СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ
TEMPERATURE MEASUREMENT METHOD

Изобретение относится к измерительной технике в области термометрии и может быть использовано при научных исследованиях и диагностике различных термодинамических процессов.
Из всей совокупности известных способов измерения температуры выделены следующие технические решения, которые, так или иначе, имеют признаки, сходные с заявляемым способом.
Известен способ экстраполяции к высоким температурам от 1063°С при воспроизведении на основании закона Вина-Планка международной стоградусной шкалы температур, в котором применяется сложение нескольких яркостей, равных исходной, например, яркости черного излучателя при 1063°С, при помощи системы полупрозрачных зеркал (Авт. свид. СССР №104097, Кл. 42h, 23, заявлено 18.03.1955). Данный способ основан на принципе суперпозиции световых потоков, в результате использования которого происходит умножение исходной яркости источника на заданную величину, при этом осуществляется экстраполяция от исходной яркости к яркости, соответствующей заданной температуре, которая может значительно превышать исходную температуру 1063°С и достигает 3000°С и выше. В указанном способе прослеживается признак, сходный с одним из признаков заявляемого способа - операция экстраполяции температуры. Отличие данного способа от заявляемого в том, что он предназначен исключительно для воспроизведения температуры, а не для ее измерения, кроме того он ориентирован на радиационную термометрию, т.е. пирометрию. В контактной термометрии способ применяться не может.
Известен способ экстраполяции яркости эталонной лампы до яркости пламени при измерении температур методом обращения спектральных линий (Авт. свид. СССР №136933, Кл. 42i, 9, опубл. БИ №6, 1961). Согласно данному способу экстраполяция яркости эталонной лампы плавно производится независимым изменением коэффициентов усиления усилителей фототоков, соответствующих модулированному суммарному излучению лампы и пламени и отдельно - пламени. Способ позволяет достаточно быстро и точно измерить высокие температуры технических пламен с помощью низкотемпературной эталонной лампы по заранее отградуированному прибору. В указанном способе, также как и в предыдущем способе, прослеживается признак, сходный с одним из признаков заявляемого способа - операция экстраполяции температуры от более низкого значения к ее более высокому значению. Недостаток способа заключается в том, что ориентирован на радиационную термометрию, в контактной термометрии способ применяться не может.
Известен способ измерения высоких стационарных температур газовых сред, в котором первоначально определяют показатель термической инерции термоприемника, вычисляют величину, равную отношению разности времени окончания и начала измерения к величине термической инерции теромприемника, затем через строго определенный промежуток времени после погружения термоприемника в исследуемую среду измеряют температуру термоприемника, имеющего в начальный момент времени начальную температуру, которая меньше температуры исследуемой среды, после этого расчетным путем находят действительную температуру среды, при этом используют расчетное соотношение, которое получают из уравнения, устанавливающего зависимость реакции термоприемника на ступенчатое температурное воздействие (Авт. свид. СССР №501298, МКИ G01K 7/02, опубл. 30.01.1976, БИ №4). Недостаток способа - он предназначен только для измерения температуры газовых потоков и ориентирован только на контактные термоприемники, для радиационной термометрии способ не пригоден. Признак, сходный с одним из признаков заявляемого способа, - в данном способе используется зависимость реакции термоприемника на ступенчатое температурное воздействие.
Наиболее близким по технической сути к заявляемому способу является способ (прототип) определения температуры взвешенного слоя, согласно которому термопреобразователь располагают на массивном теле с регулируемой температурой, регистрируют показания термопреобразователя при различных температурах массивного тела, по зарегистрированным показаниям определяют средние температуры термопреобразователя и соответствующие им средние отклонения для каждой температуры массивного тела, находят зависимость средних отклонений от температуры массивного тела, из которой определяют искомую температуру взвешенного слоя, которую принимают равной температуре массивного тела, соответствующей нулевому отклонению. (Авт. свид. СССР №1597600, МКИ G01K 7/02, опубл. 07.10.1990, БИ №37). В данном способе выполняют экстраполяцию зависимости отклонений температуры (амплитуды пульсаций температуры) термопреобразователя от температуры массивного тела, на котором размещен термопреобразователь. Операция экстраполяции, используемая в данном способе, является сходной с одним из признаков заявляемого способа. Кроме того, в данном способе для нахождения искомой температуры используется зависимость отклика термопреобразователя от физического параметра - температуры массивного тела, - операция, по своей сути сходная с одним из признаков заявляемого способа.
Отличие способа-прототипа от заявляемого способа заключается в том, что он ориентирован исключительно на измерение температуры дисперсных потоков и на использование в нем контактных термопреобразователей, т.е. номенклатура областей применения способа ограничена - это его главный недостаток. Кроме того, в способе используется природное, а не искусственно созданное (как в заявленном способе), свойство измеряемого объекта (взвешенного слоя) - естественные пульсации граничных условий теплообмена на границе раздела слоя и помещенного в него тела, обусловленные силой гравитации. Указанные пульсации граничных условий естественным образом порождают пульсации температуры термопреобразователя, помещенного в слой, причем амплитуда таких пульсаций тем больше, чем больше разность температуры термопреобразователя и взвешенного слоя.
