СПОСОБ ГРАДУИРОВКИ РАСПРЕДЕЛЕННОГО ДАТЧИКА ТЕМПЕРАТУРЫ С ПЕРЕМЕННЫМ ПОГОННЫМ КОЭФФИЦИЕНТОМ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ Российский патент 1995 года по МПК G01K15/00 

Изобретение относится к температурным измерениям и предназначено для градуировки термопрофилемеров, используемых, например, в океанографических исследованиях и содержащих распределение датчики температуры с переменным погонным коэффициентом чувствительности.

Известен способ градуировки распределенного датчика температуры с переменным погонным коэффициентом чувствительности [1] заключающийся в том, что последовательно перемещают датчик из одного термостата в другой с различными температурами θ₁ и θ₂ осуществляют n последовательных сдвигов на отрезок длиной ΔХ_s, где n число точек градуировки, после каждого S-го сдвига измеряют сопротивление R_s датчика и вычисляют локальные коэффициенты чувствительности а_s по выражению
a_s= S .

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ градуировки датчиков температуры с переменным погонным коэффициентом чувствительности [2] при котором последовательно перемещают датчик из термостата в термостат с различными температурами, одновременно с заданным шагом, равным требуемой величине пространственного разрешения, перемещают образцовый распределенный датчик температуры с постоянным погонным коэффициентом чувствительности и коэффициентом тепловой инерции, равным коэффициенту тепловой инерции градуируемого датчика, измеряют его сопротивление R_оS и сопротивления градуируемого датчика R_s и вычисляют локальные коэффициенты чувствительности по выражению
a_s= a_o, S , где а_о постоянный погонный коэффициент чувствительности образцового датчика.

Указанные способы градуировки обеспечивают возможность точной градуировки резисторных датчиков за счет определения их погонных функций чувствительности и включают операции внешнего контроля профиля температуры образцовыми средствами вдоль всего датчика при различных способах формирования этого профиля, в частности путем последовательного перемещения датчика из термостата в термостат, температуры которых различны.

Эти способы позволяют осуществлять градуировку датчиков в процессе их изготовления или по окончании. Однако они не всегда осуществимы для датчиков большой протяженности или датчиков, находящихся в эксплуатации и стационарно размещенных на объекте, поскольку в этих случаях трудно, а порой невозможно, обеспечить внешний контроль профиля температуры вдоль всего датчика.

Целью изобретения является упрощение градуировки датчика температуры в виде жгута из n распределенных датчиков с переменным погонным коэффициентом чувствительности.

Цель достигается тем, что в известном способе градуировки распределенных датчиков температуры с переменным погонным коэффициентом чувствительности образцовый датчик длиной, равной заданному шагу его перемещения (т.е. требуемой величине пространственного разрешения термопрофилемера), последовательно размещают на участках Х(х=) вдоль градуируемого датчика, на каждом участке в момент времени τ (n+1) раз измеряют образцовым датчиком температуру участка θ (х, τ) и сопротивления датчика R_i(τ ) (i ; τ= ) для разных профилей температуры и используют полученные значения для решения n систем из n+1 уравнений вида
-B_x+b_xi·R_i(τ) θ(x,τ) (1) относительно неизвестных коэффициентов градуировки В_х и b_хi.

Допустим, имеется термопрофилемер, весовые функции n датчиков которого g(i,х) на участках х(i=; Х ) постоянны с достаточной точностью. Например, это могут быть функции, представляющие собой сумму постоянной по х величины функции Уолша и шумовой, переменной по х, величины. При этом для измеряемого сопротивления R_i i-го датчика как линейного терморезистора в профиле температуры θ (х) справедливо
R_oig(i, x)θ_x+R_oi= R_i, i , (2) где R_oi сопротивление i-го датчика при нулевой интегральной температуре;
θ (х) неизвестная средняя на Х-м отрезке профиля температура;
g(i,х) пространственная функция модуляции погонной термочувствительности i-го датчика, равная, например, α r(i,х); где α температурный коэффициент сопротивления материала датчика;
r(i, х) пространственная функция модуляции погонного сопротивления за счет изменения поперечного сечения провода или эквивалентной этому изменению укладки провода вдоль профиля.

