Устройство для градуировки термопар и термометров сопротивления

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГРАДУИРОВКИ ТЕРМОПАР И ТЕРМОМЕТРОВ СОПРОТИВЛЕНИЯ(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Авторы Карбалевич Нина Александровна Костин Алексей Николаевич Лопатов Геннадий Яковлевич Федотов Александр Кириллович(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) 1. Устройство для градуировки термопар и термометров сопротивления, содержащее калориметрическую измерительную ячейку, блок аналого-цифрового преобразования сигналов с термопар и термометров сопротивления, блок связи с ПЭВМ, ПЭВМ, отличающееся тем, что дополнительно содержит блок терморегулирования, в котором система охлаждения выполнена с использованием элементов Пельтье, а система нагрева - в виде резистивных нагревательных элементов. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок терморегулирования выполнен с возможностью управления мощностью резистивных нагревательных элементов и величины тока в элементах Пельтье, задания режимов изменения температуры в калориметрической измерительной ячейке с помощью компьютерной программы и отображения временных зависимостей температуры на экране ПЭВМ. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок аналого-цифрового преобразования сигналов с термопар и термометров сопротивления выполнен с возможностью управления измерениями термоЭДС, напряжения и температуры по заданной программе и отображения временных зависимостей указанных величин в виде графиков и таблиц.(56) 1. Бортник Б.И., Веретенников Л.М., Кожина Г.А., Судаков Н.П. Исследование термоэлектрического эффекта Методические указания к лабораторной работе. - УГЭУ, Екатеринбург, 2004. - С. 5-7. 2. Кушко А.Н. Методические указания к лабораторным работам по дисциплине Физика / Под ред. доц. С.Г. Стоюхина. - М. МИИТ, 2007. - С. 3-8. 3. Егоров В.И., Кораблев В.А., Шарков А.В. Системы термостатирования Методические указания к лабораторным работам. - СПб СПб ГУ ИТМО, 2006. - С. 5-7. 4. Шиков А.А. Градуировка термопары по реперным точкам. - С. 9-10. Предлагаемое техническое решение относится к ряду лабораторных установок для физического практикума и может использоваться в учебных заведениях при проведении лабораторных работ по курсу теплофизики. Известны устройства для градуировки термопар и термометров сопротивления 1, 2,3, использующие отдельные составляющие элементы того же функционального значения,что и в предлагаемом устройстве. В устройстве 1 для градуировки термопары используют высокоточный термометр,измеряющий температуру в месте горячего спая, холодным спаем служат контакты проводников измерительной цепи, колебания которой составляют 1-2, т.е. холодный спай имеет комнатную температуру. Нагревание горячего спая термопары осуществляется с помощью печи, в которую вместе с термопарой помещается термометр. Исследуют зависимость термоЭДС от разности температур контактов в интервале температур 20-150 С. Устройство 2 включает в себя нагреватель с термостатом, в который помещен один конец термопары. Температура в термостате измеряется цифровым термометром. Электрический нагреватель позволяет плавно изменять температуру до 135 С. Величина термоЭДС измеряется цифровым вольтметром. Установка позволяет выполнять градуировку хромель-копелевой, хромель-алюмелевой и алюмель-копелевой термопар при различных температурах (около 10 температурных режимов). Недостатком данных устройств является отсутствие наглядности эксперимента, возможность градуировки только в положительном интервале температур, невозможность градуировки датчиков другого типа. В устройстве 3 градуировка термометров сопротивления осуществляется с помощью водяного термостата. Измерение сопротивления производится цифровым вольтметром. Недостатком этого устройства является громоздкость установки невысокая точность поддержания температуры в термостате ( 0,5 С) возможность градуировки только в области положительных температур (от комнатной до 60-80 С), хотя рабочий диапазон температур исследуемых полупроводниковых термометров сопротивления составляет(- 60)-( 125 С) невозможность градуировки датчиков иного типа. Наиболее близкими техническими решениями к заявляемой полезной модели является устройство 4. Устройство для градуировки термопар по реперным точкам 4 содержит кварцевую пробирку с реперным веществом, помещаемую в электрическую печь, и дьюарный сосуд,где создается температура 0 С. Печь питается от стабилизированного источника тока. Цифровой вольтметр контролирует ток в электропечи. Калибруемая термопара подсоединена к цифровому вольтметру, показания которого регистрируются персональным компьютером. Для градуировки термопары измеряют значения ЭДС термопары в реперных температурных точках фазовых переходов используемых веществ в точке кипения