Способ определения температуры

Способ определения температуры

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области температурных измерений контактными термоприемниками и может быть использовано для контроля самых разных процессов, протекающих как в рамках решения медицинских и бытовых проблем человека, так и в ходе его производственной деятельности.

Разработано большое количество способов контактного измерения температуры. Однако обычные (контактные) методы измерения температуры требуют значительного времени. Это связано с тем, что само измерение (отсчет) обычно производится тогда, когда установилось тепловое равновесие между измеряемым объектом и датчиком температуры. Методы современной физики позволяют математически описать этот процесс. Для простой физической модели, в которой теплом обмениваются два тела, можно получить уравнения, описывающие процесс установления теплового равновесия [см. Сивухин Д.В. Общий курс физики, том 11. Термодинамика и молекулярная физика. - М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1990 г., с.182-185]. Решение этих уравнений для разности температур получается в виде экспоненциально спадающей кривой. Это означает, что формально тепловое равновесие наступает через бесконечно большое время.

В реальной практике фиксацию показаний термометра (отсчет температуры) делают тогда, когда за достаточно большой интервал времени отмечена тенденция к слишком малому изменению в величине отсчитываемых датчиком значений температуры. Такой медленный способ измерения температуры не всегда приемлем, особенно при контроле состояния больного, отслеживании быстропротекающих производственных процессов.

Значительные проблемы возникают при измерении высокой температуры, особенно если ее значение заранее неизвестно, зато известно, что при достижении температурой какого-то уровня возможен выход датчика из строя.

Поэтому актуальным является поиск путей сокращения времени измерения температуры. Известен наиболее близкий по технической сущности к заявляемому способ определения высоких температур, реализующий аналитическое представление об изменении динамики изменения температуры (см. авт. св. № 268697, МПК G01K 7/02, опубл. 10.04.1970 г., Бюл. № 14), согласно которому термодатчик помещают в исследуемую среду и определяют температуру этой среды, при этом осуществляют измерение температуры в произвольный момент времени с помощью термодатчика, кратковременно помещаемого в измеряемую среду, измеряют температуру среды и ее первую производную, измеряют время от момента вступления датчика в контакт с измеряемой средой до момента измерений, а истинную температуру среды вычисляют по предлагаемой расчетной формуле, полученной с учетом теории регулярного теплового режима, учитывающего характерный размер и форму датчика, а также коэффициент температуропроводности.

Таким образом, зная аналитическое выражение для зависимости температуры от времени, можно предсказать ее конечное (установившееся) значение по начальным отсчетам.

Недостатком описанного способа является привязка расчетов к конкретной аналитической функции, описывающей изменение температуры. Однако получить простые аналитические выражения, отображающие установление теплового равновесия, можно лишь для физических моделей, в которых учитывается только один канал теплообмена между термодатчиком и измеряемой средой.

В частности, именно для такой модели, которая рассматривается в работе Д.В.Сивухина [Общий курс физики, том. 11. Термодинамика и молекулярная физика. - М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1990 г., с.182-185], конечное значение измеряемой температуры можно определить всего по двум начальным отсчетам термодатчика. В самом деле, из полученных в данной работе уравнений следует, что показания температурного датчика T_e(t), первоначально имевшего температуру Т_е(0) и вошедшего в контакт с измеряемым объектом, имеющего температуру Т_x, должно меняться по экспоненциальному закону

(T_e(t)-T_x)=(Т_е(0)-Т_х)·ехр(-t/τ),

где t - время, отсчитываемое от начала контакта датчика с измеряемым объектом, τ - параметр, определяющий инерционность конкретного температурного датчика. Для того чтобы определить параметры этого уравнения - Тх и τ - нужно снять отсчеты термодатчика в моменты t1 и t2, что дает возможность получить систему из двух уравнений для их определения

(T_e(t1)-T_x)=(T_e(0)-T_x)·ехр(-t1/τ)

(T_e(t2)-T_x)=(T_e(0)-T_x)·exp(-t2/τ).

