УДК 621.317.39:536.53 Трехмерная дифференциальная

УДК 621.317.39:536.53
ТРЕХМЕРНАЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ ТЕРМОПАРА
Маркова Н. Н.
Россия, г. Орел, Госуниверситет - УНПК
Предложена конструкция трехмерной дифференциальной термопары для повышения точности
контроля параметров температурного поля в термокамерах и печах.
Is proposed the design of three-dimensional thermocouple to increase the accuracy of the control of
parameters of the temperature field in thermal chambers and furnaces.
В ряде технологических процессов одним из контролируемых и регулируемых
параметров является не только температура, но и конфигурация температурного поля в
печах и термокамерах. Например, в аэрокосмической промышленности при термической обработке алюминиевых, магниевых или титановых сплавов предъявляются весьма высокие требования к равномерности температурного поля в печи. В электронной
промышленности, при выращивании полупроводниковых кристаллов, напротив, требуется создавать и поддерживать в рабочем объеме термокамеры заданный градиент температурного поля. Требования, предъявляемые к точности контроля и регулирования
температурного поля при этом могут достигать единиц и даже долей градусов.
Самым простым и наиболее распространенным способом контроля распределения температурного поля в объеме термокамеры является размещение в критичных
точках датчиков температуры и контроль с их помощью температуры в этих точках.
Наиболее распространенным типом первичных преобразователей температуры при
температурах выше 150–200 °C являются термопары. Однако современные типовые
термопар из неблагородных металлов [1] в ряде случаев не обеспечивают необходимую
точность контроля температуры и, как следствие, параметров температурного поля. Это
объясняется относительно большими погрешностями измерения температур, оговоренными в стандарте. Достаточно дорогие термопары из благородных металлов, имеющих
меньшие погрешности, также уже не всегда могут обеспечить требуемую точность.
Индивидуальная градуировка термопар — процесс достаточно сложный и трудоемкий,
кроме того в процессе эксплуатации термопар их характеристики изменяются, и градуировку приходится периодически повторять, поэтому этот метод повышения точности
экономически и технически не целесообразен.
Относительно большие погрешности измерения температуры, оговоренные в
стандартах, объясняются неоднородностью термоэлектрических характеристик проволоки термопар, вследствие неоднородности их химической и физической структуры.
Более высокую точность контроля параметров температурного поля обеспечивает схема, при которой измеряется температура в одной (опорной) точке рабочего пространства, а для остальных критичных точек измеряется разность температуры относительно опорной точки. Такой метод хорошо реализуется с помощью дифференциальных термопар [2] [3]. Замена двух (из четырех) проволок термопар одной общей шиной
позволяет уменьшить влияние термоэлектрических неоднородностей этих двух проволок термопар, по меньшей мере, в N = T/ΔT раз, где ΔT — измеряемая разность температур, а T — температура одной из точек температурного поля, относительно которой
измеряется разность температур.
Конструкции дифференциальных термопар, предложенных в [2] и [3], позволяет
с повышенной точностью измерять температуру в любой точке рабочего пространства
печи или термокамеры, через которые проходит общий провод дифференциальной
термопары и в которых имеется соответствующий вывод термочувствительной прово-
локи наружу камеры, а также разность температур между двумя соответствующими точками. Однако для
крайних точек общего провода линейной дифференциальной термопары
возможно уменьшение точности контроля разности температур из-за протяженности
термочувствительной
проволоки, существенного перепада
температур вдоль проволоки и термоэлектрических неоднородностей, существующих в термочувствительной
проволоки. В то же время в [5] и [6]
Рисунок 1 — Пример конструкции трехмерной
показано, что параллельное соединедифференциальной термопары
ние термочувствительных проволок
позволяет существенно уменьшить
влияние термоэлектрических неоднородностей проволок, особенно учитывая наличие в
распределении отклонений термоэлектрической чувствительности от номинального
значения по длине проволоки не только стохастической (случайной) составляющей, но
и существенной детерминированной (закономерно изменяющейся) составляющей, которая компенсируется параллельным соединением термочувствительных проволок значительно лучше, чем стохастическая составляющая.
