Устройство для измерения температуры

Устройство для измерения температуры

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Союз Советских

Социалистических

Республик

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ, К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ()808872 (6I ) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 28.03.79 (2! ) 2755828/18-10 с присоединением заявки М (23) Приоритет (5l)M. Кл.

5 01 К 7/00

1Ьвудэрстнкхьй квмвтет

CCCP ае далем взебретвннк в втхрнтив

Опубликовано 28.02.8 1 Бюллетень Ле 8 (53) УДК536.53 (088.8) Дата опубликования описания03.03.81

Морской гидрофизический институт АН Украинск (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

Изобретение относится к температурным измерениям, s именно, к устройствам для измерения температурных профилей и предназначено для использования в системах контроля окружающей среды и технологических процессов.

Известно устройство для измерения профиля температуры в жидких и газообМ разных средах, содержащее несколько точечных датчиков температуры, расположенных в узлах по траектории профиля fig

Однако это устройство не обеспечивает высокой точности измерения температуры, им невозможно осуществлять пространственную фильтрацию существенно неоднрродньрс температурных полей.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство для измерения температуры, содержащее распределенный термопреобразователь и регистратор (.2). Это устройство обеспечивает высокую чувствительность и точность измерения средней . в объеме темпер а тур ы.

его недостатком является невозможность получения температурного профиля по траектории датчика, а также невозможность реализации с помощыО датчика другого пространственного фильтра, кроме фильтра скользящего среднего при перемещении датчика в среде. Использование же в устройстве нескольких таких датчиков, последовательно размещенных на траектории профиля, не обеспечивает высокой точности восстановления профиля температуры и выполнение фильтрации, а также усложняет дистанционную аппаратуру.

1(ель изобретения — повышение точности измерения температурного профиля, а также расширение функциональных возможностей пространственной фильтрации температурного поля непосредственно термопреобразователем.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство введены последовательно включенные блок сьема сигнала, коммутатор, аналог -цифровой преобразователь и блок восстановления, выход которого со80&872 единен с регистром, причем термопреобразователь выполнен в виде жгута из нескольких проводов с различным по длине провода погонным сопротивлением, одни концы которых соединены между собой и совместно с другими концами подключены ко входам блока сьема сигнала.

На фиг, 1 изображена структурная схема предпагаемого устройства; на фиг.

2 — график изменения погонного сопротивпения проводов термопреобразоватепя но функциям тригонометрического ряда Фурье; на фиг. 3 — то же, по функциям Уопша-Адамара; на фиг. 4 — то же, по импульсным весовым функциям фильтров н(везших пространственных частот; на фиг, 5 — то же„по импульсным весовым функциям полосовых фильтров пространствен-. ных частот; на фиг. 6 — то же, по импульсным весовым функциям фильтров низких пространственных частот в многоканальном устройстве.

Устройство для измерения температуры содержит термопреобразоватепь 1, выполненный в виде жгута íà и +2 проводов (проводимых датчиков),одни концы которых соединены через провод 2, а другие концы непосредственно подключены к. блоку 3 сьема сигнапов, выходы которого через коммутатор 4 подключены к аналого цифровому преобразователю 5, соединенному с блоком 6 восстановления и регистратор 7. Блок восстановления включает в себя источник 8 напряжения, стабилизаторы 9,10,11 и 12 тока, постоянные резисторы 13,14,15 и 1.6, развязываюшие усилители 17, 18 и 19. В качестве стабилизаторов тока могут использоваться постоянные резисторы с большим относительно проводных датчиков сопротивлением, ипи барретеры. B зависимости от конкретной .реализации устройства источник 8 напряжения, а также развязывающие усилители 17, 18 и .19 могут бьггь постоянного или переменного тока. Каждый из проводных датчиков образует последовательную цепь с одним из резисторов и стабилизаторов тока. Все эти цепи параллельно через провод 2 подключены к выходу источника 8 напряжения так, что каждая из пар образует мостовую схему, выходы которых через развязывающие усилители подключены ко входу коммутатора. Такая схема соединения проводных датчиков позволяет по— лучать сигнал, пропорциональный разности сопротивлений проводных датчиков термопреобразователя.