Цель изобретения - повышение достоверности и точности измерений температуры, выполняемых с помощью термопреобразователей различного типа, с одновременным расширением динамического диапазона измеряемой температуры и расширением номенклатуры измеряемых объектов.
Указанная цель достигается тем, что, согласно заявляемому способу, варьируют значениями физического параметра, задающего величину теплового потока между измеряемым объектом и термопреобразователем, для каждого значения физического параметра регистрируют отклик термопреобразователя на тепловой поток, исходящий от измеряемого объекта, по измеренным откликам термопреобразователя находят зависимость их величины от значения физического параметра, экстраполируют полученную зависимость до нулевого значения физического параметра, после чего находят величину отклика, соответствующего нулевому значению физического параметра, по найденному отклику и известной передаточной функции термопреобразователя рассчитывают температуру, которую принимают равной температуре измеряемого объекта.
Сущность способа поясняется фиг. 1, на которой представлен характерный вид зависимости отклика (T) термопреобразователя от значения физического параметра (FP), задающего величину теплового потока между измеряемым объектом и термопреобразователем.
В основу способа положены известные физические законы теплообмена - закон Ньютона-Рихмана (для теплообмена конвекцией), закон Фурье (для кондуктивного теплообмена), закон Стефана-Больцмана (для теплообмена излучением), согласно которым тепловой поток Q между двумя объектами, находящимися во взаимном энергобмене, прямо пропорционален разности температур данных объектов:
где
0
T - температура первого (измеряемого) объекта,
ТП
Т - температура второго объекта (термопреобразователя).
0
ТП
0
ТП
0
ТП
0
ТП
ТП
ТП
0
Из данных законов следует, что, чем больше величина теплового потока Q, тем больше разность температур ΔT, при этом, в случае равенства температур T=Т, тепловой поток между ними равен нулю (Q=0). Это означает, что при экстраполяции зависимости разности температур объектов от величины теплового потока ΔT=ƒ(Q) до нулевого значения теплового потока (Q=0) получают нулевую разность температур ΔT=0, т.е. равенство температур объектов T=Т. При этом, когда один из объектов (измеряемый объект) намного более массивен или объемист, обладает гораздо большей полной теплоемкостью, чем второй объект (термопреобразователь), то температура первого объекта, сама по себе, не зависит от величины теплового потока и остается неизменной (Т=const). В этом случае разность температур целиком и полностью определяется только температурой Т второго объекта (термопреобразователя). Это делает правомерной операцию экстраполирования температуры второго объекта (термопреобразователя) от некоторой заданной величины теплового потока до его нулевого значения, которому соответствует температура первого (измеряемого) объекта и в этом случае она равна температуре второго объекта (термопреобразователя), т.е. T=Т. Из этого следует, что если измерить температуру второго объекта (термопреобразователя) для нескольких различных величин теплового потока между ним и измеряемым объектом, затем по измеренным температурам найти зависимость Т=ƒ(Q) температуры второго объекта от теплового потока и выполнить экстраполяцию полученной зависимости до нулевого значения теплового потока, то можно найти температуру первого (измеряемого) объекта, т.е. Т=Т при Q=0. При этом, главное требование для осуществления способа - измеряемый объект должен быть намного более массивен или объемист, обладал гораздо большей полной теплоемкостью, чем второй объект (термопреобразователь). Это означает, что термопреобразователь не должен существенно искажать тепловое состояние измеряемого объекта, что является общепринятым и общеизвестным требованием в термометрии. Данные рассуждения положены в основу заявляемого способа.
Так как непосредственное измерение величины теплового потока является сложной задачей и в настоящее время осуществляется с относительно высокой погрешностью, поэтому в заявляемом способе предлагается измерять не сам тепловой поток Q, а физический параметр (FP), который задает величину теплового потока между измеряемым объектом и термопреобразователем. При этом, его значение либо заранее точно известно, либо может быть измерено с заданной точностью. Данный физический параметр непосредственно характеризует величину теплового потока между измеряемым объектом и термопреобразователем, с его помощью осуществляется варьирование величиной указанного теплового потока, причем связь между физическим параметром и тепловым потоком всегда линейная и в общем виде может быть представлена как:
где
К - коэффициент пропорциональности, который априори неизвестен, для конкретно взятой совокупности измеряемый объект-термопреобразователь является величиной постоянной, и его знание не требуется при осуществлении способа.
