Термоелектричний перетворювач з керованим профілем температурного поля

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний університет «Львівська політехніка»

УДК 536.532

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Термоелектричний перетворювач з керованим профілем температурного поля

05.11.04 - Прилади і методи вимірювання теплових величин

Кочан Орест Володимирович

Львів - 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Тернопільському національному економічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор Саченко Анатолій Олексійович, завідувач кафедри інформаційно-обчислювальних систем та управління Тернопільського національного економічного університету

Офіційні опоненти

- доктор технічних наук, професор Скоропад Пилип Ізидорович, професор кафедри “Інформаційно-вимірювальні технології” Національного університету ”Львівська політехніка”.

- кандидат технічних наук, доцент Паракуда Василь Васильович, перший заступник директора з науково-технічної роботи Державного підприємства "Науково-дослідний інститут метрології вимірювальних і управляючих систем" (м.Львів).

Захист відбудеться “25” березня 2011 р. о 14.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.08 у Національному університеті "Львівська політехніка" (79013, м. Львів-13, вул. С.Бандери, 12, ауд ______ головного корпусу).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного університету "Львівська політехніка" за адресою: 79013, м. Львів, вул. Професорська, 1.

Автореферат розісланий “ 24 ”лютого 2011 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради д. т. н., професор Луцик Я.Т.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Згідно літературних джерел “Статистичні дані свідчать, що на температурні вимірювання припадає до 40% вимірювань у промисловості. У деяких галузях ця частка може бути значно більшою, зокрема в енергетиці, вона сягає 70%. Точність дотримання температурного режиму у більшості технологічних процесів визначає якість кінцевого продукту”. Тому підвищення точності вимірювання температури - актуальна та важлива наукова і практична задача, вирішення якої може дати значний економічний ефект. Зниження запасу безпеки на 1єС на Бурштинській ТЕС дасть змогу виробити електроенергії на 3,4 млн. грн. в рік без додаткових затрат палива.

Аналіз показує, що точність приладів вимірювання температури росте, однак похибка вимірювання температури зменшується мало, бо у вимірювальному каналі домінує похибка первинних перетворювачів (давачів, сенсорів). А точність давачів температури, незважаючи на їх вдосконалення, за останні 30 рокі істотно не зросла.

Найпоширенішими контактними давачами температури є термоелектричні перетворювачі на базі термопар, які досліджували школи Львівської Політехніки і львівського НВО “Термоприлад”. Із закордонних слід відзначити інститут «Гипроцветметобработка» (м. Москва, Росія), компанії “Тесей” (м. Обнінск, Росія), “Термоелектра” (м. Пійнакер, Нідерланди) та “Айсотеч” (м. Саутпорт, Англія).

Термопари мають відносно великий початковий розкид функцій перетворення (ФП) і, внаслідок деградаційних процесів у електродах, значний дрейф ФП під дією високих температур і часу експлуатації. Відомі методи корекції дрейфу ФП термопар в часі, але також відомо, що для них найбільш небезпечною є похибка від набутої в процесі тривалої експлуатації термоелектричної неоднорідності їх електродів, яка викликає зміну термо-е.р.с. від зміни профілю температурного поля вздовж термоелектродів при сталих температурах робочого злюту і злютів порівняння. Відомі методи перерахунку похибки термопари з одного профілю температурного поля в інше не враховують можливу зміну характеру дрейфу при зміні температур ділянок. Тому задача боротьби з похибкою від термоелектричної неоднорідності електродів термопар не вирішена і вимагає додаткових досліджень.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дана дисертація виконувалася в рамках НДР “Dynamically reprogrammable network control application processor with Internet capability”, реєстраційний номер FSTM CRDF #UKC2-5073-TE-07, фінансованої U.S. Civilian Research & Development Foundation, та НДР “Розробка системи вимірювання температури з компенсацією похибки від неоднорідності електродів термопар”, номер державної реєстрації 0109U005419, термін виконання з 01.06.2008 по 31.12.2010.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка нового виду термоелектричних перетворювачів - термоелектричних перетворювачів з керованим профілем температурного поля вздовж електродів головної термопари (ТЕП з КПТП), в яких похибка вимірювання температури від набутої в процесі тривалої експлуатації неоднорідності електродів головної термопари не впливає на результат вимірювання температури.

Для досягнення поставленої мети необхідно розв'язати наступні задачі:

розробити метод компенсації впливу на результат вимірювання температури набутої в процесі експлуатації термоелектричної неоднорідності електродів термопари і синтезувати конструктивну схему відповідного ТЕП, який можна назвати ТЕП з КПТП;

визначити основні похибки, притаманні ТЕП з КПТП, провести їх аналіз та класифікацію;

теоретично дослідити специфічні для ТЕП з КПТП інструментальні та методичні складові похибок;

розробити та виготовити макет ТЕП з КПТП та експериментальне обладнання для дослідження його специфічних методичних та інструментальних похибок;

провести експериментальні дослідження ТЕП з КПТП, підтвердити адекватність математичних і фізичних моделей методичних та інструментальних складових похибок, притаманних ТЕП з КПТП;

синтезувати узагальнену структурну схему вимірювального каналу, що використовує ТЕП з КПТП;

проаналізувати та відібрати методи і засоби підвищення точності вимірювального каналу, що використовує ТЕП з КПТП;

проаналізувати нескомпенсований залишок похибки від набутої неоднорідності електродів головної термопари ТЕП з КПТП і визначити ефективність запропонованого підходу.

