УДЛИНИТЕЛЬНЫЙ ПРОВОД ТЕРМОПАРЫ
THERMOCOUPLE EXTENSION CORD

Эта заявка на патент испрашивает приоритет предварительной заявки на патент США № 60/982292, поданной 24 октября 2007 г.
Предшествующий уровень техники
Термопары, используемые для измерений высокой температуры, как правило, изготавливаются из благородных металлов, например платины и сплавов платины. Самыми распространенными являются (1) Тип R термопар, у которых положительный вывод выполнен из платины и 13%-ного родия и отрицательный вывод из платины, и (2) Тип S термопар, у которых положительный вывод выполнен из платины и 10%-ного родия и отрицательный вывод из платины.
Недостатком термопар из благородных металлов является их высокая стоимость, причем стоимость пропорциональна длине проводов термопары из платины/родия и платины.
В промышленной среде измерительная аппаратура, у которой находится холодный спай, как правило, размещена удаленно от термопары. В частности, там, где измеряется температура расплавленных металлов, измерительная аппаратура, используемая для измерения выхода эдс термопары, как правило, находится на большом расстоянии, например 100 футов (30 метров), от рабочего спая термопары. Проводка 100 футов (30 метров) или больше термопары из благородных металлов до рабочего спая может стоить недопустимо дорого. Кроме того, там, где, например, термопара используется только для одного или нескольких измерений, что обычно имеет место при измерении температуры расплавленных металлов, использование термопары из благородных металлов, которая может иметь длину около 100 футов (30 метров) или больше, является еще более недопустимым.
В системах измерения температуры, которые используют термопару из благородных металлов для измерения температуры расплавленных металлов, длина проводов термопары из благородных металлов, как правило, минимизируется посредством присоединения в соединительном устройстве, часто называемом датчиком или измерительным наконечником, соединяющего провода, выполненного из менее дорогостоящих сплавов металлов/металла, для соединения термопары с дистанционным измерительным прибором. Такой соединительный провод обычно называют удлинительным проводом.
Удлинительный провод можно использовать для соединения термопары с дистанционным измерительным прибором с сохранением приемлемой точности измерения для большинства применений посредством (1) выбора термоэлектрических свойств удлинительного провода, которые являются, в основном, идентичными свойствам термопары из благородных металлов, к которой он присоединяется, по диапазону температуры, в котором функционирует удлинительный провод, и (2) поддержания спая положительного провода термопары и положительного удлинительного провода при температуре, идентичной температуре спая отрицательного провода термопары и отрицательного удлинительного провода. При этих условиях напряжение, измеряемое в холодном спае, является, в идеальном случае, функцией только разности температур между рабочим спаем и холодным спаем, независимо от температуры спаев, образовавшейся в соединении проводов термопары и удлинительных проводов. Традиционно, удлинительный провод для соединения с положительным выводом термопары из благородных металлов изготавливается из чистой меди, а удлинительный провод, соединяющийся с отрицательным выводом, изготавливается из медно-никелевого сплава. Выбор конкретного типа материала для приведения в соответствие термоэлектрических свойств одного типа удлинительного провода со свойствами термопары из благородных металлов для минимизации ошибок из-за несоответствия термоэлектрических свойств между термопарой и удлинительными проводами описан в патентах US 3926681 и US 4002500. Ошибка измерения из-за различия в температурах в спаях термопары и удлинительных проводах из-за несоответствия термоэлектрических свойств удлинительного провода элементу термопары обсуждается в "Manual on the Use of Thermocouples in Temperature Measurement", ASTM Pub. 470B, 1981, стр.27-35.
Как рассматривалось выше, разность температур, возникающая между положительным и отрицательным спаями термопары и удлинительного провода (далее в этом документе называемые промежуточными спаями), в результате приводит к ошибке измерения эдс термопары. В известном уровне техники не обсуждается то, что эта разность температур между промежуточными спаями может являться результатом различия в тепле, перетекающем из положительного промежуточного спая в охладитель, соответствующий холодному спаю, и тепле, перетекающем из отрицательного промежуточного спая в охладитель, соответствующий холодному спаю. Различие в тепловых потоках в результате приводит к очевидному охлаждению одного из спаев в условиях, когда оба спая получают равный приток тепла. Эта разность температур увеличивается пропорционально времени, в течение которого на термопару, более конкретно, промежуточные спаи, воздействует условие прогрессивного увеличения тепла в результате воздействия окружающей высокой температуры.