Система линейных алгебраических уравнений (2) имеет решение относительно θ (х) в виде
θ(x) x , (3)
где
Δ (4)
Δ_x= (5)
Используем разложение определителя Δ_x по адъюнктам a_iх столбца Х и получим из выражений (3-5)
θ(x) a_ixR_i- a_ixRb_xiR_i- b_xiR_oi=
b_xiR_oi= b_xiR_i-B_x, (6) где b_xi= и B_x= b_xiR_oi, x . (7)
Значения В_х (выражение 7) являются конструктивными константами, не зависят от профиля измеряемой температуры θ (х) и должны быть определены в результате градуировки.

Коэффициенты b_xi(i ; x ) являются неизвестными перед градуировкой элемен тами многомерной (n²-мерной) обратной функции преобразования (МОФП) термопрофилемера, устанавливающей связь значений сопротивлений R_i датчиков с температурой θ (х) на участке х профиля через формулу свертки (6). Вычисления по этой формуле почти аналогичны вычислению профиля температуры при точном разложении его по ортонормальным функциям, например функциям Уолша, и более точны чем решение системы из n линейных алгебраических уравнений при разложении профиля температуры по произвольным (неортогональным) функциям g(i,х).

Целью градуировки является определение матрицы коэффициентов b_xi(i ; x ) и строки В_х.

Запишем выражение (6) в стандартной форме относительно неизвестных b_хi и В_х, измеряемых R_i и задаваемых (контролируемых, измеряемых) θ (х)
-B_x+b_xiR_i= θ(x), x . (8)
Из этого выражения следует, что для каждого х имеется n+1 неизвестных (В_х и b_хi, i , для определения которых необходимо и достаточно контролировать (задавать, измерять) температуру θ (х) только на одном участке Х, а для получения системы n+1 уравнений вида (8) требуется изменять температуру других участков таким образом, чтобы изменились сопротивления R_i датчиков и получаемые уравнения не были линейно зависимы. Если внешние профили температуры θ (х) можно задавать, то линейную независимость уравнений можно обеспечить, задавая профили θ (х), соответствующие функциям из ортогонального базиса, например функциям Уолша.

Таким образом, последовательно по тактам τ времени получим систему уравнений
-B_x+b_xiR_i(τ) θ(x,τ), τ , (9) расширенная матрица которой имеет вид
(10)
Задавая произвольные θ (х, τ ) (х ), можем получить сколько угодно разных систем уравнений (9) для одних и тех же неизвестных b_х и b_хi (i ). Это позволяет сколько угодно точно определить (вычислить) конструктивные константы B_х и b_хi за счет осреднения по множеству независимых определений.

Аналогичные системы уравнений реализуются для других Х участков профиля, что позволяет определить новые неизвестные b_хi и B_х. В результате градуировки получим коэффициенты для управнения (6)
. иb_ix} .... (11) которые совместно с измеряемыми величинами на выходе датчиков
R₁R₂ R (12) позволяют восстановить измеряемый профиль температуры θ(х) по выражению
θ(x) -b_x+ b_xiR_i (13)
В известных способах градуировки распределенных датчиков температуры с переменным погонным коэффициентом чувствительности необходимо контролировать (стабилизировать) изменение профиля температуры. При градуировке указанных термопрофилемеров предложенным способом изменение профиля температуры является даже желательным, так как именно благодаря этому изменению возможно получение хорошо обусловленной системы уравнений (I). Новое свойство отсутствие необходимости контроля всего профиля температуры по всей длине датчика обуславливает достижение положительного эффекта; заключающегося в упрощении градуировки, так как контроль температуры в предложенном способе осуществляется образцовыми средствами на ограниченном участке, а не по всей длине датчика.

На фиг. 1 показана структурная схема устройства, реализующего предложенный способ; на фиг.2 схема его измерительно-вычислительного блока.

Устройство содержит градуируемый датчик-термопрофилемер 1, включающий жгут из n распределенных модулированных датчиков 2 температуры, соединенных с измерительно-вычислительным блоком 3, и образцовый измеритель 4 температуры, включающий распределенный датчик 5 температуры, соединенный с измерительно-вычислительным блоком 3.

