СПОСОБ КАЛИБРОВКИ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ ТЕПЛОВЫХ ПОТОКОВ
METHOD OF CALIBRATING THERMOELECTRIC HEAT FLUX SENSORS

Область техники
Предлагаемое изобретение относится к области теплометрии и может быть использовано при калибровке датчиков теплового потока.
Уровень техники
2
В настоящее время при решении задач в области теплометрии широко применяются датчики тепловых потоков на основе дифференциальных термопар (см. US 20130215927, кл. G01K 17/00, опубл. 2013 г.), а также на основе термоэлектрического модуля, где термоэлементы изготовлены из термоэлектрического полупроводникового материала (см. http://shop.greenteg.com/wp-content/uploads/gSKTN_HeatFlux_Datasheet_v3.6.pdf). Так как данные датчики являются измерительным прибором, то для их применения, для обеспечения высокой точности необходима их калибровка, которая позволяет получить величину пропорциональности выходного сигнала данных датчиков к плотности теплового потока. Типичные единицы чувствительности - мкВ/(Вт/м). Для калибровки таких датчиков теплового потока в настоящее время известно два способа и соответствующее оборудование для их осуществления.
По одному из способов, известного, например, из US 3599474, кл. G01K 17/00, опубл. 1971 г., в датчик теплового потока встраивается эталонный тепловой источник. Калибровка, как таковая, заключается в том, что встроенный эталонный источник включается, обеспечивая прохождение через датчик заданного теплового потока, и замеряется оклик датчика теплового потока. И таким образом определяется его чувствительность.
В качестве эталонного источника может, например, использоваться напыленный на одну из его чувствительных сторон тонкопленочный резистивный нагреватель. Калибровка со встроенным нагревателем заключается в подаче постоянного тока на упомянутый резистивный нагреватель. При известной выделяемой электрической мощности и сигнале отклика датчика определяется его чувствительность. Датчик с таким способом калибровки назван самокалибрующимся, подчеркивая, таким образом, его достоинство в возможности проводить калибровку в любое время без привлечения внешнего оборудования.
Недостатком такого способа является то, что заранее известна доля тепловой мощности, выделяемая эталонным источником, которая проходит через тепловой датчик, и в наилучшем случае она равна половине электрической мощности, но, как правило, на практике такое соотношение не соблюдается, что является причиной ошибок такой калибровки.
Другим недостатком является то, что такой эталонный тепловой источник необходимо разместить в самом датчике, а это усложняет его конструкцию и удорожает производство.
Другой способ, известный, например, из RU 2452927, G01K 19/00, опубл. 2012 г., заключается в применении внешнего эталонного источника теплового потока. При известном тепловом потоке эталонного источника и соответствующем отклике калибруемого датчика теплового потока определяется его чувствительность.
Недостатком данного способа является то, что такая калибровка возможна только с применением специального оборудования, и может проводиться только периодически до использования или при периодическом обслуживании с извлечением теплового датчика из измеряемого объекта.
В связи с этим такой способ калибровки трудоемок, дорог и ограничен в периодичности применения.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является создание надежного и простого способа калибровки термоэлектрических датчиков теплового потока, не требующего применения внешних эталонных тепловых источников, и не требующего вывода тепловых датчиков из эксплуатации для процедуры калибровки или перекалибровки.
Техническим результатом предлагаемого изобретения, который объективно проявляется при его осуществлении, является высокая точность измерений, проводимых с неограниченной периодичностью.
Указанная задача и технический результат достигаются тем, что способ калибровки термоэлектрического датчика теплового потока заключается в том, что измеряются на малом переменном токе 1-20 мА собственное электрическое сопротивление датчика теплового потока и на малом постоянном токе 1-20 мА его термоэлектрическая добротность, после чего определяют чувствительность термоэлектрического датчика из следующего выражения:
где
e
S - чувствительность термоэлектрического датчика;
ACR - собственное сопротивление термоэлектрического датчика;
Z - термоэлектрическая добротность датчика;
s - площадь чувствительной поверхности термоэлектрического датчика;
α - коэффициент Зеебека (термоЭДС) термоэлемента;
2N - количество термоэлементов или спаев в термоэлектрическом датчике.
Измерительные переменный ток для измерения собственного электрического сопротивления и измерительный постоянный ток для измерения термоэлектрической добротности должны быть малыми в диапазоне 1-20 мА для обеспечения точности измерений и исключения искажений измеряемых величин.
Температурная зависимость чувствительности датчиков тепловых потоков определяется по предложенному выражению путем измерения при разных температурах в заданном температурном диапазоне собственного электрического сопротивления ACR и термоэлектрической добротности Z при известной температурной зависимости коэффициента термоЭДС α.
