RU2617458C2

RU2617458C2 - Smart temperature measurements device

Info

Publication number: RU2617458C2
Application number: RU2015110482A
Authority: RU
Inventors: Ксения Всеволодовна Сапожникова; Флориан Фердинан Лекосье Адриен; Роальд Евгеньевич Тайманов
Priority date: 2015-03-25
Filing date: 2015-03-25
Publication date: 2017-04-25
Also published as: RU2015110482A

Abstract

FIELD: measuring equipment.

SUBSTANCE: invention relates to measurement equipment and can be used to increase duration of smart temperature measuring device calibration interval (CI). Smart temperature measurements device (STMD) comprises heat-sensitive element, including two resistance thermometers, as well as measurement and processing unit connected to heat-sensitive element. Resistance thermometers have different sensitivity to main factor, influencing calibration curve change according to sensitive element ageing. STMD is additionally equipped with heat-sensitive element heater and its power supply source, in operating temperatures range providing simultaneous equal heating of heat-sensitive element two resistance thermometers relative to operating temperature by value, exceeding triple allowable temperature measurement error. Heater power supply is connected to measuring and processing unit.

EFFECT: providing automatic estimation of error components level not included into critical component.

1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для увеличения длительности межкалибровочного интервала (МКИ) интеллектуального средства измерений температуры. The invention relates to the field of measuring equipment and can be used to increase the duration of the inter-calibration interval (MKI) of an intelligent temperature measuring instrument.

В соответствии с ГОСТ Р 8.673-2009 «ГСИ. Датчики интеллектуальные и системы измерительные интеллектуальные. Основные термины и определения» важнейшим признаком интеллектуального средства измерений (в частности, датчика) является наличие функции метрологического самоконтроля - автоматической проверки метрологической исправности в процессе эксплуатации. Метрологический самоконтроль осуществляется с использованием принятого опорного значения, формируемого с помощью встроенного средства (измерительного преобразователя или меры) или выделенного дополнительного параметра выходного сигнала. Метрологический самоконтроль обеспечивает повышение достоверности результатов измерений и дает основание для увеличения длительности МКИ до значения, при котором в типовых условиях эксплуатации погрешность измерения с высокой степенью вероятности не выйдет за допустимые пределы.In accordance with GOST R 8.673-2009 “GSI. Intelligent sensors and intelligent measuring systems. Basic terms and definitions ”The most important feature of an intelligent measuring instrument (in particular, a sensor) is the presence of a metrological self-monitoring function — an automatic verification of metrological operability during operation. Metrological self-monitoring is carried out using the adopted reference value generated using the built-in means (measuring transducer or measure) or an additional output parameter selected. Metrological self-monitoring provides an increase in the reliability of the measurement results and provides the basis for increasing the duration of the MCI to a value at which, under typical operating conditions, the measurement error with a high degree of probability does not go beyond acceptable limits.

Известно интеллектуальное средство измерений температуры (ИСИТ), описанное в статье Bernhard, Е; Boguhn, D.; Augustin, S.; Mammen, H. & Donin, A. Application of Selfcalibrating Thermocouples with Miniature Fixed-point Cells in a Temperature Range from 500°C to 650°C in Steam Generators, Proceedings of the XVII IMEKO World Congress, Dubrovnik, Croatia, pp. 1604-1608, реализующее так называемый метод метрологического прямого самоконтроля.An intelligent temperature measurement tool (ISIT) is known, described in Bernhard, E; Boguhn, D .; Augustin, S .; Mammen, H. & Donin, A. Application of Selfcalibrating Thermocouples with Miniature Fixed-point Cells in a Temperature Range from 500 ° C to 650 ° C in Steam Generators, Proceedings of the XVII IMEKO World Congress, Dubrovnik, Croatia, pp. 1604-1608, realizing the so-called method of metrological direct self-control.

Оно включает в себя термочувствительный элемент, встроенную меру в виде капсулы с металлом (температура плавления этого металла известна и может быть использована в качестве принятого опорного значения), а также блок измерения и контроля.It includes a heat-sensitive element, an integrated measure in the form of a capsule with metal (the melting point of this metal is known and can be used as an accepted reference value), as well as a measurement and control unit.

При изменении температуры среды, окружающей средство измерений, металл расплавляется или отвердевает, его температура при этом на некоторое время стабилизируется. Если следить за выходным сигналом в процессе нагрева (или охлаждения), можно фиксировать температуру, при которой формируется «площадка» температурной кривой во времени. Соответствие этой температуры номинальной температуре формирования «площадки» позволяет проверить метрологическую исправность ИСИТ, а, при необходимости, и внести коррекцию в данной точке.When the temperature of the medium surrounding the measuring instrument changes, the metal melts or solidifies, while its temperature stabilizes for a while. If you monitor the output signal during heating (or cooling), you can fix the temperature at which a “platform” of the temperature curve is formed over time. Correspondence of this temperature to the nominal temperature of the formation of the "site" allows you to check the metrological serviceability of the ISIT, and, if necessary, make a correction at this point.

