СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ И ПОКАЗАТЕЛЕЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ ИНЕРЦИИ ОБОЛОЧЕК КОНТАКТНОГО ДАТЧИКА ТЕМПЕРАТУРЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2018 года по МПК G01K13/00 G01K15/00 

Изобретение относится к измерительной технике, предназначено для применения в океанографии и может быть использовано для точного измерения нестационарных температур и физических параметров среды, влияющих на теплообмен датчиков со средой.

Известны способы Г. Пфрима и их развитие для измерения динамической температуры и коэффициента теплообмена датчика со средой с использованием двух разных по динамическим параметрам датчиков, эквивалентных инерционным звеньям первого и второго порядка [Ярышев Н.А. Теоретические основы измерения нестационарной температуры. - 2-е изд., перераб. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1990. - 256 с.: ил. ISBN 5-283-04474-2].

Однако практическая реализация этих способов затруднена из-за необходимости знания конструктивных параметров датчиков, определяющих их инерционные показатели. Идентификация этих параметров затруднена и не возможна в известных способах. Это ограничивает точность динамических измерений и метрологическую долговечность.

Реальные датчики содержат чувствительный элемент, помещенный в защитную оболочку, заполненную теплопроводящим наполнителем. Моделью таких датчиков является последовательное включение трех инерционных звеньев первого порядка.

Целью предлагаемого изобретения является повышение точности динамических измерений температуры и метрологической долговечности за счет определения показателей термической инерции чувствительных элементов и оболочек датчика в рабочем режиме.

Эта цель достигается тем, что используют три датчика, состоящих из чувствительных элементов с разными показателями термической инерции и помещенных во внешние оболочки с одинаковыми значениями теплового фактора и внутренней теплопроводящей средой (наполнителем) с разными показателями термической инерции, помещают датчики в среде измерения с одинаковыми условиями обтекания потоком для обеспечения равенства коэффициентов конвективного теплообмена внешних оболочек датчиков со средой, измеряют одновременно текущие температуры чувствительных элементов датчиков θ_t1, θ_t2 и θ_t3, определяют текущую температуру среды θ_tc по формуле

,

текущий показатель термической инерции внешней оболочки датчиков ε_t3 по формуле

,

показатели термической инерции внутренних чувствительных элементов датчиков

первого ,

второго ,

третьего ,

показатели термической инерции внутренних оболочек (наполнителей) датчиков

первого ε_l2=x₁-ε₁₁,

второго ε₂₂=x₃-ε₂₁,

третьего ε₃₂=x₅-ε₃₁,

где ,

,

,

,

,

,

,

x_j из решения системы линейных алгебраических уравнений вида

, , N≥18,

где ,

,

,

,

,

,

,

,

,

,

,

,

,

,

,

,

,

,

.

Конструкция датчика температуры с тремя чувствительными элементами показана на фиг. 1. Структурная схема устройства измерения температуры и показателя термической инерции оболочек датчиков показана на фиг. 2.

Рассмотрим суть предлагаемого способа. Запишем уравнение теплового баланса для пассивного датчика, имеющего две оболочки вокруг чувствительного элемента (ЧЭ) и три поверхности теплообмена, в показателях термической инерции этих поверхностей. Этим уравнением будет инерционное звено 3-го порядка.

Для инерционного звена 1-го порядка, соответствующего ЧЭ датчика без оболочки, известно [Ярышев Н.А. Теоретические основы измерения нестационарной температуры. - 2-е изд., перераб. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1990. - 256 с.: ил. ISBN 5-283-04474-2] уравнение

где θ_tc - текущая температура внешней среды, как первой оболочки ЧЭ;

θ_t1 - текущая температура ЧЭ;

ε_t1 - показатель термической инерции ЧЭ, зависит от времени, поскольку он зависит от переменного коэффициента теплообмена α_t1 ЧЭ со средой, причем , где m₁ - масса ЧЭ; c₁ - удельная теплоемкость;

S₁ - площадь поверхности контакта ЧЭ со средой. Значение является консервативным конструктивным параметром, иногда называемым тепловым фактором [Азизов A.M., Гордов А.Н. Точность измерительных преобразователей. - Л.: Энергия, 1974. - 256 с]. Его нельзя определить экспериментально, в отличии от показателя термической инерции ε_t1.

При помещении ЧЭ в некую первую оболочку (в нашем случае - наполнитель с показателем тепловой инерции ε_t2), которая занимает место внешней среды по температуре θ_t2, и температура θ_tc внешней среды отсчитывается от температуры θ_t3 и вместо формулы (1) можем записать

При этом из формулы (1)

с учетом замены ε_t1 на ε₁, поскольку показатель тепловой инерции ε₁ ЧЭ стал внутренним консервативным из-за квазипостоянства коэффициента теплообмена α_t1→α₁ ЧЭ с первой оболочкой.

Дифференцируем выражение (3) и находим

Подставляем выражения для θ_t2 и в выражение (2) и получим

Помещаем ЧЭ в первой оболочке из наполнителя во вторую оболочку (трубку) с показателем тепловой инерции ε_t3 и температурой θ_t3.

