ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ И СПОСОБ ЕГО МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ БЕЗ ДЕМОНТАЖА С ОБЪЕКТА
THERMOELECTRIC CONVERTER AND METHOD FOR METROLOGICAL CONTROL DURING OPERATION WITHOUT DISMANTLING FROM OBJECT

Изобретение относится к термометрии и метрологии, а именно к измерению температуры термоэлектрическим преобразователем (ТЭП).
Известен термоэлектрический преобразователь, рассмотренный в патенте на изобретение РФ №2276338 «Способ проверки соответствия сигналов термоэлектрических преобразователей действительным значениям температуры». Он содержит защитный чехол, внутри которого симметрично оси защитного чехла размещены две независимые рабочие термопары, на оси защитного чехла имеется сквозной канал, предназначенный для временного размещения в нем контрольной термопары, используемой для метрологического контроля рабочих термопар.
Недостатком известного технического решения является то, что конструкция ТЭП не обеспечивает равенства температур горячих спаев сличаемых термопар при проведении метрологического контроля в процессе эксплуатации без демонтажа его с объекта, что создает систематическую погрешность при определении соответствия температуры и э.д.с.
Наиболее близкое по технической сущности к заявленному техническому решению рассмотрено в патенте РФ на изобретение №2299408 «Устройство для измерения температуры в виде термоэлектрического преобразователя».
Устройство содержит защитный чехол, внутри которого расположена термометрирующая вставка, направляющую трубку для временного размещения в ней контрольного средства измерения температуры и клеммную колодку для подключения термометрирующей вставки к коммуникационным проводам. Термометрирующая вставка представляет собой рабочую термопару, выполненную на основе термопарного кабеля в металлической оболочке с минеральной изоляцией, которая имеет осевую жесткость, необходимую для упора ее торца в торец защитного чехла, для образования теплового контакта между ними. Термометрический преобразователь в качестве контрольного средства измерения температуры использует контрольную термопару, выполненную также на основе термопарного кабеля, жесткость которой позволяет поместить ее в направляющей трубке и осуществить упор ее торца в торец защитного чехла для образования теплового контакта между ними, необходимого для выравнивания температур горячих спаев рабочей и контрольной термопар.
Недостатком известного технического решения является то, что конструкция ТЭП не обеспечивает равенства температур горячих спаев сличаемых термопар при проведении метрологического контроля в процессе эксплуатации без демонтажа его с объекта, что создает систематическую погрешность при определении соответствия температуры и э.д.с.
Задача заявляемого технического решения состоит в исключении указанного недостатка, а именно обеспечении равенства температур горячих спаев сличаемых термопар при проведении метрологического контроля в процессе эксплуатации без демонтажа его с объекта.
Для исключения указанного недостатка в термоэлектрическом преобразователе, содержащем защитный чехол, термометрическую вставку, направляющую трубку для временного размещения в ней контрольного средства измерения температуры и клеммную колодку, предлагается:
- термометрическую вставку выполнить из двух идентичных по конструкции рабочих термопар, расположенных симметрично оси направляющей трубки с совмещением их торцов с торцом защитного чехла;
- холодные концы однородных термоэлектродов рабочих термопар электрически соединить и в направляющей трубке разместить выемной теплофизический макет эталонной термопары.
В частных случаях реализации термоэлектрического преобразователя предлагается:
- во-первых, электрическое соединение холодных концов однородных термоэлектродов рабочих термопар выполнить на клеммной колодке;
- во-вторых, теплофизический макет эталонной термопары выполнить из менее дорогих материалов, чем эталонная термопара;
- в-третьих, теплофизический макет эталонной термопары выполнить из менее активируемых материалов, чем эталонная термопара.
Известно техническое решение, представленное в патенте РФ №2276338 «Способ проверки соответствия сигналов термоэлектрических преобразователей действительным значениям температур». В известном способе после определенного времени эксплуатации в канал периодически устанавливают контрольную термопару и показания каждой рабочей термопары сверяют с показаниями контрольной термопары.
Недостатком известного способа является то, что он не учитывает влияние разницы температур горячих спаев рабочих и контрольной термопар на результаты поверки, т.е. сохраняет систематическую составляющую погрешности результатов поверки. Величина этой погрешности зависит от расстояния между горячими спаями сличаемых термопар и сложившегося градиента температур в районе расположения горячих спаев сличаемых термопар.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является техническое решение, рассмотренное в патенте РФ на изобретение №2325622 «Способ контроля достоверности показаний термоэлектрического преобразователя в процессе его эксплуатации».
