочувствительный элемент, но с функцией зависимости характеристик от температуры, отличной от функции зависимости характеристик от температуры чувствительного элемента, опорный элемент также помещают в рабочую среду и, подвергнув опорный элемент, как и термочувствительный, воздействию измеряемой температуры, замеряют на нем сигнал, зависимый от температуры рабочей среды, и вычисляют температуру рабочей среды из зависимостей, характеризующих связь между функциями зависимости характеристик чувствительного и опорного элементов от температуры (заявка на патент РФ №2007142309, МПК G01K 7/00, опубл. 20.05.2009, БИ №14). Указанный способ, по своей сути, позволяет корректировать показания термопреобразователя по опорному, относится к способу бездемонтажной поверки датчика температуры, но не обеспечивает его самокалибровку как таковую. Функции зависимости характеристик чувствительного и опорного элементов от температуры в процессе их эксплуатации изменяются, причем изменяются по-разному, поэтому с течением времени нарастает погрешность измерений обоих термочувствительных элементов и наблюдается рост расхождения в их показаниях. Установить момент времени, когда расхождение в показаниях термочувствительных элементов станет критическим, практически невозможно. Поэтому, по прошествии некоторого времени эксплуатации требуется поверка обоих термочувствительных элементов, которую, в свою очередь, можно выполнить бездемонтажным способом, используя при этом второй опорный термопреобразователь, либо выполнить поверку в условиях метрологической лаборатории, предварительно демонтировав термопреобразователи с объекта. В этом заключается недостаток способа.
Известен измеритель температуры с самодиагностикой неисправности чувствительных элементов в процессе работы, содержащий три последовательно соединенных термочувствительных элемента: первую термопару, терморезистор и вторую термопару, причем с выводами резистора соединены спаи термопар, в каждой из которых электроды для выводов напряжения (+) и (-) выполнены из одного материала, отличающийся тем, что вторые электроды термопар для выводов тока (+), (-) выполнены из разных материалов (патент РФ на полезную модель №86306, МПК G01K 7/04, опубл. 27.08.2009, БИ №24). Данное устройство обладает недостатком, аналогичным недостатку приведенного выше способа и, по своей сути, не является самокалибрующимся датчиком.
Известен также контактный измеритель температуры, содержащий чувствительный элемент, соединенный проводниками с блоком электроники, при этом измеритель содержит модуль с веществом или смесью веществ, температуры обратимых фазовых переходов которых находятся в области диапазона измерений контактного измерителя температуры, а температура модуля совпадает с температурой чувствительного элемента (патент РФ на полезную модель №91426, МПК G01K 7/00, опубл. 10.02.2010, БИ №4). Устройство реализует способ, согласно которому в процессе эксплуатации термометра, при переходе измеряемой температуры через точку плавления вещества измерительного модуля, температура и сопротивление платинового сенсора будут на некоторое время стабилизированы. Точку стабильности сопротивления сенсора обнаруживают с помощью микропроцессора термометра, при этом температуру плавления используемого сплава, записанную в памяти процессора термометра, сравнивают с температурой, измеренной с помощью платинового термосопротивления. Разница этих температур будет являться абсолютной погрешностью термометра при данной измеренной температуре, что позволяет скорректировать зависимость платинового сопротивления от температуры и повысить точность измерения (Белоусов М.Д., Дьячук В.В., Мирзаев Д.А., Шестаков А.Л. Самокалибрующийся термометр на основе точек плавления. Конструкция и алгоритмы работы // Вестник ЮУрГУ. Серия «Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника». 2013, том 13, №1. С. 26-33). Недостаток способа заключается в том, что осуществление указанного способа в реальных условиях эксплуатации на реальном объекте невозможно, так как для этого требуется изменить температуру объекта так, чтобы она прошла через точку плавления реперного вещества, причем изменять ее необходимо с определенной скоростью, чтобы обеспечить стабильную температуру фазового перехода (плавления) в течение времени, достаточного для ее точного измерения. Указанное изменение температуры на реальном объекте, как правило, не возможно, т.к. влечет за собой нарушение технологического процесса, что может быть критическим. Данный способ применим для градировки (калибровки) термопреобразователей в стационарных лабораторных условиях, и фактически ничем не отличается от используемого мировыми метрологическими институтами способа калибровки образцовых термопреобразователей по температуре фазового перехода чистого вещества или эвтектической смеси. Таким образом, указанный способ, хотя и является способом самокалибровки, но не может быть реализован на месте (конкретном объекте). Кроме того, самокалибровка термопреобразователя осуществляется для одной температуры, а измеряется совершенно другая, которая может существенно отличаться от калибруемой, равно как и характеристика термопреобразователя - это может вносить дополнительную погрешность в измерения. Другой недостаток способа заключается в том, что модуль с реперным веществом вносит некоторое тепловое сопротивление между измеряемым объектом и термочувствительным элементом, которое при реальных измерениях влияет на результат измерения, в частности занижает его. Таким образом, рассмотренный способ не обеспечивает высокой точности измерений, его применение на реальном объекте требует нарушения технологического регламента, что, в большинстве случаев, неприемлемо.
