Датчик температуры
Патент 1013770
Авторы
Датчик температуры
Иллюстрации
Реферат
1., SU„„10137?0 А
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК уу) G 01 .К 7/02 G 01 К 7/16
ГОСУДАРСТ8 ЕННЫИ КОМИТЕТ СССР.
ПО ДЕЛАМ. ИЗОБРЕТЕНИЙ.И ОТКРЫТИИ
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Н ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ
SgLI akkZ (21) 3308287/18-10 (22) 26.06.81 (46). 23. 04. 83.. Бюл.:М 15 .(72) Г.В Смирнов, С.Г.Буйнов, С.A.Лавров. и М.Е.Рабинович . (71) Специальное конструкторскотехнологическое бюро Морского гидрефизическогоинститута AH украинс- кой ССР (53) 536. 532 (088. 8 ) (56) 1. Патент США Р 3892281., кл. 73-.362, 1975.
2. Авторское свидетельство СССР
Р 284459, кл, G 01.К.7/16, 1968 (,прототип ). (54 ) (57) ДАТЧИК ТЕМПЕРАТУРЫ, содержащий,защитную арматуру .с переменной площадью поперечного сечения, терометр сопротивления и термопару, холодные концы которой размецены рядом с чувствительным элементом термометра сопротивления, а горячий спай удален от него, при этом чувствительный элемент термо. метра сопротивления и часть. элект- родов термопары с холодными концами размещены в защитной арматуре с большей площадью поперечного сечения, а часть электродов термопары с горячим спаем размещена в защитной арматуре с меньшей площадью поперечного сечения, о т л и ч а ю— щ-и и с я тем, что, с целью йовышення точностй измерений в задан.ном частотном диапазоне -путем обеспечейия низкочастотной фильтрации измеряемых Флуктуацйй температуры, в нем часть защитной арматуры с большей площадью поперечного сечения выполнена в виде двухслойного полого цилиндра, причем внеш- ний слой выполнен из оргстекла, внутренний — из-пенопласта, à соответствующие радиусы r и r2 на-
) ружньйс поверхностей слоев определяются следующим соотношенйем где х ). — радиус. внутреннего отверстия в защитной арматуре.; зада нная част ота среза фильтраа4 и а - коэффициенты темпераФ туропроводностн соответственно внешнего и внутреннего слоев защитной арматуры.
1013770
Изобретение относится к температурным измерениям, и может быть использовано для измерения температуры в заданном частотном диапазоне, например в оксанографических исследованиях, где требуется 5 измерять высокочастотные флуктуации температуры в малых объемах..
Известно устройство для измерения температуры, содержащее платиновый термометр сопротивления и тер- )0 мистор, включенные в электронную схему. При этом, за счет термистора, обладающего малой инерционностью, обеспечивается динамическая коррекция показаний платинового термомет- )5 ра 1 .
Недостатком указанного устройства является использование достаточно сложной электронной схемы.
Кроме того, эффективность динамической коррекции с помощью миниатюрного термочувствительного элемента ограничена размерами термометра, так как они должны соотноситься "- Объемом кОнтролируемой среды 25
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является датчик температуры, содержащий защитную арматуру с переменной площадью поперечного сечения, термометр сопротивления и термопару, холодные концы которой размещены рядом с чувствительным элементом термометра сопротивления, а горячий спай удален от него, при этом чувствительный элемент термометра сопро- 35 тивления и часть электродов термопары с холодными концами размещены в защитной арматуре с большей площадью поперечного сечения, а часть электродов термопары с горячим спа- 40 ем размещена в защитной арматуре с меньшей площадью поперечного сечения f2)
Недостатки указанного устройства заключаются в том, что известный 45 датчик не обеспечивает измерение флуктуаций температуры в заданном частотном диапазоне. Обычно частотный диапазон измерения обеспечивается электрической фильтрацией сигнала с выхода измерительного моста. При использовании этого датчика реализация фильтра низких частот средствами электроники возможна лишь с использованием конденсаторов большой емкости, что ведет к увеличению габаритов и энергопотребления измерительного канала. Эффективность динамической коррекции при исследовании высокочастотных флуктуаций температуры мелкомасштаб- 60 ных объемов ограничена в виду наличия пространственного осреднения температуры телом датчика.
Кроме того, при включении термо-, пары последовательно с выходом из- 65 мерительного моста термометра сопротивления снижается точность измерения при наступлении установившегося режима из-за ниличия паразитных ЭДС в местах подключения термопары, а также в связи с тем, что при воздействии температуры на термопару меняется не только ЭДС, но и ее собственное сопротивление.
Цель изобретения — повышение то .— ности измерений в заданном частотном диапазоне путем обеспечения низкочастотной фильтрации измеряемых флуктуаций температуры.
