СПОСОБ КОМПЕНСАЦИИ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ Российский патент 2007 года по МПК G01R21/14 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в технике и научных исследованиях в ядерной, тепловой энергетике для измерения различных физических величин (например, перемещение, давление и др.) в средах с высокими температурами с помощью измерительных систем (ИС), состоящих из индуктивных первичных преобразователей (ИПП), вторичных преобразователей (ВП) и линий связи, их соединяющих.

Техническими результатами являются: улучшение метрологических характеристик ИС, содержащих индуктивные первичные преобразователи, линии связи и расширение области применения этих ИС.

Широкое распространение в технике и научных исследованиях в ядерной и тепловой энергетике получили измерительные системы (ИС), состоящие из индуктивных первичных преобразователей (ИПП), вторичных преобразователей (ВЦ) и линий связи, их соединяющих.

Важной технической характеристикой таких ИС является мультипликативная погрешность, изменение чувствительности ИС. Основные источники этих погрешностей - высокие температуры рабочей среды, окружающей ИПП и линии связи. Величина этой погрешности может быть значительной при больших диапазонах изменения температуры среды.

Существует несколько способов, уменьшающих эти погрешности.

Так, известен способ (KARA. A Differential Transformer with Temperature and Exitation - Independent Output. IEEE TRANSACTIONS ON INSTRUMENTATION AND MESUREMENT, Vol.IM-21, №3, p.249-255 august 1972), состоящий в компенсации влияния температуры на характеристики ИС путем формирования выходного сигнала в виде отношения разности падений напряжений на вторичных обмотках ИПП к их сумме. Питание ИПП осуществляется от источника напряжения или от источника тока, находящихся в ВП, посредством линий связи.

Способ основан на допущениях, что вторичные обмотки ИПП полностью идентичны по своим геометрическим и электрическим параметрам; относительное перемещение сердечника много меньше единицы; изменения 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 виде двух независимых функций Н(Т, f, I) и F(x) таким образом,

;

,

где x - перемещение плунжера от центра первичной обмотки;

f - частота питания первичной обмотки;

I - сипа тока в первичной обмотке;

Т - температура окружающей среды

К - коэффициент, зависящий от конструкций преобразователя.

Тогда сформированный сигнал

После произведенных алгебраических преобразований видно, что U_вых - функция только перемещения сердечниках 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 ИС, обусловленные изменением сопротивления линий связи в результате их разогрева при работе ИПП в средах с высокими температурами.

Известен способ компенсации температурной погрешности чувствительности дифференциально-трансформаторного преобразователя перемещения, входящего в ИС [патент РФ №2144259, БИ №34, 1999 г.].

В этом способе результат достигается тем, что:

- выбирают любую необходимую из условий эксперимента или получения максимальной чувствительности частоту питания первичной обмотки ИПП в диапазоне от нуля до f_опт;

- подбирают внутреннее сопротивление источника питания первичной обмотки ИПП таким, при котором на выбранной частоте питания температурная погрешность чувствительности ИПП будет равна нулю;

- питают первичную обмотку ИПП источником питания с выбранной частотой питания и подобранным внутренним сопротивлением;

- измеряют разность падений напряжений на вторичных обмотках.

Недостатком этого способа является невысокая точность измерений.

Недостаток этого способа обусловлен следующими причинами.

Так как температура окружающей ИПП среды достигает 300 и более градусов Цельсия, вторичный преобразователь, содержащий источник питания первичной обмотки ИПП и измеритель разности падений напряжений на вторичных обмотках, расположен на достаточном удалении от ИПП и соединен с ИПП линиями связи. В случае если сопротивление линий связи сравнимо или больше сопротивления обмоток ИПП, мультипликативная погрешность ИС существенно возрастает из-за изменения сопротивления линий связи, вызванного увеличением температуры окружающей среды, в течение эксперимента.

Из-за этого узка область их применения.

Задача улучшения метрологических характеристик измерительных систем (ИС), состоящих из индуктивных первичных преобразователей, это могут быть индуктивные дифференциальные первичные преобразователи или индуктивные дифференциально-трансформаторные первичные преобразователи, вторичных преобразователей (ВП) и линий связи, их соединяющих - важнейшая в технике изменений. Успешное ее решение позволяет расширить и сферу применения таких ИС.

Способ расширяет область применения измерительных систем (ИС), состоящих из индуктивных первичных преобразователей (ИПП), вторичных преобразователей (ВЦ) и линий связи, их соединяющих, за счет возможности работы ИПП, сопротивление обмоток которого равно или меньше сопротивления линий связи, в жестких температурных условиях и при разогреве линий связи, пропорционально температуре ИПП. Причем эти технические результаты достигаются без увеличения габаритных размеров первичных преобразователей и без введения в них дополнительных элементов, что является важным фактором при размещении преобразователя во внутриреакторных устройствах.

Для этого в способе компенсации температурной погрешности измерительной системы, состоящей из индуктивного первичного преобразователя перемещения, вторичного преобразователя и линий связи, их соединяющих, определяют изменение сопротивления соединительных линий в процессе эксперимента, подбирают частоту питания источника питания индуктивного первичного преобразователя перемещения такой, при которой при нагревании индуктивного дифференциального первичного преобразователя перемещения и определенном изменении сопротивления соединительных линий в процессе эксперимента температурная погрешность индуктивного дифференциального преобразователя перемещения равна нулю, питают индуктивный дифференциальный преобразователь перемещения источником питания с подобранной частотой и измеряют разность падений напряжений на обмотках индуктивного дифференциального первичного преобразователя перемещения.

