Размещено на http://www.allbest.ru/

ДЕРЖАВНИЙ КОМІТЕТ УКРАЇНИ З ПИТАНЬ ТЕХНІЧНОГО РЕГУЛЮВАННЯ ТА СПОЖИВЧОЇ ПОЛІТИКИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ НАУКОВИЙ ЦЕНТР «ІНСТИТУТ МЕТРОЛОГІЇ»

УДК 621.384.327

ПІДВИЩЕННЯ ТОЧНОСТІ ТЕМПЕРАТУРНИХ ВИМІРЮВАНЬ

ЗА ДОПОМОГОЮ САМОКАЛІБРОВАНИХ ДАТЧИКІВ

05.01.02 - стандартизація, сертифікація та метрологічне забезпечення

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Курська Тетяна Миколаївна

Харків - 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Національному науковому центрі «Інститут метрології»

Державного комітету України з питань технічного регулювання та споживчої політики.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, старший

науковий співробітник

Сидоренко Горислав Степанович

Національний науковий центр «Інститут метрології», генеральний директор;

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Павловський Валерій Гаврилович,

Національний технічний університет

„Харківський політехнічний інститут”,

професор кафедри теплотехніки та енергоефективних технологій;

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник

Декуша Леонід Васильович,

Інститут технічної теплофізики НАНУ,

завідуючий відділом теплометрії.

Захист відбудеться «26» листопада 2008 р. о _1500 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.827.01 при Національному науковому центрі «Інститут метрології» за адресою: 61002, м. Харків, вул. Мироносицька, 42.

З дисертацією можна ознайомитись у науково-технічній бібліотеці Національного наукового центру «Інститут метрології» за адресою:

61002, м. Харків, вул. Мироносицька, 42.

Автореферат розісланий «_24_» _жовтня_2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 64.827.01

к.т.н., доцент І.Ф. Дем'янков

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

датчик самокалібрований режим тепловий

Актуальність теми. Забезпечення оперативного контролю теплофізичних параметрів технологічних установок, а саме вимірювання температури на об'єктах підвищеного ступеня ризику здійснюється автоматизованими системами термоконтролю. Засоби контактної термометрії в силу своєї простоти в експлуатації, економічності, достатньої надійності дуже широко застосовуються для вимірювання температури у різних середовищах. Вимоги до точності температурних вимірювань засобами контактної термометрії на цих об'єктах досить високі: так, в системах температурного контролю в контурах АЕС вимірювання температури в діапазоні від 155 єС до 320 єС повинно виконуватись з похибкою ? (0,2-0,5) єС; в парогенераторах ТЕС - в діапазоні температур пара від 535 єС до 565 єС з похибкою ? 1 єС. Під час експлуатації існуючих термодатчиків, розташованих у важкодосяжних місцях, наприклад, на АЕС або об'єктах металургії можливе виникнення незворотних змін індивідуальних номінальних статичних характеристик первинних перетворювачів (ПВП), які ставлять під сумнів вірогідність температурних вимірювань. Метрологічне забезпечення ПВП, розташованих в технічно необслуговуваних приміщеннях, згідно існуючих норм неможливо без демонтажу. Таким чином, існує проблема підвищення точності та вірогідності температурних вимірювань засобами контактної термометрії у важкодосяжних зонах, безпосередньо під час технологічного процесу, яку можливо вирішити застосуванням структурних методів. Вирішення цієї задачі пропонується здійснити шляхом комплексної повірки (калібрування) вимірювальних каналів за допомогою портативного калібратора температури та застосуванням самокаліброваних датчиків температури (СДТ). СДТ, до складу яких входять малогабаритні реперні точки та ПВП, дозволять отримувати індивідуальні градуювальні характеристики цих ПВП без демонтажу в умовах експлуатації та корегувати показники інших перетворювачів шляхом введення поправок без порушення умов технологічного режиму. Таким чином, застосування СДТ дозволить підвищити стабільність та точність температурних вимірювань, дасть змогу виконувати калібрування вимірювального каналу в робочих умовах у достатньо широкому температурному діапазоні, забезпечить надійність багатьох складних, багатофункціональних систем об'єктів енергетики, металургії, нафтопереробної промисловості тощо.

Зв'зок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в Національному науковому центрі «Інститут метрології» Державного комітету України з питань технічного регулювання та споживчої політики та пов'язана з наступними темами:

- «Пошук та дослідження жароміцних матеріалів для тиглів високотемпературних реперних точок» реєстраційний номер № 0106U002309, обліковий номер № 0206U007692;

- «Підвищення техногенної безпеки та надійності систем температурного контролю промислових об`єктів» реєстраційний номер № 0107U003087, обліковий номер № 0208U006472.

Мета і завдання дослідження. Мета дослідження - підвищення точності температурних вимірювань засобами контактної термометрії, які встановлено у важкодосяжних місцях на об'єктах підвищеного ступеня ризику в умовах експлуатації. Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

- розробити та провести дослідження температурної моделі СДТ;

- розробити та провести дослідження конструкцій СДТ на базі одного та двох реперних металів з нагрівачем та без нагрівача;

- розробити алгоритм самокалібрування ПВП в СДТ в умовах стаціонарного теплового режиму та провести дослідження основних характеристик розроблених СДТ;

- провести дослідження індивідуальних НСХ ПВП, які використані в СДТ, а також циклів калібрування СДТ;

- провести дослідження метрологічних характеристик портативного калібратора температури ТС-660.