Указанная цель достигается тем, что в датчике, содержащем защитную арматуру с переменной площадью поперечного сечения, термометр сопротивления и термопару, холодные концЫ которой размещены рядом с чувствительным элементом термометра сопротивления, а горячий спай удален от него, при этом, чувствительный элемент термопары сопротивления и часть электродов термопары с холод ными концами размещены в защитной арматуре с большей площадью поперечного сечения, а часть электродов термопары с горячим спаем размещена в защитной арматуре с меньшей площадью поперечного сечения, часть защитной арматуры с большей площадью поперечного сечения выполнена в виде двухслойного полого цилиндра, причем, внешний слой выполнен из оргстекла, внутренний — из пенопласта, а соответствующие радиусы r и г наружных поверхностей слоев определяются следующим соотношением где r. — радиус внутреннего от,о верстия части защитной арматуры с большей площадью поперечного сечения, m — заданная частота среза фильтра а и а — коэффициенты темпера-.
1 2 туропроводимости соответственно внешнего и внутреннего слоев защитной арматуры.
На чертеже изображен датчик, разрез.
Часть защитной арматуры датчика с большей площадью поперечного сечения выполнена в виде двухслойного полого цилиндра с внешним слоем 1 из оргстекла и с радиусом r. его наружной поверхности и внутренним слоем 2 из пенопласта, при этом наружная поверхность слоя 2 имеет радиус r2. В слое 2 выполнено осевое отверстйе 3 радиуса r, в котором располагаются свободные
101377О.концы термопары 4 и чувствительный элемент термометра сопротивления 5.
Рабочий спай термопары б расположен в передней части датчика и может быть либо незащищенным, либо изолированным от среды. Чувствительный элемент термометра сопротивления имеет выводы — выход 1, а термопары выход 2.
В данном случае чувствительный элемент термометра сопротивления, 10 свободные концы термопары и внут. ренний цилиндр из пенопласта образуют эквивалентный стержень и соответствующие ему параметры Имеют Индекс "2" . Внешний цилиндр из 15 органического стекла является оболочкой и соответствующие ему параметры имеют индекс "1".
Для реальной конструкции берутся следующие допущения:.
20 а) теплоотвод по термочувствительным элементам пренебрежимо мал б ) теплофизические характеристики термочувствительных элементов не (оказываюi существенного влияния на. развитие теплового процесса в датчике, в ) в датчике отсутствуют внутренние источники тепла; г ) теплообменом излучением пренебрегают, д ) теплофизические характеристи-. ки защитной арматуры в процессе из-, мерений неизменны.
Тогда дифференциальные уравнения распределения температуры в эк- 35 вивалентном стержне и оболочке имеют вид 2 "о . а = —;-.
2 (9) 6,= Jt (т„- г ); ..: (1о(G = ë (., -",); ... (11(P = Ji(e -r );... ()2) р У(г г ),... (1э) I где, U — температура материала, температура окружающей среды, р — эффективный периметр, б — площадь поперечного сечения, с — теплоемкость материала., плотность материала, теплопроводимость материала, г2 г — радиусы эквивалентного crepe2 1 ня и оболочки, соответственно, r — радиус внутреннего отверстия о в эквивалентном стержне, коэффициент теплопередачи, d. — коэффициент конвективного
1к теплообмена наружной поверхности оболочки с окружающей средой, R — термическое сопротивление.
Применяя преобразования Лапласа к уравнениям (1 ) и (2 ), находят выражения передаточных функций для температур
0 () "„(+ "41
1 1 4
T(s) (s+m ) (+ ) 40
Коэффициенты m э и m+ являются корнями уравнения
5 +(т (1+p)t m )e+m m =О
=- ю (I+@)+TA
% р (n,= (e>
;-- (5)
С272 2
Передаточной функцией фильтра, образованного защитной арматурой, является выражение (14 ), так как
55 0 (9) является измеренной температурой, а коэффициенты m > и m являются частотами среза.
Таким образом находятся r„ r через заданные m э и m и постояно ные коэффициенты.
Коэффициент конвективного теп- лообмена, между наружной поверхностью оболочки и окружающей средой д„к, входящей в выражение (6 ), зависит от скорости и характера обтекания
3U ()
+m U ()= 0 ЕС) .-- ( (Я 2 2 2 (dU .(ь")
+ ((п(+m ) 0 (С)=Зт(+,Ю+(Ь 0 (), (2) В которых:
2Р2 щ -;. (Ъ)
2 2 f2 2
0 (Я m rn
V (S)= — 2 Э (1Ч
2 T(S),и рассчитываются по формуле
1013770
R )) — С
25 и соответстванно условия (18), (19)) выполняются при
30 р«1; (2о) Подставим в выражения (20) и (21) 35 выражения (3 ) и (13 ) Работа датчика заключается в том, что флуктуации температуры, воздействующие на чувствительный элемент термометра сопротивления, и свободные концы термопары фильтруются заданным образом с помощью окружающей их защитной арматуры и весь частотный диапазон измерений флуктуаций температуры делится в заданной тачке на два поддиапазона.
