УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕРМОДАТЧИКА Российский патент 2015 года по МПК G01K15/00 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности к способам и устройствам для испытания или калибровки средств измерения температуры (термодатчиков), преимущественно датчиков температур газовых и воздушных потоков.

Известно устройство (авторское свидетельство СССР 1012049, МПК G01K 15/00, опубл. 15.04.1983, Бюл. №14) - [1] для измерения коэффициентов передаточной функции термопреобразователя, содержащее блок памяти, где запоминается напряжение, пропорциональное сигналу с термопреобразователя до его перенесения в среду с меньшей температурой, резистивный делитель, на выходе которого устанавливается напряжение с 50% и 90% уровнем от зафиксированного в блоке памяти напряжения, двух блоков сравнения, состоящих их нуль-органов, логических элементов, генераторов и счетчиков импульсов, измеряющих интервалы времени t₉₀ и t₅₀ от начала переходного процесса до достижения выходного сигнала термопреобразователя соответственно его 50% и 90% от начального уровня и три дополнительных блоки памяти с блоками цифрового отсчета, с записанными по предварительно рассчитанной таблице коэффициентами (постоянными времени) передаточной функции второго порядка в зависимости от значений t₉₀, t₅₀ и t₉₀/t₅₀.

Однако известное устройство не позволяет определять параметры динамических характеристик термопреобразователя, если его переходный процесс требуется описать суммой более двух экспоненциальных составляющих для повышения точности определения динамических характеристик.

Известно также устройство (авторское свидетельство СССР 1024750, МПК G01K 15/00, опубл. 23.06.1982, Бюл. №23) - [2] для определения динамических характеристик измерительных преобразователей неэлектрического параметра, преимущественно температуры, содержащее блок формирования воздействующего параметра, температурные выходы которого связаны с входами формирователя сигнала воздействующего параметра и исследуемого измерительного преобразователя, выходы последних соединены с блоком записи, двухканальный усилитель, расположенный между блоком записи и вычислительным блоком, два компаратора, входы первого из которых соединены с одним из выходов вычислительного блока и одним из выходов блока памяти, а входы второго компаратора соединены со вторыми выходами вычислительного блока и блока памяти и с выходами двух блоков выделения сигналов, входы которых соединены с выходами первого компаратора, и блок индикации, соединенный с выходом второго компаратора.

Формирователь сигнала воздействующего параметра в известном устройстве предназначен для создания сигнала в виде импульса и выполняет функцию сигнального выхода блока формирования воздействующего параметра, с которого сигнализируется о начале воздействия скачка температуры на измерительный преобразователь.

Принцип работы известного устройства заключается в формировании по программе из переходной характеристики исследуемого измерительного преобразователя вычислительным блоком сигналов, отражающих его амплитудно-частотную и фазово-частотную характеристики, затем сравнении этих характеристик с набором нормированных амплитудно-частотных и фазово-частотных характеристик, последовательно поступающих из блока памяти, и выделении с помощью блоков выделения сигналов тех нормированных амплитудно-частотных и фазово-частотных характеристик, которые имеют наименьшее отклонение от амплитудно-частотной и фазово-частотной характеристики исследуемого измерительного преобразователя. Если допустимые отклонения амплитудно-частотной и фазово-частотной характеристики исследуемого измерительного преобразователя, которые хранятся в блоке памяти, не превышают нормированных значений, то эти характеристики в виде сигналов поступают в блок регистрации через второй компаратор,

Однако известное устройство также не позволяет определять параметры динамических характеристик термопреобразователя, если его переходный процесс требуется описать суммой более двух экспоненциальных составляющих для повышения точности определения динамических характеристик.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении точности определения динамических характеристик термодатчика за счет определения параметров трех или более экспоненциальных составляющих, обеспечивающих повышение точности описания переходного процесса.