Об'єкт досліджень - процес відтворення фазових переходів реперних металів за допомогою удосконаленого засобу - СДТ.

Предмет досліджень - метод самокалібрування ПВП за допомогою СДТ, який дозволяє забезпечити необхідну точність температурних вимірювань за рахунок отримання індивідуальної градуювальної характеристики первинних перетворювачів в умовах експлуатації.

При виконанні зазначених робіт були використані наступні методи досліджень:

- методи математичного моделювання при вирішенні задач теплообміну у багатошаровій конструкції СДТ;

- прямі методи вимірювання термо-е.р.с. первинних вимірювальних перетворювачів, що входять до складу СДТ;

- обробка результатів експериментальних досліджень за допомогою методів математичної статистики.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що:

- розроблено та експериментально реалізовано метод самокалібрування первинних вимірювальних перетворювачів в умовах стаціонарного теплового режиму;

- запропонована математична модель СДТ, яка дозволяє визначити параметри термостабілізації для СДТ в умовах стаціонарного теплового режиму при заданих факторах впливу;

- досліджені метрологічні характеристики та отримані результати калібрування СДТ в двох реперних точках олова та цинку, які показали можливість підвищення точності температурних вимірювань (у вісім разів) у діапазоні (від 231,928 єC до 419,527 єC) за рахунок отримання індивідуальної градуювальної характеристики ПВП.

Практичне значення отриманих результатів полягає у тому, що:

- на підставі дослідження існуючих конструкцій малогабаритних реперних точок на одному реперному металі створено експериментальний зразок СДТ на основі двох реперних металів з нагрівачем, який відрізняється від існуючих можливістю застосування у середовищах зі стаціонарним тепловим режимом;

- розроблено та експериментально підтверджено метод самокалібрування, який використовується для підвищення вірогідності температурних вимірювань у стаціонарному тепловому режимі в діапазоні температур;

- практична апробація СДТ та отримані результати досліджень свідчать про перспективність методу та дозволяють рекомендувати СДТ як базовий засіб для калібрування первинних перетворювачів та вимірювального каналу в цілому безпосередньо в умовах технологічних процесів.

Запропоновані та досліджені в дисертаційній роботі метод та зразки СДТ впроваджено на ряді підприємств та установ, що пов'язані з контролем та вимірюванням температури засобами контактної термометрії:

1. Методика метрологічної атестації вимірювальних каналів температури АСУ ТП (Хмельницької АЕС).

2. Методика вимірювання температури кладки термічної печі (ВАТ „АрселорМіттал Кривий Ріг”).

Особистий внесок здобувача. Автором виконано увесь комплекс теоретичних та експериментальних досліджень. Дисертаційна робота є закінченим, виконаним самостійно науковим дослідженням. Робота [1] була опублікована без співавторів, яка стосується розробки конструкції та дослідження метрологічних характеристик СДТ на основі двох реперних металів з нагрівачем. У роботах, опублікованих у співавторстві, авторові даної дисертаційної роботи належить: в [2,3] - розробка конструкції СДТ на основі малогабаритних реперних точок цинку, міді та дослідження їх метрологічних характеристик; в роботі [4] розробка та дослідження основних характеристик СДТ на основі олова та алюмінію; в [5,6] - дослідження основних метрологічних характеристик малогабаритного автоматизованого термостату, який використовувався при експериментальній реалізації СДТ.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та розділи дисертаційної роботи доповідалися та одержали позитивну оцінку на Міжнародній науково-технічній конференції «Надзвичайні ситуації у будівництві» (м. Харків, 2005 р.); V Міжнародній науково-технічній конференції «Метрологія та вимірювальна техніка» (м. Харків, 2006 р.); III Всеросійській конференції по проблемам термометрії «Температура - 2007» (м. Обнінск, 2007 р.).

Публікації. Результати дисертації опубліковані у 6 наукових працях: 4 статті у наукових журналах, що входять у перелік ВАК України та 2 тези доповідей на конференціях. Отримано патент № 84346.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, трьох додатків і списку використаних джерел. Загальний обсяг дисертації становить 125 сторінок і містить у собі 30 рисунків, 11 таблиць та 11 сторінок додатків. Список використаних джерел на 9 сторінках нараховує 98 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами, сформульовані мета та завдання дослідження, наукова новизна отриманих результатів, визначено особистий внесок автора в дисертаційну роботу, апробація результатів дисертації.

У розділі 1 проведено дослідження проблем діючих систем термоконтролю промислових об'єктів на основі існуючих методів та засобів контактної термометрії.

За результатами проведених досліджень встановлено, що складовою, яка вносить вагомий вклад в сумарну похибку вимірювальних каналів сучасних систем термоконтролю є похибка, яку мають первинні перетворювачі температури. Датчики температури мають досить високу похибку вимірювання температури за рахунок зміни градуювальної характеристики під впливом багатьох факторів: агресивного середовища, високих температур, радіаційного випромінювання та ін.