Нетрудно доказать, что, добавив еще одно измерение для t=t3, можно получить тот же результат без предварительной информации о температуре, при которой находился термодатчик. Просто нужно будет решить не два, а три уравнения с тремя неизвестными (τ, Т_х и Т_е(0)).

Реализовать такой простой способ быстрого измерения температуры можно было бы, если термодатчик обменивался теплом только с измеряемым объектом. Однако для реально применяемых в качестве термодатчиков контактных термометров локализовать теплообмен только через один канал достаточно сложно. Например, для обычного капиллярного спиртового или ртутного термометра теплообмен идет, по крайней мере, по двум каналам, одним из которых является измеряемый объект, а вторым - элементы конструкции термометра - капиллярная трубка, детали крепежа и т.д. Наполнение капиллярной трубки различно для каждого интервала измерения, а скорость наполнения задается теплообменом, идущим по первому каналу. Эти процессы затрудняют расчет аналитической кривой, определяющей динамику изменения температуры. Поэтому вызывает сомнение возможность практической реализации точного измерения температуры, при котором временная зависимость показаний температуры описывалась бы простой аналитической функцией.

В основу изобретения поставлена задача такого усовершенствования способа определения температуры, при котором за счет заранее проведенного экспериментального определения динамики изменения температуры во времени не требуется знания аналитической функции, описывающей динамику установления теплового равновесия, кроме того обеспечивается возможность исключения влияния конструктивных особенностей термодатчика на результат измерений и, как следствие, повышение точности измерения температуры.

Для решения этой задачи в способе измерения температуры, состоящем в том, что термодатчик помещают в исследуемую среду и определяют температуру этой среды, согласно изобретению предварительно строят графики зависимости показаний термометра от времени для дискретных, заранее заданных калиброванных значений температуры исследуемой среды и начальной температуры термодатчика, создают эталонную базу данных из построенных графиков, затем помещают термодатчик в исследуемую среду и измеряют температуру исследуемой среды при максимально возможном количестве отсчетов термодатчика в течение фиксированного интервала времени, по этим отсчетам строят график и сравнивают его с графиками из эталонной базы данных, а определение температуры исследуемой среды осуществляют по наиболее совпадающей кривой из тех, что имеются в эталонной базе данных, причем критерием совпадения является поведение кривых в пределах одного и того же временного интервала.

Новый технический эффект предложения состоит в том, что для решения проблемы быстрого измерения температуры предлагается отказаться от поиска аналитического представления этой динамики, а использовать экспериментально измеренные кривые, вследствие чего обеспечивается возможность исключения влияния конструктивных особенностей термодатчика на результат измерений и, как следствие, повышение точности измерения температуры. В предлагаемом способе измерения температуры не нужно дожидаться, когда эталон полностью придет в тепловое равновесие с измеряемым объектом, что характерно для обычных измерений. Идея измерения состоит в том, чтобы определить температуру по начальным отсчетам, которых должно быть достаточно, чтобы построить график температурной кривой на стадии установления температуры, а затем, сравнив этот график с эталонными, выбрать наиболее совпадающий, и уже по нему предсказать значение измеряемой температуры.

Таким образом, количество экспериментальных отсчетов может быть большим, чтобы получить настолько плавную кривую, чтобы ее было проще сравнивать с эталонными кривыми. Но саму серию фиксаций отсчетов показаний термодатчика можно провести за короткий интервал времени, и за счет этого сократить время измерения температуры.