Увеличение точности измерений температуры благородных металлов и, в частности, увеличение точности измерения температуры расплавленных металлов может являться экономическим преимуществом для промышленности. Следовательно, было бы желательным сократить дифференциальный тепловой поток из спаев термопары и удлинительных проводов через удлинительные провода термопары.
Сущность изобретения
Вышеупомянутая проблема решена в настоящем изобретении. Отличительные признаки изобретения описаны в независимых пунктах формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления описаны в зависимых пунктах формулы изобретения. Предложена система термопары. Система термопары включает в себя термопару, имеющую положительный вывод и отрицательный вывод. Положительный провод соединен на первом конце с положительным выводом в первом спае, и на втором конце - со вторым спаем. Отрицательный провод соединен на первом конце с отрицательным выводом в третьем спае, и на втором конце - с четвертым спаем. Второй и четвертый спаи составляют холодный спай. По меньшей мере, одно из теплопроводности и диаметра, по меньшей мере, одного из положительного провода и отрицательного провода выбраны для управления соответствующими тепловыми потоками из первого спая в холодный спай и тепловым потоком из третьего спая в холодный спай для достижения таких величин, что различие в тепловых потоках меньше предварительно определенной величины.
Краткое описание чертежей
Вышеизложенная сущность изобретения, а также следующее подробное описание изобретения будут лучше понятны из описания предпочтительных вариантов осуществления, не являющихся ограничительными, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 - блок-схема термопар A, B и C;
фиг.2 - блок-схема цепи термопары;
фиг.3 - диаграмма зависимости эдс от температуры цепи термопары;
фиг.4 - схема известного датчика температуры;
фиг.5a - схема датчика температуры первого варианта осуществления настоящего изобретения;
фиг.5b - схема датчика температуры второго варианта осуществления настоящего изобретения;
фиг.5c - схема датчика температуры третьего варианта осуществления настоящего изобретения.
Подробное описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения
Reference
Intermediate
Intermediate
Measure
Measure
A
B
C
На фиг.1 изображены две термопары, причем обе с идентичными термоэлектрическими свойствами. Комбинация первой термопары A с ее холодным спаем при T=32°F и ее рабочим спаем при некоторой промежуточной температуре I и второй термопары B с ее холодным спаем при промежуточной температуре I и ее рабочим спаем при температуре, которая должна быть измерена, T, эквивалентна одной термопаре с ее холодным спаем при 32°F и ее рабочим спаем при температуре, которая должна быть измерена, T, то есть эдс+эдс=эдс, где эдс - электродвижущая сила, создаваемая термопарой(ами). Просто утверждается, что если соотношение температуры и эдс термопары известно для одной контрольной температуры, то эдс, генерируемую при любой другой контрольной температуре, можно предсказать.
Reference
Intermediate
Практическим следствием является то, что пара A удлинительного провода, имеющая термоэлектрические характеристики, идентичные термоэлектрическим характеристикам пары B термопары, но изготовленная из других материалов, может быть вставлена в цепь термопары (например, между T и I) без оказания влияния на фактическую эдс, которая может быть измерена цельной термопарой C.
Во многих промышленных применениях, использующих удлинительные провода, соединяющиеся с термопарой в корпусе, где температура в рабочем спае может превышать 2500°F, промежуточные спаи, расположенные в корпусе, в результате приводят к температуре промежуточного спая, которая не превышает 400°F. Аналогично, на практике холодный спай в измерительной аппаратуре не опускается ниже 32°F. Следовательно, так как диапазон температур, в котором функционируют удлинительные провода, ограничен, то удлинительные провода, выполненные из материалов, которые являются менее дорогостоящими, чем термопары из благородных металлов, часто используются в промышленных применениях для удлинения термопары до холодных спаев. В идеальном случае, во избежание неточности, удлинительные провода и термопара из благородных металлов должны соответствовать по термоэлектрическим характеристикам так, что дифференциальная электродвижущая сила (эдс), обнаруживаемая между этими двумя удлинительными проводами, должна быть, по существу, равной, и по полярности и по величине, дифференциальной эдс, обнаруживаемой между двумя проводами термопары из благородных металлов, при любой температуре в пределах диапазона от 32°F до 400°F.