Основной недостаток такого ИСИТ состоит в том, что интервал между проверками не может быть меньше, чем это позволено технологическим процессом, а это во многих случаях - значительное время. В ядерном реакторе, например, температура теплоносителя только в редких случаях существенно изменяется между операциями перегрузки топлива, т.е. на интервале в 1-2 года. Погрешность ИСИТ может возрасти в интервале между автоматическими проверками, но это останется незамеченным. При этом метрологический самоконтроль в одной точке не доказывает метрологической исправности средства во всем диапазоне измерений. Кроме того, устанавливаемую длительность МКИ для такого ИСИТ, как показал опыт, ограничивает и время, в течение которого металл в капсуле неприемлемо загрязняется за счет диффузии материала из стенок капсулы.The main disadvantage of such an ISIT is that the interval between inspections cannot be less than that allowed by the technological process, and this in many cases is a significant time. In a nuclear reactor, for example, the temperature of the coolant only rarely changes significantly between fuel refueling operations, i.e. in the interval of 1-2 years. ISIT error may increase in the interval between automatic checks, but this will go unnoticed. Moreover, metrological self-monitoring at one point does not prove the metrological serviceability of the product in the entire measurement range. In addition, the established MCI duration for such ISIT, as experience has shown, also limits the time during which the metal in the capsule is unacceptably contaminated due to diffusion of the material from the capsule walls.

Известно ИСИТ, описанное в Froehlich, S. Augustin, Н. Mammen, G. Blumroeder, M. Schalles, F. Hilbrunner, Long Term Stability of Miniature Fixed-Point Cells Used in Self-Calibrating Thermometers, Proceedings of the "SENSOR + TEST Conferences 2011", Nurnberg, Germany, 07-09 June, 2011, pp. 732-737. Дополнительно к ИСИТ, предложенному в упомянутой статье Bernhard F. et al., оно снабжено нагревателем. Введение нагревателя позволяет выполнять метрологический самоконтроль в точке плавления металла практически при любой температуре ниже температуры плавления металла в капсуле. Однако такое решение не устраняет основной недостаток, присущий описанному выше аналогу: метрологический самоконтроль в одной точке не доказывает метрологической исправности средства во всем диапазоне измерений. Кроме того, процедура нагрева с последующим расплавлением металла достаточно длительна и не может проводиться часто; в интервалах между такими процедурами достоверность результатов измерений падает.ISIT is described in Froehlich, S. Augustin, N. Mammen, G. Blumroeder, M. Schalles, F. Hilbrunner, Long Term Stability of Miniature Fixed-Point Cells Used in Self-Calibrating Thermometers, Proceedings of the "SENSOR + TEST Conferences 2011 ", Nurnberg, Germany, 07-09 June, 2011, pp. 732-737. In addition to the ISIT proposed in the article by Bernhard F. et al., It is equipped with a heater. The introduction of the heater allows metrological self-monitoring at the melting point of the metal at almost any temperature below the melting point of the metal in the capsule. However, this solution does not eliminate the main drawback inherent in the analogue described above: metrological self-monitoring at one point does not prove the metrological serviceability of the tool in the entire measurement range. In addition, the heating procedure with subsequent melting of the metal is quite lengthy and cannot be carried out often; in the intervals between such procedures, the reliability of the measurement results decreases.

Таким образом, метрологический прямой самоконтроль с использованием встроенной меры температуры не позволяет увеличить МКИ, если рабочий участок диапазона существенно смещен относительно опорного значения, а временные интервалы между процедурами метрологического самоконтроля даже при близости рабочего участка к опорному значению сравнительно велики.Thus, metrological direct self-monitoring using the built-in temperature measure does not allow to increase the MCI if the working section of the range is significantly offset from the reference value, and the time intervals between the metrological self-monitoring procedures, even when the working section is close to the reference value, are relatively large.

Более перспективной формой метрологического самоконтроля является метрологический диагностический самоконтроль, который реализуют на основе оценки отклонения параметра, характеризующего критическую составляющую погрешности, от принятого опорного значения этого параметра (по ГОСТ Р 8.673-2009). Этот параметр далее именуется диагностическим. Увеличение значения диагностического параметра означает, что уровень критической составляющей погрешности растет.A more promising form of metrological self-monitoring is metrological diagnostic self-monitoring, which is implemented on the basis of assessing the deviation of the parameter characterizing the critical component of the error from the accepted reference value of this parameter (according to GOST R 8.673-2009). This parameter is hereinafter referred to as diagnostic. An increase in the value of the diagnostic parameter means that the level of the critical component of the error is increasing.

Под критической составляющей погрешности понимается доминирующая или склонная к быстрому росту составляющая погрешности. Критическую составляющую погрешности определяют на этапе разработки.The critical component of the error is understood to be the dominant or prone to rapid growth component of the error. The critical component of the error is determined at the development stage.

