СПОСОБ КОМПЕНСАЦИИ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ПОГРЕШНОСТИ ИНДУКТИВНОГО ПЕРВИЧНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ Российский патент 2003 года по МПК G01B7/14 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в технике и научных исследованиях в ядерной и тепловой энергетике для измерения электрических и неэлектрических величин, в средах с высокими, изменяющимися и неравномерными температурными полями, с помощью индуктивных первичных преобразователей (ИПП).

Техническими результатами являются: улучшение метрологических характеристик индуктивных первичных преобразователей и расширение области применения этих преобразователей.

Важной технической характеристикой таких преобразователей являются составляющие погрешности измерений: уход нуля (аддитивная) и изменение чувствительности (мультипликативная). Основные источники этих погрешностей - высокие, резко изменяющиеся и неравномерные температуры среды, окружающие эти преобразователи. Величины этих погрешностей могут быть значительными при больших диапазонах изменения температуры среды.

Существует несколько способов, уменьшающих эти погрешности.

Так, известен способ (KARA A. Differertfial Transformer with Temperature and Exutation - Independent Output. IEEE TRANSACTIONS ON INSTRUMENTATION AND MESUREMENT, vol.IM-21, N3, p.243-255, auqust 1972), состоящий в компенсации влияния температуры на характеристики ИПП путем формирования выходного сигнала в виде отношения разности падений напряжений на вторичных обмотках к их сумме. Питание ИПП осуществляется от источника напряжения или от источника тока.

Способ основан на допущениях, что вторичные обмотки полностью идентичны по своим геометрическим и электрическим параметрам; относительное перемещение сердечника много меньше единицы, изменение магнитной проницаемости сердечника с температурой незначительны; температурные изменения геометрии преобразователя пренебрежимо малы. В этом случае напряжения на вторичных обмотках U₁ и U₂ можно представить в вице двух независимых функций Н(Т, f, I) и F(x). Таким образом,
U₁=KхH(T, f, I)хF(x);
U₂=KхH(T, f, I)хF(x);
где х - перемещение плунжера от центра первичной обмотки;
f - частота питания первичной обмотки;
I - сила тока в первичной обмотке;
Т - температура ссужающей среды;
К - коэффициент, зависящий от конструкций преобразователя.

Тогда сформированный сигнал

После произведенных алгебраических преобразований видно, что U_вых функция только перемещения сердечника (х) и не зависит от температуры.

Недостаток этого способа в том, что при высоких температурах и при различных частотах питания, когда допущения, приведенные выше, становятся некорректными, появляется зависимость чувствительности ИПП от температуры. Кроме того, данный способ не уменьшает погрешности ИПП, обусловленные неравномерным разогревом ИПП при работе их в средах с высокими и быстро изменяющимися температурами.

Известен способ компенсации температурной погрешности [В.В. Лебединский, Ю. В Милосердии, Н.Ф. Чеботарев. Измерительные схемы для широкодиапазонных индуктивных преобразователей//Реакторные материалы. М. : Энергоатомиздат, 1983, с. 58-62] , по которому переменное напряжение подают на делитель напряжения, образованный катушками индуктивности L₁ и L₂, первичного дифференциального индуктивного преобразователя. Падение напряжения на каждой катушке преобразователя определяется положением сердечника преобразователя. Эти напряжения подают на преобразователи средневыпрямленного значения (ПСЗ), а затем на фильтры нижних частот (ФНЧ). Постоянные напряжения, полученные с фильтров нижних частот, суммируют, усиливают усилителем постоянного тока (УПТ) и затем регистрируют на отсчетном устройстве.

Уменьшение температурной погрешности, возникающей при разной температуре катушек первичного преобразователя, при таком способе измерения происходит из-за нечувствительности схемы к изменениям фазовых углов сдвига в катушках преобразователя L₁ и L₂ и за счет минимизации длины преобразователя.

К недостаткам такого способа относится ограничение, накладываемое на длину первичного преобразователя. Кроме того, при разной температуре катушек L₁ и L₂ первичного преобразователя или ее быстром изменении изменяется полное сопротивление катушек индуктивности, что приводит не только к изменению фазовых углов сдвига, но и к изменению амплитуды переменного напряжения, что, в свою очередь, приводит к аддитивной погрешности, не компенсируемой данной измерительной схемой. Все вышесказанное снижает точность измерений индуктивных первичных преобразователей и сужает область их применения.