x
x
I
x
x
R
На фиг.2 изображено использование удлинительных проводов (P, N) в цепи термопары типа S и типа R, где термопара P, N из благородных металлов соединена с промежуточными спаями в точке T, и удлинительные провода P, N вставлены между промежуточными спаями и холодными спаями, находящимися в точке T. Выход такого узла термопары может быть вычислен посредством суммирования напряжений всех спаев, например, между температурами в каждой крайней точке.
px
I
R
где E - эдс между точкой T и T,
P
M
I
E - эдс между точками T и T,
N
I
M
E - эдс между точкой T и T, и
NX
R
I
E - эдс между точками T и T
Было установлено, что существуют источники ошибки измерения температуры термопары, отличные от ошибок, привнесенных удлинительным проводом, не имеющим соответствующих термоэлектрических свойств (эдс). Преимущество уменьшения этих ошибок может намного отличаться от преимуществ приведения в соответствие характеристик эдс удлинительных проводов и термопары. Одна из этих ошибок (и соответственно предмет этого изобретения) возникает, когда существует разность температур между спаями, в которых каждый провод термопары связан с соответствующим ему удлинительным проводом, даже если пара удлинительного провода точно соответствует эдс термопары при каждой температуре.
(PX до P)
(NX до N)
Согласно фиг.2 пусть: T≠T.
На фиг.3 показана диаграмма зависимости эдс от температуры для положительного (P) и отрицательного (N) проводов P и N термопары и соответствующих удлинительных проводов PX и NX. См. "Manual on the Use of Thermocouples in Temperature Measurement", ASTM Pub. 470B, 1981, стр.34. Следующие соотношения применяются при любой температуре T в пределах рабочего диапазона удлинительных проводов:
выход термопары = выход пары удлинителя
P
N
PX
NX
E-E=E-E;
перегруппировка
P
PX
N
NX
E-E=E-E.
P
N
P
N
Если разность температур выходит между двумя спаями, где P соединяется с PX в T, и N соединяется с NX в T, то есть T≠T, то нежелательная эдс будет существовать через эти два спая величиной:
P
PX
TP
N
NX
TN
ΔE=(E-E)-(E-E)
P
PX
TP
P
PX
TN
ΔE=(E-E)-(E-E).
P
N
P
N
Знак ΔE при T≠T, независимо от того, приведет ли в результате ошибка к положительному или отрицательному отклонению, будет зависеть от величины T≠T и соотношения эдс PX и NX к P и N.
P
N
P
N
Существует несколько причин ошибок, получающихся из условия, когда T≠T, которое свойственно промышленным узлам термопары. Наблюдается увеличивающаяся вероятность ошибки при T≠T в узлах термопары, имеющих непропорционально длинные удлинительные провода по сравнению с длиной проводов из благородных металлов термопары. Это состояние очень распространено в системах термопары из благородных металлов на основе платины, где длина термопар из благородных металлов делается настолько короткой, насколько это возможно, из-за стоимости металлов на основе платины по сравнению со стоимостью удлинительных проводов.
P
N
Дальнейшее увеличение ошибок наблюдается в узлах термопары при T≠T, где существует неравенство в диаметре удлинительного провода по сравнению с проводом термопары из благородных металлов. Оно очень явное в доступных устройствах термопары типа, описанного, например, в патентах GB 719026, US 2993944, US 2999121 и US 3298874.
P
N
Дальнейшее увеличение ошибок наблюдается в узлах термопары при T≠T, где существует неравенство диаметра физического провода между проводниками удлинительного провода, которые являются промежуточными в температурных цепях, обеспечивающих средства для непосредственного соединения и разъединения частей цепи термопары. В патенте US 4229230 раскрыт пример такой асимметрии в соединительном элементе.
