СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ (ВАРИАНТЫ) И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2002 года по МПК G01K7/00 

Изобретение относится к измерительной технике при определении температуры во множестве точек.

Известны способы, реализующие устройства для измерения пространственного распределения температуры (патент США 4875782, кл. G 01 К 7/04, 1990; AC 1177684, кл. G 01 К 3/02, 1985; 1223053, G 01 К 7/00, 1986), основанные на измерении электрического сопротивления термочувствительных элементов, размещенных в точках измерения температурного поля.

Известны устройства для измерения пространственного распределения температуры (патент США 4875782, кл. G 01 К 7/04, 1990; а.с. 1177684, кл.G 01 К 3/02, 1985; 1223053, G 01 К 7/00, 1986).

Недостатком этих способов и осуществляющих их устройств является наличие либо механического сканирующего устройства, либо большого количества соединительных проводов и коммутатора.

Наиболее близким к предлагаемому является способ, реализующий устройство измерения пространственного распределения температуры (патент Российской федерации 2079822, кл. G 01 К 7/00, 1997), основанный на измерении тока насыщения полупроводниковых термочувствительных элементов, размещенных в интересующих точках измерения температурною поля.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство измерения пространственного распределения температуры (патент Российской федерации 2079822, кл. G 01 К 7/00, 1997), которое содержит множество термочувствительных полупроводниковых элементов, измеритель и регистратор.

Недостатком этого способа и устройства является низкая точность измерений, вызванная изменением величины измеряемого тока вследствие дрейфа параметров измерительной аппаратуры при изменении температуры, старении элементов, низкая помехоустойчивость, а также невысокий верхний предел температурного диапазона измерений, ограниченный предельной температурой работоспособности р-n перехода.

Решаемая техническая задача - повышение точности, помехоустойчивости и расширение температурного диапазона измерения пространственного распределения температурного поля.

Решаемая техническая задача в способе измерения пространственного распределения температуры (его первом варианте) путем помещения в контролируемые точки множества термочувствительных датчиков, соединенных параллельно двухпроводной линией, подачи на один из входов линии сигнала переменного напряжения и регистрации входного переменного тока i_вх(t), достигается тем, что в качестве термочувствительных датчиков используют кварцевые пьезорезонансные датчики с различными резонансными частотами ω_p1, ω_p2,...ω_pi,...ω_pN, в качестве сигнала переменного напряжения, подаваемого на один из входов двухпроводной линии, используют сигнал со спектром, перекрывающим частотный диапазон кварцевых пьезорезонансных датчиков, после регистрации входного переменного тока i_вx(t) вычисляют его амплитудный спектр S(ω), определяют резонансные частоты кварцевых пьезорезонансных датчиков ω_p1, ω_p2,...ω_pi,...ω_pN по положению максимумов амплитудного спектра S(ω), а затем по предварительно экспериментально найденным или теоретически известным зависимостям резонансной частоты кварцевых пьезорезонансных датчиков от температуры ω_pi(t) определяют искомую температуру в контролируемых точках.

Решаемая техническая задача в способе измерения пространственного распределения температуры (его втором варианте) путем помещения в контролируемые точки множества термочувствительных датчиков, соединенных параллельно двухпроводной линией, подачи на один из входов линии сигнала переменного напряжения и регистрации входного переменного тока i_вх(t), достигается тем, что в качестве термочувствительных датчиков используют кварцевые пьезорезонансные датчики с различными резонансными частотами ω_p1, ω_p2,...ω_pi,...ω_pN, в качестве сигнала переменного напряжения, подаваемого па один из входов двухпроводной линии, используют сигнал с частотной модуляцией в диапазоне резонансных частот кварцевых пьезорезонансных датчиков, при регистрации входного переменного тока i_вх(t) в моменты достижения его максимальных значений измеряют частоты сигнала переменного напряжения, которые равны значению резонансных частот датчиков ω_p1, ω_p2,...ω_pi,...ω_pN, а затем по предварительно экспериментально найденной или теоретически известной зависимости ω_pi(t) резонансной частоты кварцевых пьезорезонансных датчиков от температуры вычисляют искомую температуру в контролируемых точках.

