SE449035B - Sett och anordning for bestemning av en metkropps absoluta temperatur - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 (fl 449 05 2 _ ¿ att anvisa ett nytt sätt och en ny anordning för absolut- temperaturmätning med hög upplösning över ett stort intervall. Ändamålet uppnås med hjälp av ett inledningsvis beskrivet sätt, vilket kännetecknas av att temperatur- differansen TA-TR mellan mätkroppen och referenskroppen mätes och att mätkroppens absoluta temperatur TA vid tidpunkten t beräknas som t TA= 1-2.» [jvnn - “åt .gg (V(t) - vwm O P där Tg är mätkroppens _p_ ...(1) c.g absoluta temperatur vid tidpunkten O, V(t) är en med den mätta temperaturdifferansen TA-TR matematiskt relaterad fysikalisk parameter och g är en funktion som anger det matematiska sambandet mellan V(t) och TA-TR.

Sättet enligt uppfinningen kan genomföras med hjälp av en anordning, vilken kännetecknas av organ för bestäm- ning av temperaturdifferansen TA-TR mellan mätkroppen H» och referenskroppen samt organ för beräkning av mät- kroppens absoluta temperatur T vid tidpunkten t enligt A formeln t TA = T: + [j vm . at + g (V(t) - vwm _9_ , 0 p c.g där parametrarna har den ovan angivna innebörden.

Med ovan beskrivna sätt och anordning kan temperaturen mätas med en upplösning av åtminstone ca l0_6° över ett intervall från åtminstone ca -40°C till åtminstone ca l20°C. Föreliggande uppfinning ger alltså högre upp- lösning över ett väsentligen större intervall än vad som är fallet med hitintills kända anordningar. En annan fördel med uppfinningen är att den är mycket väl lämpad för användning i kalorimetrar.

Föreliggande uppfinning kommer nu att beskrivas genom ett icke begränsande utföringsexempel under hän- visning till bifogade ritningar. Fig 1 är en schematisk vy och visar en anordning enligt uppfinningen för abso- _ luttemperaturmätning. Fig 2 visar hur föreliggande upp- finning kan tillämpas i en kalorimeter. 10 l5 20 25 30 35 449 H35 3 Den i fig 1 visade anordningen för mätning av en mätkropps 2 absoluta temperatur TA innefattar en referens- kropp l, vilken exempelvis kan,bestå av guld, silver, koppar, aluminium eller något annat material, i vilket inte någon fasövergàng sker i det temperaturintervall som anordningen är avsedd för och vars värmekapacitet c är känd. Referenskroppen skall vara så anordnad att värmeöverföringskoefficienten p mellan referenskroppen l och mätkroppen 2 är känd eller kan bestämmas. En sådan bestämning kan göras med hjälp av för fackmannen på området välkända metoden.

Anordningen innefattar vidare ett organ 3 för bestäm- ning av temperaturdifferansen (TA-TR) mellan mätkroppen 2 och referenskroppen 1. Organet 3 kan exempelvis innefatta ett eller flera metalliska termoelement, halvledartermo- element (Peltier-moduler) eller termistorer som är kopp- lade till en motstândsbrygga eller också platina- eller kopparmotståndstermometrar. Mätorganet 3 har en första med referenskroppen 1 förbunden ingång 4, en andra med mätkroppen 2 förbunden ingång 5 och en utgång 6, som är kopplad till en förstärkare 7. Dennas utgång är i sin tur kopplad till ingången till en ana1og-digitalom- vandlare 8, vilken har 12-14 bitars upplösning och vars utgångar är förbundna med ingångarna till ett beräknings- organ 9, vilket lämpligen kan vara en mikroprocessor.

Beräkningsorganet 9 innefattar organ 10 för beräkning av mätkroppens absoluttemperatur TA vid tidpunkten t enligt formeln 1 ovan. I det visade utföringsexemplet innefattar beräkningsorganen 9 även organ ll för korri- gering av mätorganens 3 termiska tröghet enligt formeln dT TA(korr) = T + T X A A P _äÉf_ ...(2) där fp är en tidskonstant. Slutligen innefattar beräk- ningsorganen 9 organ 12 för val av antingen den av organen 10 beräknade absoluttemperaturen TA eller det av organen ll korrigerade TA-värdet. Organen 10-12 kan lämpligen 10 15 20 25 30 35 449 CD Cm LW 4 . vara realiserade i form av programvara. Slutligen är beräkningsorganets 9 utgång förbunden med en teckenfönster- enhet 13 för visning av absoluttemperaturen.