Другим источником ошибки при измерении температуры при использовании удлинительных проводов в цепях термопары, кроме вышеупомянутых эффектов эдс, является источник ошибки из-за различия в тепловом потоке в удлинительных проводах PX и NX из промежуточных спаев с более высокой температурой в холодные спаи с более низкой температурой. Различие в тепловом потоке приводит к различию в температуре между положительными и отрицательными промежуточными спаями в тех случаях, когда теплопроводность между положительными и отрицательными спаями не является неограниченной. Краткий обзор законов стационарной одномерной теплопроводности поможет объяснить трудности, устраненные в этом изобретении.
Когда существует градиент температуры в пределах тела, например, удлинительного провода, то тепловая энергия перетекает из области высокой температуры в область низкой температуры. Это явление известно как теплопередача проводимостью и описывается законом Фурье. Для одномерного теплового потока:
,
2
где удельный тепловой поток q (ватт/метр) зависит от данного профиля T температуры, и коэффициент k теплопроводности (ватт/метр-кельвин) является скоростью теплопередачи на единицу площади, перпендикулярной направлению передачи. Знак "минус" является условной величиной, указывающей на то, что тепло течет в направлении убывания градиента температуры.
Если тепловой поток, измеренный в ваттах, является потоком через определенную площадь A поперечного сечения, то уравнение обращается в:
Интегрирование уравнения теплового потока по диаметру Δx материала дает
1
2
где T и T - температуры на двух границах тела.
С таким пониманием теплопроводности можно далее посмотреть на то, как различие в теплопроводности удлинительных проводов может в результате привести к реальным температурным ошибкам.
Например, большинство систем термопары из благородных металлов используют пару удлинительного провода из меди и медно-никелевого сплава для соединения в промежуточных спаях термопары из благородных металлов, имеющей рабочий спай термопары, с измерительным прибором, имеющим холодные спаи. Каждая из структур в промежуточных спаях и холодных спаях разработана для поддержания положительных и отрицательных спаев, по существу, при одинаковой температуре. Однако из-за того, что положительный промежуточный спай и отрицательный промежуточный спай должны быть электрически изолированы, теплопроводность между этими спаями конечна, и соответственно положительные и отрицательные спаи не могут поддерживаться при одинаковой температуре.
Коэффициент k теплопроводности при 68°F медного провода, заданный для удлинительного провода Национальными и Международными организациями по стандартам, для удлинения положительного термоэлемента термопары из благородных металлов равен приблизительно 390 Вт/(м·К) (ватт/метр-кельвин), при этом коэффициент теплопроводности медно-никелевого удлинительного провода для удлинения отрицательного провода равен приблизительно 85 Вт/(м·К). Если приток тепла к более горячему концу каждого из двух участков удлинительного провода поддерживается при одной и той же величине и площадь поперечного сечения каждого провода идентична, то более горячий конец провода с более высокой теплопроводностью со временем будет при более низкой температуре, чем провод с более низкой проводимостью, из-за большей потери тепла проводящего материала до более холодного конца (холодного спая) провода. Соответственно, более холодный конец удлинительного провода с более высокой проводимостью будет при немного более высокой температуре, чем удлинительный провод с более низкой проводимостью, из-за большего теплового потока в направлении этого конца. Этот эффект определяется тепловой и электрической изоляцией, обычно выполняемой вокруг каждого провода и отделяющей каждый провод от теплообмена с окружающей средой и способствующей электрической изоляции. С непрерывным притоком тепла на более горячем конце проводов градиент температуры вдоль удлинительного провода между горячим и холодным концами каждого отдельного провода будет все больше и больше отличаться, что в результате будет приводить к большим ошибкам в измерении температуры, как объясняется со ссылкой на фиг.3.
Тепловой поток в удлинительных проводах является функцией коэффициента теплопроводности и диаметра провода. Поэтому тепловым потоком в соответствующих удлинительных проводах можно управлять посредством выбора конкретных величин для диаметра проводов, коэффициента теплопроводности проводов или и того и другого. На практике, в случае систем термопары из благородных металлов, простое достаточное уменьшение диаметра медного удлинительного провода и увеличение диаметра медно-никелевого удлинительного провода, традиционно используемых с термопарами из благородных металлов, для выравнивания теплового потока в цепях удлинительного провода, как оказалось, является практически нецелесообразным из-за того, что более тонкий медный провод подвержен обрыву, и/или провод из медно-никелевого сплава большего диаметра имеет стоимость неприемлемо высокую. Следовательно, требуется выбрать альтернативные материалы для удлинительных проводов, чтобы их коэффициенты проводимости обеспечивали тепловое выравнивание в пределах приемлемого диапазона диаметра провода и термоэлектрических характеристик.