Решаемая техническая задача в устройстве, реализующем способ измерения пространственного распределения температуры в его первом и втором вариантах, содержащем множество термочувствительных датчиков, параллельно соединенных двухпроводной линией, соединенной с регистратором, который соединен с источником переменного напряжения, достигается тем, что в качестве термочувствительных датчиков использованы кварцевые пьезорезонансные датчики с различными резонансными частотами ω_p1, ω_p2,...ω_pi,...ω_pN, регистратор содержит последовательно соединенные схему согласования, регистратор амплитуды переменного тока, анализатор спектра, блока обработки и индикации, в качестве источника переменного напряжения использован генератор сигнала со спектром, перекрывающим частоты кварцевых пьезорезонансных датчиков.

На фиг.1 изображена блок-схема устройства, реализующего способ.

На фиг. 2 показана температурно-частотная характеристика кварцевого пьезорезонансного датчика PKTВ 206.

На фиг.3 показан график частотной зависимости модуля проводимости кварцевого пьезорезонансного датчика PKTВ 206.

Устройство (фиг. 1) содержит N кварцевых пьезорезонансных датчиков l_i, двухпроводную линию 2, генератор 3, регистратор 4, в состав которого входят схема согласования 5, регистратор амплитуды переменного тока 6, анализатор спектра 7, блок обработки и индикации 8. Количество кварцевых пьезорезонансных датчиков определяется необходимым количеством точек контроля температуры.

Кварцевые пьезорезонансные датчики l_i электрически соединены при помощи двухпроводной линии 2 со схемой согласования 5, другой вход схемы согласования 5 электрически соединен с генератором 3. Выход схемы согласования 5 электрически соединен с входом регистратора амплитуды переменного тока 6, выход которого соединен с входом анализатора спектра 7. Выход анализатора спектра 7 электрически соединен с входом блока обработки и индикации 8.

Рассмотрим осуществление способа измерения пространственного распределения температуры (его первого варианта) с помощью устройства, показанного на фиг. 1. Генератор 3 вырабатывает сигнал со спектром, перекрывающим частотный диапазон кварцевых пьезорезонансных датчиков. Сигнал с генератора 3 через схему согласования 5 поступает на вход двухпроводной линии 2. Схема согласования 5 необходима для выделения небольших изменений входного тока двухпроводной линии 2, вызванного резонансом кварцевых пьезорезонансных датчиков l_i на фоне сильной неизменной составляющей входного сигнала. Сигнал со схемы согласования 5 поступает на регистратор амплитуды переменного тока 6. Данные с выхода регистратора переменного тока 6 поступают на анализатор спектра 7, позволяющего вычислить по временной выборке входного тока i_вх(t) двухпроводной линии 2 амплитудный спектр входного тока S(ω). Данные об амплитудном спектре поступают на блок обработки и индикации 8, в котором по предварительно экспериментально найденной или теоретически известной зависимости ω_pi(t) резонансной частоты кварцевых пьезорезонансных датчиков l_i от температуры вычисляется искомая температура в контролируемых точках и производится ее индикация.

Рассмотрим осуществление способа измерения пространственного распределения температуры (его второго варианта) с помощью устройства, показанного на фиг.1. Генератор 3 вырабатывает сигнал с частотной модуляцией в диапазоне резонансных частот кварцевых пьезорезонансных датчиков. Сигнал с генератора 3 через схему согласования 5 поступает на вход двухпроводной линии 2. Схема согласования 5 необходима для выделения небольших изменений входного тока двухпроводной линии 2, вызванных резонансом кварцевых пьезорезонансных датчиков l_i на фоне сильной неизменной составляющей входного сигнала. Сигнал со схемы согласования 5 поступает на регистратор амплитуды переменного тока 6. Данные с выхода регистратора переменного тока 6 поступают на анализатор спектра 7, позволяющего определить частоту входного переменного тока. Анализатор спектра определяет частоты переменного тока i_вх(t) в моменты достижения его максимальных значений, эти частоты равны значению резонансных частот датчиков ω_p1, ω_p2,...ω_pi,...ω_pn. Данные о резонансных частотах кварцевых пьезорезонансных датчиков l_i поступают на блок обработки и индикации 8, в котором по предварительно экспериментально найденной или теоретически известной зависимости ω_pi(t) резонансной частоты кварцевых пьезорезонансных датчиков l_i от температуры вычисляется искомая температура в контролируемых точках и производится ее индикация.