На підставі виконаних досліджень визначені основні фактори, які мають значний вплив на нестабільність градуювальних характеристик первинних перетворювачів: зміни складу термоелектродів внаслідок поглинання елементів зовнішньої газової атмосфери (виникнення оксидів, карбідів, нітридів, розчинення газів), переносу компонентів ізоляції, захисної арматури на термоелектроди та ін.; структурні зміни у термоелектродах внаслідок температурних, іонізаційних, механічних та інших впливів, в тому числі термоциклювання, виникненні напруженого стану; виникненні в процесі експлуатації дефектів робочого злюту. Основними дефектами термоелектричних перетворювачів є: зміни в часі електроопору ізоляції при замиканні термоелектродів в одному чи багатьох місцях, локально або розгалужено; зрив одного або двох термоелектродів; дефекти робочого злюту; зміни (дрейф) метрологічних характеристик перетворювача, його градуювальної характеристики. Встановлено, що на практиці труднощі, пов'язані з появою дефектів, частково вирішуються при повірці або калібруванні перетворювачів температури. Але ця процедура не завжди може бути реалізована - контроль метрологічних характеристик первинних перетворювачів, розташованих у технічно необслуговуваних приміщеннях, здійснювати дуже важко. При цьому на об'єктах підвищеного ступеня ризику норми дотримання температури технологічних процесів повинні обов'язково підтримуватись на належному рівні. У зв'язку з цим, для зниження похибок при вимірюванні температури засобами контактної термометрії та досягнення необхідної стабільності та вірогідності температурних вимірювань необхідно розробити та створити надійну систему для індивідуального градуювання ПВП в умовах експлуатації, розташованих у важкодосяжних місцях.

Розділ 2 присвячено дослідженню теплової моделі малогабаритної реперної точки на основі двох реперних металів з нагрівачем та розробці експериментальної конструкції СДТ. Математична модель теплообміну багатошарового об'єкту будувалась на основі закону збереження енергії. Для кількісного опису сумарного теплообміну об'єкту з зовнішнім середовищем застосовано закон Н'ютона. Рівняння теплового балансу має вигляд:

(1)

де Qоб(ф) - управляючий тепловий вплив, Соб - повна теплоємність об'єкту, який піддається термостабілізації, Лоб.к - теплові провідності між первинним перетворювачем та камерою, Лоб.с - теплові провідності між камерою та діагностуючим середовищем, tоб(ф), tк(ф) та tс(ф) - температури об'єкту, камери міні калібратора та середовища. Для визначення основних характеристик самокалібруючого датчика температури розглядалась спростована модель в зв'язку зі складністю багатокомпонентної багатошарової системи з наявністю двох реперних металів та нагрівачем кабельного типу. Рівняння, яке визначає особливості теплообміну камери міні-калібратора (теплота, що відтворюється у камері сумісно з теплотою, отриманою від ПВП, частково акумулюється камерою, а рештки передаються у зовнішнє середовище), має вигляд:

(2)

Рівняння (1) и (2) сумісно з граничними умовами

(3)

описують математичну модель активного калібратора и пов'язують дві необхідні величини - температуру ПВП tоб (ф) та камери tк (ф) з тепловими впливами Qоб(ф), Qк(ф), tс(ф). Для рішення системи (1), (2) з граничними умовами (3) застосовувався операційний метод, який базується на інтегральному перетворенні Лапласу

, (4)

де f(ф) - первинна функция; F(s) - її зображення; s - параметр перетворення.

Рівняння для зображень Tоб(s) та Tк(s) необхідних температур ПВП мають вигляд:

(5)

, (6)

де Лк та Лоб - коефіцієнти, які є повними тепловими провідностями ПВП та камери;

- передаточні функції ПВП; - передаточні функції камери.

Вирази (5) та (6) являються базовими співвідношеннями, які визначають динаміку теплообміну ПВП та камери в цілому. Закономірності та параметри, що характеризують динаміку теплообміну відповідних елементів СДТ, а саме різниця температур між початковим та кінцевим значеннями визначається:

(7)

(8)

де

Співвідношення (7), (8) описують перехідний процесс змінювання температури ПВП, який знаходиться у камері СДТ при використанні нагрівача. При оцінюванні тривалості нагрівання камери до заданого значення температури використовувалось рівняння, з якого безпосередньо визначався час нагрівання ф до відповідної температури tк(фк):

де (9)

В результаті теплового розрахунку був визначений алгоритм та розроблені конструкції експериментальних зразків СДТ на основі одного та двох реперних металів з нагрівачем та без нього.

На рис.1 представлена конструкція СДТ на основі двох реперних металів з нагрівачем.

Рисунок 1 Самокалібрований датчик температури:

1 - нагрівальний елемент; 2 та 3 - реперні метали; 4 - ПВП; 5 - тиглі, що виконані з Al2О3; 6 - порошок окису магнію; 7 - металевий корпус, 8 - платиновий терморезистор.