Повышение точности в предлагаемом способе компенсации температурной погрешности индуктивного первичного преобразователя, содержащего как минимум две катушки индуктивности, достигается тем, что суммируют напряжение переменного тока с напряжением постоянного тока, питают этой суммой напряжений индуктивный первичный преобразователь, отфильтровывают переменные напряжения, получаемые с индуктивного первичного преобразователя, фильтром верхних частот, детектируют (выпрямляют) их, суммируют, усиливают, считая этот сигнал рабочим, отфильтровывают напряжения постоянного тока, получаемые с индуктивного первичного преобразователя, фильтрами нижних частот, вычитают одно напряжение из другого, усиливают его на экспериментально подобранный коэффициент, считая этот сигнал корректирующим, вычитают из рабочего сигнала корректирующий сигнал и регистрируют.

Основные признаки данного изобретения: питание индуктивного первичного преобразователя комбинированным напряжением, состоящим из суммы переменного и постоянного напряжений; фильтрация (выделение) синусоидального и постоянного напряжений, получаемых с индуктивного первичного преобразователя, вычитание из рабочего сигнала корректирующего сигнала.

При питании индуктивного первичного преобразователя, содержащего как минимум две катушки индуктивности, суммой переменного синусоидального и постоянного напряжений, снимаемое с катушек индуктивности индуктивного первичного преобразователя переменное напряжение зависит от полного (активного и реактивного) сопротивления катушек индуктивности. Реактивное сопротивление катушек индуктивности, в свою очередь, определяется положением чувствительного элемента (например, сердечника) индуктивного первичного преобразователя, и в этом случае изменение переменного напряжения на катушках индуктивности является полезным измеряемым сигналом. При неравномерном или неодинаковом прогреве катушек индуктивности их полное сопротивление будет изменяться неодинаково, но в этом случае изменение переменного напряжения на катушках индуктивности обусловленною аддитивной и мультипликативной погрешностями индуктивного первичного преобразователя. Постоянное напряжение на катушках индуктивности будет зависеть только от омического сопротивления катушек индуктивности и не будет зависеть от положения чувствительного элемента, вызывающего изменение только реактивной составляющей полного сопротивления ветвей. Разность сигналов постоянного напряжения катушек индуктивности будет пропорциональна неравномерному или неодинаковому их разогреву. Омическое сопротивление катушек индуктивности увеличивается при возрастании температуры. Полное сопротивление ветвей, состоящее практически из активного и индуктивного сопротивлений, также растет с увеличением температуры. Поэтому сигналы с катушек индуктивности постоянного напряжения можно использовать для коррекции температурной погрешности. Сигналы переменного напряжения с катушек индуктивности фильтруются идентичными фильтрами высоких частот, выпрямляются, суммируются или вычитаются (в зависимости от способа включения катушек индуктивности), усиливаются и затем подаются на один из входов корректирующего устройства (вычитателя). Сигналы напряжения постоянного тока с катушек индуктивности фильтруют идентичными фильтрами низких частот, усиливают дифференциальным усилителем (с определенным коэффициентом передачи), подают на второй вход корректора. В качестве корректора, для уменьшения аддитивной погрешности, может быть использован дифференциальный усилитель, включенный по схеме вычитателя. Для уменьшения изменения коэффициента передачи ИПП (мультипликативной погрешности) сигналы постоянного тока усиливают дифференциальным усилителем, выход которого соединен с одним из входов умножителя, на второй вход которого подается сигнал, полученный из отфильтрованных, выпрямленных, обработанных, усиленных сигналов переменного тока. Коэффициент передачи дифференциального усилителя подбирается при настройке.

Предлагаемый способ повышает точность измерения за счет уменьшения ухода нуля и изменения чувствительности (аддитивной погрешности) в вышеуказанных преобразователях, работающих в средах с высокими, резко изменяющимися и неравномерными температурными полями.

Для уменьшения аддитивной погрешности из рабочего сигнала вычитается корректирующий сигнал, умноженный на определенный, подобранный коэффициент.

Способ расширяет область применения индуктивных измерительных преобразователей за счет возможности работы преобразователя в жестких и переменных во времени температурных условиях. Причем эти технические результаты достигаются без увеличения габаритных размеров первичных преобразователей и введения в них дополнительных элементов, что является важным фактором при размещении преобразователя во внутриреакторных устройствах.