Покажем, что предлагаемый способ позволяет достичь решения поставленной технической задачи - повысить точность и помехоустойчивость измерения пространственного распределения температуры.

Существующие традиционные методы и датчики измерения температур (патент США 4875782, кл. G 01 К 7/04, 1990; а.с. 1177684, кл. G 01 К 3/02, 1985; 1223053, кл. G 01 К 7/00, 1986) позволяют измерять, главным образом, только локальные, точечные, характеристики теплофизических полей. Для измерения температуры распределенных объектов необходимо использовать множество точечных (дискретных) датчиков, размещенных на объекте измерения. При использовании традиционной идеологии построение многоточечных термодатчиков приводит к существенному усложнению измерительной аппаратуры и росту ее объема, а также к значительным материальным затратам, поскольку в этом случае система является многоканальной с числом измерительных каналов, равным числу датчиков. Для построения такой многоканальной системы необходимо большое количество (десятки и сотни) соединительных проводников датчиков с измерительной системой.

Устройство для измерения пространственного распределения температуры, описанное в патенте Российской федерации 2079822, кл. G 01 К 7/00, 1997, построено по другому принципу. В нем множество термочувствительных датчиков соединены параллельно при помощи двухпроводной линии. При этом появляется возможность достичь снижения в несколько раз объема вторичной аппаратуры (снижение пропорционально числу измерительных каналов), снижения во столько же раз общей длины соединительных линий и кабелей.

Однако точность и помехоустойчивость этого устройства остается невысокой. В нем применены полупроводниковые температурные датчики. Температура вычисляется исходя из измерений амплитуды тока датчика. Поскольку информативным параметром является амплитуда тока, то шумы аппаратуры, электромагнитные помехи, дрейф параметров измерительной аппаратуры при изменении температуры, старении элементов и т.д. приведут к случайному изменению этой амплитуды, а следовательно, к снижению точности измерения температуры.

Верхний предел температурного диапазона измерений полупроводниковых датчиков ограничен предельной температурой работоспособности р-n перехода и для некоторых диодов составляет величину до 140^oС [1, диод КД213Л].

Использование в качестве точечных датчиков термочувствительных кварцевых пьезорезонансных датчиков с разнесенными частотами дает ряд преимуществ по сравнению с другими типами датчиков. Такие датчики имеют:
- повышенную точность измерения температуры в рабочем диапазоне от -50 до + 370^oС [2];
- повышенную помехоустойчивость вследствие преобразования температуры в частотный выходной сигнал.

При использовании этих датчиков возможно проведение измерений температурного поля распределенного объекта в множестве точек с точностью до 0,1% [2] , причем для передачи измерительной информации на вторичную аппаратуру требуется только один канал.

Одним из видов кварцевых пьезорезонансных датчиков, выпускаемых промышленностью, являются камертонные кварцевые пьезорезонансные температурные датчики РКТВ 206. Основные характеристики кварцевого пьезорезонансного датчика РКТВ 206 приведены в таблице.

Кварцевый пьезорезонансный датчик РКТВ 206 имеет температурную характеристику, описываемую следующим выражением [2]:
f(t) = f₀|A₁(t-t₀)|A₂(t-t₀)², (1)
где f(t) - частота кварцевого пьезорезонансного датчика (Гц) при текущем значении температуры t(^oC);
f₀ - частота кварцевого пьезорезонансного датчика (Гц) при опорном значении температуры (^oС);
t₀ - опорное значение температуры.

Коэффициенты для кварцевого пьезорезонансного датчика РКТВ 206 составляют [2]:
A_l = -1,76±0,1 Гц/^oС, A₂ = -0,0031±0,0001 Гц/^oС в диапазоне рабочих температур -50... +370 ^oС.

График температурной частотной характеристики кварцевого пьезорезонансного датчика с центральной частотой 34 кГц, рассчитанный в соответствии с (1), показан на фиг.2. Измерив частоту резонатора, по температурно-частотной характеристике вычисляется температура датчика.