Способ реализуется с использованием ТЭП и заключается в периодическом размещении рабочей части контрольной термопары в направляющей трубке с упором ее торца в торец защитного чехла и сличении показаний рабочей и контрольной термопар.
Недостатком способа является отсутствие возможности сравнения показаний рабочей термопары с эталонной термопарой, что ограничивает возможность метрологического контроля.
Задача изобретения заключается в устранении указанного недостатка, а именно обеспечении возможности сравнения показаний рабочей термопары с эталонной термопарой, что ограничивает возможность метрологического контроля.
Для исключения указанного недостатка в способе метрологического контроля термоэлектрического преобразователя в процессе его эксплуатации без демонтажа с объекта, включающем периодическое размещение контрольного средства измерения температуры в направляющей трубке и сличение его показаний с показаниями термометрирующей вставки и извлечение контрольного средства измерения температуры из направляющей трубки, предлагается:
- измерение температуры в направляющей трубке выполнять эталонной термопарой;
- из направляющей трубки извлекать теплофизический макет эталонной термопары и устанавливать в нее эталонную термопару до совмещения ее торца с торцом защитного чехла;
- после завершения процедуры сличения эталонную термопару извлекать из направляющей трубки и размещать в ней теплофизический макет эталонной термопары.
Сущность изобретения поясняется графическим материалом.
На чертеже схематично показан поперечный разрез предложенного термоэлектрического преобразователя.
На чертеже приняты следующие обозначения: 1 - защитный чехол; 2 - направляющая трубка; 3 - рабочие термопары; 4 - термофизический макет эталонной термопары; а, б -термоэлектроды рабочих термопар.
Термоэлектрический преобразователь содержит защитный чехол 1, термометрическую вставку, направляющую трубку для временного размещения в ней контрольного средства измерения температуры и клеммную колодку.
Термометрическая вставка состоит из двух идентичных по конструкции рабочих термопар 3, расположенных симметрично оси направляющей трубки 2 с совмещением их торцов с торцом защитного чехла.
Холодные концы однородных термоэлектродов рабочих термопар а, б электрически соединены.
В направляющей трубке 2 размещен выемной теплофизический макет 4 эталонной термопары.
Частные случаи исполнения устройства
Во-первых, соединение холодных концов однородных термоэлектродов рабочих термопар а, б выполнено на клеммной колодке.
Во-вторых, теплофизический макет эталонной термопары выполнен из менее активируемых материалов, чем эталонная термопара, например из циркония.
1
2
1
2
1
2
Согласно законам электрических цепей термо-э.д.с. двух рабочих термопар Ε определяется выражением Е=(Е+Е)/2, где Ε и Е - показание электрически несоединенных рабочих термопар при равенстве их внутренних сопротивлений R=R (при идентичности конструкций рабочих термопар). Совместное показание двух рабочих термопар Ε соответствует температуре в точке, которая расположена на пересечении оси направляющей трубки с плоскостью расположения горячих спаев рабочих термопар, т.е. точке, в которой при метрологическом контроле располагается горячий спай эталонной термопары. Таким образом, исключается влияние различающихся температур горячих спаев контрольной и рабочих термопар на результаты их сличения, что обеспечивает исключение систематической составляющей в результатах метрологического контроля.
Отсутствие необходимости в предложенном термоэлектрическом преобразователе выравнивания температур горячих спаев рабочих и контрольной термопар за счет упора их торцов в торец защитного чехла 1 снимает требования к механическим характеристикам используемых в ТЭП термопар, что позволяет при реализации способа в качестве контрольной термопары использовать эталонную термопару, имеющую лучшие метрологические характеристики по точности по сравнению с контрольной термопарой прототипа, выполненной на основе термопарного кабеля, и этим повысить точность результатов метрологического контроля. Помимо этого становится возможным в качестве рабочих термопар использовать термопары различного исполнения, например термопары с термоэлектродами, с которыми термопарный кабель в металлической оболочке с минеральной изоляцией промышленностью не выпускается. Все это создает благоприятные условия для разработок термоэлектрических преобразователей различного исполнения, что расширяет арсенал технических средств измерения температуры, обеспечивающих контроль результатов измерений в процессе эксплуатации без демонтажа с термометрируемого объекта.
Теплофизический макет эталонной термопары может быть выполнен в нескольких вариантах при достижении одинакового технического результата. Так, например, дорогостоящие материалы, содержащиеся в эталонной термопаре, в теплофизическом макете могут быть заменены на менее дорогие. В случае работы ТЭП в нейтронных полях с целью снижения дозовых нагрузок на обслуживающий персонал при проведении метрологического контроля целесообразно теплофизический макет эталонной термопары выполнить из слабоактивируемых материалов.