Метрологический диагностический самоконтроль дает возможность следить за метрологической исправностью ИСИТ во всем диапазоне измерений, а, при необходимости, и осуществлять автоматическую коррекцию в любой точке. Такой самоконтроль позволяет увеличить МКИ до длительности, в течение которой при типовых условиях эксплуатации критическая составляющая погрешности с высокой степенью вероятности не выйдет за допустимые пределы.Metrological diagnostic self-monitoring makes it possible to monitor the metrological serviceability of ISIT in the entire measurement range, and, if necessary, to carry out automatic correction at any point. Such self-control allows you to increase the MCI to a duration during which, under typical operating conditions, the critical component of the error with a high degree of probability will not go beyond the permissible limits.

Для этого в интеллектуальном средстве измерений, в частности на основании структурной избыточности, помимо градуировочной зависимости, связывающей измеряемую величину с основным выходным сигналом, формируют одну или несколько дополнительных зависимостей, связывающих ту же измеряемую величину с дополнительными выходными сигналами средства измерений.For this, in an intelligent measuring tool, in particular, on the basis of structural redundancy, in addition to the calibration dependence connecting the measured value with the main output signal, one or more additional dependencies are formed that connect the same measured value with additional output signals of the measuring device.

Построенная с использованием упомянутых выше зависимость между критической составляющей погрешности и диагностическим параметром именуется далее диагностической зависимостью.The relationship between the critical component of the error and the diagnostic parameter constructed using the aforementioned is referred to below as the diagnostic dependence.

Полученные на этапе калибровки градуировочная, дополнительные и диагностическая зависимости именуются соответственно опорной градуировочной, опорными дополнительными и опорной диагностической зависимостями.The calibration, additional, and diagnostic dependences obtained at the calibration stage are referred to as the reference calibration, supporting additional, and reference diagnostic dependencies, respectively.

На этапе эксплуатации в интервале между калибровками градуировочная, дополнительные и диагностическая зависимости могут изменяться. Для определенности соответствующие зависимости, имеющие место в процессе эксплуатации, именуются текущей градуировочной, текущими дополнительными и текущей диагностической зависимостями соответственно. Значения диагностического параметра, вычисляемые в процессе эксплуатации, именуются текущими значениями диагностического параметра.During the operation phase, in the interval between calibrations, the calibration, additional and diagnostic dependencies may change. For definiteness, the corresponding dependencies that occur during operation are referred to as the current calibration, current additional and current diagnostic dependencies, respectively. The values of the diagnostic parameter calculated during operation are referred to as the current values of the diagnostic parameter.

Известно ИСИТ, реализующее метрологический диагностический самоконтроль, описанное в статье Ю.В. Бакшеевой, К.В. Сапожниковой, Р.Е. Тайманова. Резистивные датчики температуры с метрологическим самоконтролем. Датчики и системы, 4, 2011, с. 62-70.ISIT is known that implements metrological diagnostic self-monitoring described in the article by Yu.V. Baksheeva, K.V. Sapozhnikova, R.E. Taimanova. Resistive temperature sensors with metrological self-monitoring. Sensors and Systems, 4, 2011, p. 62-70.

Оно содержит (см. фиг. 1.) два термометра сопротивления 1 и 2, входящих в состав термочувствительного элемента 3, а также блок 4 измерения и обработки.It contains (see Fig. 1.) two resistance thermometers 1 and 2, which are part of the thermosensitive element 3, as well as a measurement and processing unit 4.

Упомянутые термометры имеют различную чувствительность к основному фактору, влияющему на исправность термочувствительного элемента. Под исправностью термочувствительного элемента понимается метрологическая исправность, т.е. соответствие текущей градуировочной зависимости термочувствительного элемента опорной градуировочной зависимости.Mentioned thermometers have different sensitivity to the main factor affecting the health of the thermosensitive element. Serviceability of a thermosensitive element is understood as metrological serviceability, i.e. correspondence of the current calibration dependence of the thermosensitive element of the reference calibration dependence.

Термометры могут быть выполнены, например, из проволоки разного диаметра, но одинакового материала, в виде единого конструктива или отдельных изделий.Thermometers can be made, for example, of wire of different diameters, but of the same material, in the form of a single construct or individual products.

Термометры 1 и 2 термочувствительного элемента 3 соединены с различными входами блока 4 измерения и обработки.Thermometers 1 and 2 of the temperature-sensitive element 3 are connected to various inputs of the unit 4 of measurement and processing.

В процессе эксплуатации происходит деструкция поверхностей термометров 1 и 2 в связи с окислением, проникновением примесей и механическими повреждениями, что приводит к увеличению сопротивления этих термометров и росту погрешности ИСИТ. Соответствующая составляющая погрешности в диапазоне температур, определенном для каждого типа (конструкции) термометров, является критической. Например, в случае изготовления термометров сопротивления из платиновой проволоки эта составляющая является критической при работе ИСИТ в диапазоне температур, примерно, до (400-450)°С (см. Самсонов Г.Н., Киц А.И., Кюзденя О.А., Лах В.И. и др. Датчики для измерения температуры в промышленности. Киев, Наукова думка, 1972).During operation, the surfaces of thermometers 1 and 2 are degraded due to oxidation, penetration of impurities and mechanical damage, which leads to an increase in the resistance of these thermometers and an increase in the error of ISIT. The corresponding error component in the temperature range defined for each type (design) of thermometers is critical. For example, in the case of manufacturing resistance thermometers from platinum wire, this component is critical when operating ISIT in the temperature range of about (400-450) ° С (see Samsonov G.N., Kits A.I., Kyuzden O.A. ., Lakh V.I. et al. Sensors for measuring temperature in industry (Kiev, Naukova dumka, 1972).

