RU227175U1 - Thermoelectric converter - Google Patents

Thermoelectric converter Download PDF

Info

Publication number
RU227175U1
RU227175U1 RU2024112185U RU2024112185U RU227175U1 RU 227175 U1 RU227175 U1 RU 227175U1 RU 2024112185 U RU2024112185 U RU 2024112185U RU 2024112185 U RU2024112185 U RU 2024112185U RU 227175 U1 RU227175 U1 RU 227175U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
thermocouples
thermoelectric
thermocouple
thermoelectrodes
temperature
Prior art date
Application number
RU2024112185U
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Иван Игоревич Федосов
Владимир Владимирович Синицин
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)" (ФГАОУ ВО "ЮУрГУ (НИУ)")
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)" (ФГАОУ ВО "ЮУрГУ (НИУ)") filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)" (ФГАОУ ВО "ЮУрГУ (НИУ)")
Application granted granted Critical
Publication of RU227175U1 publication Critical patent/RU227175U1/en

Links

Abstract

Полезная модель относится к термометрии и может быть использована для повышения точности измерения температуры с использованием термоэлектрических преобразователей температуры (термопар). Термоэлектрический преобразователь включает две термопары, которые размещены внутри электроизолирующей трубки, согласно полезной модели, каждая термопара состоит из двух термоэлектродов с нормированными термоэлектрическими характеристиками, и рабочие спаи термопар объединены в общий рабочий спай, обеспечивающий электрический контакт термоэлектродов каждой из термопар. Технический результат полезной модели состоит в повышении качества термических технологических процессов за счет повышения точности контроля температуры процесса. The utility model relates to thermometry and can be used to improve the accuracy of temperature measurements using thermoelectric temperature converters (thermocouples). The thermoelectric converter includes two thermocouples, which are placed inside an electrically insulating tube; according to the utility model, each thermocouple consists of two thermoelectrodes with standardized thermoelectric characteristics, and the working junctions of the thermocouples are combined into a common working junction, which ensures electrical contact of the thermoelectrodes of each thermocouple. The technical result of the utility model is to improve the quality of thermal technological processes by increasing the accuracy of process temperature control.

Description

Полезная модель относится к термометрии и может быть использована для повышения точности измерения температуры с использованием термоэлектрических преобразователей температуры (термопар). При эксплуатации термопар под влиянием различных производственных факторов возникает дрейф термоэлектрических свойств материалов термоэлектродов в составе термопары. В свою очередь, это вызывает отклонение фактической статической характеристики термопары от номинальной статической характеристики, что снижает точность измерения температуры.The utility model relates to thermometry and can be used to improve the accuracy of temperature measurements using thermoelectric temperature converters (thermocouples). When operating thermocouples, under the influence of various production factors, a drift occurs in the thermoelectric properties of the thermoelectrode materials in the thermocouple. In turn, this causes the actual static characteristic of the thermocouple to deviate from the nominal static characteristic, which reduces the accuracy of temperature measurement.

Известны следующие устройства для повышения точности измерения температуры с помощью термоэлектрических преобразователей.The following devices are known to improve the accuracy of temperature measurement using thermoelectric converters.

Известен термоэлектрический преобразователь (патент РФ № RU 94700 U1, кл. G01K 7/02, G01K 15/00, 2010), содержащий одну или две рабочих термопары, конструктивно выполненных в одном защитном чехле и дополнительный канал внутри защитного чехла, в котором может быть размещена эталонная термопара. Периодическая установка эталонной термопары позволяет проводить сопоставление показаний рабочей и эталонной термопар, а также корректировать возникающее отклонение показаний рабочей термопары. Недостатком данного подхода является сложность оценки точности термопар, расположенных в труднодоступных местах, а также периодический характер оценки точности измерения температуры.A thermoelectric converter is known (RF patent No. RU 94700 U1, class G01K 7/02, G01K 15/00, 2010), containing one or two working thermocouples, structurally made in one protective case and an additional channel inside the protective case, in which there can be a reference thermocouple is placed. Periodic installation of a reference thermocouple allows you to compare the readings of the working and reference thermocouples, as well as correct the resulting deviation in the readings of the working thermocouple. The disadvantage of this approach is the difficulty of assessing the accuracy of thermocouples located in hard-to-reach places, as well as the periodic nature of assessing the accuracy of temperature measurement.