Відбір матеріалу тиглів та корпусу для реалізації СДТ проводився методом аналізу його теплофізичних властивостей. Для реперної точки галію в якості матеріалу тигля використано фторопласт-4; для реперної точки олова - Al2O3 та сталь 12Х18Н10Т; для СДТ на базі двох реперних металів вибрано полікристалічний Al2O3. Ці матеріали забезпечать високі механічні властивості в відповідних температурних діапазонах, довготривалу чистоту реперних металів та тривалу експлуатацію. В якості матеріалу металевої оболонки СДТ на базі двох реперних металів використовувалась сталь 12Х18Н10Т. Для експериментальних досліджень метрологічних характеристик СДТ було розроблено та виготовлено експериментальні зразки малогабаритних ампул з одним реперним металом без нагрівача: галій - рис.2; цинк та олово, корпус - з полікристалічного Al2O3 рис.3; олово, корпус виконано з сталі 12Х18Н10Т - рис.4, а також на базі двох реперних металів олова та цинка з нагрівачем, корпус виконано з сталі 12Х18Н10Т - рис.5.

У разі використання реперного металу з домішками, склад яких не уточнюється, у розділі була показана можливість застосування цих металів у СДТ. Температурні плато реперних металів з домішками від початку та до кінця процесів плавлення та тверднення спотворюються за рахунок супутніх процессов - переходу від переохолодження до плато, переміщення фронту фазового переходу від периферії до термометричного каналу, температурного градієнту в масі реперного металу, тому для аналізу відбирались ділянки плато з залежністю, найбільш близкою до експоненційної. Потім визначались параметри експоненти та розраховувалась реперна температура за рівнянням:

, (10)

де k - Дt2/ Дt1, Дt2 та Дt1 - ділянки на температурному плато; - тем-пература зниження реперного плато за рахунок домішок, - час, с.

За допомогою запропонованого методу можливе уточнення поправки до температури фазового переходу металу з домішками та прив'язка конкретної поправки до заданої точки температурного плато.

У розділі 3 проведені дослідження метрологічних характеристик експериментальних зразків СДТ на основі одного реперного металу (галій, олово, цинк) та двох реперних металів (олова та цинку) з нагрівачем. Для дослідження метрологічних характеристик СДТ була створена експериментальна установка, структурна схема якої представлена на рис.6.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 6 Структурна схема експериментальної установки: 1 - портативний калібратор або малогабаритна піч з резистивним нагрівом; 2 - міні-ампула з реперним металом; 3 - блок регулювання; 4 - ПВП; 5 - вимірювач параметрів датчиків термометричний прецизійний багатоканальний СА 320-1

За отриманими плато плавлення або тверднення реперних металів робились висновки щодо основних характеристик плато: його тривалості, відтворюваності, які необхідні та достатні для виконання градуювання ПВП.

За допомогою перетворювачів ТНН-1007М та ТХА №542, виготовлених у НВП „Термоприлад” м.Львів, були отримані температурні плато плавлення (тверднення) для СДТ з нагрівачем та без нагрівача з одним реперним металом. На рис.8, 9 зображені плато плавлення цинку та олова, реєстроване ТНН-1007М. Тривалість плато цинку склала 12 хв., нахил плато - 0,08 єC/хв.; флуктуації плато - 0,1 єC. Тривалість плато олова склала 7 хв., нахил плато - 0,02 єC/хв; флуктуації плато 0,09 єC.

Дослідження температурних плато реперних металів в СДТ та поведінки малогабаритних реперних точок при температурах значно більших ніж температури фазових переходів за умови термоциклювання показали достатню відтворюваність (0,08 єC для трьох реалізацій реперної точки) та тривалість температурного плато (до 12 хв.) малогабаритних реперних точок, необхідну для проведення калібрування первинних перетворювачів.

Рисунок 8 Плато плавлення цинку, реєстроване за допомогою СДТ на основі двох металів (олово+цинк) з ТНН-1007М

Рисунок 9 Плато плавлення олова, реєстроване за допомогою СДТ на основі одного металу

Присутність двох реперних металів в СДТ дозволила з високою точністю проводити розрахунки індивідуальних градуювальник характеристик первинних перетворювачів інтерполяційними методами, що в свою чергу дозволить підвищити точність температурних вимірювань за допомогою СДТ у пасивному режимі (як вимірювача температури).

Показник теплової інерції СДТ на основі двох реперних металів, який є важливою характеристикою приладу при вимірюванні температури в пасивному режимі, визначався згідно (11) для різних конструкцій СДТ:

(11)

де Тс и Т - будь-які два вимірювання температури в зоні регулярного теплового режиму, єC, ф0 та ф - відповідно відліки часу, с.

Отримані дані щодо інерційності СДТ (галій - 37 с; олово (металевий корпус) - 13 с; олово, цинк (корпус полікристалічний Al2O3) - 19 с; олово+цинк з нагрівачім - 23 с) показали можливість використання СДТ в якості вимірювача температури при стаціонарному тепловому режимі. Використання СДТ в режимі калібрування ПВП дозволяє не враховувати його інерційність та застосовувати високоякісні матеріали, які запобігають процесам дифузії матеріалів тиглей та реперних металів під час експлуатації.

За допомогою програмного забезпечення були проведені розрахунки індивідуальних градуювальних характеристик ТП за двома реперними температурами в діапазоні від 231,928 єC до 419,527 єC. На рис.10 приведені дані щодо відхилення НСХ ТНН-1007М від стандартної при індивідуальному градуюванні в СДТ на базі двох металів.