Известное ИСИТ работает следующим образом.The well-known ISIT works as follows.

Для распространенного случая изготовления термометров сопротивления 1 и 2 термочувствительного элемента из проволоки, зависимость сопротивления R любого из термометров от изменения ΔT температуры Т в соответствии с ГОСТ 6651-2009. «ГСИ. Термопребразователи из платины, меди и никеля. Общие технические требования и методы испытаний», может быть, в линейном приближении, представлена выражением:For the common case of manufacturing resistance thermometers 1 and 2 of a thermosensitive element from wire, the dependence of the resistance R of any of the thermometers on the change ΔT of temperature T in accordance with GOST 6651-2009. “GSI. Thermal converters made of platinum, copper and nickel. General technical requirements and test methods ", maybe, in a linear approximation, represented by the expression:

гдеWhere

,

R₀ - сопротивление при температуре Т₀,R ₀ - resistance at temperature T ₀ ,

α - температурный коэффициент,α is the temperature coefficient

ΔT=Т-Т₀,ΔT = TT ₀ ,

ρ - удельное сопротивление,ρ is the resistivity

l - длина проволоки,l is the length of the wire,

S - площадь поперечного сечения проволоки.S is the cross-sectional area of the wire.

Величины сопротивлений R₁ и R₂ термометров 1 и 2, выполненных из проволок длиной l₁ и l₂ разных диаметров D и d, соответственно равны:The resistance values R ₁ and R _{2 of} thermometers 1 and 2, made of wires of length l ₁ and l _{2 of} different diameters D and d, respectively, are equal to:

Если принять, что удельное сопротивление поверхностного слоя много больше удельного сопротивления внутренней части проволоки и что толщина этого слоя не зависит от диаметра проволоки под этим слоем, деструкцию поверхности проволоки можно моделировать изменением ее диаметра. В этом случае текущая градуировочная R₁'(T) и текущая дополнительная R₂'(T) зависимости определяются согласно (4) и (5):If we assume that the resistivity of the surface layer is much greater than the resistivity of the inner part of the wire and that the thickness of this layer does not depend on the diameter of the wire under this layer, the destruction of the surface of the wire can be modeled by changing its diameter. In this case, the current calibration R ₁ '(T) and the current additional R ₂ ' (T) dependencies are determined according to (4) and (5):

где w - условная глубина деструкции поверхности проволоки (в абсолютных единицах).where w is the conditional depth of destruction of the wire surface (in absolute units).

В качестве диагностического параметра может быть принято, например, отношение сопротивлений термометров 1 и 2. Тогда принятое опорное значение диагностического параметра β₀ равно:As a diagnostic parameter, for example, the ratio of the resistances of thermometers 1 and 2 can be taken. Then, the accepted reference value of the diagnostic parameter β ₀ is equal to:

Текущее значение диагностического параметра определяется как:The current value of the diagnostic parameter is defined as:

В выражение (7) входит величина w, определяющая критическую составляющую погрешности. Как видно из (7), в рассматриваемом случае диагностический параметр не зависит от измеряемой температуры.Expression (7) includes the quantity w, which determines the critical component of the error. As can be seen from (7), in the case under consideration, the diagnostic parameter does not depend on the measured temperature.

В процессе эксплуатации периодически определяют β, вычисляют ⎜β-β₀⎜ и сравнивают эту разность с допустимым значением Δβ_доп, которое определяют на этапе разработки. Тогда, если ⎜β-β₀⎜<β_доп, это значит, что ИСИТ метрологически исправно.During operation, β is periodically determined, ⎜β-β ₀ ⎜ is calculated, and this difference is compared with a permissible value of Δβ _ext , which is determined at the development stage. Then, if ⎜β-β ₀ ⎜ <β _extra , this means that the ISIT is metrologically sound.

Если ⎜β-β₀⎜≥β_доп, то возникшую погрешность можно устранить с помощью процедуры автоматической коррекции.If ⎜β-β ₀ ⎜≥β _ext , then the error that occurred can be eliminated using the automatic correction procedure.

Таким образом, обеспечивается повышенная достоверность результатов измерений в течение МКИ.Thus, increased reliability of the measurement results during the MCI is ensured.

Количество возможных процедур коррекции и возможные пределы коррекции должны быть оговорены в документации. Если коррекция не предусмотрена, то ИСИТ метрологически не исправно.The number of possible correction procedures and the possible limits of correction should be specified in the documentation. If correction is not provided, then ISIT is metrologically not working properly.

