Розвиток теоретичних основ та створення методів і алгоритмів мінімізації похибок термоперетворювачів на базі статистичної термодинаміки

Abstract

Дисертація присвячена розробці й використанню термоелектричних термоперетворювачів з підвищеними точністю й метрологічною надійністю. Викладено актуальність проблеми, приділено увагу необхідності врахування термодинамічного стану термометричної субстанції. Розглянуто механізми нестабільності функції перетворення, досліджено її зміни у типових умов експлуатації; проаналізовано можливості застосування термодинамічних уявлень стосовно термометричної субстанції, як термодинамічно виокремленої системи. Вивчено ефективні методи дії на функції перетворення. Виведено вираз для сумарної функції впливу, як граничного значення відносної інструментальної похибки, у вигляді комбінації трьох адитивних пар безрозмірних функцій впливу. Проведено експериментальні дослідження: спектру термоелектричних властивостей, електричного опору та його температурного коефіцієнту та структурно-чутливих характеристик. Реалізовано способи та розроблено алгоритми побудови і використання термоперетворювачів з мінімальною інструментальною похибкою.Диссертационная работа посвящена разработке и использованию термоэлектрических термопреобразователей повышенной точности и метрологической надежности. Обосновано актуальность проблемы, акцентировано внимание на необходимости учета термодинамического состояния термометрических материалов. Обсуждены указанные характеристики преобразователей контактной и бесконтактной электротермометрии, связанные с термометрическими материалами и особенностями их изготовления. Представлен генезис основных составляющих погрешностей термоэлектрических преобразователей во времени и в зависимости от значительного количества факторов, связанных как с воздействием контролируемой среды, так и с факторами внутренней структуры термометрических материалов, непрерывно изменяющимися в процессе измерения. На основании привлечения статистической термодинамики неравновесных процессов раскрыто целесообразность развития объединительного подхода к изучению функций влияния, обусловленных сложными процессами переноса в процессе воздействия на термометрические материалы многочисленных производственно-технологически-эксплуатационных факторов, как факторов возмущения. Изучены функции влияния, как следствие сложных процессов переноса электричества, теплоты, массы и пр. Обнаружено экспериментально и доказано теоретически на основании исследования процесса теплопереноса примесей в монокристаллических термоэлектродах, что возможно создание функционально-градиентных термометрических материалов для целей термометрии. Последним присущи улучшенные метрологические характеристики за счет формирования в них нестационарного термодинамического состояния с неравномерным по длине распределеиием примесей. Исследованы особенности воздействия слабых электромагнитных полей на термометрические ферромагнитные и неферромагнитные материалы. Уделено внимание изучению влияния пористости, что имеет немаловажное значение для металлокерамических термометрических материалов. На основе проведенных исследований предложены критерии, позволяющие пренебречь определенными процессами переноса и, как следствие, факторами влияния на метрологические характеристики, включая инструментальную погрешность. Предложены и развиты алгоритмические основы минимизации инструментальной погрешности термопреобразователей. В частности, создан алгоритм минимизации погрешности для термоэлектрических преобразователей. Внимание уделено экспериментальному изучению функций влияния преобразователей с термометрическими материалами (вольфрам, молибден, рений, ниобий, тантал, никель, платина, медь, сплавы на их основе и электропроводные композиты). Приведены предложенные, разработанные и реализованные способы подготовки, построения и использования термоэлектрических термопреобразователей с минимальной погрешностью. Предложены и обсуждены различные конструкции термоэлектрических, термошумовых и терморезистивных преобразователей температуры для аэрокосмической, энергетической, металлургической и других отраслей промышленности. Раскрыты особенности их конструктивного исполнения, обеспечивающие максимальный метрологический ресурс и минимальную инструментальную погрешность измерения с их помощью. Dissertation is devoted to the development and use of thermoelectric thermotransducers with enhanced accuracy and metrological reliability. The actuality of a problem is stipulated. Investigating changes at typical external environments, the mechanisms of transformation function instability are considered; possibilities of thermodynamic presentation use is analyzed concerning thermometric substance. The effective action methods are studied on a transformation function. An expression for the total influence function as the maximum value of a relative instrumental error is shown out. The mentioned value is presented as the combination of three pairs of dimensionless influence functions. The experimental research of thermoelectric properties, electric resistance, microhardness and other structural characteristics is conducted. The methods of thermotransducer construction are realized with improving metrological operating characteristics. The algorithms of thermotransducer instrumental errors’ minimization are developed.