устройство для измерения малых разностей температур

Формула изобретения

1. Устройство для измерения малых разностей температур, которое представляет собой дифференциальную многоспайную термопару из термоэлектродной проволоки, отличающееся тем, что используется термоэлектродная проволока из сплавов хромель и копель, причем термоэлектроды в пары выбраны из одного класса партий проволоки хромеля и копеля и подвергнуты отжигу при температуре 750-770К путем протяжки через печь со скоростью 0,06-0,08 м/с, а раскроены и промаркированы термоэлектроды таким образом, чтобы при сборке они оказались в той же последовательности, что и в заводской бухте проволоки.

2. Устройство для измерения малых разностей температур по п.1, отличающееся тем, что на термоэлектроды нанесено электроизоляционное покрытие.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к метрологии, способам измерения теплофизических свойств веществ для разработки уравнений их состояния, и может быть использовано в проточной калориметрии и в приборах для измерения расхода веществ, находящихся как в жидкой, так и в газовой фазах, для контроля процессов мембранного разделения в химической промышленности и других отраслях.

Аналогом предлагаемого устройства является термоэлектрический преобразователь (дифференциальная термопара) из работы Герасимова А.А. Экспериментальное исследование изобарной теплоемкости и расчет калорических свойств н-гексана в интервале температур 290-625 К и давлений 0,1-60 МПа. Дис. канд. техн. наук. - Грозный, 1980. - 270 с. Для измерения разности температур использовалась аналогичная предлагаемой по конструкции дифференциальная термопара из термоэлектродов золото-платина. При всех достоинствах благородных термоэлектродов золото-платина (низкая термоЭДС негомогенности, стабильность свойств при высоких температурах и агрессивности среды) им присущи следующие недостатки: малая чувствительность (8 мкВ/К), очень высокий коэффициент теплопроводности (для золота =308 Вт/м·К), адгезионные особенности золота и платины, затрудняющие нанесение на них органосиликоновых и алундовых электроизолирующих покрытий, высокая стоимость химически чистых благородных металлов. Указанные недостатки существенно (до 2% при доверительной вероятности 0,95) увеличивают суммарную погрешность измерения разности температур при ее значениях менее 0,1 К.

Прототипом устройства является дифференциальная шестиспайная термопара медь - константан из работы Харина В.Е. Калорические свойства н-пентана в жидкой и паровой фазах, включая критическую область. Дис... канд. физ.-мат.наук. - Нальчик, 1988. - 247 с. Прототип свободен от недостатков аналога, но не может быть использован при температурах выше 500 К из-за окислительного разрушения медного электрода.

Техническая задача изобретения - повышение точности измерения разностей температур до 0,1 К при абсолютных температурах до 650 К путем применения специальной технологии подбора и подготовки термоэлектродов хромель-копель. Технология изготовления сплавов хромеля и копеля не позволяет получать с требуемой повторимостью термоэлектрические характеристики из-за паразитных термоЭДС негомогенности материала термоэлектрода. Это является основным препятствием для их использования в прецизионных измерениях температуры, т.к. погрешность измерения абсолютной температуры достигает 1%, а разности температур дифференциальной термопарой - 5% и более.

Для решения технической задачи изобретения предлагается выбирать термоэлектроды в пары из одного класса партий. Затем термоэлектродная проволока ( 0,2-0,3 мм) отжигается при температуре 750-770 К путем протяжки через печь со скоростью 0,06-0,08 м/с. Одновременно с отжигом возможно нанесение электроизоляционного покрытия, требующего высокотемпературной полимеризации (например, алундового). Элементы термопары раскраиваются в зависимости от ее геометрических размеров и маркируются с той целью, чтобы при сборке они оказались в той же последовательности, что и в заводской бухте (например, предыдущий хромелевый электрод оканчивается в зоне 2, а следующий начинается в зоне 1). Таким образом, уменьшается влияние термоэлектрической неоднородности материала термоэлектродов, находящихся в области неопределенных температур 4.

Техническим результатом изобретения является то, что после 200 циклов нагрев - охлаждение отклонение измеренной предлагаемым устройством температуры в зоне 1 от индивидуальной градуировочной характеристики не превышают 0,05%, а точность измерения разности температур в зонах 1 и 2 повышается до 0,5%.

На фиг.1 изображена принципиальная схема дифференциальной шестиспайной термопары. Половина спаев помещается в зону 1 температурного поля, а половина - в зону 2. Для контроля абсолютных температур и градуировки в зонах 1 и 2 выполнены «абсолютные» спаи 8 и 9. Кроме того, предусмотрена возможность измерения разности температур по четырем спаям, для чего выполнены дополнительные отпайки 16, 17. Это позволяет дополнительно контролировать случайную погрешность измерения. Спаи выполняются медно-серебряно-цинковым припоем в воздушно-пропановом пламени под слоем буры.

Для осуществления изобретения термопара собирается на жестком дугообразном каркасе (фиг.2), после чего части 1, 2 и 4 совместно отжигаются при температуре 700 К. Термопара помещается в холодную печь, за 1,5-2 часа разогревается вместе с печью до температуры отжига, выдерживается 2 часа, а затем остывает вместе с печью до комнатной температуры. Этим снимаются напряжения в термоэлектродах, возникающие при их изгибе и приводящие к возникновению паразитных термоЭДС.

Для градуировки абсолютных отпаек используется образцовый платиновый термометр сопротивления ПТС-10 с предельной погрешностью ±0,02 К. Интервал градуировки 300-650 К. ТермоЭДС абсолютных спаев 8, 9, а также четырех и шести пар дифференциальных спаев измеряется в точках 10-15 потенциометром.

Фиг.1: Принципиальная схема устройства.

1, 2 - зоны температурного поля с температурой T₁ и Т₂; 3 - зона с температурой 273,15 К; 4 - зона дуги с неопределенной температурой; 5 - копелевые термоэлектроды; 6 - хромелевые термоэлектроды; 7 - медные термоэлектроды; 8, 9 - абсолютные спаи; 10, 11 - точки измерения термоЭДС четырех пар дифференциальных спаев; 12, 13 - точки измерения термоЭДС шести пар дифференциальных спаев; 13, 15 - точки измерения термоЭДС абсолютного спая 9, находящегося в зоне 1; 12, 14 - точки измерения термоЭДС абсолютного спая 8, находящегося в зоне 2; 16, 17 - дополнительные спаи.

Фиг.2: Монтажная схема устройства.

1, 2 - зоны температурного поля с температурой T₁ и Т ₃; 3 - зона с температурой 273,15 К; 4 - зона дуги с неопределенной температурой; 5 - копелевые термоэлектроды; 6 - хромелевые термоэлектроды; 7 - медные термоэлектроды; 8, 9 - абсолютные спаи; 10, 11 - точки измерения термоЭДС четырех пар дифференциальных спаев; 12, 13 - точки измерения термоЭДС шести пар дифференциальных спаев; 13, 15 - точки измерения термоЭДС абсолютного спая 8, находящегося в зоне 1; 12, 14 - точки измерения термоЭДС абсолютного спая 9, находящегося в зоне 2; 16, 17 - дополнительные спаи.