С учетом вышеизложенного, для
контроля параметров температурного поля
с высокой точностью можно предложить
трехмерную дифференциальную термопару, пример конструкции которой приведен
на рисунке 1. В рабочем пространстве термокамеры, ограниченном внутренними
стенками 5, из термочувствительной проволоки 2 (например, хромелевой) создается
трехмерная сеть-шина. Узлы 1 этой сети
размещаются в точках, в которых необходимо контролировать параметры температурного поля. К каждому узлу приваривают
внешние выводы 3 из другой термочувствительной проволоки (например, алюмелевой). К одному из узлов, в котором будет
контролироваться температура опорной
точки, приваривают внешний вывод 4 из
того же материала, что и материал основной сети (в нашем случае из хромеля). УзРисунок 2 — Принципиальная электрическая
лы 1 могут быть соединены проводниками
2 со всеми другими узлами или только с схема трехмерной дифференциальной термопары
некоторыми из них, но при этом следует
помнить, что чем больше параллельных проводников будут соединять узлы сети, тем
лучше будет происходить компенсация термоэлектрических неоднородностей термочувствительных проволок, а, следовательно, и более высокой будет точность контроля
параметров температурного поля.
Принципиальная электрическая схема трехмерной дифференциальной термопары представлена на рисунке 2. Для наглядности на части схемы, находящейся в рабочем объеме камеры, термочувствительные провода трехмерной дифференциальной
термопары, изготовленные из разных материалов, показаны линиями различной толщины. Прибор PV1, подключенный к разноименным электродам термопар, с помощью
переключателя S1 позволяет определить температуру в точках рабочего объема термокамеры, в которых размещены узлы сети-шины. Прибор PV2, подключенный с помощью переключателей S2 и S3 к любым двум одноименным электродам, позволяет
определить разность температур между точками присоединения этих электродов к сети-шине (узлами сети).
Для сохранения химической (а, следовательно, и термоэлектрической) однородности шины, как и в [4] можно приваривать «внешние» термоэлектроды не непосредственно к узлам сети-шины, а к небольшим (2-3 мм) отводам от нее, изготовленным из
материала сети-шины. Кроме того, при значительных перепадах температуры между
узлами сети-шины, для компенсации термоэлектрических неоднородностей в термочувствительной проволоке, для построения сети-шины можно использовать не одинарную проволоку, а многопроволочные термоэлектроды, как рекомендуется в [5]. Особенно это касается внешних термоэлектродов.
Литература
1. ГОСТ Р 8.585-2001. Государственная система обеспечения единства измерений. Термопары. Номинальные статические характеристики [Текст]. – Взамен
ГОСТ Р 50431-92, МИ 2559–99 ; введ. 2002–07–01. – М. : Изд-во стандартов, 2001.
2. Маркова Н. Н. Применение термодифференциального метода измерения разности температур с целью повышения точности контроля неравномерности распределения температурного поля в печах и термокамерах [Текст]. // «Механика деформируемого твердого тела и обработка металлов давлением» – Тула: Тульский государственный университет, 2004. – С. 203-204.
3. Маркова Н. Н. О методах повышения точности контроля неравномерности
распределения температурного поля в печах и термокамерах [Текст]. // Журнал «Литейщик России», Москва, №2, 2004. – С 29-30.
4. Патент на полезную модель 30977, Российская Федерация. МПК 7 G 01 K
7/02. Термопара [Текст]. / Маркова Н. Н.; заявитель и патентообладатель Орловский
государственный технический университет. – 2003100314/20; заявл. 04.01.2003; опубл.
10.07.2003, бюл. № 19. – 3 с.: ил.
5. Маркова Н. Н. Термоэлектрический метод контроля неравномерности температурного поля в печах и термокамерах. [Текст] : Дис. ... канд. техн. наук : 05.11.13 :
защищена 29.03.05 : утв. 08.07.05 / Маркова Наталья Николаевна. – Орел, 2005. – 211 с.
– Библиогр.: с. 146–153.
6. Маркова Н. Н. К вопросу о распределении термоэлектрических неоднородностей по длине термочувствительной проволоки и изготовлении многопроволочных
термоэлектродов. [Текст]. // «Механика деформируемого твердого тела и обработка металлов давлением» – Тула: Тульский государственный университет, 2005. – С. 269-275.
Маркова Наталья Николаевна, к. т. н., доцент, доцент каф. «Автопласт» ФГБОУ
ВПО «Госуниверситет - УНПК», Россия, Орел, дом. тел. (4862) 41-65-23, моб. тел. (953)
810 09 76, e-mail NatNikMarkova@inbox.ru.