Метрологическая исправность данного ИСИТ может проверяться практически в любой рабочей точке диапазона измерений сколь угодно часто, что позволяет устанавливать для них более длительный МКИ, чем для обычных (неинтеллектуальных) средств измерений температурыThe metrological serviceability of this ISIT can be checked at almost any operating point in the measurement range arbitrarily often, which allows them to set a longer MKI than for conventional (non-intelligent) temperature measuring instruments

Однако при длительных МКИ, условиях эксплуатации, существенно отличающихся от типовых, и многократной коррекции в процессе эксплуатации может возникнуть ситуация, когда составляющая погрешности, принятая в качестве критической, окажется соизмеримой или даже меньше других составляющих погрешности. В этом случае использование автоматической коррекции может не только не уменьшить погрешность ИСИТ, но, напротив, приведет к ее увеличению.However, under long-term MCI, operating conditions that differ significantly from standard ones, and repeated correction during operation, a situation may arise when the error component, accepted as critical, will be comparable or even less than other error components. In this case, the use of automatic correction may not only not reduce the ISIT error, but, on the contrary, will lead to its increase.

Например, если установленные требования технологии изготовления термочувствительного элемента нарушены и при этом на ИСИТ воздействуют быстрые изменения температуры, сильные вибрации или удары, то возможно появление дефектов, которые связаны не с деструкцией поверхности (основным фактором, влияющим на метрологическую исправность), а с иными эффектами. Характерные примеры: ухудшение контакта термометров сопротивления термочувствительного элемента с подводящими проводами, а если термометры выполнены в виде спирали, то замыкание отдельных ее витков, частичное шунтирование спирали при ухудшении свойств изоляции и т.д. Эти дефекты приведут к возникновению дополнительной, в частности аддитивной составляющей погрешности, и изменят текущую диагностическую зависимость относительно опорной диагностической зависимости (7):For example, if the established requirements of the technology for manufacturing a thermosensitive element are violated and at the same time ISIT is affected by rapid temperature changes, strong vibrations or shocks, then defects may occur that are associated not with surface degradation (the main factor affecting the metrological serviceability), but with other effects . Typical examples: deterioration of the contact of resistance thermometers of the thermosensitive element with the lead wires, and if the thermometers are made in the form of a spiral, then the closure of its individual turns, partial shunting of the spiral with deterioration of the insulation properties, etc. These defects will lead to the appearance of an additional, in particular additive component of the error, and will change the current diagnostic dependence relative to the reference diagnostic dependence (7):

где r₁ и r₂ - дополнительные аддитивные составляющие погрешности.where r ₁ and r ₂ are additional additive error components.

Недостатком известного ИСИТ является то, что длительность рекомендуемого максимального МКИ заведомо ограничена (см. ГОСТ Р 8.734-2011. ГСИ. Датчики интеллектуальные и системы измерительные интеллектуальные. Методы метрологического самоконтроля). Она определяется интервалом времени, в течение которого при типовых условиях эксплуатации уровень составляющих погрешности, не входящих в состав критической составляющей, остается меньше допустимого для них значения, который, в свою очередь, должен быть заметно меньше допустимого уровня критической составляющей погрешности. В большинстве случаев условия измерений, в которых ИСИТ эксплуатируются, значительно мягче тех, которые учитываются при назначении МКИ. По различным источникам, более 85% средств измерений, поступающих на калибровку, метрологически исправны.A disadvantage of the well-known ISIT is that the duration of the recommended maximum MCI is deliberately limited (see GOST R 8.734-2011. GSI. Intelligent sensors and intelligent measuring systems. Methods of metrological self-monitoring). It is determined by the time interval during which, under typical operating conditions, the level of error components that are not part of the critical component remains less than the acceptable value for them, which, in turn, should be noticeably less than the acceptable level of the critical error component. In most cases, the measurement conditions in which ISITs are operated are much milder than those taken into account when appointing the MCI. According to various sources, more than 85% of the measuring instruments received for calibration are metrologically sound.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является обеспечение возможности продления рекомендуемого максимального МКИ ИСИТ при сохранении повышенной достоверности результатов измерений в течение увеличенного МКИ.The task to be solved by the claimed invention is aimed at providing the possibility of extending the recommended maximum MCI ISIT while maintaining increased reliability of the measurement results over an increased MCI.

Технический результат, получаемый при осуществлении заявляемого изобретения, заключается в автоматической оценке уровня составляющих погрешности, не входящих в состав критической составляющей.The technical result obtained by the implementation of the claimed invention is to automatically assess the level of error components that are not part of the critical component.

Если этот уровень меньше допустимого для него значения при достижении ранее установленной длительности МКИ ИСИТ, то длительность рекомендуемого максимального МКИ может быть увеличена.If this level is less than the acceptable value for it when the previously set duration of the ISIT ISK is reached, then the duration of the recommended maximum MKI can be increased.

Если этот уровень приближается к допустимому для него значению, то может быть осуществлена автоматическая коррекция, и ранее установленная длительность рекомендуемого максимального МКИ ИСИТ также может быть увеличена.If this level approaches the value acceptable for it, then automatic correction can be carried out, and the previously set duration of the recommended maximum MCI ISIT can also be increased.

При этом в течение увеличенного МКИ обеспечивается повышение достоверности результатов измерений за счет получения информации об уровне составляющих погрешности, не входящих в состав критической составляющей.Moreover, during the increased MCI, the reliability of the measurement results is increased by obtaining information about the level of error components that are not part of the critical component.