Рисунок 10 Відхилення НСХ ТНН-1007М при індивідуальному градуюванні в СДТ на базі двох металів

В результаті експерименту було показано, що диапазон відхилення індивідуальної НСХ від стандартної згідно ДСТУ 2857-94 складає від 22 мкВ до 53 мкВ відповідно для реперних точок олова та цинку, що у температурному еквіваленті становить 0,65 єC для олова та 1,43 єC для цинку. Згідно ДСТУ 2857-94 границі допустимого відхилення від НСХ для ТНН кл.1 становить ± 1,5 єC від мінус 40 єC до 375 єC включно та ± 1,68 єC понад 375 єC. Тобто індивідуальна НСХ ТНН-1007М знаходиться в межах допустимого відхилення. При градуюванні ТНН в СДТ була дана оцінка відтворюваності температурних плато реперних точок олова та цинку, яка мала вплив на відхилення НСХ ТНН. Відхилення НСХ ТНН при індивідуальному градуюванні в реперній точці олова дорівнювало ± 5 мкВ, в реперній точці цинку - ± 7 мкВ, що у 8 разів зменшує похибки вимірювання температури у діапазоні.

При дослідженнях метрологичних характеристик СДТ багато уваги приділялось вивченню стабільності та відтворюваності температурних плато плавлення та тверднення в СДТ. Дослідження циклів градуювання ПВП проводились для визначення оптимального температурного режиму для СДТ для відтворюваності фазових переходів реперних металів. На рис.11 приведені цикли градуювання термоелектричного перетворювача ТХА № 541 в СДТ на базі двох реперних металів.

Рисунок 11 Цикл градуювання (регістрація плато плавлення (тверднення) олова за допомогою ТХА № 541 в СДТ на базі двох реперних металів)

Дослідження експериментальних даних показали: тривалість плато плавлення склала 24 хв.; плато тверднення - 30 хв.; температура перегріву порядка 10 єC; витримка в расплавленому стані - 12 хв.; швидкість нагрівання - 1,3 єC/хв.; швидкість охолодження склала 0,35 єC/хв.; суперохолодження приблизно дорівнює 0,7 єC; нестабільність відтворення плато тверднення визначалось як СКВ температурного плато на ділянці, яка складає 30 % від тривалості плато на початку твердіння та дорівнює 2,25 мкВ, що в температурному еквіваленті складає 0,056 єC; нестабільність відтворення плато плавлення визначалось на ділянці плато, яка складає 20 % від тривалості плато в кінці плавлення і дорівнює 2,5 мкВ (0,063 єC); температура плато плавлення відрізняється від температури плато тверднення на 0,03 єC, тому що різниця швидкості нагрівання порівняно зі швидкістю охолодження складає більш, ніж три рази та обумовлена, напевне, наявністю домішок в реперному металі.

З метою використання портативного калібратора ТС-660 для калібрування ПВП та вимірювального каналу (якщо існує можливість демонтажу термодатчиків) були проведені дослідження основних метрологічних характеристик ТС-660. Отримані дані показали, що вертикальний градієнт в робочій зоні (90 мм від дна термометричного каналу) дорівнює

± 0,01 (50 єC) и ± 0,03 0С/см (500 єC). Стабільність температури за проміжок часу (30 хв.) для трьох значень температури (50 0С, 300 0С та 600 0С) при обробці експериментальних даних кривих відтворення температури показали, що S50 = ± 3,9·10-3 0С; S300 = ± 1,4·10-2 0С; S600 = ± 3,2·10-2 0С. Таким чином, розроблений калібратор має високі метрологічні характеристики і може бути використаний для градуювання ПВП з довірчою похибкою в межах від 0,01 0С до 0,1 0С при n=30 та довірчою ймовірністю (р = 0,95).

Таким чином, на підставі проведених досліджень встановлено:

- відбір реперних металів для малогабаритної реперної точки визначається температурним режимом технологічного процесу; маса реперних металів дозволяє фіксувати температурні плато фазових переходів; присутність нагрівача дозволяє проводити калібрування первинних перетворювачів при стаціонарному тепловому режимі;

- розрахунки індивідуальних градуювальник характеристик первинних перетворю-вачів методами інтерполяції в діапазоні за двома фіксованими точками фазових переходів двох реперних металів в СДТ дозволяють корегувати показники температурних вимірювань безпосередньо в місцях експлуатації;

- дослідження інерційності СДТ показали можливість його використання для вимірювання температури у пасивному режимі;

- дослідження циклів градуювання ПВП в СДТ дозволили визначити оптимальний температурний режим для отримання температурного плато достатньої інформативності.

Розділ 4. Присвячений обробці результатів вимірювань та дослідженню складових похибок калібрування первинних перетворювачів температури в СДТ. До систематичних похибок СДТ відносять похибки, які пов'язані з:

- корекцією температури вільних кінців первинного перетворювача;

- впливом чистоти металу на значення реперної температури;

- нелінійністю вимірювача СА320;

- термоелектричною неоднорідністю термоелектродів;

- змінами термо-е.р.с. при довготривалому термічному впливу.