Innan den i fig 1 visade anordningens funktion beskrivs skall den ovan angivna formeln 1 för beräkning av absoluttemperaturen härledas. För mätorganens 3 ut- signal gäller ...(3) där V är en fysikalisk parameter som är matematisk rela- V = g x (TA-TR) terad till temperaturdifferansen mellan mätkroppen 2 och referenskroppen 1, g är en funktion som anger det matematiska sambandet mellan V och temperaturdifferansen TA-TR, TA är mätkroppens temperatur och TR är referens- kroppens temperatur.

Derivering av formeln 3 med avseende pà tiden ger dT dT dT dT av: (A___g,<=> R: A_¿_gy_ ..<4) at 9 du d: d: dt g dt Insättning av 3 och 4 i följande, från termodyna- mikens första huvudsats härledda formel dT c -äš = p(TA - TR) ...(5) där c är referenskroppens l värmekapacitet och p är värmeöverföringskoefficienten mellan referenskroppen l och mätkroppen 2, ger dTA _ P ïš-æw* dV ° äï) ---(6) 'UIQ Integrering av detta uttryck ger mätkroppens absolut- temperatur TA vid tidpunkten t som O T = T t A A+[jv(t)-dtJfgwHn-wonll o P C-9 I detta sammanhang bör också påpekas att värmekapa- citeten c, värmeöverföringskoefficienten p och funktionen g är temperaturberoende, vilket man, såsom beskrivs ' 10 15 20 25 30 35 .Ia I: xD CD C N xfl 5 nedan, måste ta hänsyn till vid mätningarna.

I det följande skall den i fig l visade anordningens funktion beskrivas. Om temperaturberoendet för värme- kapaciteten c, värmeöverföringskoefficienten p och funk- tionen g inte är känt måste detta först bestämmas innan anordningen kan användas för mätändamàl. Detta görs genom en referensmätning för ett antal temperaturer, exempelvis 3-4 stycken, och en därpå följande polynom- anpassning. Det räcker att denna bestämning av temperatur- beroendet utföres en gång, eftersom ovannämnda parametrar är materialkonstanter och deras temperaturberoende sålunda inte ändras i 'rg vid tia- punkten O bestämmas, vilket kan ske med hjälp av en Vidare måste mätkroppens 2 temperatur absoluttemperaturmätare eller genom kalibrering mot exempelvis en is-vattenreferens.

Därefter kan mätkroppens temperatur T vid en god- tycklig tidpunkt t bestämmas på följande sätt: Tempera- turskillnaden mellan mätkroppen 2_och referenskroppen l bestämmes med hjälp av mätorganet 3, som avger en utsignal V, som är matematiskt relaterad till tempera- turdifferansen, exempelvisfproportionell mot denna.

Utsignalen V förstärks i förstärkaren 7 och A-D-omvandlas i A-D-omvandlaren 8. Mikroprocessorn 9 beräknar därefter- mätkroppens 2 absoluta temperatur TA med formeln l.

Om mycket snabba förlopp skall registreras korrigeras den beräknade absoluttemperaturen med hjälp av formeln 2. Detta medför dock en viss fördröjning innan mätresul- tatet erhålles, varför förfarandet inte är lämpligt när resultatet skall användas för reglerändamàl. Slutligen väljs vilket av de båda temperaturvärdena som skall visas på teckenfönsterenheten 13 i valenheten 12.

För att säkerställa att störsignaler inte påverkar mätresultatet kan en omkalibrering lämpligen utföras med jämna mellanrum.

I fig 2 visas hur föreliggande uppfinning till- lämpas på en tvillingkalorimeter 20. Kalorimetern inne- n 10 15 20 25 30 449 055 6 fattar tvâ provhållare 21, 22 för ett mät- resp ett , .......- ,....,.....,~............ -...........,,.,.,,. referensprov, ett aluminiumblock 23, som omges av upp- värmningsorgan 24, samt ett omgivande block 25, vars temperatur är styrd. Med hjälp av denna kalorimeter kan man exempelvis bestämma ett mätprovs värmekapacitet genom att tillföra samma värmemängd till de båda proven via uppvärmningsorganen 24 och mäta temperaturskillnaden mellan mätprovet och referensprovet. Denna temperatur- skillnad är ett mått pà skillnaden i värmekapacitet 5 mellan proven och om referensprovets värmekapacitet ä är känd kan alltså mätprovets värmekapacitet bestämmas.

