Термоелектричний перетворювач з керованим профілем температурного поля

Abstract

В дисертації запропоновано і досліджено новий вид давача температури – термоелектричний перетворювач з керованим профілем температурного поля (ТЕП з КПТП). В ньому, за рахунок стабілізації власного профілю температурного поля вздовж електродів головної термопари, незалежного від змін температурного поля об’єкта вимірювання, деградаційні процеси в її термоелектродах проявляються тільки у вигляді часового дрейфу функції перетворення і не можуть себе проявити як похибка від набутої при експлуатації термоелектричної неоднорідності, при якій генерована термо-е.р.с. залежить не тільки від температур робочого злюту і злютів порівняння, а і від профілю температурного поля вздовж електродів термопари. Профіль температурного поля стабілізують додаткові підсистеми регулювання температури зі зміщеними по осі головної термопари давачами та нагрівниками. Проведено аналіз похибок ТЕП з КПТП, запропоновано метод регулювання температури підсистемами ТЕП з КПТП. Теоретично оцінено методичну похибку від теплового потоку від нагрівників до робочого злюту головної термопари. Розроблено та виготовлено макет ТЕП з КПТП і стенд його дослідження, експериментально підтверджено теоретичні висновки. Розроблено структуру системи, що використовує ТЕП з КПТП, показано, що при використанні вибраних технічних рішень похибка від неоднорідності не перевищує 0,2°С, а при періодичній метрологічній перевірці головної термопари похибка виміру температури не перевищує 1,3°С. В диссертации предложен и исследован новый вид датчика температуры – термоэлектрический преобразователь с управляемым профилем температурного поля (ТЭП с УПТП). В нем, за счет стабилизации собственного профиля температурного поля вдоль электродов главной термопары, независимого от изменений температурного поля объекта измерения, деградационные процессы в ее термоэлектродах проявляются только в виде временного дрейфа функций преобразования и не могут проявить себя как погрешность от приобретенной в процессе длительной эксплуатации термоэлектрической неоднородности, при которой генерированная термо-э.д.с. зависит не только от температур рабочего и свободных концов термопары, а и от профиля температурного поля вдоль электродов термопары. Профиль температурного поля стабилизирован с помощью дополнительных подсистем регулирования температуры со смещенными по оси главной термопары датчиками и нагревателями. Предложена конструктивная схема ТЭП с УПТП, проведен анализ ее погрешностей. Так как ТЭП с УПТП является многозонным объектом регулирования со значительными тепловыми связями между зонами, а алгоритмы управления такими объектами слишком сложны для их реализации простыми 8-ми битными микроконтроллерами, предложен метод регулирования температуры в ТЭП с УПТП, упрощенный за счет снижения точности регулирования. Предложен метод теоретической оценки методической погрешности ТЭП с УПТП, возникающей из-за теплового потока от нагревателей к рабочему концу главной термопары, показаны методы ее снижения и проведена такая оценка, которая показала, что в разработанном макете методическая погрешность не превышает 0,3°С для чехла из нержавеющей стали. Для экспериментальных исследований обоснован выбор материала чехла макета, изготовлен макет ТЭП с УПТП и специализированный стенд. Экспериментальные исследования показали, что погрешность управления профилем температурного поля не превышает 1,3°С, коэффициент проникновения внешнего температурного поля внутрь ТЭП с УПТП не превышает 0,04, а значения методической погрешности (для исследования которой разработана специальная методика, основанная на относительных измерениях) хорошо согласуются с теоретическими оценками. Разработана структура системы, использующей ТЭП с УПТП, показано, что при использовании выбранных технических решений погрешность от приобретенной в процессе эксплуатации в течении 1000 часов термоэлектрической неоднородности для термопар типа ХА не превышает 0,2°С, а при периодической поверке главной термопары суммарная погрешность измерения температуры не превышает 1,3°С. There is new type of temperature sensor – thermocouple with controlled profile of temperature field (TCPTF) is offered and investigated in dissertation . In such sensor the own profile of the temperature field is stabilized along the electrodes of main thermocouple. Sensor became independent from measuring object’s temperature field changes. Therefore degradation processes in its electrodes appear as a time drift of conversion characteristic. These processes can not appear itself as an heterogeneity error purchased during exploitation. Because electro motion force (EMF) generates in heterogeneous thermocouple depends not only from the difference of temperatures of hot and cold junctions but also from the profile of the temperature field between them. Profile of the temperature field is stabilized by the additional subsystems of temperature control. Each subsystem content heater and becoming thermocouple. These subsystems are shifted along electrodes of main thermocouple. The analysis of errors of TCPTF was made. Also method of temperature control is offered. A methodical error from thermal flow from heaters to the hot junction of main thermocouple is theoretic appraised. The model of TCPTF and stand for its research is developed and made. Theoretic conclusions are experimentally confirmed. The structure of the system which utillizes TCPTF is developed. It is showed that at the use of the chosen technical decisions heterogeneity error does not exceed 0,2°С. The error of temperature measuring does not exceed 1,3°С at the periodic check of main thermocouple.