На фиг.4 представлен пример известной системы 10 термопары, содержащей датчик 12, включающий в себя термопару 14 из благородных металлов, имеющую рабочий спай 16 и положительный и отрицательный выводы 14a, 14b термопары, измерительный прибор 28, включающий в себя холодные спаи 26a, 26b и удлинительные провода 24a, 24b, соединяющие датчик 12 с измерительным прибором 28. Датчик 12 также включает в себя холодные спаи 18a, 18b и спаи 22a, 22b соединителя. Соединительные провода 20a, 20b соединяют положительный и отрицательный выводы 14a, 14b термопары со спаями 22a, 22b соединителя. Удлинительные провода 24a, 24b соединяют соединительные провода 20a, 20b с холодными спаями 26a, 26b.
В известной системе 10 термопары (фиг.4) соединительный провод 20a и удлинительный провод 24a, соединенный с положительным выводом 14a термопары 14, традиционно изготавливаются из меди (Cu), номинальный коэффициент теплопроводности которой приблизительно равен 390 Вт/(м·К) при 68°F. Соединительный провод 20b и удлинительный провод 24b, связанный с отрицательным выводом 14b термопары 14, выполнены из медно-никелевого сплава (CuNi), номинальный коэффициент теплопроводности которого равен 85 Вт/(м·К) при 68°F. Поскольку материалы 20b и 24b имеют, в идеальном случае, идентичные термоэлектрические характеристики, и материал 20a и 24a имеют идентичные термоэлектрические характеристики, то эта система термопары измеряет идентично системе, имеющей один проводник между спаями 18b и 26b, а также 18a и 26a. Однако в известной системе, например, рассмотренной выше, тепловой поток через положительные соединительный/удлинительный провода 20a, 24a в холодный спай 26a отличается от теплового потока через отрицательные соединительный/удлинительный провода 20b, 24b в холодный спай 26b из-за свойственных различий в теплопроводности и радиации соответствующих удлинительных/соединительных проводов. Различие в тепловом потоке может в результате привести к ошибке измерения из-за дифференциальной эдс, возникающей в спаях 18a, 18b.
На фиг.5a изображен первый предпочтительный вариант осуществления изобретения, имеющий положительный сегмент 24a' удлинительного провода, отличный от 24a, и который идентичен известной системе по фиг.4 во всех других отношениях, кроме специально описанных. В первом предпочтительном варианте осуществления предпочтительным материалом для удлинительного провода 24a' является сплав меди и марганца (CuMn), номинальный тепловой коэффициент которого равен 155 Вт/(м·К) при 68°F, который может изменяться в пределах 145-190 Вт/(м·К) по мере изменения температуры в пределах от 32°F до 400°F. Предпочтительно, процент марганца в удлинительном проводе 24a' равен 1%+/-0,35%. В первом предпочтительном варианте осуществления теплопроводность и/или диаметр удлинительных проводов 24a', 24b выбраны так, что тепловым потоком из каждого из холодных спаев 18a, 18b в направлении рабочих спаев 26a, 26b можно управлять так, что тепловой поток из спая 18a в направлении холодного спая 26a и тепловой поток из спая 18b в направлении холодного спая 26b являются такими, что величина соответствующих тепловых потоков отличается меньше, чем на определенную величину, и, предпочтительно, по существу, равны по величине.