Известен измеритель температуры с самодиагностикой неисправности чувствительных элементов в процессе работы (патент РФ № RU 86306 U1, кл. G01K 7/04, 2009), содержащий три последовательно соединенных термочувствительных элемента (первую термопару, термосопротивление и вторую термопару), причем рабочие спаи термопар соединены с соответствующими выводами термосопротивления. Измерение термосопротивления выполнено по четырехпроводной схеме с использованием термопар в качестве проводников для подачи тока и измерения напряжения. В результате измеритель температуры позволяет получить три значения температуры: по первой и второй термопаре, а также по термосопротивлению. Недостатком данного решения является ограниченный диапазон измерения температуры (до 600°C при использовании термосопротивлений), а также влияние тока, пропускаемого через термоэлектроды термопар, на точность измерения температуры.There is a known temperature meter with self-diagnosis of malfunctions of sensitive elements during operation (RF patent No. RU 86306 U1, class G01K 7/04, 2009), containing three series-connected temperature-sensitive elements (the first thermocouple, a thermoresistance and a second thermocouple), and the working junctions of the thermocouples are connected with corresponding thermal resistance terminals. Thermal resistance measurement is performed using a four-wire circuit using thermocouples as conductors to supply current and measure voltage. As a result, the temperature meter allows you to obtain three temperature values: from the first and second thermocouples, as well as from the thermal resistance. The disadvantage of this solution is the limited temperature measurement range (up to 600°C when using thermal resistances), as well as the influence of the current passed through the thermocouple thermoelectrodes on the accuracy of temperature measurement.

Известна конструкция термоэлектрического преобразователя из трех термоэлектродов (патент США № US 6239351 B1, кл. H01L 35/28, 2001). Заявляемый преобразователь включает термопару из материалов с нормированными термоэлектрическими характеристиками (например, хромель-алюмель) и дополнительный опорный термоэлектрод из стабильного материала (например, платины), которые объединены в единый рабочий спай. Предлагаемая конструкция позволяет помимо измерения значения термоэлектродвижущей силы (ТЭДС) термопары получить два дополнительных измерения ТЭДС для каждого измерения температуры. Дополнительные ТЭДС возникают в парах термоэлектродов, сформированных между термоэлектродами термопары и опорным термоэлектродом (например, хромель-платина, алюмель-платина). Алгоритм оценки точности измерений для данного трехэлектродного преобразователя основан на сравнении значений дополнительных ТЭДС с опорными значениями, полученными при предварительной калибровке преобразователя. Недостатком данного подхода является необходимость индивидуальной калибровки каждого используемого трехэлектродоного преобразователя для получения таблицы опорных значений дополнительных ТЭДС и отсутствие метода повышения точности измерения температуры с использованием предлагаемой конструкции термоэлектрического преобразователя.The design of a thermoelectric converter consisting of three thermoelectrodes is known (US patent No. US 6239351 B1, class H01L 35/28, 2001). The inventive converter includes a thermocouple made of materials with standardized thermoelectric characteristics (for example, chromel-alumel) and an additional reference thermoelectrode made of a stable material (for example, platinum), which are combined into a single working junction. The proposed design allows, in addition to measuring the thermoelectromotive force (TEMF) value of the thermocouple, to obtain two additional TEMF measurements for each temperature measurement. Additional thermal electromotive force occurs in pairs of thermoelectrodes formed between the thermocouple thermoelectrodes and the reference thermoelectrode (for example, chromel-platinum, alumel-platinum). The algorithm for assessing the measurement accuracy for a given three-electrode transducer is based on comparing the values of additional thermoelectric forces with the reference values obtained during preliminary calibration of the transducer. The disadvantage of this approach is the need for individual calibration of each three-electrode converter used to obtain a table of reference values of additional thermoelectric forces and the absence of a method for increasing the accuracy of temperature measurement using the proposed thermoelectric converter design.