На фиг.1, 2 показан один из способов построения эталонных кривых для термодатчика - ртутного термометра со шкалой от 0 до 100 градусов по шкале Цельсия - с помощью видеосъемки, благодаря которой можно построить графики зависимости показаний ртутного термометра от номера кадра. Поскольку временной интервал между кадрами фиксирован, то значения, отложенные по оси абсцисс, легко пересчитываются в секунды. Строились эталонные кривые для температурных интервалов: от +24°С до +100°С (фиг.1) и от +24°С до 0°С (фиг.2). На фиг.1, 2 рядом с графиками представлены начальный (слева) и конечный (справа) кадры, полученные от видеосъемки, фиксировавшей показания ртутного термометра. Полученные две экспериментальные кривые можно использовать для построения базы данных. Аналогичные процедуры можно проделать для построения эталонных кривых для всех возможных температурных интервалов.

На фиг.1, 2 приведены не только экспериментальные отсчеты, но и аппроксимации полученных графиков с помощью одно- и двухэкспонентных кривых. Рядом с графиками приведены протоколы, выдаваемые программой Matlab 6.0, в которых выписаны параметры для аппроксимирующих кривых - показатели экспонент (b, e, g) и конечные (измеряемые) температуры (с и h). Можно заметить, что одноэкспонентные кривые недостаточно согласуются с экспериментальными кривыми. Хорошее совпадение отмечается лишь для двухэкспонентных кривых. Это свидетельствует о том, что процесс теплопередачи не является одноканальным. Кроме того, можно заметить, что для разных диапазонов изменения температур показатели экспонент различные, что свидетельствует о том, что в каждом диапазоне по-своему происходит перераспределении вкладов каналов теплообмена, связанных с конструкцией термометра - длины ртутного столбика и т.п.

Именно поэтому для определения измеряемой температуры по начальным показаниям термодатчика и предлагается использовать в качестве эталона температурные кривые, не рассчитанные аналитическим методом, а экспериментально полученные. В то же же время, если для конкретного датчика удастся надежно выявить аналитическую (например, двухэкспонентную) аппроксимацию выявляемой экспериментальной зависимости показаний датчика, то для компактного представления информации об эталонных кривых в базе данных можно хранить не полные наборы отсчетов, а лишь параметры аналитической функции.

В приведенном примере построения эталонных кривых фиксация отсчетов термометра осуществлялась визуально. Между тем, термометр может быть сопряжен с компьютерным анализатором отсчетов. Особенно удобны для такого сопряжения термодатчики, преобразующие тепло в напряжение, например термопарные. Это напряжение можно подать на аналого-цифровой преобразователь и далее сразу в компьютерную память. Субъективный человеческий фактор при этом может быть исключен, временные интервалы между измерениями могут быть сколь угодно короткие, а скорость расчетов сколь угодно высокой.

Можно повысить эффективность базы данных и сократить срок ее создания, если эту базу данных пополнить расчетными интерполяционными кривыми. То есть кривыми, которые эмулируют эталонные кривые для промежуточных температурных интервалов. Это возможно, если экспериментально удастся выявить тенденцию изменения формы этих кривых при переходе от одного температурного интервала к другому. Такие интерполированные кривые можно использовать как аналоги эталонных кривых для промежуточных температурных интервалов, для которых реальные измерения не проводились.

1. Способ определения температуры, согласно которому предварительно строят графики зависимости показаний термодатчика от времени для дискретных, заранее заданных значений температуры исследуемой среды и начальной температуры термометра, создают базу данных из построенных графиков, помещают термодатчик в исследуемую среду и определяют температуру этой среды, отличающийся тем, что определение температуры исследуемой среды производят на стадии установления теплового равновесия между исследуемой средой и термометром, при этом фиксируют показания термометра в нескольких точках, достаточных для построения графика зависимости показаний термометра от времени, после построения которого сравнивают его с графиками, имеющимися в базе данных, а по наиболее похожей кривой из тех, что имеются в базе данных, судят об определяемой температуре.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при определении температуры исследуемой среды за критерий совпадения упомянутых графиков принимают поведение кривых в пределах одного и того же временного интервала.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что созданную эталонную базу данных пополняют расчетными интерполяционными кривыми, которым соответствуют температуры, значения которых лежат в интервалах между дискретными калибровочными значениями.