Цель изобретения - повышение точности и достоверности измерений с одновременным увеличением межповерочного интервала.
Указанная цель достигается тем, что самокалибрующийся датчик температуры содержит термоэлектрический преобразователь, блок холодного спая, микропроцессорный блок управления и устройство охлаждения блока холодного спая, при этом блок холодного спая содержит нагреватель и опорный термочувствительный элемент, устройство охлаждения блока холодного спая установлено на головке термоэлектрического преобразователя, выходы термоэлектрического преобразователя, нагревателя, опорного термочувствительного элемента и устройства охлаждения подключены к микропроцессорному блоку управления.
Структурная схема самокалибрующегося датчика температуры представлена на фиг. 1, а временная диаграмма работы его структурных элементов в процессе самокалибровки - представлена на фиг. 2. Датчик содержит термоэлектрический (термопарный) преобразователь 1, блок холодного спая (БХС) 2, микропроцессорный блок управления 3, устройство охлаждения блока холодного спая 4, нагреватель 5 и опорный термочувствительный элемент 6. В качестве термопарного преобразователя 1 используются серийно выпускаемые термопары промышленного назначения типа R,S,B,J,T,E,K,N,A,L,M (ГОСТ Р 8.585-2001 «Термопары. Номинальные статические характеристики преобразования»). Блок холодного спая 2 вмонтирован в головку термопары 1 и выполняет одновременно функцию клеммной колодки и устройства термостабилизации температуры холодного спая термопары. Материал, из которого выполнен БХС, электроизоляционный и обладающий высокой теплопроводностью, например, бериллиевая или алюмонитридная керамика. В объем БХС вмонтированы зажимы для крепления выходов термопары, электрический нагреватель 5 и опорный термочувствительный элемент 6. Электрический нагреватель 5 может быть выполнен, например, из нихромового провода. В качестве термочувствительного элемента 6 может быть использован, например, образцовый или рабочий 1-го разряда платиновый термометр сопротивления Pt100 или Pt10, обладающий малой тепловой постоянной времени, например, τ≈5 с. Устройство охлаждения БХС 4 прикреплено к головке термопары и предназначено для охлаждения БХС после окончания процесса самокалибровки датчика. В качестве устройства охлаждения 4 может быть использован обычный лопастной вентилятор. Микропроцессорный блок управления 3 задает межкалибровочный интервал датчика, одновременно выполняет функции управления работой нагревателя 5, устройства охлаждения 4, термостатирования БХС, измеряет сигналы с опорного термочувствительного элемента 6 и термопары 1, осуществляет расчет текущего значения термоэлектрической способности термопары и корректирует ее значение, непрерывно измеряет и индицирует текущее значение температуры объекта после самокалибровки. В качестве микропроцессорного блока 3 может быть взят персональный компьютер, снабженный устройством аналого-цифрового, цифро-аналогового согласования входных и выходных сигналов, соответственно.