За протоколами випробувань реперних металів на присутність у них домішок з використанням методів лазерної спектроскопії визначено зниження температури тверднення за рахунок присутності в них домішок. Згідно методу, запропонованому в роботі, використовуючи отримані експериментальні дані (температурні плато), проведені розрахунки поправок, які в цілому співпадають з теоретичними розрахунками і дали наступні значення, які були вилучені з результатів вимірювань: ДT(галій) = 3,854·10-4 єС, ДT(олово) = 3,024 ·10-3 єС, ДT(цинк) = 0,005 єС.

При розгляді складових похибок градуювання первинного перетворювача виділяли наступні:

- випадкова складова похибки при вимірюванні термо-е.р.с. - Sса320(E);

- невилучена систематична похибка Qса320(З).

Випадкова похибка вимірювання термо-е.р.с Sса320(E) має вигляд:

, (12)

де Е - середнє арифметичне значення термо-е.р.с., (мВ) при n кількості спостережень.

Невилучена систематична похибка - Qса320(З), визначалась при калібруванні:

Иса320() = • + В, (13)

де = 2·10-6; В = 2•10-7 В (для шкали 20 мВ);

Невилучена сумарна (НСП) відтворення температури реперної точки (СДТ) визначалась згідно виразу:

, (14)

де k = 1,1 при довірчої ймовірності р = 0,95; Иф.п. - НСП відтворення температури фазового перетворення плавлення або тверднення реперного металу, яка пов'язана з застосуванням методики здійснення фазового переходу: швидкістю нагрівання та абсолютним значенням температури перегріву металу, витримці у розтопленому стані, швидкістю охолодження та абсолютним значенням перехолодження. СКВ сумарної невилученої систематичної складової похибки результату градуювання первинного перетворювача визначали згідно:

SИ = . (15)

Довірчі границі сумарної невилученої систематичної складової похибки результату градуювання ПВП при р = 0,95 визначали з співвідношення:

И(0,95) = 1,1.(16)

СКВ сумарної похибки результату градуювання ПВП має вигляд:

S = .(17)

Довірчі границі похибки результату градуювання ПВП при р = 0,95 та числі ефективних ступеней свободи н = n - 1 визначались за формулою:

. (18)

Бюджет похибок при градуюванні ТНН-1007М у реперній точці олова та цинку за допомогою СДТ наведено у табл.1.

Таблиця 1

	Sn	Zn
Sса320(T), єС	0,09	0,1
Иса320(T), єС	0,04	0,06
, єС	0,18	0,2
Исдт(T), єС	0,04	0,05
SИ, єС	0,042	0,045
И0,95, єС	0,079	0,086
S, єС	0,105	0,11
0,95, єС	0,196	0,2

Аналіз результатів розрахунку похибок градуювання первинного перетворювача показав, що найбільший внесок в похибки градуювання дає похибка, яка пов'язана з нестабільністю фазового переходу, яка в свою чергу викликана швидкістю при нагріванні, та нелінійністю вимірювача термо-е.р.с. СА320. Таким чином, при градуюванні первинного перетворювача ТНН(N) в точці цинка отримали наступний результат: Еzn= З ±Д0,95= (13,706 ± 0,007) мВ, для реперної точки олова, показали, що Еsn= З ±Д0,95= (6,981 ± 0,005) мВ. В табл.2 наведено бюджет похибок при градуюванні ТНН-1007М в термінах невизначеності (для реперної точки цинку).

Таблиця 2

Бюджет невизначеності при градуюванні первинного перетворювача

п/п	Складові невизначеності
1.	Стандартна невизначеність, uA, єC	0,1
2.	Складові стандартної невизначеності типа uВ, єC:
	складова невизначеності, яка пов'язана з нелінійністю вимірювачаСА320, єC	3,53·10-2
	складова невизначеності, пов'язана з впливом чистоти металу, єC	0,001
	складова невизначеності, пов'язана з тривалістю фазового переходу, єC	0,029
3.	Стандартна невизначеність, uВ, єC	0,04
4.	Сумарна стандартная невизначеність, uС, єC	0,1
5.	Розширена невизначеність, Up, єC	0,2

Таким чином, аналіз індивідуальної градуювальної характеристики ТНН-1007М, отриманої за рахунок калібрування шляхом відтворення фазових переходів реперних металів олова та цинку в СДТ, показав можливість бездемонтажного калібрування первинних перетворювачів температури в умовах стаціонарного теплового режиму та підвищення точності температурних вимірювань у декілька разів..

У висновках сформульовані основні наукові та практичні результати дисертаційної роботи.

ВИСНОВКИ

У дисертації на основі теоретичних та експериментальних досліджень вирішена актуальна науково-практична задача підвищення точності температурних вимірювань засобами контактної термометрії, які встановлено у важкодосяжних місцях на об'єктах підвищеного ступеня ризику в умовах експлуатації, а також безпосередньо в умовах технологічних процесів.