Проводные датчики термодреобразова тепя изготовлены так, что погонное сопротивление (Омlм) ) -датчика (1 =1,...nl при некоторой начальной температуре Яо не является постоянным по длине Х, а промодулировано и изменяется по закону i(Х)=r + 1"(, ф; (x,),1= а,..и, (М)

1О где à — постоянная роставпяюшая погонного сопротивления; максимальная ампли1 уда переменной составляющей погонного со15 противления; Р,(Х) — 1 -ая функция, вид которой зависит от целей измерения.

Модуляция погонного сопротивпения может быть получена, например, за счет

20 изменения площади еГо попеРечного сечения, изменения удельного сопротивления материала провода или запараплеливанием проводов с одинаковым сечением.

Погонное сопротивление rp (X) первого проводного датчика постоянно по длине и равно:

l 0(x } = r „+ p(x ), !Р) что эквивалентно его модуляции функцией ФО(X ) =1.

Погонное сопротивление последнего датчика постоянно по длине и равно:

"И+1(X) =ГС p)

При линейной зависимости сопротивления датчика от температуры и отклонении температуры в точке Х от начальной на

Я (Х ) для погонного сопротивления перФ вого, 1 -го и последнего датчиков справедливы выражения:

rpq =г1(x)(1+ (14(х1) .) .;, =«,". ; ) «+«(.)> f )

t (èì I (Гс " + 6- )(х) 1

re ОС - температурный коэффициент датчика.

Интегральные сопротивления датчиков соответственно равны:

Rpg ),„(т+К.Ц(Х))с)Х-r X+aL 1- QX = (.1+М4 ), 55 R;z(r

R „, -1т С1..1+ма(Х) ИК, (7)

808872 d для коэффициентов б т разложения Q(K) в обобщенный ряд Фурье справедливы вы- ражения:

5 где Х вЂ” длина дат чика;

g — средняя температура, Йпя сопротивлений Ц;О проводных,датчиков справедливо выражение:

ROQ и 0 о(°

a 1

0(км ° К; о(") м ) т» (к) тс+гмс05-у-х )

O 21С

1(a)r.+raisin „y, Q(a) Е 0РРт(х) -о "4 " "с + l" щ СОЬ i + X;

Ь м «к °

4$

Поскольку коэффициенты Î i, определенные qp выражению а<" Iq; (к)0(х)бк, э т+т " ) Y ñ обеспечивают наилучшее по среднекйадративной погрешности приближение в выражении (9 ), значение сопротивления

Итй может быть представлено в виде:

В этом случае; вычисление температ уры профИля температуры осушествляется по формуле м д . (т1) iQ9,) + c (Q;res<

5 ;,=1(г, е; (к)) (сФ)Ик = <„„) о с

+ f% (a)dx+r e 5 Р (к)ц(к)сЬ(. Я) о о

4 то

Выбор системы модулируюших функций P Ðiй) < зависит от цели измерения.

Устройство может использоваться для измерения температурного профиля вдоль траектории расположения чувствительного элемента в среде, а также для измерения п остранственно отфильтрованных значер ний температуры в одной или нескольких точках среды. 20

Если целью измерения является получение профиля температуры вдоль неподBHKHoFo чувствительного элемента, то в качестве (< () используется система ортонормированных на отрезке (О, Х) функций, образующих базис обоб- шенного ряда Фурье. В этом случае в выражении (8)

h м f Ô (h)who, ia,...n; о поскольку функции ф; (Х) ортогональны на отрезке(0, Х 3, а

1 осе" », la)a(xtdx к,racxa< > "

35 где К; — нормируюший множитель, ст; — коэффициент обобщеннот о ряда Фурье, аппроксимируюшеГо температурный профиль выражением

1 "% т щ 2mx Ko Ki -нормируюшие множители зависящие от вида функции

Ф4 (Х).

При измерении профиля температурыустройство работает следующим образом.