Об'єкт дослідження - термоелектричні перетворювачі, які мають значну набуту під час тривалої експлуатації, термоелектричну неоднорідність електродів термопар.

Предмет дослідження - метод компенсації впливу набутої неоднорідності електродів термопар на результат вимірювання температури.

Методи досліджень - основні положення теорії теплопередачі, теорії планування експерименту, теорії похибок, теорії електричних кіл, теоретичні основи інформаційно-вимірювальної техніки.

Наукова новизна. В результаті дисертаційного дослідження розв'язано важливу науково-технічну задачу підвищення точності вимірювання температури. При цьому отримано такі наукові результати:

Вперше:

Запропоновано метод компенсації впливу набутої в процесі експлуатації термоелектричної неоднорідності термопари на результат вимірювання температури шляхом створення керованого профілю температурного поля вздовж електродів цієї термопари, що дало змогу усунути вплив її термоелектричної неоднорідності на результат вимірювання при зміні профілю температурного поля об'єкта вимірювання.

Шляхом співставлення рівнянь вимірювання проведено теоретичний аналіз складових похибки вимірювання температури запропонованим термоелектричним перетворювачем з керованим профілем температурного поля, що дало змогу встановити необхідний і достатній перелік похибок, що вимагають подальших досліджень.

Запропоновано метод багатозонного керування профілем температурного поля вздовж термоелектродів головної термопари термоелектричного перетворювача з керованим профілем температурного поля, який базується на лінеаризації залежності приростів температури від приростів потужності нагрівників та сумуванні не теплових потоків, а взаємних температурних впливів окремих зон, і має в сотні разів меншу обчислювальну складність процедури керування.

Запропоновано метод теоретичної оцінки методичної похибки термоелектричного перетворювача з керованим профілем температурного поля від нагріву робочого злюту головної термопари тепловим потоком нагрівників як границі перехідного процесу нагріву робочого злюту головної термопари при ввімкненні цих нагрівників, що дало змогу значно спростити процес оцінки цієї похибки і запропонувати методи її зменшення.

Шляхом аналізу часових залежностей зміни функцій перетворення термоелектродів від температури для даних температури і часу експлуатації, запропоновано метод теоретичного обґрунтування діапазону температур, при яких необхідно проводити експериментальні дослідження неоднорідності термоелектричних перетворювачів з керованим профілем температурного поля.

Практичне значення одержаних результатів:

Експериментально досліджено похибку методу багатозонного керування профілем температурного поля вздовж електродів головної термопари ТЕП з КПТП, показано, що ця похибка цілком прийнятна;

Експериментально підтверджено результати теоретичної оцінки методичної похибки від теплового потоку вздовж термоелектродів ТЕП з КПТП;

Експериментально досліджено похибку від впливу змін температурного поля об'єкта вимірювання на профіль температурного поля вздовж електродів головної термопари ТЕП з КПТП;

Розроблено структуру вимірювального каналу, який виконує вимоги ТЕП з КПТП та проведено оцінку його похибки.

Особистий внесок здобувача. Усі основні наукові результати дисертаційного дослідження, представлені до захисту, отримані автором особисто. В роботах, виконаних у співавторстві автору належать: в [1] - висновки з методу оцінки похибки неоднорідності; в [2, 13] - метод компенсації похибки неоднорідності та аналіз похибок; в [3] - метод оцінки методичної похибки; в [7, 14] - метод керування профілем температурного поля; в [8] - структура стенду; в [9] - метод дослідження зон максимального впливу неоднорідності термопар; в [11] - коструктивна схема комутатора; в [12] - конструктивна схема ТЕП з КПТП.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати дисертаційних досліджень доповідалися на семи наукових конференціях, а саме: міжнародній науково-практичній конференції “Комп'ютерні системи в автоматизації виробничих процесів” (м. Хмельницький 2007); міжнародному семінарі метрологів “Методи і техніка перетворення сигналів при фізичних вимірюваннях МСМ 07” (м. Львів 2007); міжнародних наукових конференціях Intelligent Data Acquisition and Advancing Computing Systems (IDAACS'2007 і IDAACS'2009, м. Дортмунд, Німеччина, 2007 і м. Ренде (Козенца), Італія, 2009); наукових конференціях Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя (м. Тернопіль 2007, 2008 і 2009); а також на наукових семінарах науково-дослідного інституту “Інтелектуальних комп'ютерних систем” та днях науки Тернопільського національного економічного університету.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 18 наукових робіт, серед яких 10 статей у фахових виданнях, що входять до переліку фахових видань ВАК України, з них одноосібних - 4, отримано 2 патенти.