дистиллиро 2 61212010.04.30 ванной воды и точках плавления и затвердевания чистых металлов (индия и олова). Полученные в процессе измерения данные сохраняются в файле данных, а также в графическом виде. Недостатком такого устройства является необходимость использования реперных веществ (воды, азота, индия и олова), присутствие на рабочем месте кипящей воды и азота небольшое количество реперных точек возможность градуировки термопар только в области положительных температур, а также невозможность градуировки разных типов датчиков температуры. Задачей предлагаемого устройства является создание универсальной, компактной, дешевой, безопасной, удобной в применении автоматизированной лабораторной установки,обеспечивающей повышение точности измерений, наглядности эксперимента, а также расширение функциональных возможностей. Поставленная задача решается тем, что в устройств для градуировки термопар и термометров сопротивления, содержащем калориметрическую измерительную ячейку, блок аналого-цифрового преобразования сигналов с термопар и термометров сопротивления,блок связи с ПЭВМ, ПЭВМ, дополнительно содержит блок терморегулирования, в котором система охлаждения выполнена с использованием элементов Пельтье, а система нагрева - в виде резистивных нагревательных элементов а также блок терморегулирования выполнен с возможностью управления мощностью резистивных нагревательных элементов и величины тока в элементах Пельтье, задания режимов изменения температуры в калориметрической измерительной ячейке с помощью компьютерной программы и отображения временных зависимостей температуры на экране ПЭВМ блок аналогоцифрового преобразования сигналов с термопар и термометров сопротивления выполнен с возможностью управления измерениями термоЭДС, напряжения и температуры по заданной программе и отображения временных зависимостей указанных величин в виде графиков и таблиц. В калориметрическую измерительную ячейку помещаются исследуемые и эталонный датчики температуры. Измерительная ячейка представляет собой полый цилиндр, выполненный из алюминия. Поскольку алюминий обладает достаточно высокой теплопроводностью, это позволяет практически ликвидировать градиенты температур вдоль стенок калориметрической измерительной ячейки. Наличие внутри ячейки воздуха, являющегося хорошим теплоизолятором, приводит к временной задержке установления температуры в области расположения датчиков по сравнению с температурой стенок, но в то же время позволяет несколько сгладить колебания температуры стенок ячейки во времени, связанные с поддержанием заданной температуры. Диапазон температур, задаваемых в калориметрической измерительной ячейке, от- 17 С до 65 С. Температура выше комнатной создается с помощью резистивных нагревательных элементов, ниже комнатной с помощью элементов Пельтье. Температура может задаваться ступенчато (с шагом, начиная от одного градуса) и в режиме монотонного нагрева (охлаждения). Точность поддержания температуры ячейки 0,1 С. Задание режимов работы калориметрической ячейки и получение данных с датчиков осуществляется посредством ПЭВМ. В целом применяется единая схема устройства для изучения различных типов датчиков. Устройство позволяет градуировать термопары, термометры сопротивления, а также различные полупроводниковые датчики температуры с аналоговыми выходами. Одновременно может быть подключено до восьми датчиков разных типов. Система сбора и обработки информации позволяет измерять напряжение в диапазоне от десятков микровольт до вольт, а также значения силы тока для датчиков с унифицированным токовым выходом в диапазоне 0-20 мкА. 61212010.04.30 Сущность полезной модели поясняется фиг. 1-5. На фиг. 1 представлена блок-схема устройства для градуировки термопар и термометров сопротивления, на фиг. 2 - окно программы задания температуры в калориметрической ячейке. На фиг. 3 представлено окно программы, в котором указаны типы и текущие показания термопар, на фиг. 4 приведено окно программы для сбора информации с исследуемых датчиков, на фиг. 5 отображен файл с результатами измерений. Устройства для градуировки термопар и термометров сопротивления (фиг. 1) включает следующие составные элементы 1. Калориметрическая измерительная ячейка 2. Блок терморегулирования 3. Блок аналого-цифрового преобразования сигналов с термопар и термометров сопротивления 4. Блок связи с ПЭВМ 5. ПЭВМ. Предлагаемое устройство работает следующим образом. В калориметрическую измерительную ячейку помещается держатель с несколькими термопарами различных типов и эталонный датчик температуры. Градуировка осуществляется по показаниям эталонного датчика температуры. При этом температура холодных свободных концов термопар постоянно измеряется, что позволяет находить Т разность между температурой внутри измерительной ячейки и температурой