Под воздействием температуры среды

Q (X ) проводные датчики термопреобразователя 1 принимают сопротивление

Rig .в соответствии с зависимостями (5), (7), (11). Блок 3 съема сигнала обеспечивает получение. сигналов пропорциональных разности сопротивлений проводных датчиков в соответствии с формулами (12), аналого-цифровой преобразователь преобразует эти сигналы в цифровой код, блок 6 восстановления осу шествляет вычисление температуры по формуле (10), значение которой фиксиру- ется регистратором 7.

Если известно, что функция Q (Х) является периодичной и кусочно непрерыв ной на отрезке(0, Xl, то эффективное среднеквадратичное приближение может быть получено при использовании системы тригонометрических функций ряда Фурье.

В этом случае используется (2тт+ 2) датчиков, погонные сопротивления которых промодулированы по функциям (фиг.2) 80887:) 8

Член t-)««t 4«(x-xp}ñ x+г„„«с.oust о

aalu как он не зависит от измеряемой температуры, а определяется только весовой функцией И«(Х ) заданного фильтра, т.е. конструктивными параметрами.

Отфильтрованное значение температуры б удет равно

; 3"«(,Х ) = ас «Г р««11 «(Х- X р ) " (х) )" «- w }т т (Х - Х p ) }" p(X}=rc «-гn )т „(X- Xo) ")«+«Ь) =Гс

7 псшучаемой пз-(9)., где коэффициенты 06, о)тре)те)тяются по формулам (12) при К() --2 Кт =-.) /2 (« =1„.И), Ri@ Rq R(.

Напболее просто реализуются распределенные датчики с модуляцией погонного сопротивления по системам функций Уолша. В этом случае модуляция сопротивления может осуществляться простым запараллеливанием идентичных проводов. Из различных систем функций Уолша наиболее удобны те, в которых начальные функции сохраняются неизменными при произвольном увеличении порядка. К ним относятся функции Уолша-Адамара (1)00) и собственно Уолша.

При использовании функций Уолша-Адаиара {(hxId()I, х )) погонные сопротивления датчиков выражаются зависимостями иг. 3 (ф )

<- (х} -had (О,х) =}"))

Г),+«(х1 rc (45/ гр А, (х)=г «-г„„йос4 (И,x} где ) ) « =-.Г) „() Х Х«); — номер функции Уолша-Адамара, Х j = 0,3 .

« -ый разряд двоичного представления точки Х на интервале LO, X).

Лля любых непрерывных профилей

8(X) возможна модуляция погонного сопротивления по функциям Хаара.

При измерепии некоторых температурных профилей в верхнем. слое океана, типичная форма которых хорошо аппроксимируется малым числом членов некоторых полиномов, например, полиномов Лежандра 1-го рода } Р (Х ) ), целесообразно выполнять модуляцию датчиков по этим полиномам. и

Если целью измерения является получение значепия температуры в некоторой точке поля Х о, причем эти значения должны содержать только отфильтрованные заданным пространственным фильтром ();(9 ) составляющие исходного температурного поля среды, то для « -го датчика в качестве функции ;(X ) принимают. нормированную импульсную весовую функцию (т«(Х - Xp) заданного фильтра, причем

b. Ь} 9«(Х}

tq«w I где ()«(Х ) — импульсная весовая функция, (Я;)«« i — модуль максимального значенияя.

Иэ выражения (8) получим

R«q-- ()««.«)ц«-) )« f "i(x "оМ" +

Х и

Idr(II;(x-н.)(({x)ax (а6) о

Q>.,9}= t (К-МЦ(X>}dx о

I0

Из результатов измерения сопротивлений

lt«q Йт)«+«> g температура определяется по формуле ()„.(II) Р(П-ИЬ а!Я-II I (,8) p(.

Таким образом, при измерении температуры возможно осуществлять произ20 вольную фильтрацию пространственных частот температуры датчиком, если сопротивление датчика промодулировать по нормированной импульсной весовой функции заданного фильтра.

При реализации прямоугольного фильтра низких пространственных частот (ФНПЧ) нормированная весовая функция фильтра равна

Ю и Zlf 7 «(X-Xp) «(Х-

(у) 2Х F«(X- Хо) rae F« — пространственная частота среза 1 -ro фильтра.