В предлагаемом способе для калибровки термоэлектрических, а в частности, термопарных датчиков тепловых потоков не требуется использования внешнего оборудования или встраивание эталонного теплового источника в сам датчик.
В предложенном способе калибровки используются физические свойства самого датчика и измерение его параметров, которые напрямую связаны с чувствительностью к тепловому потоку.
Использование термоэлектрических и термопарных датчиков теплового потока основано на эффекте Зеебека, возникающем в металлах (термопары) или в полупроводниковом термоэлементе (термоэлектрический модуль) при возникновении градиента температур. Оба этих типа датчиков по сути - термоэлектрические, отличающиеся только применением разных по физической природе материалов - металлов и полупроводников.
Удельная величина этого эффекта, называемая коэффициентом Зеебека, характеризует термоэлектрические свойства различных металлов и полупроводников и выражается величиной термоЭДС, возникающей при единичном по величине температурном перепаде (один градус Цельсия).
Предлагаемый способ калибровки термоэлектрических (термопарных) датчиков тепловых потоков заключается в измерении термоэлектрической добротности и собственного электрического сопротивления (измеряемого на измеренном переменном токе) датчика. И при известных его параметрах, а именно площади чувствительной поверхности, количестве термоэлементов или спаев и известной величине термоЭДС, рассчитывается его чувствительность по определенной формуле, указанной выше.
В силу того, что три используемые в формуле параметра - α, Z и ACR являются в общем случае температурно зависимыми, то полученное значение чувствительности относится к температуре измерений. Для определения чувствительности при других температурах (температурная зависимость), необходимо проводить измерения в интересующем температурном диапазоне.
В таблице 1 представлены параметры, используемые в предлагаемом способе калибровки термоэлектрических датчиков теплового потока.
В таблице 1 приведены значения параметров тока, при которых проводилась реализация способа калибровки термоэлектрических датчиков тепловых потоков: величина переменного тока, с помощью которой измеряют собственное электрическое сопротивление датчика теплового потока, и величина постоянного тока для измерения термоэлектрической добротности. В указанных интервалах значений обеспечивалась высокая точность измерений, которые можно проводить с неограниченной периодичностью, что, в свою очередь, способствует созданию надежного и простого способа калибровки термоэлектрических датчиков теплового потока, не требующего применения внешних эталонных источников и не требующего вывода тепловых датчиков из эксплуатации для процедуры калибровки.
Экспериментально установлено, что величина переменного тока, с помощью которого измеряют собственное сопротивление датчика теплового потока, должна быть малой от 1 до 20 мА, поскольку при величине переменного тока менее 1 мА и более 20 мА происходили искажения результата и потеря точности измерения. Величина постоянного тока, с помощью которой измеряют термоэлектрическую добротность, должна составлять также величину от 1 мА до 20 мА (что составляет долю 0,1-5% от максимального тока термоэлектрического модуля), поскольку при показании этого параметра менее 1 мА или более 20 мА также наблюдались искажения результата и потеря точности измерения.
Собственное электрическое сопротивление ACR термоэлектрического датчика измеряется на переменном токе, а термоэлектрическая добротность Z на постоянном токе. При этом условием измерений должны быть малые токи, чтобы не нарушить тепловое равновесие измерения. Нарушение теплового равновесия вследствие температурных зависимостей сопротивления ACR и добротности Z может привести к искажению результатов измерений.
Нарушение теплового равновесия измерений при использовании больших токов обусловлено тем, что при большом переменном токе при измерении сопротивления ACR выделяемое джоулевое тепло заметно нагревает датчик, а при подаче большого постоянного тока при измерении добротности Z образуется пропорциональная току разность температур и средняя температура датчика дополнительно отклоняется от равновесной.
С другой стороны, при использовании слишком малых токов измеряемые сигналы, которые пропорциональны приложенному току, становятся слишком малыми, начинают сказываться измерительные шумы. Ухудшается точность измерений.
Наиболее приемлемыми для измерения собственного электрического сопротивления ACR и добротности Z термоэлектрического датчика являются малые переменный и постоянный токи, соответственно, в диапазоне 1-20 мА. Что достаточно для обеспечения точности измерения, и не выводит измеряемый датчик из равновесия, и не вносит искажений в измеряемые величины.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 и 2 представлено сравнение результатов калибровки по способу с эталонным внешним источником (красное) с калибровкой по предложенному способу (синее).
Осуществление изобретения
Осуществляется предлагаемый способ калибровки термоэлектрических датчиков тепловых потоков следующим образом.