Указанный технический результат достигается тем, что заявляемое интеллектуальное средство измерений температуры, содержащее термочувствительный элемент, включающий два термометра сопротивления, имеющих различную чувствительность к основному фактору, влияющему на изменение градуировочной характеристики термочувствительного элемента по мере его старения, и блок измерения и обработки, подключенный к термочувствительному элементу, снабжено нагревателем термочувствительного элемента и источником его питания, обеспечивающими в диапазоне рабочих температур одновременный, одинаковый нагрев термометров сопротивления термочувствительного элемента относительно рабочей температуры на значение, превышающее утроенную допустимую погрешность измерения температуры, причем источник питания нагревателя соединен с блоком измерения и обработки.The specified technical result is achieved by the fact that the inventive intelligent temperature measuring device containing a thermosensitive element, including two resistance thermometers having different sensitivity to the main factor affecting the change in the calibration characteristics of the thermosensitive element as it ages, and a measurement and processing unit connected to the thermosensitive the element is equipped with a heater of the thermosensitive element and its power source, providing in the range Operational temperature zone simultaneous, uniform heating of RTD sensing element relative to the working temperature at a value greater than three times the allowable temperature measurement error, and a heater power supply coupled to the measurement and processing unit.

На фиг. 1 показана структура известного ИСИТ.In FIG. 1 shows the structure of the well-known ISIT.

На фиг. 2 показана структура заявляемого ИСИТ.In FIG. 2 shows the structure of the claimed ISIT.

На фиг. 3 показан вид термочувствительного элемента с торца.In FIG. 3 shows an end view of a heat-sensitive element.

Заявляемое ИСИТ содержит (фиг. 2) два термометра сопротивления 1 и 2, входящих в состав термочувствительного элемента 3, блок 4 измерения и обработки, нагреватель 5 и источник 6 питания нагревателя.The inventive ISIT contains (Fig. 2) two resistance thermometers 1 and 2, which are part of the thermosensitive element 3, a unit 4 for measuring and processing, a heater 5 and a power source 6 for the heater.

Нагреватель может быть выполнен в общем с термочувствительным элементом в конструктиве или отдельно.The heater can be made in general with a heat-sensitive element in the design or separately.

Нагреватель 5 соединен с источником 6 питания нагревателя, который соединен с блоком 4 измерения и обработки.The heater 5 is connected to a heater power supply 6, which is connected to the measurement and processing unit 4.

Упомянутые термометры имеют различную чувствительность к основному фактору, влияющему на изменение градуировочной характеристики термочувствительного элемента по мере его старения. Они могут быть выполнены, например, из проволоки разного диаметра, но одинакового материала, в виде единого конструктива или отдельных изделий.The mentioned thermometers have different sensitivity to the main factor affecting the change in the calibration characteristics of the thermally sensitive element as it ages. They can be made, for example, of wire of different diameters, but of the same material, in the form of a single construct or individual products.

На фиг. 2 показана одна из версий электрической схемы ИСИТ с минимальным числом проводов, которая является вариантом традиционной трехпроводной электрической схемы измерения сопротивления, используемой для традиционного термочувствительного элемента, включающего лишь один термометр сопротивления. Из центра (места соединения термометров 1 и 2) могут быть выведены один - два провода.In FIG. Figure 2 shows one version of the ISIT circuit with a minimum number of wires, which is a variant of the traditional three-wire resistance measurement circuit used for a traditional heat-sensitive element, including only one resistance thermometer. From the center (the connection points of thermometers 1 and 2), one or two wires can be output.

В принципе, для термочувствительного элемента, состоящего из двух соединенных друг с другом термометров, может быть использовано по 2 выводных провода, присоединенных к каждому концу термочувствительного элемента (аналогично четырехпроводной электрической схеме измерения сопротивления, используемой для традиционного термочувствительного элемента). Кроме того, упомянутые термометры термочувствительного элемента могут не соединяться друг с другом, а токи от них могут быть выведены по трехпроводной, четырехпроводной или двухпроводной схеме отдельно.In principle, for a thermosensitive element consisting of two thermometers connected to each other, 2 output wires connected to each end of the thermosensitive element can be used (similar to the four-wire electrical resistance measurement circuit used for a traditional thermosensitive element). In addition, the thermometers of the temperature-sensitive element may not be connected to each other, and the currents from them can be displayed in a three-wire, four-wire or two-wire circuit separately.

Нагреватель 5 обеспечивает в диапазоне рабочих температур нагрев термочувствительного элемента относительно рабочей температуры на значение, превышающее утроенную допустимую погрешность измерения температуры. Например, при рабочей температуре 300°С для чувствительного элемента класса В из платины по ГОСТ 6651 - 2009. «ГСИ. Термопребразователи из платины, меди и никеля. Общие технические требования и методы испытаний», эта допустимая погрешность составляет 1,8°С.The heater 5 provides in the range of operating temperatures the heating of the heat-sensitive element relative to the operating temperature by a value exceeding the triple the permissible error of temperature measurement. For example, at a working temperature of 300 ° C for a class B sensitive element made of platinum according to GOST 6651 - 2009. “GSI. Thermal converters made of platinum, copper and nickel. General technical requirements and test methods ”, this permissible error is 1.8 ° C.