Такой технический результат достигается тем, что в устройстве для определения динамических характеристик термодатчиков, содержащем последовательно соединенные блок формирования ступенчатого воздействия температуры на теродатчик, термодатчик и измерительный преобразователь, новым является то, что устройство дополнительно содержит последовательно соединенные вычитающий блок, блок преобразования сигнала с термодатчика в затухающий импульсный сигнал и анализатор спектра, при этом выход измерительного преобразователя подключен к первому входу вычитающего блока, второй вход которого подключен к регулируемому источнику сигнала постоянного уровня, сигнальный выход блока формирования ступенчатого воздействия температуры на термодатчик подключен ко второму входу блока преобразования сигнала с термодатчика в затухающий импульсный сигнал, а выходом устройства является выход анализатора спектра с сигналом в виде амплитудного спектра $$\left|S\left(j\omega \right)\right|$$ , определяющим искомые динамические характеристики термодатчика согласно формуле

,

где $$\left|S\left(j\omega \right)\right|$$ - амплитудный спектр сформированного сигнала;

n - требуемое число экспоненциальных составляющих в переходном процессе (порядок переходного процесса термодатчика);

τ - время переходного процесса, начиная с момента размещения термодатчика в среде с меньшей температурой, c;

U_н - значение сигнала с термодатчика в момент размещения термодатчика в среде с меньшей температурой;

U_к - конечное значение сигнала с термодатчика;

C_i - параметр (весовой коэффициент) в i-ой экспоненциальной составляющей переходного процесса;

T_i - параметр (постоянная времени) в i-ой экспоненциальной составляющей переходного процесса, c;

ω - угловая скорость (частота), c^-1.

Сущность изобретения поясняется на фиг. 1-3.

Фиг. 1 - блок-схема устройства, где:

1 - блок формирования ступенчатого воздействия температуры на термодатчик с температурным и сигнальным выходами;

2 - термодатчик;

3 - измерительный преобразователь;

4 - вычитающий блок с двумя входами и одним выходом;

5 - блок преобразования сигнала с темодатчика в затухающий импульсный сигнал;

6 - анализатор спектра;

7 - регулируемый источник сигнала постоянного уровня.

Фиг. 2 - диаграммы работы устройства, где:

фиг. 2, а - сигнал с температурного выхода устройства;

фиг. 2, б - сигнал с выхода термодатчика 2;

фиг. 2, в - сигнал с выхода измерительного преобразователя 3;

фиг. 2, г - сигнал с выхода вычитающего блока 4;

фиг. 2, д - сигнал с выхода блока 5 преобразования сигнала с термодатчика в затухающий импульсный сигнал;

фиг. 2, е - сигнал с выхода анализатора 6 спектра.

Фиг. 3 - пример схемы на базе реле, реализующей формирование сигнала с термодатчика в затухающий импульсный сигнал, где:

фиг. 3, а - положение контактов реле при τ<0;

фиг. 3, б - положение контактов реле при τ≥0.

Устройство содержит последовательно соединенные блок 1 формирования ступенчатого воздействия температуры на термодатчик с температурным и сигнальным выходами, термодатчик 2, измерительный преобразователь 3, вычитающий блок 4 с двумя входами и одним выходом; блок 5 преобразования сигнала с термодатчика в затухающий импульсный сигнал с двумя входами и одним выходом и анализатор 6 спектра, при этом второй вход вычитающего блока 4 подключен к регулируемому источнику 7 сигнала постоянного уровня, а сигнальный выход блока 1 подключен ко второму входу блока 5 преобразования сигнала с термодатчика в затухающий импульсный сигнал.

Устройство работает следующим образом.

До момента формирования ступенчатого воздействия температуры на термодатчик 2 вход анализатора 6 спектра отключен от выхода блока 5 преобразования сигнала и при этом на вход анализатора спектра поступает сигнал s(τ) нулевого уровня, т.е. s(τ)=0 при τ<0 (фиг. 2, д). В момент времени τ=0 формирования ступенчатого воздействия температуры t(τ) на термодатчик 2 от начального уровня t_н до меньшего уровня t_к (фиг. 2, а) по сигналу с сигнального выхода блока 1 блок 5 подключает выход вычитающего блока 4 к входу анализатора 6 спектра. Анализатор 6 спектра анализирует сигнал s(τ), представляющий собой затухающий импульсный сигнал (фиг. 2, д) вида

Результатом анализа является амплитудный спектр $$\left|S\left(j\omega \right)\right|$$ сигнала s(τ), характеризующий совокупность амплитуд гармонических составляющих, образующих сигнал s(τ), в зависимости от частоты ω

Формирование сигнала s(τ) производится следующим образом.