Структура дисерації. Дисертація складається з вступу, 4-х розділів і висновків, викладених на 126 сторінках, списку посилань (170 позицій), містить 40 рисунків, 10 таблиць, 9 додатків.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовані актуальність теми дисертації, визначено об'єкт і предмет дослідження, сформульовано мету, завдання і методи дослідження, визначено наукову новизну, практичне значення та особистий внесок автора в отримані результати, подано відомості про апробацію дисертації та публікацію її результатів.

В першому розділі проведено аналіз давачів температури, показано, що, незважаючи на розробку нових методів і засобів вимірювання температури, термопари, попри їх значні похибки, залишаються найпопулярнішими давачами в області середніх і високих температур. Хоча методи корекції початкових відхилень ФП термопар від номінальної та значного часового дрейфу відомі, загроза похибки від набутої в процесі експлуатації термоелектричної неоднорідності електродів, згідно ряду публікацій, ставить під сумнів реальність підвищення точності виміру температури. Згідно закону Зеебека, якщо розбити кожен термоелектрод на ділянки , електрорушійну силу (е.р.с.) для тої ділянки можна записати як

,(1)

де - номінальне значення термоелектричної здатності для даного термоелектроду (матеріалу) та індивідуальне її відхилення для тої ділянки; - температури на межах тої ділянки термоелектроду.

Під дією температури експлуатації термоелектроди деградують, причому інтенсивність змін ФП ділянки залежить від часу експлуатації . Після зміни профілю температурного поля на ділянку діє поточна температура , причім . В процесі деградації термоелектродів міняється вся їх ФП, таким чином стає функцією трьох змінних . Саме залежність від веде до появи похибки від набутої термоелектричної неоднорідності, тобто залежності термо-е.р.с. неоднорідної термопари від профілю температурного поля вздовж термоелектродів, незважаючи на те, що температура робочого злюту і злютів порівняння залишилася незмінною. Боротьба з цією похибкою є актуальною задачею через те, що її максимальний вплив на результат вимірювання температури відповідає максимальному часовому дрейфу. Показано, що відомі методи боротьби з цією похибкою, незважаючи на високу трудомісткість, не забезпечують підвищення точності результату виміру температури з достатньою метрологічною надійністю.

В другому розділі, шляхом аналізу відомих методів зменшення впливу впливаючих величин, обґрунтовано метод компенсації похибки від набутої термоелектричної неоднорідності головної термопари на результат вимірювання за рахунок стабілізації профілю температурного поля вздовж її електродів. Запропоновано структуру та конструктивну схему ТЕП з КПТП, що реалізує запропонований метод, проведено теоретичний аналіз притаманних йому похибок, виявлено похибки, що вимагають експериментального дослідження. Запропоновано метод керування профілем температурного поля вздовж термоелектродів головної термопари, який, за рахунок малої обчислювальної складності, можуть реалізувати прості мікроконтролери. Проведено теоретичний аналіз методичної похибки ТЕП з КПТП від теплового потоку першого нагрівника до робочого злюту термопари.

З точки зору метрології зміна профілю температурного поля вздовж електродів головної термопари є впливаючою величиною, для боротьби з ними використовують корекцію, компенсацію, екранування та стабілізацію. Запропоновано використати останній метод для усунення впливу змін профілю температурного поля об'єкта на прояв похибки від термоелектричної неоднорідності термопари. Основна ідея методу компенсації впливу набутої термоелектричної неоднорідності головної термопари на результат вимірювання температури полягає в стабілізації профілю температурного поля вздовж електродів головної термопари шляхом розміщення вздовж її осі давачів (наприклад, термопар) і нагрівників додаткових підсистем регулювання температури. На рис. 1 представлена конструктивна схема ТЕП з КПТП, де 1 і 2 - електроди головної термопари, 3 - ізоляційні втулки, 4 - чохол, 5 і 6 - термопари і нагрівники додаткових підсистем регулювання температури, 7 - ізоляція нагрівників, 8 - допоміжний чохол. термоелектричний перетворювач термопара електрод

В ТЕП з КПТП виконується умова , таким чином похибка від набутої термоелектричної неоднорідності не може себе проявити, а деградація електродів проявляється тільки як часовий дрейф ФП термопари. Крім того, в ТЕП з КПТП , тому , тобто дрейф термоелектричної здатності ділянок термопари стає функцією тільки часу експлуатації. Тоді на базі (1) можна записати

,(2)

а також просумувати часові дрейфи обох термоелектродів. Тоді для корекції похибки від часового дрейфу ФП термопари можна використати відомі методи.