Пусть термочувствительный элемент 3 выполнен в виде конструкции «свободная от напряжения спираль», где термометры сопротивления 1 и 2 и нагреватель 6 расположены внутри керамической детали в виде цилиндра диаметром 8 мм и длиной 50 мм. Вид термочувствительного элемента с торца показан на фиг. 3.Let the temperature-sensitive element 3 be made in the form of a “voltage-free spiral” design, where resistance thermometers 1 and 2 and heater 6 are located inside the ceramic part in the form of a cylinder with a diameter of 8 mm and a length of 50 mm. The end view of the heat-sensitive element is shown in FIG. 3.

Тогда, если с инженерным запасом предусмотрен нагрев чувствительного элемента на 20°С, требуемая мощность нагревателя составит при нагреве в течение 30 с 11 Вт. При безопасном напряжении, например 12 В, ток нагревателя должен быть менее 1 А. Температуру нагрева необходимо знать лишь приблизительно, поскольку нагрев воздействует на оба термометра 1 и 2 термочувствительного элемента, отношение сопротивлений которых соответствует диагностическому параметру β.Then, if heating of the sensitive element by 20 ° C is provided with an engineering margin, the required heater power will be 11 watts when heated for 30 s. At a safe voltage, for example 12 V, the heater current should be less than 1 A. The heating temperature needs to be known only approximately, since the heating affects both thermometers 1 and 2 of the thermosensitive element, the resistance ratio of which corresponds to the diagnostic parameter β.

ИСИТ работает следующим образом.ISIT works as follows.

При первоначальной калибровке определяют опорную градуировочную и опорную дополнительную зависимости (например, по выражениям (2) и (3) соответственно), а затем определяют опорное значение диагностического параметра β₀ (например, по выражению (6)) и устанавливают его в качестве принятого опорного значения.At the initial calibration, the reference calibration and support additional dependencies are determined (for example, by expressions (2) and (3), respectively), and then the reference value of the diagnostic parameter β ₀ is determined (for example, by expression (6)) and set it as the accepted reference values.

В процессе эксплуатации при воздействии температуры сопротивление термометров 1 и 2 изменяется (выражения (4) и (5) или (8) и (9)).During operation, when exposed to temperature, the resistance of thermometers 1 and 2 changes (expressions (4) and (5) or (8) and (9)).

По сопротивлению термометров 1 и 2 блок 4 измерения и обработки измеряет значение температуры Т1 и вычисляет текущее значение диагностического параметра β(Т₁). Измеренное значение температуры Т₁ и соответствующее ему текущее значение диагностического параметра β(Т₁) запоминаются в блоке 4 для дальнейшего использования.On the resistance of thermometers 1 and 2, the measuring and processing unit 4 measures the temperature T1 and calculates the current value of the diagnostic parameter β (T ₁ ). The measured temperature value T ₁ and the corresponding current value of the diagnostic parameter β (T ₁ ) are stored in block 4 for future use.

Текущее значение диагностического параметра β(Т₁) периодически, но достаточно часто сравнивают с принятым опорным значением β₀. Если ⎜β(T₁)-β₀⎜≥Δβ_доп, то возникшую погрешность устраняют с помощью процедуры автоматической коррекции.The current value of the diagnostic parameter β (T ₁ ) periodically, but often enough, is compared with the accepted reference value β ₀ . If ⎜β (T ₁ ) -β ₀ ⎜≥Δβ _ext , then the resulting error is eliminated using the automatic correction procedure.

Если ⎜β(Т₁)-β₀⎜<Δβ_доп, где Δβ_доп - допустимое отклонение диагностического параметра от принятого опорного значения, то принимают, что критическая составляющая погрешности находится в допустимых пределах.If ⎜β (T ₁ ) -β ₀ ⎜ <Δβ _add , where Δβ _add is the permissible deviation of the diagnostic parameter from the accepted reference value, then it is assumed that the critical component of the error is within acceptable limits.

Периодически оценивают уровень составляющих погрешности, отличных от критической составляющей. С этой целью (через интервал времени t_н, задаваемый блоком 4 измерения и обработки) на нагреватель 5 от источника 6 питания нагревателя подают ток, необходимый для нагрева термочувствительного элемента 3 относительно рабочей температуры, на значение, превышающее утроенную допустимую погрешность измерения температуры, т.е. до температуры T₂. Такую процедуру можно осуществлять несравнимо реже, чем оценки уровня критической составляющей.Periodically evaluate the level of error components other than the critical component. For this purpose (through the time interval t _n specified by the measurement and processing unit 4), the current necessary for heating the temperature-sensitive element 3 relative to the operating temperature is supplied to the heater 5 from the heater power supply 6 by a value exceeding the triple permissible temperature measurement error, t. e. to a temperature of T ₂ . Such a procedure can be performed incomparably less frequently than assessing the level of the critical component.