Наиболее близким к заявляемой полезной модели является трехэлектродный термоэлектрический преобразователь (патент RU 2 129 708 C1, МПК G01K 15/00, G01K 7/02, опубл. 27.04.1999), который состоит из термопары с нормированными термоэлектрическими характеристиками и дополнительного термоэлектрода из устойчивого к воздействующим факторам производства материала. Рабочий спай термопары объединен с дополнительным термоэлектродом, при этом по длине термоэлектрического преобразователя термоэлектроды электрически изолированы друг от друга. В результате, трехэлектродный термоэлектрический преобразователь позволяет измерить одну основную и два дополнительных значения ТЭДС, по каждой из которых вычисляется температура. Расчет температуры по ТЭДС основной термопары и дополнительных термоэлектродных пар выполняется с использованием обратных функций преобразования, полученных при индивидуальной калибровке термоэлектрического преобразователя. Для оценки точности измерения температуры с использованием данного термоэлектрического преобразователя сравниваются полученные рассчитанные температуры по основной термопаре и дополнительным термоэлектродным парам. Недостатком предложенного решения является необходимость индивидуальной калибровки каждого трехэлектродного термоэлектрического преобразователя перед началом эксплуатации с целью получения обратных функций преобразования для расчета температур по дополнительным термоэлектродным парам.The closest to the claimed utility model is a three-electrode thermoelectric converter (patent RU 2 129 708 C1, IPC G01K 15/00, G01K 7/02, publ. 04/27/1999), which consists of a thermocouple with standardized thermoelectric characteristics and an additional thermoelectrode made of resistant influencing factors of material production. The working junction of the thermocouple is combined with an additional thermoelectrode, while along the length of the thermoelectric converter the thermoelectrodes are electrically isolated from each other. As a result, a three-electrode thermoelectric converter allows one to measure one main and two additional TEMF values, from each of which the temperature is calculated. Temperature calculation based on the thermoelectric power of the main thermocouple and additional thermoelectrode pairs is performed using inverse conversion functions obtained during individual calibration of the thermoelectric converter. To assess the accuracy of temperature measurement using this thermoelectric converter, the obtained calculated temperatures for the main thermocouple and additional thermoelectrode pairs are compared. The disadvantage of the proposed solution is the need for individual calibration of each three-electrode thermoelectric converter before operation in order to obtain inverse conversion functions for calculating temperatures for additional thermoelectrode pairs.

Задачей полезной модели является повышение точности измерения температуры с помощью термоэлектрического преобразователя без предварительной калибровки каждого отдельного термоэлектрического преобразователя.The purpose of the utility model is to increase the accuracy of temperature measurement using a thermoelectric converter without preliminary calibration of each individual thermoelectric converter.

Технический результат полезной модели состоит в повышении качества термических технологических процессов за счет повышения точности контроля температуры процесса.The technical result of the utility model is to improve the quality of thermal technological processes by increasing the accuracy of process temperature control.

Заявленный технический результат достигается за счет измерения температуры с использованием заявленного термоэлектрического преобразователя, включающего две термопары, которые размещены внутри электроизолирующей трубки, отличающийся тем, что каждая термопара состоит из двух термоэлектродов с нормированными термоэлектрическими характеристиками, и рабочие спаи термопар объединены в общий рабочий спай, обеспечивающий электрический контакт термоэлектродов каждой из термопар.The claimed technical result is achieved by measuring temperature using the claimed thermoelectric converter, including two thermocouples, which are placed inside an electrically insulating tube, characterized in that each thermocouple consists of two thermoelectrodes with standardized thermoelectric characteristics, and the working junctions of the thermocouples are combined into a common working junction, providing electrical contact of thermoelectrodes of each thermocouple.

Сущность полезной модели поясняется графическими материалами, где:The essence of the utility model is illustrated by graphic materials, where:

фиг. 1 - схема термоэлектрического преобразователя;fig. 1 - diagram of a thermoelectric converter;

фиг. 2 - пример подключения термоэлектрического преобразователя к измерительному преобразователю и осуществления измерений;fig. 2 - an example of connecting a thermoelectric converter to a measuring transducer and performing measurements;

фиг. 3 - результаты испытаний полезной модели.fig. 3 - test results of the utility model.