Рис. 1. Конструктивна схема ТЕП з КПТП

Теоретичний аналіз похибок, притаманних ТЕП з КПТП, проведено шляхом співставлення рівнянь вимірювання, які записані для режиму визначення поправки під час калібрування термопари з допомогою температурного калібратора

(3)

і для режиму вимірювання температури

(4)

де і - термо-е.р.с. робочого злюту головної термопари під час калібрування при температурі фазового переходу і вимірюваній ; і - термо-е.р.с. неоднорідності електродів головної термопари під час калібрування і вимірювання; і - термо-е.р.с. злюту порівняння головної термопари під час калібрування і вимірювання; і - коефіцієнти перетворення каналу вимірювання термо-е.р.с.; - значення температури фазового переходу калібратора ; - похибка вимірювального каналу, що відповідає температурі фазового переходу ; - значення поправки; - скоригований результат вимірювання температури об'єкта .

Висока точність корекції досягається за рахунок кореляційних зв'язків між членами рівнянь (3) і (4). Наприклад, якщо температури і близькі, то систематичні складові похибок компонентів вимірювального каналу теж близькі. Для похибки термопари ланцюжок логічних висновків можна записати як

(5)

Щодо похибки від набутої термоелектричної неоднорідності, то при стабільному профілі температурного поля вздовж термоелектродів висновки будуть наступними

(6)

де і - градієнти профілю температурного поля при вимірюванні і .

При стабілізації профілю температурного поля вздовж електродів головної термопари, нескомпенсований залишок похибки набутої неоднорідності, згідно (6), залежить від різниці градієнтів , яка, в свою чергу визначається впливом зовнішньої температури на температуру електродів головної термопари, яке можна характеризувати похибкою екранування і похибками підсистем регулювання температури. визначається конструкцією ТЕП з КПТП, її теоретична оцінка складна і ненадійна, тому її слід дослідити експериментально.

Похибка визначається методом регулювання. ТЕП з КПТП представляє собою багатозонну систему регулювання. На рис. 2 показаний переріз ТЕП з КПТП, де ТП_N-1, ТП_N, ТП_N+1 і ГТП - термоелектроди термопар систем регулювання і головної термопари. Показані на рис. 2 теплові потоки і , створені кожним нагрівником і спрямовані до сусідніх зон, є суттєвими, , спрямований до центра, малий (через малу різницю температур), а обмежений теплоізоляцією. Тому між системами регулювання існує значний тепловий зв'язок, який приводить до їх самозбудження. Для його усунення використовують методи обчислення керуючої дії, які мають велику обчислювальну складність і їх не можуть реалізувати дешеві 8-ми бітні мікроконтролери. Тому доцільно розробити спрощений метод керування.

Через те, що впливає на результат вимірювання температури як величина другого порядку малості (похибка компенсації похибки від набутої неоднорідності), допустиме значення є великим. Це дає можливість сформулювати два правила:

залежності приростів температури від приростів потужності є лінійними;

сумуються не теплові потоки, а температури; що дає змогу за результатами вимірювання відхилень тем-ператури від потрібних значень обчислити необхідні прирости потужності нагріва-чів шляхом вирішення системи рівнянь

(7)

Обчислені прирости потужності нагрівників реалізують регулятори. Процес оновлення проводять тільки після закінчення перехідного процесу встановлення температури. Розв'язок системи (7) доцільно вести методом Гауса, представивши систему у виді , оскільки всі обчислення можна вести над елементами матриці коефіцієнтів і векторів приростів потужності та температури , що вигідно для мікроконтролерів. Метод вимагає експериментального визначення всіх коефіцієнтів , що входять в (7). Для зменшення трудомісткості доцільно визначити прирости температури всіх зон при почерговому ввімкненні нагрівників. Тоді коефіцієнти визначають як . В дисертації приведено алгоритм, що реалізує запропонований метод, а також вказано на необхідність експериментальних досліджень його характеристик.

ТЕП з КПТП притаманна методична похибка, викликана тепловим потоком від нагрівника першої зони до робочого злюту головної термопари (див. рис. 1). Для її зменшення температура першої зони задається рівною вимірювальній, однак, через похибки термопар, різниця температур не рівна нулю. Теоретична оцінка розподілу температури вздовж трубчатого чохла є складною фізичною задачею, але оцінити методичну похибку пропонується шляхом знаходження приросту температури в точці, що відповідає робочому злюту головної термопари, як межі перехідного процесу, який виникає при ввімкненні першого нагрівника. Згідно закону Ньютона запишемо диференційне рівняння температури прогріву чохла як функції часу

,(8)

де - тепловий потік, викликаний вказаною різницею температур; - теплоємність матеріалу чохла; - об'єм матеріалу чохла; - площа зовнішньої поверхні чохла; - коефіцієнт теплопередачі сталь-повітря; - густина матеріалу чохла.

Хоча рівняння (8) виведено для осесиметричних тіл, тут його можна використати при умові визначення дійсного теплового потоку за формулою

,(9)

де - коефіцієнт теплопровідності матеріалу чохла; - різниця температур між нагрівником Н1 і робочим злютом головної термопари, , де - похибка термопари; - площа поверхні, через яку передається тепловий потік; - відстань від нагрівника Н1 до робочого злюту головної термопари.