При реализации полосового пространственного фильтра нормированная весовая функция равна май .вы

Рк- Кп)- - (aO)

>Х«<> "0) 1п н (х- Хо }

40 о

Если требуется измерить пространство отфильтрованные значения температуры в точке KgQ««(Xp), «=1, .п (получить спектр), то используя (t1 +1) распределенных дат45 чиков, погонные сопротивления которых промодулированы по функциям

55 где И«(Х ) — нормированная весовая функция фильтра.

На фиг. 4 показаны графики модупирующих сопротивление датчиков функций

8ОЙ872 10

Лля получения непрерывных профилей отфильтрованной температуры Я,{(Х) чувствительный элемент необходимо сканировать вдоль оси Х в пределах Ь Х.

Устройство для измерения температуры обладает высоким быстродействием, позволяет с высокой точностью производить измерение температурного профиля среды, а также осуществлять пространственную

<4 фильтрацию температурных полей, 9 по выражению (19) для фильтра низких пространственных частот„Вычитая попар но сигналы с выходов таких датчиков, можно получить широкий набор сигналов, отфильтрованных в определенных полосах

На фиг. 5 показаны графини модулирующих функций по выражению (20) для, полосовых фильтров пространственных ча стот. В этом случае устройство является анализатором амплитудного пространственного спектра температуры.

Во всех случаях вычисление отфильтрованных значений температуры Qq j (Хп) производится по формуле (18). Иля получения профиля отфильтрованных значений температуры Я., ;(Х), Х f fO>Ь. 1 вдоль линии Х чувствительный элемент перемещают вдоль линии Х, Если требуется одновременно измеритьпространственно отфильтрованные. значения температуры Qq> (ХО) в l11 точках вдоль линии Х, то в многоканальном устройстве используется щ групп по И датчиков модулированными сопротивлениями по функциям (фиг. 6 для ФНПЧ):

„(Х)=, rwи,(-ax)

rn(<) =re+ I" Hq(x-АХ); . (22)

Г„,„(Х) q+ rи и(Х А7 ) "„(x)- r, + 1-„, h (x- 2Ax) гд (x) 1;+ I"w И (Х- 3 Ах) где 1 4 t1, j=1,., АХ вЂ” расстояние между точками определения температуры по оси Х. При этом вычисление температуры осуществляется по формуле: 31Q +Ih+s)Q тн1 ° 1г - у

О(. 4,."И.

Формула изобретения

13 Устройство для измерения температуры, содержащее распределенный термопреобразователь и регистратор, о т л и ч а юm е е с я тем, что, с целью повышения . точности измерения температурного профирф ля, в него введены последовательно включенные блок съема сигнала, коммутатор аналог< цифровой преобразователь и блок восстановления, выход которого соединен с регистратором, причем термопреобраэо2S ватель выполнен в виде жгута из нескольких проводов с различным по длине провода погонным сопротивлением, одни концы которых соединены между собой и совместно с другими концами подключены ко входам блока сьема сигнала.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

J4 139105, кл. С 01 К 3/02, 7/02,, 19.09.60..

33

2. Авторское свидетельство СССР

l4 238823, кл. Cj 01 К 7/16, 17.04.67 (прототип).

) 808872

/m гс гт гс C nt гсн,„ х с

% гт г///

"+гт с т

/ c с "т с+гт

/ с-Ъ гс Фг,„

/c, /с /m

"с гт гс

"с /т гс+гт

"c гс-/ „

Рс ФPnr

/ с

"с "m х гс+/ т

/ с г.- „ гс+ е х

q//c. г

gtgg. 3

"c+gn с

/ФсФЪ

/ г р г+. /у

/ х г гс -гт х

"c+ I m с

Составитель В. Куликов

Редактор П. Макаревич Техред А,Савка Корректор Н. Стен

Заказ 397/43 Тираж 918 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-.38, Раушская наб., д. 4/8

Филиал ППП Патент, r. Ужгород, ул. Проектная, 4