В результате ступенчатого воздействия температуры t(τ) на термодатчик 2 его выходной сигнал y(τ), представляющий собой переходную характеристику термодатчика, меняется во времени от уровня y_н до уровня y_к (фиг. 2, б) по закону

.

Измерительный преобразователь 3 преобразует выходной сигнал y(τ) термодатчика 2 в пропорциональный сигналу y(τ) унифицированный электрический сигнал U(τ), меняющейся от уровня U_н до уровня U_к (фиг. 2, в), вида,

и через свой выход подает это сигнал на первый вход вычитающего блока 4. На второй вход блока 4 поступает сигнал с предварительно установленным уровнем U_к от регулируемого источника 7 сигналов. На выходе вычитающего блока 4, при этом создается сигнал U_s(τ) (фиг. 2, г), равный

Далее с помощью блока 5 формируется сигнал s(τ) из сигнала U_s(τ), удовлетворяющий выражению (1).

Устройство может быть создано из известных и существующих в технике блоков.

Если испытуемым термодатчиком 2 являются датчик температур газовых или воздушных потоков, то в качестве блока 1 формирования ступенчатого воздействия температуры может быть использована аэродинамическая труба, описанная в книге Петунина А.Н. Измерение параметров газового потока: приборы для измерения давления, температуры и скорости. - М.: Машиностроение, 1974 - [3, с. 211, рис. 3.32] или установка УВ-010, представленная в ОСТ 1 00418-81 «Метод и средства определения динамических характеристик датчиков температур газовых потоков» - [4, приложение 1]. Данные установки реализуют ступенчатое воздействие температуры на термодатчик от начального уровня t_н до конечного уровня t_к, причем t_н>t_к. В указанных установках испытуемые термодатчики перемещаются в рабочие части аэродинамических труб посредством пневмоцилиндров, которые управляются с помощью электропневмоклапанов через кнопки (однополюсные выключатели). Указанные кнопки предназначены для подачи напряжения на электромагниты электропневмоклапанов. При применении кнопок в виде двухполюсных выключателей второй полюс может быть использован для одновременной подачи сигнала на блок 5, т.е. выполнить функцию сигнального выхода с блока 1.

Измерительный преобразователь 3 выбирается из числа унифицированных преобразователей в зависимости от типа испытуемого термодатчика и требуемого вида выходного сигнала U(τ). Примерами подобных преобразователей является универсальный нормирующий преобразователь ОВЕН НПТ1 и нормирующий преобразователь сигналов термопар НПСИ-ТП с токовым аналоговым выходом по каталогам www.souz-pribor.ru - [5].

Вычитающий блок 4 может быть выполнен на базе известных схем или регулирующих устройств автоматики, подробно освещенных в книге Ялышев А.У., Разоренов О.И. Многофункциональные аналоговые регулирующие устройства автоматики. - М.: Машиностроение, 1981 - [6, с. 158]. На фиг. 3 вычитающий блок 4 реализован по схеме дифференциального (встречного) включения двух источников напряжения. При этом напряжение на выходе блока 4 определяется выражением

U_s(τ)=U(τ)-U_к.

Блок 5 преобразования сигнала с термодатчика в затухающий импульсный сигнал может быть реализовано на базе электромагнитного реле (фиг. 3). До момента формирования ступенчатого воздействия температуры на термодатчик контакты К1 и К2 электромагнитного реле К замкнуты, а контакты К1 и К3 - разомкнуты (фиг. 3, а). При этом вход анализатора 6 спектра накоротко замкнут, что обеспечивает нулевой входной сигнал s(τ) на его входе. В момент времени τ=0, когда формируется ступенчатое воздействие температуры на термодатчик, срабатывает реле К по сигналу с сигнального выхода блока 1. При этом контакты К1 и К3 замыкаются, а контакты К1 и К2 - размыкаются и на вход анализатора 6 спектра начинает поступать сигнал U_s(τ) с выхода вычитающего блока 4 (фиг. 3, б). При использовании в качестве блока 1 аэродинамических труб, описанных в [3, с. 211, рис. 3.32; 4, приложение 1], напряжение на обмотки реле К блока 5 (фиг. 3) в момент времени τ=0 может быть подано через дополнительный полюс выключателя, который подает напряжение на электромагниты электропневмоклапанов.