ТПi
i
i
ТП
0
При измерениях температуры объекта, выполняемых согласно заявленному способу, получают набор откликов термопреобразователя Т на различные заданные значения физического параметра FP (точки на фиг. 1). При этом общеизвестно, что i-ая температура термопреобразователя находится по его i-му отклику T на данную температуру с учетом заранее известной передаточной функции термопреобразователя, в качестве которой выступает стандартизованная номинальная статическая характеристика термопреобразователя. Количество измеренных откликов определяют индивидуально для конкретной совокупности измеряемый объект - термопреобразователь, обычно достаточно иметь 5-10 измеренных значений. После этого находят аппроксимирующую зависимость измеренных откликов от физического параметра (штриховая линия на фиг. 1), и затем выполняют ее экстраполяцию до нулевого значения физического параметра, т.е. выполняют т.н. ретроградную экстраполяцию. Значение отклика термопреобразователя Т при нулевом значении физического параметра принимают эквивалентным температуре Т измеряемого объекта. При этом, для перехода от отклика к температуре используют заранее известную передаточную функцию конкретно взятого термопреобразователя, в качестве которой, как было указано выше, выступает стандартизованная номинальная статическая характеристика термопреобразователя.
В качестве физического параметра, с помощью которого осуществляют варьирование тепловым потоком между измеряемым объектом и термопреобразователем, в зависимости от особенностей совокупности измеряемый объект-термопреобразователь, могут выступать различные физические величины, в частности:
1. В радиационной термометрии (измерение высоких температур), где измерение температуры объекта выполняется неконтактными способами с помощью термопреобразователей - различных фотоприемников, в качестве физического параметра, например, можно брать коэффициент поглощения оптического излучения от объекта промежуточной средой, находящейся между измеряемым объектом и термопреобразователем. Для варьирования величиной теплового потока от объекта (в данном случае - лучистого теплового потока) можно использовать светопоглощающие фильтры, коэффициент поглощения которых точно известен и которые при измерениях устанавливают поочередно между измеряемым объектом и термопреобразователем. В этом случае физическим параметром является коэффициент поглощения светофильтра, а аппроксимирующая зависимость представляет собой зависимость отклика (сигнала) фотоприемника от коэффициента поглощения светофильтра, при этом экстраполяция осуществляется до нулевого значения коэффициента поглощения светофильтра. Причем роль передаточной функции термопреобразователя (фотоприемника) играет спектральная чувствительность фотоприемника. 2. В контактной термометрии (измерение высоких, умеренных и низких температур), где измерение температуры объекта выполняется контактными способами с помощью термопреобразователей - термопар и термометров сопротивления, в качестве физического параметра можно брать, например, расход теплоносителя, охлаждающего или нагревающего термопреобразователь относительно температуры измеряемого объекта. Это предполагает размещение термопары или термометра сопротивления на специальном зонде, температуре которого можно изменять за счет прогонки через него теплоносителя (жидкости или газа) с заданным точно измеряемым расходом. В данном случае аппроксимирующая зависимость представляет собой зависимость отклика термопреобразователя от величины расхода теплоносителя, а экстраполяция осуществляется до нулевого расхода теплоносителя.
В качестве физического параметра в контактной термометрии можно также брать мощность электрического нагревателя, который изменяет (повышает) температуру зонда, на котором размещен термопреобразователь. В данном случае аппроксимирующая зависимость представляет собой зависимость отклика термопреобразователя от величины электрической мощности, а экстраполяция осуществляется до ее нулевой величины. При этом роль передаточной функции термопреобразователя выполняет или термоэдс (для термопар), или тепловой коэффициент сопротивления (для термометров сопротивления).
Таким образом, для всех возможных случаев термометрии, в отношении признака физический параметр, обобщающим признаком является физический параметр, задающий величину теплового потока между измеряемым объектом и термопреобразователем. Выбор данного параметра в каждом конкретном случае явно следует из условий конкретных измерений и определяется пользователем заявленного способа самостоятельно.
Заявленный способ оказывается незаменимым техническим решением в случаях, когда другие способы неработоспособны, либо не могут обеспечить заданную точность результатов измерений. Например, если требуется измерить высокую температуру объекта контактным методом. Такая ситуация возникает, когда пирометрические методы измерения температуры ввиду неточности, либо полного отсутствия данных о спектральной излучательной способности объекта не обеспечивают достоверного измерения его температуры, а неохлаждаемые контактные термопреобразователи не могут быть использованы ввиду превышения измеряемой температурой верхнего предела динамического диапазона термопреобразователя. В качестве примера можно привести проблему точного измерения температуры газового или дисперсного потока, обладающего температурой 3000 К и выше. Благодаря предложенному способу данная проблема решается за счет использования охлаждаемых контактных термопреобразователей (как рассмотрено в примере осуществления способа), где роль физического параметра играет расход теплоносителя, который обеспечивает варьирование тепловым потоком между высокотемпературным объектом и охлаждаемым контактным термопреобразователем.
Другой случай востребованности способа - проблема пирометрического измерения сверхвысоких температур (4000 К и выше), для которых, при пирометрических измерениях используют фильтр, ослабляющий излучение от измеряемого объекта, при этом может допускаться довольно высокая погрешность. Использование же нескольких ослабляющих фильтров, согласно предложенному способу, существенно повышает точность измерений и одновременно расширяет измеряемый температурный диапазон.
В сравнении с известными способами заявленный способ более универсален, охватывает практически неограниченную номенклатуру измеряемых объектов, ориентирован на все типы термопреобразователей, имеет практически неограниченный температурный диапазон и обеспечивает высокую точность измерений.