При температуре T₂ определяют значение диагностического параметра β(T₂) и сравнивают β(Т₁) и β(Т₂).At temperature T ₂ determine the value of the diagnostic parameter β (T ₂ ) and compare β (T ₁ ) and β (T ₂ ).

Если значения β(Т₁) и β(T₂) равны (в пределах допустимого значения, определяемого на этапе разработки), то уровень составляющих погрешности, не входящих в состав критической составляющей, достаточно мал, и на момент проверки выражения (4), (5) и (7) справедливы.If the values of β (T ₁ ) and β (T ₂ ) are equal (within the permissible value determined at the development stage), then the level of error components that are not part of the critical component is quite small, and at the time of checking the expression (4), (5) and (7) are valid.

Если при этом ⎜β(Т₁)-β₀⎜<Δβ_доп, то ИСИТ признается метрологически исправным и его эксплуатация может быть продолжена.If in this case ⎜β (T ₁ ) -β ₀ ⎜ <Δβ _ext , then ISIT is recognized as metrologically sound and its operation can be continued.

Если значения β(Т₁) и β(T₂) не равны (в пределах упомянутого допустимого значения), то, следовательно, в процессе эксплуатации возникли аддитивные погрешности, не входящие в состав критической составляющей, т.е. имеют место выражения (8-10).If the values of β (T ₁ ) and β (T ₂ ) are not equal (within the limits of the mentioned admissible value), then, consequently, during the operation, additive errors occurred that are not part of the critical component, i.e. expressions (8-10) take place.

Это означает, что текущее значение диагностического параметра β(T₁) некорректно сравнивать с принятым опорным значением β_oT и результаты их сравнения не могут использоваться для осуществления диагностического метрологического самоконтроля.This means that the current value of the diagnostic parameter β (T ₁ ) is incorrect to compare with the accepted reference value β _oT and the results of their comparison cannot be used to carry out diagnostic metrological self-monitoring.

Таким образом, заявляемое устройство позволяет проверять, является ли реальная погрешность, возникшая в ИСИТ при его эксплуатации, по своему виду такой же, как и критическая составляющая погрешности, определенная (заданная) на этапе разработки, и на этом основании осуществлять автоматическую коррекцию результатов измерений, а также, при необходимости, принимать обоснованное решение о необходимости калибровки.Thus, the inventive device allows you to check whether the real error that occurred in the ISIT during its operation, in its form, is the same as the critical component of the error determined (set) at the development stage, and on this basis to automatically correct the measurement results, and, if necessary, make an informed decision about the need for calibration.

В результате становится возможным вести периодический контроль метрологической исправности ИСИТ по всем составляющим погрешности непосредственно в процессе эксплуатации, включая обеспечение автоматической оценки уровня составляющих погрешности, не входящих в состав критической.As a result, it becomes possible to periodically monitor the ISIT metrological serviceability for all components of the error directly during operation, including providing an automatic assessment of the level of error components that are not critical.

Если уровень составляющих погрешности, не входящих в состав критической, меньше допустимого для него значения при достижении ранее установленной длительности МКИ ИСИТ, то длительность рекомендуемого максимального МКИ может быть увеличена. Если этот уровень приближается к допустимому для него значению, то может быть осуществлена автоматическая коррекция, и ранее установленная длительность рекомендуемого максимального МКИ ИСИТ также может быть увеличена. При этом в течение увеличенного МКИ сохраняется установленная для ИСИТ достоверность результатов измерений за счет подтверждения информации о том, что уровень составляющих погрешности, не входящих в состав критической составляющей, не превышает допустимого значения.If the level of error components that are not part of the critical one is less than the acceptable value for it when the previously set duration of the ISIT ISI is reached, then the duration of the recommended maximum MKI can be increased. If this level approaches the value acceptable for it, then automatic correction can be carried out, and the previously set duration of the recommended maximum MCI ISIT can also be increased. At the same time, during the increased MCI, the reliability of the measurement results established for ISIT is maintained by confirming the information that the level of the error components that are not part of the critical component does not exceed the permissible value.

Тем самым снижается риск принятия ответственных решений на основе получаемой недостоверной информации, которая могла бы поступить от метрологически неисправного ИСИТ.This reduces the risk of making responsible decisions on the basis of false information received that could come from a metrologically faulty ISIT.

Таким образом, приведенные выше сведения подтверждают возможность осуществления заявляемого изобретения, достижения указанного технического результата и решения поставленной задачи.Thus, the above information confirms the possibility of implementing the claimed invention, achieving the specified technical result and solving the problem.

Claims

An intelligent temperature measuring device containing a thermosensitive element, including two resistance thermometers having different sensitivity to the main factor affecting the change in the calibration characteristic with aging of the thermosensitive element, and a measurement and processing unit connected to the thermosensitive element, characterized in that it is equipped with a heater thermosensitive element and its power source, providing in the range of operating temperatures simultaneous od What are the two heated resistance thermometers temperature sensing element relative to the working temperature at a value greater than three times the allowable temperature measurement error, and a heater power supply coupled to the measurement and processing unit.