För mätning av temperaturskillnaden innefattar kalorimetern pà välkänt vis Peltier-element 26, en förstärkare 27 för mätprovsignalen, en förstärkare 28 för referensprov- signalen och en differansförstärkare 29. Utsignalen från differansförstärkaren 29 anger temperaturskillnaden mellan mätprovet och referensprovet och utgör alltså den kalorimetriska signalen.

Vid mätningar av den här typen vill man reglera temperaturen i aluminiumblocket 23 mycket noggrant och då är det också viktigt att man kan mäta temperaturen i detta med hög upplösning. För denna mätning används med fördel sättet enligt föreliggande uppfinning eftersom man kan utnyttja den redan tillgängliga utsignalen frán referensprovsförstärkaren 28, Denna signal, som represen- terar temperaturskillnaden mellan referensprovet, som motsvarar referenskroppen i den i fig 1 visade anord- ningen, och aluminiumblocket 23, som motsvarar mätkroppen i nämnda figur, matas via en förstärkare 30 och en multi- plexor 31 till en A-D-omvandlare 32 och vidare till mikroprocessorn 33. I denna beräknas aluminiumblockets 23 absoluta temperatur med den tidigare nämnda formeln l. Mikroprocessorn 33 avger därefter en av den sålunda bestämda temperaturen beroende temperaturstyrsignal till en D-A-omvandlare 34 och vidare till uppvärmnings- organen 24. För fullständighetens skull skall nämnas att anordningen även innefattar en konventionell mät- 10 7 prob 35 och en konventionell temperaturmätanordning 36, vars utsignal avges till mikroprocessorn 33 för kalibreringsändamál. Även om sättet och anordningen enligt föreliggande uppfinning har beskrivits i samband med en kalorimeter så skall detta inte tolkas som om uppfinningen är be- gränsad till denna tillämpning. Uppfinningens principer kan också användas vid exempelvis temperaturmätning på ytor eller i gaser eller vätskor. Vidare är uppfinningen inte begränsad till den i beskrivningen visade utförings- formen utan många modifieringar kan göras inom ramen för bifogade patentkrav.

Claims (5)

10 15 20 25 30 ~ »aan-n 449 035 w PATENTKRAV

1. l. Sätt att bestämma en mätkropps (2) absoluta temperatur TA vid tidpunkten t med hjälp av en referens- kropp (1), vars värmekapacitet c är känd, när värmeöver- föringskoefficienten p mellan referenskroppen (1) och mätkroppen (2) är känd, k ä n n e t e c k n a t av att temperaturdifferansen (TA-TR) mellan mätkroppen (2) och referenskroppen (1) mätes och att mätkroppens absoluta temperatur TA vid tidpunkten t beräknas som - t TA =Tg + [I Wt) . dt + g (vw) - v(o))] Q 0 c.g där Tg är mätkroppens absoluta temperatur vid tidpunkten _0, V(t) är en med den mätta temperaturdifferansen (TA-TR) matematiskt relaterad fysikalisk parameter och g är en funktion som anger det matematiska sambandet mellan V(t) och (TA-TR).

2. Sätt enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att g är en proportíonalitetskonstant.

3. Anordning för bestämning av en mätkropps (2) absoluta temperatur TA vid tidpunkten t med hjälp av en referenskropp (1), vars värmekapacitet c är känd, när värmeöverföringskoefficienten p mellan referenskroppen (1) och mätkroppen (2) är känd, k ä n n e t e c k - n a d av organ (3) för bestämning av temperaturdifferansen (TA-TR) mellan referenskroppen och mätkroppen samt organ (9) för beräkning av mätkroppens absoluta temperatur TA vid tidpunkten t enligt formeln t TA = TÅ + [f vm . d: + g 0 P C-9 där T: är mätkroppens absoluta temperatur vid tidpunkten 0, V(t) är en med den mätta temperaturdifferansen (TA-TR) matematiskt relaterad fysikalisk parameter och g är en funktion som anger det matematiska sambandet mellan 'JJ 10 V(t) och (TA~TR).

4. Anordning enligt krav 3, av analog-digitalomvandlingsorgan (8), som är inkopplade k ä n n e t e c k n a d mellan organen (3) för bestämning av temperaturdifferansen och organen (9) för beräkning av den absoluta temperaturen.

5. Anordning enligt krav 3 eller 4, k ä n n e - t e c k n a d av att organen (9) för beräkning av den absoluta temperaturen T innefattar organ (ll) för korri- A gering av den termiska trögheten hos organen (3) för bestämning av temperaturdifferansen (TA-TR) enligt formeln TA (korr) = TA + fp x -?í--