На фиг.5b изображен второй предпочтительный вариант осуществления изобретения, имеющий положительный соединительный провод 20a', отличный от 20a, и который идентичен известной системе по фиг.4 во всех других отношениях, кроме специально описанных. Во втором варианте осуществления использование соединительного провода 20a' с более низкой теплопроводностью служит терморазрывом. Во втором варианте осуществления предпочтительным материалом для соединительного провода 20a' является сплав меди и марганца (CuMn), номинальный тепловой коэффициент которого равен 155 Вт/(м·К), который может изменяться в пределах от 140 до 190 Вт/(м·К) по мере изменения температуры в пределах от 32°F до 400°F. Предпочтительно, процент марганца в соединительном проводе 20a' равен 1%+/-0,35%. Во втором предпочтительном варианте осуществления теплопроводность и/или диаметр соединительных проводов 20a', 20b выбраны так, что тепловым потоком, проводимым через соединительные провода 20a', 20b из каждого из холодных спаев 18a, 18b в направлении удлинительных проводов 24a, 24b, управляют так, что тепловой поток предпочтительно, но не обязательно, по существу, является равным, когда удлинительные провода 24a, 24b Cu/CuNi соединены с холодными спаями 26a, 26b. Заметим, что хотя соединительные провода 20a', 20b изображены в пределах датчика 12, они могут быть внешними для датчика 12.
На фиг.5c изображен третий предпочтительный вариант осуществления изобретения, имеющий положительный соединительный провод 20a' и положительный удлинительный провод 24a', и который идентичен известной системе по фиг.4 во всех других отношениях, кроме специально описанных. В третьем варианте осуществления предпочтительным материалом для соединительного провода 20a' и удлинительного провода 24a' является сплав меди и марганца, номинальный тепловой коэффициент которого равен 155 Вт/(м·К), который может изменяться в пределах от 145 до 190 Вт/(м·К) по мере изменения температуры в пределах от 32°F до 400°F. Предпочтительно, процент марганца в соединительном проводе 20a' и удлинительном проводе 24a' равен 1%+/-0,35%. В третьем предпочтительном варианте осуществления идентичные металлы соединены в спаях между соединительными проводами 20a', 20b и соответствующими удлинительными проводами 24a', 24b. Теплопроводность и/или диаметр удлинительных проводов 20a', 20b и 24a', 24b выбраны так, что тепловым потоком из каждого из холодных спаев 18a, 18b в направлении рабочих спаев 26a, 26b управляют так, что тепловой поток из спая 18a в направлении холодного спая 26a и тепловой поток из спая 18b в направлении холодного спая 26b являются такими, что величина соответствующих тепловых потоков отличается меньше, чем на определенную величину, и, предпочтительно, по существу, равны по величине. Так как тепловым потоком можно управлять посредством регулирования диаметра одного или обоих из соединительного провода 20a' и удлинительного провода 24a', то достигнута большая гибкость в выборе диаметра проводов.
Настоящее изобретение не ограничивается системами термопары, использующими термопары из благородных металлов, и отрицательным удлинительным проводом, изготовленным из сплава CuNi. Сплав CuMn, используемый в предпочтительных вариантах осуществления, одинаково применим к любой системе термопары, в которой общепринятый положительный удлинительный провод выполнен из нелегированной меди. Такие системы термопары включают в себя, например, те системы, которые используют термопары типа B, K и T, а также термопары типа R и S. Кроме того, концепцию выравнивания теплового потока в удлинительных проводах посредством выбора состава удлинительных проводов можно применять к любому типу системы термопары и она не ограничена никаким конкретным выбором материалов для использования в удлинительных проводах.
В идеальном случае тепловой поток, исходящий из холодного спая в рабочий спай термопары через соответствующие удлинительные провода, должен быть равным для полного устранения источника ошибок. Однако специалисту в данной области техники будет понятно, что нет необходимости полностью выравнивать тепловой поток для получения значительного уменьшения ошибки, в частности, где последовательные измерения выполняются посредством идентичного датчика термопары. Кроме того, в то время как экономические преимущества изобретения применимы к доступным датчикам температуры, использующим датчик из благородных металлов, концепцию выравнивания теплового потока в проводах из промежуточного спая в холодный спай можно одинаково применять к любой системе термопары, где ошибка из-за неодинакового теплового потока через удлинительные провода вносит ошибку в измерение температуры.
Специалистам в данной области техники будет понято, что можно вносить изменения в вышеописанные варианты осуществления, не отступая от их широкой соответствующей изобретению концепции. Следовательно, подразумевается, что это изобретение не ограничивается конкретными раскрытыми вариантами осуществления, а подразумевает охват модификаций в пределах существа и объема, определенного формулой изобретения.