Сущность способа метрологического контроля термоэлектрического преобразователя в процессе его эксплуатации без демонтажа с объекта состоит в следующем.
Способ включает периодическое размещение контрольного средства измерения температуры в направляющей трубке, сличение его показаний с показаниями термометрирующей вставки и извлечение контрольного средства измерения температуры из направляющей трубки 2.
Измерение температуры в направляющей трубке 2 выполняют эталонной термопарой.
Из направляющей трубки извлекают теплофизический макет 4 эталонной термопары и устанавливают в нее эталонную термопару до совмещения ее торца с торцом защитного чехла 1. Это позволяет обеспечить равенство уровней горячих спаев рабочих и эталонной термопар, что минимизирует градиент температур, влияющий на результат сравнения показаний термопар.
После завершения процедуры сличения эталонную термопару извлекают из направляющей трубки 2 и размещают в ней теплофизический макет эталонной термопары.
Способ осуществляют следующим образом. Термоэлектрический преобразователь устанавливают на термометрируемый объект и проводят измерение температуры объекта в течение определенного времени. В процессе эксплуатации в термоэлектродах рабочих термопар возникает термоэлектрическая неоднородность, обусловленная физико-химическими изменениями под действием температуры и окружающей среды. В результате ее появления показания рабочих термопар принимают значения, которые отличаются от первоначальных. Для определения действительной температуры объекта проводят метрологический контроль. Для этого в условиях эксплуатации из направляющей трубки извлекают теплофизический макет эталонной термопары и вводят в нее эталонную термопару до совмещения ее торца с торцом защитного чехла 1 ТЭП. При этом горячий спай эталонной термопары оказывается размещенным в точке, находящейся на середине расстояния между горячими спаями рабочих термопар. В этих условиях «совмещения» в одной точке горячих спаев рабочих и эталонной термопар проводят их сличение. После ее завершения эталонную термопару извлекают из направляющей трубки 2 и вводят в нее теплофизический макет 4 эталонной термопары. Использование в способе теплофизического макета 4 эталонной термопары позволяет проводить термометрирование объекта и метрологический контроль ТЭП при одинаковом материальном составе ТЭП, что обеспечивает неизменность температурного распределения в области размещения ТЭП и, как следствие этого, исключение систематической составляющей в результатах метрологического контроля, связанной с этим эффектом. Использование в способе в качестве контрольного средства измерения температуры эталонной термопары позволяет повысить точность результатов метрологического контроля по сравнению с прототипом, в котором используется контрольная термопара.
Пример конкретного исполнения термоэлектрического преобразователя
1
2
1
2
1
2
В обоснование предложенного технического решения был изготовлен действующий макет ТЭП. Направляющая трубка 2 выполнена из нержавеющей стали ⌀ 2,5×0,25 мм, длиной 300 мм. На боковой поверхности направляющей трубки 2 закреплены две рабочие термопары, выполненные на основе термопарного кабеля в металлической оболочке с минеральной изоляцией диаметром 1,0 мм ХА градуировки, имеющие внутренние сопротивления R=R=40,70 Ом. Горячие концы рабочих термопар совмещены и расположены симметрично относительно оси трубки. Такая сборка размещена в стальной трубке ⌀ 5,5×0,3 мм, которая выполняла роль защитного чехла ТЭП. С макетом проведены измерения термо-э.д.с. в температурном поле с искусственно созданным градиентом температур между рабочими термопарами. Показания рабочих термопар в отдельности составили Е=8,399 мВ, Е=7,372 мВ, показания электрически объединенных термопар составило Е=8,074 мВ. Разница показаний между средним арифметическим (0,5(Е+Е)) и электрически объединенными (Е) рабочими термопарами составила в единицах температуры ~0,2°С на фоне градиента температуры 73°С/см. Таким образом, результаты измерений подтвердили эффективность предложенного технического решения, связанного с исключением влияния различающихся температур горячих спаев на результаты сличения термопар.
Техническим результатом изобретения является повышение точности термометрирования.
Промышленная применимость обосновывается возможностью использования предложенных технических решений для удовлетворения потребности промышленности в термоэлектрических преобразователях, обладающих техническими средствами контроля их показаний в процессе эксплуатации без демонтажа с термометрируемого объекта и обеспечивающих повышенные показатели качества измерения.