свободных концов термопар. Получив зависимости термоЭДС от Т для разных термопар, рассчитываются их коэффициенты термоЭДС. Используя литературные данные, определяются типы исследуемых термопар. При градуировке термометров сопротивления в калориметрическую ячейку помещаются четыре термометра сопротивления, один из которых является эталонным (для этого используется платиновый термометр сопротивления с известными характеристиками), а типы трех других - неизвестны. По полученным зависимостям изменения напряжения от температуры находятся зависимости электрического сопротивления датчиков от температуры, строятся графики зависимостидля термометров сопротивления и рассчитываются их температурные коэффициенты. При выполнении градуировки термопар и термометров сопротивления температура в ячейке задается ступенчато. Измерение термоЭДС исследуемых термопар и напряжения на исследуемых термометрах сопротивления проводится при достижении установленной температуры в ячейке (по показаниям эталонного датчика). Исследование инерционности термопар и термометров сопротивления предполагает работу программы в режиме измерения температуры исследуемых датчиков. Измерения проводятся в режиме монотонного нагрева. Показания исследуемых датчиков сравниваются с показаниями малоинерционного эталонного датчика. Для проведения эксперимента предусмотрены две программы, одна из которых предназначена для управления режимом термостатирования, а вторая - для управления сбором информации с термопар и термометров сопротивления и передачи этой информации в персональный компьютер. Для задания температуры в калориметрической измерительной ячейке в поле Регулятор (фиг. 2) задается необходимая температура (Тзад) в ячейке. После нажатия клавиши Загрузка температура в ячейке начинает изменяться и, достигнув заданного значения,поддерживается постоянной. Зависимость температуры в ячейке от времени отображается на графике в окне программы. Текущее значение температуры в ячейке Ттек и разность между текущим и заданным значениями (Тразн) можно увидеть в соответствующих полях. Перед запуском программы управления сбором информации с исследуемых и эталонных датчиков температуры необходимо выбрать режим измерения температуры. В окне 61212010.04.30 цифрового преобразования сигналов. Типу К соответствует хромель-алюмелевая термопара. Для исследуемых термопар, тип которых неизвестен, задаются пределы измеряемых термоЭДС (100 мВ). В калориметрической ячейке установлены термопары различного типа, причем одна из термопар является эталонной. Эта хромель-алюмелевая термопара, именуемая программой К-Туре, подключена к нулевому каналу, поэтому в поле СН 0 должно быть установлено значение К-Туре. Зная тип подключенной к каналу 0 термопары и температуру ее холодного спая, компьютерная программа будет автоматически пересчитывать значение термоЭДС в температуру внутри ячейки. К каналам 1-3 подключаются подлежащие градуировке термопары. Для проведения их градуировки необходимо знать температуру холодных концов. Для передачи значения температуры холодного спая в ПЭВМ служит закороченный перемычкой канал 4. Поскольку в этом случае измеряемая термоЭДС равна нулю, программа будет передавать в ПЭВМ значение температуры холодных спаев. Следовательно, в поле СН 4 должно быть установлено значение К-Туре. При необходимости тип термопары может быть изменен (после чего следует нажать клавишу ). Для сбора информации с датчиков используется окно, показанное на фиг. 4. Через каждые 5 секунд в соответствующих полях окна 1 указываются значения температуры эталонной термопары (на нулевом канале) и значения термоЭДС исследуемых термопар (на каналах 1-3). Также будет отображаться зависимость от времени температуры холодного спая. Зависимость термоЭДС от времени изображается на графиках в окне 2. Результаты измерений сохраняются в файле данных (фиг. 5). Работа с термометрами сопротивления строится по следующему принципу. Для измерения сопротивления датчиков их подключают к стабилизированному источнику питания напряжением 5 В через балластное сопротивление, величина которого задается переключателями, расположенными на плате предусилителя. Напряжение с термометра сопротивления подается на вход дифференциального усилителя, коэффициент усиления которого рассчитывается по заданному соотношению. Напряжение с выхода дифференциального усилителя вводится в ПЭВМ. Зная падение напряжения на термометре, а также величину балластного сопротивления, рассчитывается величина сопротивления термометра. Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает существенное улучшение экологических условий обучения при повышении наглядности лабораторных экспериментов,точности результатов исследования и расширении функциональных возможностей. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6