1. Найбільш важливими результатами, отриманими при проведенні цих досліджень, є:

- розроблена математична модель СДТ, яка дозволяє визначити параметри термостабілізації для СДТ в умовах стаціонарного теплового режиму;

- розроблено та експериментально реалізовано метод самокалібрування ПВП в умовах стаціонарного теплового режиму; проведені експериментальні дослідження метрологічних характеристик СДТ, показали: надійність та довготривалу стабільність розроблених СДТ, відтворюваність температури фазового переходу;

- проведено експериментальні дослідження метрологичних характеристик СДТ в пасивному режимі (в якості вимірювача температури), які показали можливість підвищення точності та вірогідності температурних вимірювань в умовах експлуатації та корегування показань стандартних ЗВТ за показами СДТ; експериментальні дослідження метрологічних характеристик СДТ в активному режимі показали можливість проведения бездемонтажного калібрування ПВП та вимірювального каналу в цілому;

- досліджено метрологічні характеристики та отримано результати калібрування СДТ в двох реперних точках олова та цинку, які показали можливість підвищення точності вимірювань температури (в вісім разів) в діапазоні від 231,928 єC до 419,527 єC за рахунок отримання індивідуальної градуювальної характеристики ПВП;

- досліджено метрологічні характеристики портативного калібратора температури ТС-660, які показали високу стабільність підтримання температури, достатню для проведення робіт з градуювання датчиків температури з довірчою похибкою ( при Р = 0,95) в межах від 0,01 0С до 0,1 0С.

В цілому, у дисертаційній роботі отримано науково-обгрунтовані результати, які в сукупності вирішили конкретну науково-технічну задачу по підвищенню точності температурних вимірювань засобами контактної термометрії, метрологічному забезпеченню ПВП, розташованих у важкодосяжних місцях без демонтажу, в умовах технологічного процесу при стаціонарному температурному режимі.

2. Значення вирішеної в дисертаційній роботі науково-технічної задачі полягає в розвитку теоретичних та прикладних основ метрологічного забезпечення температурних вимірювань засобами контактної термометрії.

3. Наукове використання отриманих у дисертації результатів полягає в розвитку теорії та практики передавання розміру одиниці температури від первинного еталону до робочих ЗВТ.

4. Вірогідність отриманих у роботі наукових і теоретичних результатів підтверджується збігом результатів експериментальних досліджень метрологічних характеристик СДТ шляхом порівняння вимірювання температури досліджуваного середовища за допомогою платинового термометра опору ПТС-10 №1016 - робочого еталону 2-го розряду.

5. Наукові та прикладні результати досліджень, отримані в дисертаційній роботі можуть бути використані:

- при удосконаленні системи метрологічного забезпечення температурних вимірювань засобами контактної термометрії на об'єктах підвищеного ризику, особливо у важкодосіжних місцях;

- для підвищення точності та вірогідності температурних вимірювань при використані СДТ в пасивному режимі.

6. Результати роботи знайшли практичне використання при створенні методики метрологічної атестації вимірювальних каналів температури АСУ ТП (Хмельницької АЕС) і методики вимірювання температури кладки термічної печі (ВАТ „АрселорМіттал Кривий Ріг”).

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Курская Т.Н. Повышение точности и безопасности высокотемпературных измерений контактными датчиками / Т.Н. Курская // Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов. Сборник научных трудов. - 2007. - № 1(48). - С.119-122.

2. Курская Т.Н., Иванова Е.П. Метрологическое обеспечение температурных измерений промышленных средств автоматизации на объектах с повышенным риском пожаробезопасности / Т.Н. Курская, Е.П. Иванова // Системи обробки інформації. Збірник наукових праць. - 2005.- № 7(47).- С. 84-90.

3. Курская Т.Н., Сидоренко Г.С., Чернобай Г.А. Повышение точности и безопасности измерений температуры контактными датчиками на основе малогабаритных реперных точек / Т.Н. Курская, Г.С. Сидоренко, Г.А. Чернобай // Проблеми надзвичайних ситуацій. - 2006. - № 4. - С.162-166.

4. Курская Т.Н., Иванова Е.П., Фурдыло А.Ф. Автоматизированный термостат для заплавления малогабаритных реперных точек / Т.Н. Курская, Е.П. Иванова, А.Ф. Фурдыло // Моделювання та інформаційні технології. Збірник наукових праць. - 2005.- № 33. - С.85-87.

5. Иванова Е.П., Курская Т.Н., Сидоренко Г.С., Фурдыло А.Ф. Исследование метрологических характеристик портативного калибратора температуры ТС-660 / Е.П. Иванова, Т.Н. Курская, Г.С. Сидоренко, А.Ф. Фурдыло // Приборы. - 2008. - № 2 (92). - С.46-48.

6. Иванова Е.П., Курская Т.Н., Сидоренко Г.С. Повышение точности измерений температуры с помощью самокалибрующихся датчиков температуры // Научные труды V Международной научно-технической конференции. - Харьков: ННЦ «Институт метрологии», 2006. - С. 268-270.

7. Пат.84346 Україна, МПК (2006) G 01 K 15/00, G 05 D 23/00. Спосіб самокалібрування датчиків температури та пристрій для його здійснення / Іванова К.П., Курська Т.М., Сидоренко Г.С.; заявник и патентовласник Національний науковий центр „Інститут метрології”. - № a 2006 13674; заявл. 25.12.2006; опубл. 10.10.08, Бюл. № 19.