Анализатор 6 спектра относится к лабораторному электрорадиоизмерительному оборудованию и выбираются по ожидаемому диапазону частот. Представителями подобных анализаторов являются приборы серии АКС, АКИП, GSP, NS, LSA и др. в каталогах ООО «Союз-прибор» [5] и ЗАО «ПриСТ» www.prist.ru - [7].

Регулируемый источник 7 постоянного уровня также может быть выполнен на базе лабораторного электрорадиоизмерительного оборудования. Представителями подобных регулируемых источников питания являются приборы серии ATH, PS, РР, GP и др. в каталогах ООО «Союз-прибор» [5] и ЗАО «ПриСТ» [7].

Обоснование достижения технического результата.

Как следует из книги Ярышева Н.А. Теоретические основы измерения нестационарных температур. - Л.: Энергия, 1967 - [8, с. 136], переходный процесс охлаждения термодатчиков в среде с постоянной температурой в общем случае может быть описан суммой из бесконечного числа экспоненциальных составляющих вида

где U(τ) - преобразованный выходной сигнал с термодатчика;

.

На практике число n экспоненциальных составляющих в (3) ограничивают, в зависимости от требований к точности описания переходного процесса. Самой низкой по точности описания соответствует n=1, т.е. описание одной экспонентой. Более точно переходный процесс может быть описан суммой двух экспоненциальных составляющих. Каждое последующее увеличение числа экспоненциальных составляющих в (3) позволяет увеличить точность описания переходного термодатчика, обеспечивающих повышение точности определения его динамических характеристик.

В книге Грановский В.А. Динамические измерения: Основы метрологического обеспечения. - Л.: Энергоиздат. Ленингр. отд-ние, 1984 - [9, рис. 3.12] представлена диаграмма отклика пленочного термоприемника и его моделей 1-го, 2-го и 3-его порядков на ступенчатый испытательный сигнал и дана оценка точности аппроксимации. Из [9, табл. 3.7] видно, что каждое последующее увеличение порядка n модели увеличивает точность описания переходного процесса термоприемника. Так, например, максимальный модуль разности откликов моделей и термоприемника для n=1 составляет 19 усл. ед., для n=2-3,4 усл. ед., а для n=3-3 усл. ед.

Как известно, если сигнал задан в виде непериодической функции времени, удовлетворяющей условиям Дирихле и абсолютно интегрируемой в бесконечных пределах по времени, то эта функция имеет свой спектр S(jω), который иногда называют комплексной спектральной плотностью, спектральной плотностью или спектральной характеристикой сигнала.

Сигнал вида (3) не удовлетворяет названным условиям, так как при τ<0 преобразованный выходной сигнал термодатчика U(τ)=U_н, а при τ→+∞ преобразованный выходной сигнал U(τ)→U_к. Для возможности получения амплитудного спектра $$\left|S\left(j\omega \right)\right|$$ , связанного с параметрами C_i и T_i затухающего переходного процесса термодатчика, сигнал вида (3) предлагается в заявляемом устройстве преобразовать. Для этого, до размещения термодатчика в среде с меньшей температурой устанавливают конечное значение сигнала U_к с термодатчика, соответствующее окончанию переходного процесса, и на это значение настраивают уровень сигнала с источника 7 сигнала постоянного уровня. Затем измеряют значение сигнала U_н с термодатчика в момент его размещения в среде с меньшей температурой и формируют сигнал s(τ)=U(τ)-U_к с помощью блоков 4, 5 и 7, являющийся разностью между выходным U(τ) и конечным U_к значениями сигнала с термодатчика, начиная с момента размещения термодатчика в среде с меньшей температурой до окончания переходного процесса. С помощью анализатора 6 спектра определяют амплитудный спектр $$\left|S\left(j\omega \right)\right|$$ сформированного сигнала, который имеет аналитический вид (2).

По определенному из сформированного сигнала амплитудному спектру $$\left|S\left(j\omega \right)\right|$$ вычисляют параметры C_i и T_i затухающего переходного процесса термодатчика требуемого порядка n согласно формуле (2), используя различные известные математические методы.