Термоэлектрический преобразователь (фиг.1) состоит из двух термопар с нормированными термоэлектрическими характеристиками. Первая термопара включает термоэлектроды A и B, вторая термопара - термоэлектроды C и D. Для каждой из термопар известны и нормированы их номинальные статические характеристики - зависимости термоэлектродвижущей силы (ТЭДС) от температуры. Термопары размещены внутри электроизолирующей трубки 1, обеспечивающей отсутствие электрического контакта между термоэлектродами термопар. Рабочие спаи термопар AB и CD объединены в общий рабочий спай 2, обеспечивающий электрический контакт всех термоэлектродов в одной точке, и позволяющий сформировать термоэлектрический преобразователь со следующими парами термоэлектродов: AB, CD, AC, AD, BC, BD.The thermoelectric converter (Fig. 1) consists of two thermocouples with standardized thermoelectric characteristics. The first thermocouple includes thermoelectrodes A and B, the second thermocouple includes thermoelectrodes C and D. For each of the thermocouples, their nominal static characteristics are known and standardized - the dependence of the thermoelectromotive force (TEMF) on temperature. The thermocouples are placed inside an electrically insulating tube 1, which ensures that there is no electrical contact between the thermocouple thermoelectrodes. The working junctions of thermocouples AB and CD are combined into a common working junction 2, which provides electrical contact of all thermoelectrodes at one point, and allows the formation of a thermoelectric converter with the following pairs of thermoelectrodes: AB, CD, AC, AD, BC, BD.

Термоэлектрический преобразователь работает следующим образом.The thermoelectric converter works as follows.

Согласно теории термоэлектричества (Рогельберг, И.Л. Сплавы для термопар / И.Л. Рогельберг, В.М. Бейлин. - М.: Металлургия, 1983), ТЭДС термопары возникает независимо в каждом термоэлектроде According to the theory of thermoelectricity (Rogelberg, I.L. Alloys for thermocouples / I.L. Rogelberg, V.M. Beilin. - M.: Metallurgy, 1983), thermocouple TEMF occurs independently in each thermoelectrode

(1) (1)

где - температуры рабочего и свободного спаев термопары АВ соответственно; - абсолютная ТЭДС материалов термоэлектродов А и В соответственно; - интегральная ТЭДС каждого термоэлектрода, возникающая при разнице температур от до вдоль термоэлектродов.Where - temperatures of the working and free junctions of thermocouple AB, respectively; - absolute thermoelectric power of materials of thermoelectrodes A and B, respectively; - integral thermoelectric power of each thermoelectrode, which occurs when the temperature differs from before along the thermoelectrodes.

При объединении рабочих спаев двух термопар в общий спай становится возможным измерение вектора ТЭДС By combining the working junctions of two thermocouples into a common junction, it becomes possible to measure the TEMF vector

, (2) , (2)

где AB и CD - пары термоэлектродов с нормированными термоэлектрическими характеристиками (основные термоэлектродные пары); AC, AD, BC, BD - дополнительные термоэлектродные пары, возникающие при объединении двух термопар с общим спаем. where AB and CD are pairs of thermoelectrodes with normalized thermoelectric characteristics (main thermoelectrode pairs); AC, AD, BC, BD - additional thermoelectrode pairs that arise when two thermocouples are combined with a common junction.

Расчет температуры для основных термоэлектродных пар AB и CD выполняется с использованием нормированных обратных функций преобразования, например, согласно ГОСТ 8.585-2001. Расчет температуры для дополнительных термоэлектродных пар AC, AD, BC, BD может быть выполнен по расчетным обратным функциям преобразования. Коэффициенты расчетных обратных функций определены на основе табличных значений ТЭДС отдельных термоэлектродов относительно термоэлектрода сравнения с использованием метода наименьших квадратов (например, на основе данных Thermocouple reference tables based on IPTS-68 - National Bureau of Standards, 1974).Temperature calculations for the main thermoelectrode pairs AB and CD are performed using normalized inverse conversion functions, for example, according to GOST 8.585-2001. Temperature calculations for additional thermoelectrode pairs AC, AD, BC, BD can be performed using the calculated inverse conversion functions. The coefficients of the calculated inverse functions are determined based on the tabulated values of the thermoelectric power of individual thermoelectrodes relative to the reference thermoelectrode using the least squares method (for example, based on data from Thermocouple reference tables based on IPTS-68 - National Bureau of Standards, 1974).