АНОТАЦІЯ

Курська Т.М. Підвищення точності температурних вимірювань за допомогою самокаліброваних датчиків . - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом

05.01.02 - стандартизація, сертифікація та метрологічне забезпечення. - Національний науковий центр «Інститут метрології», Харків, 2008.

Дисертація присвячена створенню нових структурних елементів в системах термоконтролю технологічних процесів з метою підвищення точності та вірогідності температурних вимірювань засобами контактної термометрії, які розташовані в важкодосяжних місцях на об'єктах підвищеного ризику; теоретичному розрахунку та практичній апробації розроблених зразків СДТ для калібрування вимірювальних каналів систем термоконтролю; дослідженню метрологічних характеристик зразків СДТ.

Актуальність створення СДТ обумовлена необхідністю метрологічного забезпечення ПВП, розташованих у технічно необслуговуваних приміщеннях, безпосередньо в умовах експлуатації, без демонтажу. Використання СДТ дасть можливість суттєво знизити похибки вимірювань температури, що особливо важливо для об'єктів підвищеного ризику - підприємств енергетики, металургії та ін.

Наукове використання отриманих у дисертації результатів полягає у подальшому розвитку теорії та практики передавання розміру одиниці температури від первинного еталону до робочих ЗВТ.

В цілому, у дисертаційній роботі отримані науково-обгрунтовані результати, які в сукупності вирішили конкретне наукове завдання підвищення точності температурних вимірювань в умовах експлуатації засобами контактної термометрії, які встановлено у важкодосяжних місцях на об'єктах підвищеного ступеня ризику.

Ключові слова: первинний перетворювач, самокалібруючий датчик температури, калібрування, реперна точка, фазовий перехід, номінальна-статична характеристика, плато плавлення (тверднення).

АННОТАЦИЯ

Курская Т.Н. Повышение точности температурных измерений с помощью самокалибрующихся датчиков. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.01.02 - стандартизация, сертификация и метрологическое обеспечение. - Национальный научный центр «Інститут метрологии», Харьков, 2008.

Диссертация посвящена созданию новых структурных элементов в системах термоконтроля технологических процессов с целью повышения точности и достоверности температурных измерений средствами контактной термометрии, которые установлены в труднодоступных местах на объектах повышенной степени риска; теоретической разработке и практической апробации экспериментальных образцов СДТ для калибровки температурных измерительных каналов; исследованию метрологических характеристик разработанных образцов СДТ.

Актуальность создания СДТ обусловлена необходимостью повышения точности температурных измерений средствами контактной термометрии в период эксплуатации, а также метрологическому обеспечению ППТ, установленных в технически необслуживаемых помещениях, непосредственно в местах эксплуатации, без демонтажа. Использование СДТ даст возможность значительно снизить погрешность измерений температуры, что особенно важно для объектов повышенной степени риска - предприятий энергетики, металургии и др.

Научное использование полученных в диссертационной работе результатов лежит в дальнейшем развитии теории и практики передачи размера единицы температуры от первичного эталона к рабочим СИТ.

В целом, в диссертационной работе получены научно-обоснованные результаты, которые в совокупности решили конкретную научную задачу - повышение точности температурных измерений в условиях эксплуатации средствами контактной термометрии, которые установлены в труднодоступных местах на объектах повышенной степени риска.

Ключевые слова: первичный преобразователь, самокалибрующийся датчик температуры, калибровка, реперная точка, фазовый переход, номинально-статическая характеристика, плато плавления (затвердевания).

SUMMARY

Kurskaya T. N. Increasing the accuracy of temperature measurements with self-calibrating probes. - Manuscript.

Thesis for obtaining the scientific degree of a candidate of technical sciences on specialty 05.01.02 - standardization, certification and metrological assurance. - National Scientific Centre “Institute of Metrology”, Kharkiv, 2008.

The thesis concerns the creation of new structural elements in the systems of thermocontrol of technological processes with the view of increasing the accuracy and reliability of temperature measurements using contact thermometry means installed in out-of-the-way places on strategic objects; the theoretical elaboration and practical approbation of experimental samples of self-calibrating temperature probes (STP) for calibrating temperature measurement channels; the investigation of metrological characteristics of STP.

The topicality of creating STP is caused by the necessity to provide metrological assurance of primary temperature converters installed in non-maintainable buildings, directly in the places of exploitation without disassembling. The application of STP will give an opportunity to considerably decrease the error in measuring temperature, which is particularly important for strategic objects, i.e. enterprises of power engineering and metallurgy, etc.

The scientific application of the results obtained in the thesis is in further development of theory and practice of using phase transfers of reference metal for calibrating primary converters under the conditions of technological processes.

As a whole, scientifically grounded results have been obtained in the thesis. In the aggregate these results have solved the specific task of improving the metrological assurance of temperature measurements using contact thermometry means in non-maintainable buildings, without disassembling, as well as made it possible to considerably increase the accuracy and reliability of temperature measurements under the conditions of a technological process on strategic objects.

Key words: primary converter, self-calibrating temperature probe, calibration, reference point, phase transfer, nominal and static characteristic, melting (freezing) plateau.

Размещено на Allbest.ru

...