Длина образцового датчика 5 равна требуемой величине пространственного разрешения термопрофилемера 1.

Измерительно-вычислительный блок 3 предназначен для измерения сопротивления градуируемого и образцового датчиков и вычисления значений градуировочной характеристики по данным измерений. Блок 3 может выполняться из стандартных измерительных приборов и вычислителей. Например, если образцовый и градуируемый датчики имеют выходной параметр сопротивление, то в состав блока 3 входят, как показано на фиг.2, последовательно включенные коммутатор 6, аналого-цифровой преобразователь 7 сопротивлений в код и процессор 8. В данном примере коммутатор 6 должен иметь минимальное переходное сопротивление ключей, которые могут быть контактами электромеханических реле. Этим условиям удовлетворяет, например, релейный мультиплексор 750 системы КАМАК. В качестве преобразователя 7 сопротивлений в код желательно использовать высокоточный прибор, например серийный цифровой вольтметр типа Щ387. В качестве процессора 8 целесообразно использование микроЭВМ, например, типа "Электроника-60".

Градуировка термопрофилемера может осуществляться непосредственно в месте использования, например в море. При этом датчики 2 термопрофилемера опускают в море, а образцовый датчик 5 пошагово перемещают вдоль градуируемого. На каждом шаге х осуществляют пакет измерений сопротивлений датчиков для разных вертикальных профилей температуры, которые формируются или естественной изменчивостью окружающей среды, или путем вертикальных перемещений связки образцового и градуируемого датчиков в температурно-стратифицированном верхнем слое моря (океана).

Этот пакет измерений τ 1, обеспечивает накопление данными расширенной матрицы (10) системы уравнений (9) для определения неизвестных b_хi и B_x(x ; i ).

Преимуществом предлагаемого изобретения по сравнению с прототипом является упрощение градуировки, которое объясняется тем, что в данном случае нет необходимости использования образцовых термостатов или образцового датчика, контролирующего весь профиль температуры. Используется образцовый датчик ограниченной длины, локально контролирующий температуру. Указанное преимущество дает возможность осуществлять градуировку термопрофилемера в реальной среде с неконтролируемым профилем температуры, например в море.

Использование: градуировка термопрофилелиров, содержащих жгут из распределенных датчиков температуры с переменным погонным коэффициентом чувствительности непосредственно в месте их использования (море). Сущность изобретения: в среде с переменным в пространстве и во времени профилем температуры размещают градуированный и образцовый датчик. Образцовым равномерно распределенным датчиком, перемещаемым пошагово вдоль градуированного датчика, на участках x(x 1, n) контролируют температуру. Длина образцового датчика равна требуемой величине пространственного разрешения термопрофилемера, т. е. заданному шагу перемещения. На каждом участке в момент времени τ измеряют n + 1 раз образцовым датчиком температуру участка q(x,τ) и сопротивление градуируемого датчика для разных профилей температуры. Используют полученные значения для решения n систем из n + 1 уравнений относительно неизвестных коэффициентов градуировки B_x и b_xi 2 ил.

СПОСОБ ГРАДУИРОВКИ РАСПРЕДЕЛЕННОГО ДАТЧИКА ТЕМПЕРАТУРЫ С ПЕРЕМЕННЫМ ПОГОННЫМ КОЭФФИЦИЕНТОМ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ, заключающийся в том, что градуированный датчик вместе с распределенным образцовым датчиком размещают в среде с переменным в пространстве и во времени профилем температуры, перемещают образцовый датчик в среде с заданным шагом, по его показаниям контролируют температуру градуируемого датчика и измеряют его сопротивление, отличающийся тем, что, с целью упрощения градуировки датчика температуры в виде жгута из n распределенных датчиков с переменным погонным коэффициентом чувствительности, в качестве распределенного образцового датчика используют датчик с длиной, равной заданному шагу его перемещения, которое осуществляют вдоль градуируемого датчика, установленного неподвижно, контроль температуры θ(x,τ) и измерение сопротивления R_i(τ) осуществляют n + 1 раз на каждом участке градуируемого датчика в моменты времени τ для разных профилей температуры и по полученным значениям решением n систем из n + 1 уравнений

определяют градуировочные коэффициенты B_x и b_xi.