Методи і засоби підвищення точності вимірювання температури термоелектричними перетворювачами з неоднорідними термопарами

Abstract

Дисертацію присвячено підвищенню точності вимірювання температури за допомогою термоелектричних перетворювачів, термопари (ТП) яких мають значну термоелектричну неоднорідність, набуту при тривалій експлуатації при високих температурах. Розвиток теорії дав змогу виявити явище заміщення похибкою від термоелектричної неоднорідності похибки від дрейфу функції перетворення ТП при зміні профілю температурного поля вздовж їх електродів. Це дало змогу запропонувати новий підхід до метрологічного забезпечення вимірювання температури – методи визначення похибки ТП та діагностування стану їх електродів у процесі експлуатації без використання робочих еталонів. Також теоретично оцінено похибки запропонованих методів. Для їх реалізації запропоновано методи і засоби, які зменшують похибку вимірювального каналу (його похибка надалі менша за невиключену похибку ТП після застосування запропонованих методів). Ці методи і засоби досліджено шляхом імітаційного моделювання та експериментально, для чого запропоновано конструкцію ТП, похибку якої можна довільно задавати. Також вдосконалено метод найменших квадратів, що дало змогу створити нейромережеву модель похибки ТП. The dissertation is devoted to increasing the accuracy of temperature measurements using thermocouples (TCs) with significant thermoelectric inhomogeneity acquired during long term operation under high temperatures. The analysis of its influence on temperature measurements has shown that acquired inhomogeneity is the main source of the measurement error, which is consistent with the known literature. The development of the theory of the thermoelectricity allows detecting the phenomenon of replacement of error due to drift of the TC conversion characteristics (CC) by error due to thermoelectric inhomogeneity when the temperature field changes along the TC legs. This allows proposing a new approach to the metrological service of temperature measurements such as the method for determining the error of TC and diagnostics of the state of their legs during operation without working standards, only by means of a purposeful change of the temperature field along their legs. The theoretical estimation of the error is carried out for these methods. To implement these methods, there were proposed methods and means that mitigate the error of the measuring channel and ensure the state when its error is less than the residual error of the TC after the use of the proposed methods for increasing its accuracy. The proposed methods and means are investigated using mathematical modeling. The method of conditional least squares was proposed (compulsory set the sum of residuals equal to zero for the polynomial regression without an intercept using the method of Lagrange multipliers to find the regression coefficients, which ensures the physical meaning of the regression of study of changes in the CC). The experimental studies of changes in the CC for TC operation under high temperatures were approximated using this method. This allows preparing enough data for both training and testing sets for a neural network to model the error of TC legs and to estimate the error of the proposed methods for determining the error of TCs and diagnostics of the state of TC legs during operation. The proposed methods were also studied experimentally, using the developed apparatus and the proposed TC, whose error can be arbitrarily set. The results of experimental studies confirmed the high accuracy of the proposed methods. Scientific novelty is: For the first time there is proposed 1) a concept of in situ calibration of the TC, for its implementation it is necessary and sufficient to determine the section of the TC that undergoes no degradation, which allows using the section by purposefully moving the temperature gradient towards the reference junction. 2) a method for in-situ determining error due to the drift using the reference section and a purposeful shift of the temperature gradient so that the gradient is applied only to the reference section. 3) a method of in situ diagnosing TC legs is proposed, that, due to purposeful changes of temperature along TC, allows determining, by solving a system of linear equations, Seebeck coefficients of sections and determine the degree of their degradation to make a justified decision about need for substituting the TC. 4) a stable method to control the temperature field using a neural network (NN), that reduces the duration of setting a preset temperature field to one iteration by implementing an open control system and training the NN on the object of control. 5) a structure of a two-contour measurement system, which, due to alternate changes of contour functions (measurement and control of object’s temperature or error correction and diagnostics of legs) provides measurement error of 1.3°C for type K TCs. 6) a method for setting the CC of the TC by adding two additional wires, which allows confirming experimentally the efficiency of the proposed methods. There is further developed: 7) a model describing changes of e.m.f. of inhomogeneous TC versus changes in temperature along its legs, that allows establishing the relationship between the current and maximum values of errors due to drift and due to inhomogeneity. 8) a model of TC error, that describes the dependence of TC error on temperature and duration of operation, and temperature difference between the current and operation temperatures, which allows predicting the future time of operation of the TC. Диссертация посвящена повышению точности измерения температуры при помощи термоэлектрических преобразователей, термопары (ТП) которых имеют значительную, приобретенную в процессе длительной эксплуатации при высоких температурах, термоэлектрическую неоднородность. Развитие теории позволило выявить явление замещения погрешностью из-за термоэлектрической неоднородности погрешности из-за дрейфа функции преобразования термопар при изменении профиля температурного поля вдоль ее электродов. Это позволило предложить новый подход к метрологическому обеспечению измерения температуры – методы определения погрешности ТП и диагностики состояния их электродов в процессе эксплуатации без использования рабочих эталонов. Для их реализации предложены методы и средства, снижающие погрешность измерительного канала (его погрешность и далее меньше неисключенной погрешности ТП после применения предложенных методов). Эти методы и средства исследованы путем имитационного моделирования и экспериментально, для чего предложена ТП, погрешность которой можно задавать произвольно. Также усовершенствован метод наименьших квадратов, что позволило создать нейросетевую модель погрешности ТП.