Розв'язок рівняння (8) відносно часу має вигляд

.(10)

Член відповідає методичній похибці . Якщо то . Тоді асимптотично прямує до своєї границі

,(11)

а зменшити можна збільшивши площу охолодження . Значення для макету на базі термопар типу ХА представлені в таблиці 1.

Таблиця 1

	Чохол з нержавіючої сталі	Чохол з конструкційної сталі
до 300°С	0,12°С	0,38°С
від 300 до 1100°С	Від 0,12°С до 0,26°С	Від 0,28°С до 0,86°С

Як видно з таблиці, похибка значно нижча від похибки термопари. Через спрощення моделі при її оцінці необхідна її експериментальна перевірка.

Третій розділ присвячений експериментальним дослідженням ТЕП з КПТП, для чого з використанням термопар типу ХА був виготовлений макет, який мав 9 підсистем регулювання температури. Аналіз залежностей дрейфу ФП термопар від відхилення поточної температури від температури сталої експлуатації показав, що максимуми похідних кривих часового дрейфу по температурі діапазону, згідно даних літератури, для хромелю відповідають температурі , а для алюмелю - температурам і . Таким чином похибка від набутої термоелектричної неоднорідності максимально проявляється в межах до 350°С, що дає змогу спростити стенд експериментальних досліджень і виготовити макет з конструкційної сталі.

Згідно до цього розроблено і виготовлено стенд дослідження ТЕП з КПТП, куди входять (рис. 3) трубчаста піч, вимірювально-керуюча система ВКС і ТЕП з КПТП. В склад печі входять нагрівник Н з регулятором, що складається з термопари ТП, давача температури злюту порівняння ТВК, АЦП (перетворювач напруга-частота), мікроконтролера МК і тиристора Тир. У ВКС входять комутатор, джерело Uref напруги калібрування АЦП і мікроконвертор ADuC-834, що включає 24-х розрядний сігма-дельта АЦП і мікроконтролер МК. Також в склад ВКС входить широтно-імпульсний модулятор ШІМ (на мікроконтролері) і силові ключі ввімкнення нагрівників ТЕП з КПТП. Всі блоки ВКС об'єднані в двопровідну мережу на базі модифікованого інтерфейсу RS-232C, куди входить і комп'ютер обробки даних експерименту. Основною особливістю стенду є висока короткочасна стабільність - відносна похибка за добу не перевищує (0,0025+0,002(X/Xmax-1))%.

Експериментальні дослідження запропонованого методу керування профілем температурного поля полягали у: визначенні коефіцієнтів ; визначенні похибки встановлення профілю температурного поля під час першої ітерації; визначенні похибки встановлення профілю температурного поля під час подальших ітерацій. Як видно з рис. 4, де представлено результати експерименту, під час першої ітерації похибка встановлення профілю температурного поля не перевищує ±2,5°С, в подальшому вона падає до ±1,3°С, що цілком прийнятно для ТЕП з КПТП. Одиниця відносного часу рівна 1,9 години. В процесі роботи самозбудження немає.



Експериментальна оцінка впливу змін зовнішнього температурного поля на розподіл температур вздовж електродів головної термопари проведена шляхом визначення зміни температури однієї з центральних зон при зміні умов нагріву. Для того, щоби імітувати таку зміну, запропоновано наступний алгоритм: вмикають всі нагрівники, прогрівають ТЕП з КПТП і вимірюють температуру вибраної зони ; вимикають нагрівник вибраної зони, очікують закінчення охолодження і знову вимірюють температуру цієї зони . Зміна температури зони відповідає “проникненню” зміни зовнішньої температури на через “щілину”, ширина якої відповідає ширині зони. Реальна ширина “щілини” рівна відстані між краями нагрівників, тому коефіцієнт проникнення можна оцінити як . Для макету , що, як показано в четвертому розділі цілком прийнятно.

Через те, що похибка термопар значно більша за теоретичну оцінку методичної похибки від впливу теплового потоку нагрівників на робочий злют головної термопари ТЕП з КПТП, для експериментального дослідження методичної похибки було розроблено спеціальну методику на базі відносних вимірювань (рис. 5).

Згідно цієї методики проводять два досліди - вимірювання температури при вимкнених нагрівниках і при ввімкненому нагрівнику першої зони. Систематичні похибки всіх давачів температури, через те, що вимірювані зміни малі, на результат обчислення методичної похибки не впливають. Оцінка випадкових складових похибок всіх вимірювальних каналів показала, що її сумарний вплив на результат не перевищить 0,075°С, що у 8 разів менше теоретичної оцінки методичної похибки.

Результати порівняння експериментальних і теоретичних значень методичної похибки від теплового потоку вздовж термоелектродів представлені в таблиці 2.