Величина перепада температур, создаваемая в датчике тепловым потоком, обратно пропорциональна теплопроводности в направлении, перпендикулярном тепловому потоку. А величина электрического сигнала на датчике - это термоЭДС, генерируемая вследствие образовавшегося перепада температур.
α
Таким образом, чувствительность датчиков теплового потока пропорциональна отношению коэффициента термоЭДС () и коэффициента теплопроводности (κ)
Коэффициент термоЭДС, по иному коэффициент Зеебека, для термопар является константой металлов, используемых в термопаре, а в термоэлектрических модулях - это коэффициент Зеебека, используемого для их изготовления полупроводникового материала.
В термоэлектрических устройствах их потребительские свойства и качество характеризуются несколькими измеряемыми параметрами - термоэлектрическая добротность Z и собственное электрическое сопротивление (измеряемое на переменном токе) ACR.
Можно показать, что при известной величине коэффициента Зеебека (термоЭДС) α и измеренных значениях термоэлектрической добротности Z и собственного электрического сопротивления ACR термоэлектрического или термопарного датчика тепловых потоков можно определить искомую чувствительность к тепловому потоку.
e
Чувствительность датчика S можно выразить как
α
f
T
где U - сигнал с датчика при прохождении теплового потока H; 2N - количество термоэлементов или спаев в датчике, или N - количество пар термоэлементов; s - площадь чувствительной поверхности датчика; R - его тепловое сопротивление перпендикулярно чувствительной поверхности, т.е. вдоль измеряемого теплового потока.
Термоэлектрическую добротность Z датчика можно выразить, как
где ACR - собственное электрическое сопротивление термоэлектрического датчика; K - теплопроводность перпендикулярно чувствительной поверхности.
Отсюда
Тогда, подставляя (4) в (2), получаем формулу для чувствительности датчика
e
Таким образом, чувствительность датчика теплового потока S определяется по приведенной формуле (5) при известных чувствительной площади поверхности датчика теплового потока s, коэффициенте Зеебека (термоЭДС) α и количества термоэлементов или спаев 2N, путем измерения термоэлектрической добротности Z датчика и его собственного электрического сопротивления ACR. При этом не требуется применения внешних эталонных тепловых источников, нет необходимости вывода датчиков из эксплуатации для процедуры калибровки, может проводиться с любой периодичностью.
Точность определяемой по предложенной формуле (5) чувствительности датчика теплового потока зависит от точности измерения величин собственного электрического сопротивления и термоэлектрической добротности.
Примеры реализации
Изготовлены четыре типа термоэлектрических датчиков тепловых потоков, изготовленных для испытаний предлагаемого способа, параметры которых приведены в таблице 2 ниже.
Проведено два типа детальных калибровок данных образцов:
1. С применением внешнего прецизионного теплового источника;
2. По предлагаемому способу калибровки термоэлектрических датчиков тепловых потоков.
Для демонстрации применимости предлагаемого способа в широком температурном диапазоне оба способа измерений проводились в температурном диапазоне -20…+80°C. Полученные результаты калибровок (эталонной и по предложенному способу) и установленные температурные зависимости чувствительности сравнивались.
Параметры термоэлектрической добротности датчика Z и его собственного электрического сопротивления ACR измерялись методом Z-метрии (описании к патенту RU 2285980, опубл. 2006 г.).
В таблице 2 и 3 и фиг. 1 и 2 приведены сравнения калибровки изготовленных датчиков по традиционному способу с внешним прецизионным тепловым источником и по предложенному способу калибровки.
В таблице 2 ниже представлено сравнение результатов калибровки по способу с эталонным внешним источником с калибровкой по предложенному способу (Образцы №1 и 2).
В таблице 3 ниже представлено сравнение результатов калибровки по способу с эталонным внешним источником с калибровкой по предложенному способу (Образцы №3 и 4).
Результаты сравнения показывают высокую сходимость результатов измерений.
Определение чувствительности датчиков по предложенному способу в пределах не более 2% сходятся с результатами эталонных изменений.
Что можно признать удовлетворительным результатом для практического использования предложенного безэталонного способа калибровки термоэлектрических датчиков тепловых потоков.
Предложенный способ калибровки датчиков теплового потока не требует применения внешних эталонных тепловых источников, не требует вывода датчиков из эксплуатации для процедуры калибровки, не содержит в себе дополнительного элемента (эталона), может проводиться с любой периодичностью и имеет высокую точность измерений.
Предлагаемый способ калибровки согласно предложенному изобретению может найти широкое применение в промышленности, а именно в области теплометрии, и может быть успешно использован при калибровке термоэлектрических датчиков тепловых потоков.