Конечное значение U_к сигнала с термодатчика может быть заранее установлено либо расчетным путем, либо путем непосредственного измерения сигнала с термодатчика, предварительного размещенного в среде с меньшей температурой.

Для вычисления параметров затухающего переходного процесса термодатчика согласно формуле (2) целесообразно использовать методы регрессионного анализа, которые обеспечивают приближение аналитических выражений соответствующих амплитудных спектров к их экспериментальным спектрам с наименьшей среднеквадратичной погрешностью.

Параметры затухающего переходного процесса термодатчика могут быть вычислены также путем прямого решения системы уравнений, составленной из соответствующих аналитических выражений амплитудного спектра. Например, для n=3 необходимо решить систему относительно шести искомых параметров C₁, C₂, C₃, T₁, T₂ и T₃, состоящую из шести уравнений вида

,

где ω_k - частоты, выбранные в диапазоне частот определенного амплитудного спектра (k=1, 2, …, 6);

$$\left|S\left(j{\omega }_k\right)\right|$$ - значения определенного амплитудного спектра на частотах ω_k.

Доказательство связи сигнала вида (1) с выражением (2) следующее.

Как известно, амплитудный спектр какого-либо непериодического сигнала f(τ), удовлетворяющему условиям Дирихле, имеет вид

Для сформированного в предлагаемом способе сигнала s(τ) выражение (4) принимает вид

.

Предложенное устройство позволит при несложном техническом решении получить искомые динамические характеристики термодатчиков с высокой точностью, за счет определения параметров трех или более экспоненциальных составляющих. Включенный в состав устройства анализатор спектра к тому же упростит последующую процедуру обработки амплитудного спектра $$\left|S\left(j\omega \right)\right|$$ , поскольку современные анализаторы спектра. имеют разнообразные встроенные возможности обработки спектрограмм, а также в них предусмотрено управление от персональных компьютеров и по сети Ethernet.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано при испытании и калибровке средств измерения температуры (термодатчиков), преимущественно датчиков температур газовых и воздушных потоков. Устройство содержит последовательно соединенные блок (1) формирования ступенчатого воздействия температуры на термодатчик с температурным и сигнальным выходами, термодатчик (2), измерительный преобразователь (3), вычитающий блок (4), блок (5) преобразования сигнала с термодатчика в затухающий импульсный сигнал и анализатор (6) спектра. Второй вход вычитающего блока (4) подключен к регулируемому источнику (7) сигнала постоянного уровня. Сигнальный выход блока (1) формирования ступенчатого воздействия температуры на термодатчик подключен ко второму входу блока (5) преобразования сигнала с термодатчика в затухающий импульсный сигнал. Технический результат - повышение точности определения динамических характеристик термодатчика за счет получения амплитудного спектра сформированного в устройстве сигнала, связанного с искомыми характеристиками. 9 ил.

Устройство для определения динамических характеристик термодатчиков, содержащее последовательно соединенные блок формирования ступенчатого воздействия температуры на термодатчик и измерительный преобразователь, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит последовательно соединенные вычитающий блок, блок преобразования сигнала с термодатчика в затухающий импульсный сигнал и анализатор спектра, при этом выход измерительного преобразователя подключен к первому входу вычитающего блока, второй вход которого подключен к регулируемому источнику сигнала постоянного уровня, второй выход блока формирования ступенчатого воздействия температуры на термодатчик подключен ко второму входу блока преобразования сигнала с термодатчика в затухающий импульсный сигнал, а выходом устройства является выход анализатора спектра с сигналом в виде амплитудного спектра |S(jω)|, определяющим искомые динамические характеристики термодатчика согласно формуле
,
где |S(jω)| - амплитудный спектр сформированного сигнала;
n - требуемое число экспоненциальных составляющих в переходном процессе (порядок переходного процесса термодатчика);
τ - время переходного процесса, начиная с момента размещения термодатчика в среде с меньшей температурой, c;
U_н - значение сигнала с термодатчика в момент размещения термодатчика в среде с меньшей температурой;
U_к - конечное значение сигнала с термодатчика;
C_i - параметр (весовой коэффициент) в i-ой экспоненциальной составляющей переходного процесса;
T_i - параметр (постоянная времени) в i-ой экспоненциальной составляющей переходного процесса, с;
ω - угловая скорость (частота), с^-1.