Ужесточение (возрастание) требований к метрологическим характеристикам (MX) вновь разрабатываемых ИПП для оснащения экспериментальных устройств ядерных реакторов, рабочие температуры до 600°С, ресурс десятки тысяч часов, миниатюризация требует применения более термостойких обмоточных проводов, изоляционных и конструкционных материалов, что в конечном итоге приводит к значительному уменьшению общего сопротивления обмоток ДТП, которое становится сравнимым и даже намного меньше сопротивления линий связи ИС. В таком случае влияние температурного изменения сопротивления линий связи приводит к значительному увеличению температурной погрешности ИС при использовании вышеупомянутых аналога и прототипа. Так, например, при экспериментальных исследованиях установлено, что ИС с ИПП, имеющим при комнатной температуре полное сопротивление каждой из обмоток 3 Ом, общее сопротивление медных линий связи, питающих ИПП 11 Ом, и настроенную на оптимальную частоту f_опт.=6 кГц, имеет мультипликативную погрешность 1,5% при нагревании ИПП от 20 до 300°С при постоянной температуре линий связи, питающих ИПП 20°С. Если этот ДТП нагревается вместе с линиями связи, питающими ИПП, от 20 до 300°С, причем температура по длине линий связи питающих ИПП, меняется от 300 до 20°С, мультипликативная погрешность ИС возрастает до 7%. Линии связи из доступных материалов с близким к нулю температурным коэффициентом сопротивления (копель) имеют высокое удельное сопротивление. Поэтому их использование в данном случае, т.е. включение последовательно между источником переменного напряжения, питающем первичную обмотку ИПП, и первичной обмоткой, превращает источник переменного напряжения совместно с линиями связи в источник тока по отношению первичной обмотки ИПП. При таком режиме питания f_опт не существует, что не дает возможности использовать способ, описанный в прототипе. График зависимости чувствительности ИС, при сопротивлении линий связи первичной обмотки 220 Ом, самой обмотки 3 Ом от частоты питания и температуры ИПП представлен на фиг.1.

Последующие экспериментальные проводились с ИПП №83, все обмотки которого намотаны проводом ПСДКТ. Омическое сопротивление каждой из обмоток (R_об) равнялось 1,5 Ом. Величина сопротивления линий связи (R_пр) при комнатной температуре была выбрана 10 Ом. Это значение соответствует омическому сопротивлению, при комнатной температуре, реального 10 метрового кабеля с медными жилами, используемого в экспериментах на ядерных реакторах ГНЦ НИИАР.

Результаты экспериментов показали, что оптимальная частота питания (F_опт) ИПП №83 равняется 6 кГц (см. фиг.2). На этой частоте, при нагревании ИПП №83 до 248°С, при постоянной величине R_пр мультипликативная погрешность ИС менее 1%.

При нагревании ИПП до 248°С и увеличении R_пр пропорционально температуре ИПП F_опт сдвигается в область высоких частот. На фиг.3 представлен график зависимости чувствительности ИС с ИПП от частоты питания и температуры ИПП. При этом R_пр увеличивалось пропорционально температуре ИПП. Максимальное значение R_пр при температуре 248°С составило 12 Ом, т.е. R_пр увеличилось на 2 Ома. На представленных чертежах видно, что в данном случае F_опт возросла и равна 10,3 кГц.

На фиг.4 представлена такая же зависимость, как на фиг.3, но при этом увеличение R_пр в диапазоне температур 24°С-248°С составило 4 Ома. В данном случае F_опт сместилась в область еще более высоких частот и стала равной 16 кГц.

Таким образом, если R_пр в процессе эксперимента изменяется пропорционально температуре ИПП и определена величина этого изменения, тогда при градуировке ИС перед экспериментом можно определить частоту питания ИПП F_опт, на которой мультипликативная погрешность ИС будет минимальна (менее 2%) в диапазоне температур 20÷300°С. Эта частота F_опт будет больше оптимальной частоты питания для ИПП, у которого сопротивление обмоток намного меньше сопротивления линий связи, а также в случае, если это соотношение не выполняется, но не происходит изменение сопротивления линий связи в процессе эксперимента.

В результате поставленная задача и получаемые технические результаты достигаются за счет определения увеличения сопротивления линий связи при нагревании ИПП в процессе эксперимента, определения F_опт с учетом этого увеличения и питания индуктивного первичного преобразователя от источника с частотой F_опт.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для компенсации температурной погрешности в технике и научных исследованиях в ядерной, тепловой энергетике для измерения различных физических величин. Технический результат - расширение функциональных возможностей. Для этого в процессе эксперимента определяют изменение сопротивления соединительных линий. Устанавливают частоту источника питания индуктивного первичного преобразователя перемещения такой, при которой в процессе нагревания индуктивного дифференциального первичного преобразователя перемещения и определенном изменении сопротивления соединительных линий температурная погрешность индуктивного дифференциального преобразователя перемещения равна нулю. Подключают данный источник к индуктивному дифференциальному преобразователю перемещения и измеряют разность падений напряжений на обмотках индуктивного дифференциального первичного преобразователя перемещения. 4 ил.

Способ компенсации температурной погрешности чувствительности измерительной системы, состоящей из индуктивного первичного преобразователя перемещения, вторичного преобразователя и линий связи, их соединяющих, заключающийся в том, что определяют изменение сопротивления соединительных линий в процессе эксперимента, подбирают частоту питания источника питания индуктивного первичного преобразователя перемещения такой, при которой при нагревании индуктивного дифференциального первичного преобразователя перемещения и определенном изменении сопротивления соединительных линий в процессе эксперимента температурная погрешность индуктивного дифференциального преобразователя перемещения равна нулю, питают индуктивный дифференциальный преобразователь перемещения источником питания с подобранной частотой и измеряют разность падений напряжений на обмотках индуктивного дифференциального первичного преобразователя перемещения.