Таким образом, разместив кварцевые пьезорезонансные датчики в точках измерения температуры и соединив их параллельно при помощи двухпроводной линии, для вычисления температуры необходимо измерить их резонансные частоты. Для того чтобы это сделать, на вход двухпроводной линии (фиг.1) с генератора 3 подается сигнал со спектром, перекрывающим частоты кварцевых пьезорезонансных датчиков. В ответ на такое воздействие в кварцевых пьезорезонансных датчиках возникают свободные колебания на частотах их последовательных резонансов. Регистрируя эти колебания при помощи регистратора переменного тока 6 и вычисляя их спектр при помощи анализатора спектра 7, определяются резонансные частоты всех датчиков. Далее, при помощи блока обработки и индикации 8 производится вычисление температур по найденным частотам датчиков и по известным температурно-частотным характеристикам датчиков, вид которых показан на фиг.2.

Если на вход двухпроводной линии 2 подавать сигнал с относительно медленным (по сравнению со временем затухания собственных колебаний датчиков) линейным изменением частоты, то можно измерять частотную зависимость входной проводимости или входного сопротивления линии с датчиками. Вид частотной зависимости модуля проводимости кварцевого пьезорезонансного датчика показан на фиг. 3 [3] . Проводимость кварцевою пьезорезонансного датчика в области резонанса имеет узкий пик. Измеряя частоту, на которой находится максимум проводимости датчика, можно определить его резонансную частоту. Если к линии подключено параллельно несколько датчиков, график частотной зависимости проводимости линии будет иметь несколько пиков, каждый из которых соответствует резонансу определенного датчика. Далее, при помощи блока обработки и индикации 8 производится вычисление температур по найденным частотам датчиков и по известным температурно-частотным характеристикам датчиков.

Опытный образец устройства для измерения пространственного распределения температуры был изготовлен на основе кварцевых пьезорезонансных датчиков РКТВ 206. Генератор был собран на основе операционных усилителей К140УД7. Схема согласования выполнена на основе дифференциального усилителя на микросхемах К544УД1. Регистратор амплитуды переменного тока представлял собой блок АЦП на основе платы ввода/вывода сигнала в ЭВМ - L305 фирмы.... Анализатор спектра и блок обработки и индикации был выполнен на ЭВМ и программного пакета LabView.

Таким образом, при использовании кварцевых пьезорезонансных датчиков удается повысить точность измерения пространственного распределения температуры, поскольку эти датчики обладают более высоким классом точности, чем полупроводниковые датчики. Kварцевыe пьезорезонансные датчики позволяют повысить помехоустойчивость измерений, поскольку информационным параметром является частота сигнала, а не амплитуда. Также расширяется верхний предел температурного диапазона измерений.

Мы показали, что, используя соединенные параллельно при помощи двухпроводной линии пьезорезонансные датчики, возможно измерение пространственного распределения температуры, повысив при этом точность, помехоустойчивость измерений и расширив верхний предел температурного диапазона измерений.

Список литературы
1. Полупроводниковые приборы: Диоды, тиристоры, оптоэлектронные приборы. Справочник/ А.В..Баюков, А.Б.Гитцевич, А.А.Зайцев и др.; Под общ. ред. Н.Н. Горюнова. - М.: Энергоатомиздат, 1983, - 744 с.

2. Технический паспорт резонатора кварцевого термочувствительного высокотемпературного РКТВ 206 ТУ 25-1862.0013-88 Специальное конструкторско-технологическое бюро электроники, приборостроения и автоматизации, г.Углич.

3. Малов В.В. Пьезорезонансные датчики. - 2-е изд., перераб. и доп.- М.: Энергоатомиздат, 1989.