Функциональная схема устройства, реализующего заявленный способ, представлена на фиг.1, где:
1 - первичный дифференциальный измерительный преобразователь
2, 3 - катушки дифференциально измерительного преобразователя
4 - источник постоянного напряжения
5 - источник переменного напряжения
6,7 - идентичные детекторы (выпрямители)
8 - дифференциальный усилитель с двумя дополнительными входами
9, 10 - фильтры верхних частот
11, 12 - фильтры нижних частот
13 - второй дифференциальный усилитель
14 - сумматор
15 - третий дифференциальный усилитель Напряжение питания постоянного тока с источника напряжения 4 и с генератора синусоидального напряжения 5 суммируют сумматором 14 и подают на индуктивный первичный преобразователь 1, имеющей две катушки индуктивности 2 и 3. Синусоидальное напряжение с ветвей 2 и 3 фильтруют идентичными фильтрами верхних частот 9 и 10, выпрямляют идентичными детекторами 6 и 7, усиливают дифференциальными усилителями 8, 13 с одинаковыми коэффициентами усиления и после усилителя 13 регистрируют одним каналом двухлучевого осциллографа.

Напряжение постоянного тока с катушек индуктивности ветвей 2, 3 индуктивного первичного преобразователя фильтруют идентичными фильтрами нижних частот 11, 12, усиливают дифференциальным усилителем 15, с выхода которого сигнал подают на дополнительный суммирующий вход дифференциального усилителя 8 после которого сигнал регистрируют вторым каналом двухлучевого осциллографа.

Схема собрана и настроена так, что при разбалансе ветвей 2, 3, представляющих собой катушки индуктивности индуктивного первичного преобразователя, вызванного различными температурами этих ветвей, сигнал разбаланса (ухода нуля), появляющийся на выходе дифференциального усилителя 13, компенсируется сигналом с дифференциального усилителя 15, поданного на дополнительный вход дифференциального усилителя 8.

На фиг.2 приведены осциллограммы влияния кратковременного нагрева (15 с, t= 850^oC) рабочей катушки индуктивности (ветвь 2) индуктивного первичного преобразователя при нулевом измеряемом сигнале Х на выходные сигналы устройства.

На фиг.3 приведены осциллограммы влияния кратковременного нагрева (15 с; t= 800^oС) компенсационной катушки индуктивности (ветвь 3) индуктивного первичного преобразователя при нулевом измеряемом сигнале Х на выходные сигналы устройства.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в технике и научных исследованиях в ядерной и тепловой энергетике для измерения электрических и неэлектрических величин, в средах с высокими изменяющимися и неравномерными температурными полями. Техническим результатом является повышение точности измерений. В способе компенсации температурной погрешности индуктивного первичного преобразователя суммируют напряжение переменного тока с напряжением постоянного тока, питают этой суммой напряжений индуктивный первичный преобразователь, отфильтровывают переменные напряжения, получаемые с индуктивного первичного преобразователя, выпрямляют преобразователями средневыпрямленного значения, фильтруют, суммируют, усиливают, считая этот сигнал рабочим, отфильтровывают напряжения постоянного тока, получаемые с индуктивного первичного преобразователя, вычитают одно напряжение из другого, усиливают его, считая этот сигнал корректирующим, вычитают из рабочего сигнала корректирующий сигнал, умножают эту разность на корректирующий сигнал и регистрируют. 3 ил.

Способ компенсации температурной погрешности индуктивного первичного преобразователя, содержащего как минимум две катушки индуктивности, заключающийся в том, что суммируют напряжение переменного тока с напряжением постоянного тока, питают этой суммой напряжений индуктивный первичный преобразователь, отфильтровывают переменные напряжения, получаемые с индуктивного первичного преобразователя, фильтром верхних частот, детектируют их, суммируют, усиливают, считая этот сигнал рабочим, отфильтровывают напряжения постоянного тока, получаемые с индуктивного первичного преобразователя, фильтрами нижних частот, вычитают одно напряжение из другого, усиливают на экспериментально подобранный коэффициент, считая этот сигнал корректирующим, вычитают из рабочего сигнала корректирующий сигнал и регистрируют.