Таблиця 2

Фізичні величини (середні значення)	Значення, єC
Методична похибка (результат експерименту)	0,50
Методична похибка (теоретична оцінка)	0,40
Систематичне відхилення теоретичної оцінки від експерименту	0,10
Максимальна випадкова похибка результатів експерименту	0,04

Знайдені експериментально значення методичної похибки в середньому на 20% вищі від визначених теоретично, що суттєво (на 25%) перевищує оцінку випадкової похибки експерименту. Це пояснюється впливом додаткової систематичної похибки теплового походження, зумовленої обмеженим об'ємом використаного пасивного термостата і його прогрівом не тільки тепловим потоком кінця ТЕП з КПТП, а і ближчими до нагрівника Н1 частинами, що погіршує умови тепловіддачі робочого злюту ТЕП з КПТП. Але експеримент показав, що: запропонована методика досить точно оцінює методичну похибку ТЕП з КПТП; запропонований метод теоретичної оцінки методичної похибки, незважаючи на спрощену модель теплових процесів, може бути визнаний достатньо коректним; значенням методичної похибки для серійних ТЕП з КПТП, виготовлених з нержавіючої сталі (див. табл. 1), можна нехтувати для більшості випадків вимірювання температури.

Четвертий розділ присвячений побудові системи вимірювання температури на базі ТЕП з КПТП та оцінці її похибки вимірювання температури з врахуванням похибок від набутої при експлуатації термоелектричної неоднорідності та корекції часового дрейфу. Структура системи представлена на рис. 6. В її склад входять:

ТЕП з КПТП, куди входять головна термопара ГТП (ХА), термопари ТП1…ТПn, нагрівники Н1..Нn, термоперетворювач опору корекції температури злюту порівняння ТОВК;

Вимірювальної підсистеми, куди входять комутатор Км (реле РГК-15 з термовирівнювачем, похибка <1мкВ), 24-х розрядний сігма-дельта аналого-цифровий перетворювач АЦП (діапазон 80мВ, чутливість 1мкВ), мікроконтролер МК1 серії І51 (обидва входять в мікроконвертор ADuC-834);

Мікроконтролера регулятора МК2 (АТ89С2051) і силових ключів (КТ315 + КТ829), що реалізують 9-ти канальний широтно-імпульсний регулятор;

Адаптера ІФА інтерфейсу RS-232, що дозволяє роботу як в двохпровідній мережі, так і в трьохпровідному ввімкнені через нуль-модемний кабель;

Блока живлення БЖ з гальванічною розв'язкою, куди входить теж джерело напруги калібрування (прецизійний стабілізатор AD780 і подільник 313НР1).

При використанні кращих технічних рішень для побудови системи її похибка, нормована традиційним способом (похибки вимірювання термо-е.р.с., корекції температури злюту порівняння і лінеаризації), як це показано в дисертації, для термопар типу ХА не буде перевищувати 0,4°С. При нормуванні похибки вимірювання температури і використанні для корекції похибки часового дрейфу термопари другого розряду з максимальною похибкою в околиці температур експлуатації ТЕП з КПТП 0,7°С, а також прогнозі часового дрейфу за час інтервалу між метрологіч-ними перевірками з похибкою теж не більше 0,7°С (зокрема, при використанні методу інтеграції апріорних даних з допомогою нейронних мереж), сумарна похибка вимірювання температури не буде перевищувати 1,2°С (без врахування похибки від набутої термоелектричної неоднорідності електродів термопар).

Вплив нескомпенсованого залишку похибки від набутої неоднорідності досліджено методом імітаційного моделювання. При обчисленні відхилень ФП хромелю і алюмелю від номінальної після зміни профілю температурного поля для кожної ділянки електродів виконується умова (а не умова ) бо підсистеми керування ТЕП з КПТП протидіють зміні. Але , що зумовлює нескомпенсований залишок похибки неоднорідності. визначає вплив зовнішнього температурного поля на внутрішнє (похибка екранування , експериментально досліджена в третьому розділі) і похибкою регулювання (досліджена експериментально в третьому розділі). Згідно визначення , де і - максимальна зміна зовнішньої температури. - випадкова і буде накладатися на профіль температурного поля головної термопари як деякий низькочастотний шум. Тоді температуру ділянок головної термопари ТЕП з КПТП можна визначити як . Значення температури експлуатації ділянок визначається заданим профілем температурного поля головної термопари, а не профілем зовнішнього температурного поля, тобто для більшості ділянок .

Результати моделювання показали, що: нескомпенсований залишок похибки неоднорідності для макета ТЕП з КПТП не перевищує 0,2 °С; найвища чутливість термопар до похибки від неоднорідності спостерігається при малих змінах профілю температурного поля; ТЕП з КПТП стає ефективним, тобто забезпечує підвищення точності вимірювання температури вже при зміні профілю температурного поля на 8°С; при використанні ТЕП з КПТП в умовах теплової електростанції, максимальна похибка вимірювання температури не перевищує 1,3°С.