Изобретение относится к измерительной технике, используемой при определении температуры во множестве точек. Технический результат - повышение точности, помехоустойчивости и расширение температурного диапазона измерения пространственного распределения температурного поля. Способ измерения пространственного распределения температуры (его первый вариант) путем помещения в контролируемые точки множества термочувствительных датчиков, соединенных параллельно двухпроводной линией, подачи на один из входов линии сигнала переменного напряжения и регистрации входного переменного тока i_вх(t). В качестве термочувствительных датчиков используют кварцевые пьезорезонансные датчики с различными резонансными частотами ω_p1, ω_p2,...ω_pi,...ω_pN, в качестве сигнала переменного напряжения, подаваемого на один из входов двухпроводной линии, используют сигнал со спектром, перекрывающим частотный диапазон кварцевых пьезорезонансных датчиков. Способ измерения пространственного распределения температуры (его второй вариант) путем помещения в контролируемые точки множества термочувствительных датчиков, причем в качестве сигнала переменного напряжения, подаваемого на один из входов двухпроводной линии, используют сигнал с частотной модуляцией в диапазоне резонансных частот кварцевых пьезорезонансных датчиков. Устройство, реализующее способ измерения пространственного распределения температуры, содержащее множество термочувствительных датчиков, параллельно соединенных двухпроводной линией, соединенной с регистратором, который соединен с источником переменного напряжения. В качестве термочувствительных датчиков использованы кварцевые пьезорезонансные датчики с различными резонансными частотами ω_p1, ω_p2,...ω_pi,...ω_pN регистратор содержит последовательно соединенные схему согласования, регистратор амплитуды переменного тока, анализатор спектра, блока обработки и индикации, в качестве источника переменного напряжения использован генератор сигнала со спектром, перекрывающим частоты кварцевых пьезорезонансных датчиков. 3 с.п.ф-лы, 3 ил., 1 табл.

1. Способ измерения пространственного распределения температуры путем помещения в контролируемые точки множества термочувствительных датчиков, соединенных параллельно двухпроводной линией, подачи на один из входов линии сигнала переменного напряжения и регистрации входного переменного тока i_вх(t), отличающийся тем, что в качестве термочувствительных датчиков используют кварцевые пьезорезонансные датчики с различными резонансными частотами ω_p1, ω_p2,...ω_pi,...ω_pN, в качестве сигнала переменного напряжения, подаваемого на один из входов двухпроводной линии, используют сигнал со спектром, перекрывающим частотный диапазон кварцевых пьезорезонансных датчиков, после регистрации входного переменного тока i_вх(t) вычисляют его амплитудный спектр S(ω), определяют резонансные частоты кварцевых пьезорезонансных датчиков ω_p1, ω_p2,...ω_pi,...ω_pN по положению максимумов амплитудного спектра S(ω), а затем по предварительно экспериментально найденным или теоретически известным зависимостям резонансной частоты кварцевых пьезорезонансных датчиков от температуры ω_pi(t) определяют искомую температуру в контролируемых точках. 2. Способ измерения пространственного распределения температуры путем помещения в контролируемые точки множества термочувствительных датчиков, соединенных параллельно двухпроводной линией подачи на один из входов линии сигнала переменного напряжения и регистрации входного переменного тока i_вх(t), отличающийся тем, что в качестве термочувствительных датчиков используют кварцевые пьезорезонансные датчики с различными резонансными частотами ω_p1, ω_p2,...ω_pi,...ω_pN, в качестве сигнала переменного напряжения, подаваемого на один из входов двухпроводной линии, используют сигнал с частотной модуляцией в диапазоне резонансных частот кварцевых пьезорезонансных датчиков, при регистрации входного переменного тока i_вх(t) в моменты достижения его максимальных значений измеряют частоты сигнала переменного напряжения, которые равны значению резонансных частот датчиков ω_p1, ω_p2,...ω_pi,...ω_pN, а затем по предварительно экспериментально найденной или теоретически известной зависимости ω_pi(t) резонансной частоты кварцевых пьезорезонансных датчиков от температуры вычисляют искомую температуру в контролируемых точках. 3. Устройство измерения пространственного распределения температуры, содержащее множество термочувствительных датчиков, параллельно соединенных двухпроводной линией, соединенной с регистратором, который соединен с источником переменного напряжения, отличающееся тем, что в качестве термочувствительных датчиков использованы кварцевые пьезорезонансные датчики с различными резонансными частотами ω_p1, ω_p2,...ω_pi,...ω_pN, регистратор содержит последовательно соединенные схему согласования, регистратор амплитуды переменного тока, анализатор спектра, блока обработки и индикации, в качестве источника переменного напряжения использован генератор сигнала со спектром, перекрывающим частоты кварцевых пьезорезонансных датчиков.