Рассчитанные значения температур объединяются в вектор: Вычисление результата измерения температуры в предлагаемом термоэлектрическом преобразователе осуществляется на основе вектора как взвешенное среднее значениеThe calculated temperature values are combined into a vector: Calculation of temperature measurement result in the proposed thermoelectric converter is carried out on the basis of the vector as a weighted average

, (3) , (3)

где - вес значения температуры каждой -ой термоэлектродной пары в составе термоэлектрического преобразователя. Значения весов могут быть назначены на основе справочных данных или сертификатов калибровки от производителя термоэлектродной проволоки в зависимости от чувствительности каждой термоэлектродной пары.Where - weight of the temperature value of each th thermoelectrode pair as part of a thermoelectric converter. Weight values can be assigned based on reference data or calibration certificates from the thermoelectrode wire manufacturer, depending on the sensitivity of each thermoelectrode pair.

Полезная модель может быть реализована, например, для следующих комбинаций термопар с нормированными термоэлектрическими характеристиками в среднетемпературном диапазоне: хромель-алюмель-нихросил-нисил (ХАНН), хромель-копель-железо-константан (ХКЖК), хромель-алюмель-хромель-копель (ХАХК). В качестве электроизолирующей трубки используется четырехканальная соломка из оксида алюминия.The useful model can be implemented, for example, for the following combinations of thermocouples with normalized thermoelectric characteristics in the medium temperature range: chromel-alumel-nichrosil-nisil (HANN), chromel-copel-iron-constantan (CCZhK), chromel-alumel-chromel-copel ( HAHK). A four-channel aluminum oxide straw is used as an electrical insulating tube.

Пример подключения термоэлектрического преобразователя к измерительному преобразователю представлены на фиг. 2, где в качестве измерительного преобразователя использован прецизионный преобразователь сигналов «ТЕРКОН» (https://termexlab.ru/#!/ru/product/terkon-preobrazovatel-signalov-ts-i-tp-pretsizionnyij-252000/). Каждая пара термоэлектродов подключается к отдельному измерительному каналу «ТЕРКОН», которая осуществляет синхронное измерение вектора ТЭДС согласно (2).An example of connecting a thermoelectric converter to a measuring transducer is shown in Fig. 2, where the precision signal converter “TERKON” was used as a measuring transducer (https://termexlab.ru/#!/ru/product/terkon-preobrazovatel-signalov-ts-i-tp-pretsizionnyij-252000/). Each pair of thermoelectrodes is connected to a separate measuring channel “TERKON”, which carries out synchronous measurement of the TEMF vector according to (2).

Результаты испытания термоэлектрического преобразователя ХАНН в соответствии с заявляемой полезной моделью (фиг. 3) подтверждают повышение точности измерения температуры относительно отдельных термопар ХА и НН. В Таблице 1 (фиг. 3) показано сравнение результата измерения с температурами и для двух термопар в составе термоэлектрического преобразователя. Фактическая температура рабочего спая и свободного спая измерены с использованием эталонных термопар. В итоге, полученное отклонение от фактической температуры рабочего спая при заданной температуре свободного спая меньше, чем отклонение и .The test results of the thermoelectric converter HANN in accordance with the claimed utility model (Fig. 3) confirm the increase in the accuracy of temperature measurement relative to individual thermocouples XA and NN. Table 1 (Fig. 3) shows the comparison of the measurement result with temperatures And for two thermocouples as part of a thermoelectric converter. Actual working junction temperature and free junction measured using reference thermocouples. As a result, the resulting deviation from the actual temperature of the working junction at a given free junction temperature less than deviation And .