Висновки

В результаті виконання дисертаційної роботи вирішена важлива наукова задача підвищення точності вимірювання температури з допомогою термопар, які тривалий час експлуатувалися при високій температурі та мають через це велику похибку від набутої термоелектричної неоднорідності. В результаті зроблено наступні висновки:

Проведений аналіз похибок давачів температури показав, що найбільш вживані з них - термоелектричні термометри на базі термопар, не забезпечують високої точності та метрологічної надійності вимірювання температури через притаманні їм похибки, зокрема, через таку мало досліджену похибку, як похибка від набутої в процесі тривалої експлуатації при високих температурах термоелектричної неоднорідності термопар. Відомі методи корекції похибок від допустимого початкового розкиду відхилень функцій перетворення термопар від номінальної та її дрейфу в процесі експлуатації не дають бажаного підвищення точності через те, що співмірна з ними похибка неоднорідності термопар веде до зміни їх термо-е.р.с. від зміни профілю температурного поля вздовж їх електродів, навіть при незмінних температурах робочого злюту і злютів порівняння.

Показано, що запропонований вперше метод компенсації впливу набутої неоднорідності термопар на результат вимірювання шляхом створення власного керованого профілю температурного поля вздовж електродів термопари, яка вимірює температуру об'єкта (головної термопари), забезпечує, за рахунок стабілізації профілю температурного поля вздовж електродів цієї термопари з допомогою додаткових підсистем регулювання температури, усунення впливу на результат вимірювання набутої термоелектричної неоднорідності головної термопари. Реалізація цього методу в новому виді давачів температури - термоелектричних перетворювачах з керованим профілем температурного поля (ТЕП з КПТП) дала можливість поставити неоднорідну термопару в такі умови, що похибка неоднорідності не може себе проявити, а відомі методи корекції похибки початкового розкиду функцій перетворення термопар та їх дрейфу отримали можливість забезпечити високу точність і метрологічну надійність результату вимірювання температури.

Проведений шляхом співставлення рівнянь вимірювання теоретичний аналіз похибки вимірювання температури ТЕП з КПТП дав змогу обґрунтувати структуру системи вимірювання температури, виявити і систематизувати похибки вимірювання температури та встановити необхідний і достатній перелік похибок, які вимагають теоретичних та експериментальних досліджень: похибки багатозонного керування температури, похибки впливу змін зовнішнього температурного поля і методичної похибки від теплового потоку від нагрівників до робочого злюту головної термопари.

Показано, що запропонований ітераційний метод багатозонного керування профілем температурного поля вздовж електродів головної термопари ТЕП з КПТП, в якому обчислення змін керуючої дії базується, по-перше, на лінеаризації залежності приростів температури від приростів потужності нагрівників та, по-друге, сумуванні не теплових потоків, а взаємних температурних впливів окремих зон, має значно меншу обчислювальну складність процедури керування та реалізується на 8-ми бітовому мікроконтролері.

Запропонований метод теоретичної оцінки методичної похибки від нагріву робочого злюту головної термопари тепловим потоком нагрівників, як границі перехідного процесу нагріву робочого злюту головної термопари при ввімкненні цих нагрівників, дав змогу значно спростити процес оцінки цієї похибки і запропонувати методи її зменшення. Теоретична оцінка максимального значення методичної похибки для макета з конструкційної сталі не перевищує 0,86°С, а для макета з нержавіючої сталі - 0,26°С.

Шляхом аналізу часових залежностей зміни функцій перетворення термоелектродів від температури для даних температури і часу експлуатації, запропоновано метод теоретичного обґрунтування діапазону температур, при яких необхідно проводити експериментальні дослідження макета ТЕП з КПТП. Для термопар типу ХА (К) дослідження слід проводити в діапазоні від 0 до 350°С, що дало змогу знизити вимоги до матеріалів виготовленого макета ТЕП з КПТП, а також спростити технологію його виготовлення.

Розроблений та виготовлений спеціалізований стенд дослідження ТЕП з КПТП, за рахунок розробки спеціалізованих підсистем регулювання температури печі та системи багатоточкового вимірювання термо-е.р.с. ТЕП з КПТП та керування профілем його температурного поля, забезпечує високу точність дослідження похибок ТЕП з КПТП, зокрема часовий дрейф вимірювального каналу на протязі однієї доби не перевищує (0,0025+0,002(Xmax/X-1)) %.

Проведені з допомогою розробленого стенду дослідження методичної похибки від нагріву робочого злюту головної термопари ТЕП з КПТП тепловим потоком нагрівників, похибки багатозонного регулювання температури та коефіцієнта впливу змін зовнішнього температурного поля на профіль температурного поля головної термопари, за рахунок використання модифікацій диференційного методу вимірювання, показали хорошу збіжність результатів експериментальних досліджень з теоретичними оцінками, що підтверджує можливість високої точності вимірювання температури з допомогою ТЕП з КПТП.

Показано, що створена за методом функціонального синтезу структура системи вимірювання температури з допомогою ТЕП з КПТП за рахунок вибору кращих технічних рішень для реалізації її вузлів забезпечує похибку вимірювання температури термопарами типу ХА (К), нормовану традиційними методами, без врахування похибок давачів, не більше 0,4°С.