Причем сигнал с термопары, пропорциональный разности температур рабочего спая и свободных концов, соответствует высокочастотному поддиапазону флуктуаций температуры и, в дальнейшем, может быть измерен с помощью электронных схем непосредственного. измерения, А сигнал с чувст.вительного элемента термометра сопротивления, пропорциональный его температуре, соответствует низкочастотному поддиапазону флуктуаций температуры и может быть измерен с помощью компенсационных автоматических электронных схем.
Обеспечение измерений в заданном частотном диапазоне достигается за счет фильтрации измеряемых флуктуа40
60 и поэтому в выражении (б )должно выполняться ограничение
Из-за ограничения (17 J в качестве материала оболочек используются материалы с низкой теплопроводностью и, следовательно, высоким термическим сопротивлением R, поэтому условиег0 постоянства частот среза реализуется только для фильтра нижних частот.
1(роме того, условием оптимальной Фильтрации (пропусканием измеряемых и подавлением неиэмеряемых термометром сопротивления составляющих спектра флуктуаций температуры) является близость значений частот среза m> и шг,, Поэтому для упрощения расчета.и реализации условий оптимальной фильтрации принимают
m5™4™ (182 тогда из выражения (1б) m2 (a+@)+r) — 4 =О (Ч
2
1 2
tn п., =т п1; (212
С З У(Г -r
2 2 ) <аг, (ггг с г л (гг — гг), (;",у — rn, (2>)
t г;(r,-г 1У (r r ) Я 7!(г +г)
m. (24) с . (г -г )Зфг-ь.г) Л 50
Сокращая Л, учитывая, что = а— коэффициент температуропроводности материала и решив уравнения (23) и (24 f относительно r< и r соответственно получим с (Г2,.21
2 2 1 2 0f «q (g5) 2 г = — "+Г, r =t — + . (2И
1 1m 2 2 (пг
Следует отметить, что г
const должен быть минимальным для исключения влияния конвекции воздуха на характеристики фильтра, Таким образом, частотный диапазон измеряемых Флуктуаций температуры делится на два поддиапазона.
Высокочастотный поддиапазон ограничен сверху показателем тепловой инерции термопары. При этом имеет место затухание б дб на частотах окт
1 м), — (i — постоянная времени гер/ мопары ).. Снизу высокочастотный поддиапазон ограничивается частотой среза описанного фильтрам = m, Иныср ми словами термопара измеряет флук- туации температуры относительно температуры измеряемой термометром со-„ противления, работающего в низкочас- тотном годдиапазоне.измерений, начиная от (г) „, вплоть до измерений стационарных тепловых процессов. Границу раздела частотного диапазона мощно выбирать однозначно, задаваясь. знаЧением частоты среза фильтра в зависимости от характера исследуемых явлений и задачи исследований.
Раздельное выполнение выводов с термопары и термометра .сопротивления дает возможность измерять низкочастотные флуктуации и среднее значение температуры с помощью тер» мометра сопротивления в сочетании с автоматической, компенсационной схемой, а высокочастотные флуктуабции температуры с помощью термопары и схемы непосредственного измерения.
1013770
Составитель Г. Мухина ю
Редактор Т. Киселева ТехредЖ. КастелевичКорректор A.Повх
Заказ 3002/49 Тираж 871 Подписное.
ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий
113035, Москва, ж-35., Раушская наб., д. 4/5 l
Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул.. Проектная, 4 ций температуры элементами защитной арматуры.
Повышение точности измерений достигается за счет фильтрации флуктуаций температуры на общей границе частотных поддиапазонов с затухани-, ем 12 дБ/окт, что позволяет четко разграничить исследуемые процессы, а также сужения динамических диапазонов путем разделения всего диапа,зона измеряемых флуктуаций температуры на поддиапазоны.
Кроме того,при применении данного датчика отпадает необходимость в электрическом фильтре, а значит, 15
° уменьшатся габариты и энергопотребление всего канала измерения температуры. Это особенно эважно в asтономных океанографических приборах.
Раздельное измерение сигналов от термопары и термометра сопротивления позволяет повысить точность измерения эа счет исключения влияния погрешностей термопары на канал термомет- ра сопротивления, исключения потери информации при выделении заданного частотного диапазона, которая происходит в случае использования одного канала, соответствия размеров и инерционности рабочего спая термопары масштабам и частоте высокочастотных флуктуаций температуры - возможности применения автомаI тической компенсационной схемы для канала термометра сопротивления.