Claims (1)

Термоэлектрический преобразователь, включающий две термопары, которые размещены внутри электроизолирующей трубки, отличающийся тем, что каждая термопара состоит из двух термоэлектродов с нормированными термоэлектрическими характеристиками, и рабочие спаи термопар объединены в общий рабочий спай, обеспечивающий электрический контакт термоэлектродов каждой из термопар.A thermoelectric converter comprising two thermocouples, which are placed inside an electrically insulating tube, characterized in that each thermocouple consists of two thermoelectrodes with standardized thermoelectric characteristics, and the working junctions of the thermocouples are combined into a common working junction, providing electrical contact of the thermoelectrodes of each thermocouple.
RU2024112185U 2024-05-04 Thermoelectric converter RU227175U1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU227175U1 true RU227175U1 (en) 2024-07-09

Family

ID=

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2090847C1 (en) * 1994-07-12 1997-09-20 Московский институт стали и сплавов Device for high-temperature measurements
JP2003282970A (en) * 2002-03-20 2003-10-03 Sony Corp Thermoelectric converter and thermoelectric conversion element and their manufacturing method
RU2295420C1 (en) * 2005-06-30 2007-03-20 Общество с ограниченной ответственностью "Обнинская термоэлектрическая компания" Metallurgical furnace thermal probe
RU2399123C2 (en) * 2006-03-06 2010-09-10 Абб Рисерч Лтд Temperature controller
JP2018197696A (en) * 2017-05-24 2018-12-13 株式会社Kri Temperature sensor

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2090847C1 (en) * 1994-07-12 1997-09-20 Московский институт стали и сплавов Device for high-temperature measurements
JP2003282970A (en) * 2002-03-20 2003-10-03 Sony Corp Thermoelectric converter and thermoelectric conversion element and their manufacturing method
RU2295420C1 (en) * 2005-06-30 2007-03-20 Общество с ограниченной ответственностью "Обнинская термоэлектрическая компания" Metallurgical furnace thermal probe
RU2399123C2 (en) * 2006-03-06 2010-09-10 Абб Рисерч Лтд Temperature controller
JP2018197696A (en) * 2017-05-24 2018-12-13 株式会社Kri Temperature sensor

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4990193A (en) Method and apparatus for measuring temperature using thermocouple
Roberts The absolute scale of thermoelectricity II
CN106768493A (en) A kind of film TR heat flow transducer of series-fed
US2098650A (en) Temperature measuring system
Machin et al. A comprehensive survey of reported thermocouple drift rates since 1972
WO2018210580A1 (en) Thermocouple arrangement and method for measuring temperatures
CN111238672B (en) Superconducting tape dynamic temperature measurement method based on magnetic microscopy
CN204788736U (en) Calibration of online check gauge of industry is with thermocouple reference edge temperature compensated equipment
Recktenwald Conversion of thermocouple voltage to temperature
Lowhorn et al. Development of a seebeck coefficient standard reference material
RU2577389C1 (en) Method of calibrating thermoelectric heat flux sensors
RU227175U1 (en) Thermoelectric converter
US3495170A (en) Method for the indirect measurement of resistivities and impurity concentrations in a semiconductor body including an epitaxial film
US1407147A (en) A corpora
Garrido et al. New method for evaluating the Peltier coefficient based on temperature measurements in a thermoelectric module
WO1996018871A1 (en) Temperature sensor system using thin film of microcrystalline semiconductor
RU2732341C1 (en) Method for test of thermocouple and its thermoelectric capacity value without dismantling
Pavlasek et al. Effects of quartz glass insulation on platinum gold thermocouples
RU2789611C1 (en) Method for determining the reliability of the measurement results of a thermoelectric converter
US3328209A (en) Noble metal thermocouple having base metal compensating leads
Besley Use of ceramic-encapsulated rhodium-iron alloy resistance thermometers below 80K: thermometric properties and stability
Bentley Variability of deviation functions and ease of interpolation for Pt-based thermocouples
Megahed et al. Assessment of temperature measurements using thermocouples at NIS-Egypt
US1695867A (en) Temperature-measuring device
JP2780876B2 (en) Temperature sensor system using microcrystalline semiconductor thin film