Показано, що нескомпенсований залишок похибки від набутої неоднорідності при використанні ТЕП з КПТП, оцінена методом імітаційного моделювання, має найвищу чутливість до малих змін профілю температурного поля, а для макета ТЕП з КПТП не перевищує 0,2°С. Сумарна максимальна похибка вимірювання температури системою, що використовує ТЕП з КПТП, не перевищує 1,3°С.

Список наукових праць за темою дисертації

Кочан О.В. Оцінка максимальної похибки неоднорідних термопар / О.В. Кочан , Р.В. Кочан , В.Я. Яскілка , Н.М.Васильків // Вісник Тернопільського Державного Технічного Університету. - 2007. - №1 - C. 122-129.

Кочан О.В. Оцінка похибки вимірювання температури з допомогою термоелектричного перетворювача з керованим профілем температурного поля / О.В. Кочан, Р.В. Кочан // Вісник Хмельницького національного університету. - 2007. - №2, том 1 технічні науки. - С. 237-241.

Кочан О.В. Оцінка методичної похибки термоелектричного перетворювача з керованим профілем температурного поля / О.В. Кочан , Т.М. Демків , А.О. Саченко // Вимірювальна техніка та метрологія. - 2008. - Випуск 69. - С. 79-84.

Кочан О.В. Термоелектричний перетворювач з керованим профілем температурного поля / Кочан О.В. // Вісник Тернопільського Державного Технічного Університету. - 2008. - N2. - С. 102-108.

Кочан О.В. Термоелектричний перетворювач з корекцією похибки неоднорідності / О.В. Кочан // Вимірювальна техніка та метрологія. - 2008. - випуск 68. - C. 144-153.

Кочан О.В. Аналіз похибки вимірювання температури термоелектричним перетворювачем з керованим профілем температурного поля / О.В. Кочан // Науковий Вісник ЧНУ. Фізика. Електроніка. - 2008. - №423. - С. 124-129.

Кочан О.В. Мікроконтролерний метод керування профілем температурного поля /О.В. Кочан , Р.В. Кочан // Вісник Національного університету “Львівська Політехніка”. Комп'ютерні системи та мережі. - 2008. - № 630. - С. 67-76.

Васильків Н.М. Стенд дослідження термоелектричних перетворювачів з керованим профілем температурного поля /Н.М. Васильків, О.В. Кочан, В.Я. Яскілка // Вісник Тернопільського державного технічного університету. - 2009. - №1. - С. 122-130.

Кочан О.В. Дослідження зон максимального прояву похибки неоднорідності термопар / О.В. Кочан, Н.М. Васильків // Вісник Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя. - 2009. - №2. - С. 108-113.

Кочан О. Експериментальне дослідження методичної похибки термоелектричних перетворювачів з керованим профілем температурного поля / О. Кочан // Вісник Національного університету “Львівська Політехніка”. - 2009. - № 639. - С. 62-70.

Пат. а200610833 Україна, МПК Н01. Комутатор сигналів низького рівня / Р.В. Кочан, О.В. Кочан, В.В. Кочан, Г.І. Барило (Україна) - заявл. 13.10.2006.

Патент а200701855 Україна, МПК G01К 15/00. Термоелектричний перетворювач / Кочан О.В., Кочан Р.В. - заявл. 22.02.2007.

Kochan O. Temperature Measurement System Based on Thermocouple With Controlled Temperature Field / O.Kochan, R. Kochan, O.Bojko, M. Chyrka // Proc.of the IEEE international workshop on Intelligent Data Acquisition and Advancing Computing Systems (IDAACS'2007). - Dortmund, Germany. - September 6 - 8, 2007. - P. 47-51.

Vasyl'kiv N. The Control System of the Profile of Temperature Field / N.Vasyl'kiv, O. Kochan, R.Kochan, M.Chyrka // Proceedings of the 5-th IEEE International Workshop IDAACS 2009. - Rende (Cosenza), Italy. - September 21-23, 2009. - P. 201-206.

Анотація

Кочан О.В. Термоелектричний перетворювач з керованим профілем температурного поля. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціаль-ністю 05.11.04 - прилади та методи вимірювання теплових величин. - Національний університет “Львівська політехніка”, Львів, 2011.

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.

Ключові слова: вимірювання температури, термопара, термоелектрична неоднорідність, термоелектричний перетворювач з керованим профілем температурного поля.

Аннотация

Кочан О.В. Термоэлектрический преобразователь с управляемым профилем температурного поля. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.04 - приборы и методы измерения тепловых величин. - Национальный университет «Львовская политехника», Львов, 2011.

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.

Ключевые слова: измерение температуры, термопара, термоэлектрическая неоднородность, термоэлектрический преобразователь с управляемым профилем температурного поля

Abstract

Kochan O.V. Termocouple Based Sensor with Controlled Profile of Temperature Field. - Manuscript.

Dissertation for graduation of candidate of engineering sciense on specialty 05.11.04 - Devices and Methods of Heat Value Measurement.- “Lviv Politechnic” National University , Lviv , 2011.

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.

Key words: temperature measurement, thermocouple, termoelectrical heterogeneity, thermocouple based sensor.

Размещено на Allbest.ru

...