об
н
в
БХС
об
0
БХС,0
0
БХС,0
н
БХ
БХС
Т
1
БХС,1
Временная диаграмма работы структурных элементов самокалибрующегося датчика температуры представлена на фиг. 2, на которой I - докалибровочный режим; II - режим самокалибровки датчика; III - послекалибровочный режим (режим измерения текущего значения температуры объекта Т); U - напряжение питание нагревателя 5; U - напряжение питание вентилятора 4; Т - температура блока холодных спаев 2; Е - термоэдс термопары 1; Т - температура, измеренная термопарой 1. Датчик температуры самокалибруется следующим образом. От некоторого начального момента времени до начала самокалибровки (режим I) термопара 1 измеряет температуру объекта Т, ее значение индицируется на мониторе микропроцессорного блока 3, при этом, напряжение на нагревателе 5 отсутствует, устройство охлаждения 4 выключено, термопара 1 генерирует термоэдс Е, температура блока холодных спаев стабильна, измерена термочувствительным элементом 6 и равна Т, измеренные значения Е, Т регистрируются микропроцессорным блоком 3 и непрерывно (с заданной временной дискретностью) отображаются на его мониторе. В режиме самокалибровки (режим II) в ее начальный момент, согласно программе, заложенной в микропроцессорный блок 3, из микропроцессорного блока 3 выдается команда на включение нагревателя 5 -на нагреватель подается напряжение питания U(τ), величина которого зависит от заданной температуры термостатирования БХС и регулируется автоматически программой микропроцессора, реализующей, например, ПИД-закон регулирования. При этом микропроцессорным блоком 3 осуществляется непрерывная регистрация и отображение текущих значений термоэдс термопары Е и температуры БХС Тс, измеряемой опорным термочувствительным элементом 6. По истечении некоторого времени температура блока холодных спаев Т стабилизируется и далее с помощью микропроцессорного блока 3 поддерживается постоянной с заданной точностью, характеризуемую погрешностью термостатирования, например, равной Δ=0,05 К. Момент выхода БХС на стационарный тепловой режим автоматически определяется микропроцессорным блоком, например, по следующему критерию: если разница измеренных значений температуры БХС в течение 1 мин не превышает 0,005 К, то тепловой режим БХС можно считать установившимся. После этого микропроцессорным блоком 3 фиксируются установившиеся значения термоэдс термопары Е и температуры БХС Т. Далее, согласно программе, заложенной в микропроцессорный блок 3, выполняется расчет термоэлектрической способности термопары. Расчет выполняется по соотношению:
0
1
БХС,1
БХС,0
α=(E-E)/(Т-Т), где
α - термоэлектрическая способность термопары,
0
1
Е, Е - термоэдс термопары до и после изменения температуры БХС, соответственно,
БХС,0
БХС,1
Т, Т - температура БХС до и после изменения его температуры, соответственно.
Полученное значение термоэлектрической способности а автоматически вводится в уравнение измерения термопары и одновременно сравнивается с заложенной в микропроцессорный блок номинальной статической характеристикой термопар данного типа, предусмотренной ГОСТ Р 8.585-2001 «Термопары. Номинальные статические характеристики преобразования». При этом, используется уравнение измерения, которое имеет вид:
об
Т=Е/α,
где
Е - текущее значение термоэдс термопары.
н
н
Сравнение с номинальной характеристикой заключается в расчете разницы между номинальным значением термоэлектрической способности термопары α и измеренным значением α, т.е. α-α=Δα. Полученное значение Δα отображается на мониторе микропроцессорного блока 3 и служит информацией для диспетчера, обслуживающего объект. Начиная с данного момента времени температура объекта автоматически рассчитывается микропроцессором с учетом скорректированного значения а. На этом самокалибровка датчика закончена.
в
После окончания самокалибровки микропроцессорный блок 3 приводит БХС термопары 1 в исходное, докалибровочное, состояние (режим III). При этом микропроцессорным блоком снимается напряжение питания с нагревателя 5 и одновременно подается питающее напряжение U на устройство охлаждения 4. Устройство охлаждения 4 охлаждает БХС, в результате чего по истечении некоторого времени температура БХС становится равной температуре окружающей среды. При достижении указанного равенства микропроцессорный блок выключает устройство охлаждения 4, термопара 1 измеряет температуру объекта в штатном режиме. Процесс самокалибровки занимает непродолжительное время (не более 30 мин) и не нарушает технологический цикл объекта, при этом периодичность калибровки может быть задана любой и устанавливается либо по усмотрению диспетчера, либо согласно технологическому регламенту обслуживания объекта.
В результате применения предлагаемого самокалибрующегося датчика повышается точность и достоверность показаний термопар, кроме того, увеличивается их межповерочный интервал, при этом калибровка осуществляется без нарушения технологического цикла объекта.