Для температуры внешней среды θ_t4=θ_tc по аналогии с выражениями (2-4) запишем

В выражении (8) показатели термической инерции ЧЭ ε₁ и наполнителя ε₂ являются консервативными и их можно считать постоянными на некотором отрезке времени, показатель термической инерции внешней оболочки ε_t3 изменяется во времени из-за изменчивости коэффициента α_t3 теплообмена с внешней средой и подлежит определению в текущем времени. Запишем выражение (8), выделив неизвестные θ_tc и ε_t3

Для достижения поставленной цели используем три датчика, у которых показатели ε_t3 совпадают, а показатели ε₁ и ε₂ различаются. Обозначим их ε₁₁, ε₁₂, ε₂₁, ε₂₂, ε₃₁, ε₃₂.

Обозначим вычисляемые из измерений величины

при ε_i1+ε_i2=b_i1, ε_i1ε_i2=b_i2.

- номер датчика.

Для трех датчиков получим систему уравнений относительно неизвестных θ_tc и ε_t3

Первое и второе уравнения из системы (12) дают расширенную матрицу вида

и первые значения для неизвестных

Первое и третье уравнение из системы (12) дают расширенную матрицу вида

и вторые значения для неизвестных

Эти пары значений неизвестных для одного и того же момента времени при отсутствии погрешностей измерений температур ЧЭ и определения их производных должны совпадать. Поскольку указанные погрешности всегда имеют место, то совпадения не будет и целесообразно за оценки неизвестных взять средние из двух полученных выше значений

Для нахождения показателей термической инерции внутренних оболочек датчиков после изготовления или в рабочем режиме приравняем выражения для и

Подставляя выражения для A_t1, A_t2, A_t3 и C_t1, C_t2, C_t3 в (21) получим

За счет отсчетов во времени сформируем систему линейных алгебраических уравнений, для чего раскрываем скобки, приводим подобные, группируем неизвестные и коэффициенты при них, вводим обозначения для новых неизвестных

Для коэффициентов при неизвестных получим

Для свободных членов запишем . Получили систему линейных алгебраических уравнений вида

Представляют интерес шесть первых неизвестных x_i , остальные неизвестные x_j являются избыточными, но могут вычисляться для контроля правильности решений.

После нахождения x_i получим

Во второе выражение подставляем ε₁₂=x₁-ε₁₁ и получаем

По аналогии получим

Таким образом, предложенный способ позволяет измерять без динамической погрешности текущую температуру среды θ_tc, общий для трех датчиков текущий показатель термической инерции внешней оболочки датчиков ε_t3, а также квазипостоянные медленно изменяющиеся показатели термической инерции чувствительных элементов ε₁₁, ε₂₁, ε₃₁ и наполнителей ε₁₂, ε₂₂, ε₃₂, что обеспечивает метрологическую долговечность.

Устройство для осуществления предложенного способа, в отличии от известных, должно содержать три датчика температуры из чувствительных элементов в трубках с наполнителем, конструкция которых должна обеспечивать различие показателей термической инерции ε₁₁, ε₂₁, ε₃₁ чувствительных элементов и наполнителей ε₁₂, ε₂₂, ε₃₂ и равенство текущих показателей термической инерции внешних оболочек ε_t13=ε_t13=ε_t33=ε_t3.

Указанные требования удовлетворяются, если конструкцию датчиков выполнить так, как это показано на чертеже фиг. 1.

Чувствительные элементы 1, 2 и 3 распределены на равных участках внутри общей трубки 4, заполненной теплопроводящей средой (наполнителем) 5. Различие в показателях термической инерции ε₁₁, ε₂₁, ε₃₁ распределенных чувствительных элементов достигается изменением их массы (соответственно и объема), например, за счет укладки разного количества продольных петель пассивного провода 6. Это автоматически, за счет изменения объема в трубке с фиксированным внутренним диаметром обеспечивает различие в показателях термической инерции наполнителей ε₁₁, ε₂₂, ε₃₂. Поскольку внешние оболочки всех чувствительных элементов идентичны и одинаково расположены в потоке во внешней среде, то тепловой фактор и конвективный коэффициент теплообмена с внешней средой α_t3(t) для всех датчиков совпадают, следовательно, равны и показатели термической инерции внешних оболочек .

Устройство для осуществления предложенного способа (фиг. 2) кроме трех датчиков 1i с указанными выше отличиями содержит также электронику обрамления, которая может быть выполнена известным образом, например, в составе вторичных измерительных преобразователей 2i, аналого-цифровых преобразователей 3i и микропроцессора 4 . Устройство работает параллельным опросом датчиков, преобразованием их параметров в код и вычислением измеряемых величин по предложенному способу.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для использования в океанографии. Заявлен способ измерения температуры и показателей термической инерции оболочек контактного датчика температуры. Для этого используют три датчика, состоящих из чувствительных элементов с разными показателями термической инерции, помещенных во внешние оболочки с одинаковыми значениями теплового фактора и внутренней теплопроводящей средой с разными показателями термической инерции. По значениям текущей температуры чувствительных элементов датчиков θ_t1, θ_t2 и 0_t3 определяют текущую температуру среды θ_tc, текущий показатель термической инерции внешней оболочки датчиков ε_t3, чувствительных элементов ε₁₁, ε₂₁ и ε₃₁, внутренних оболочек ε₁₂, ε₂₂ и ε₃₂ с использованием решений x_j системы линейных алгебраических уравнений вида

, ,N≥18, где a_tj и C_t - коэффициенты, вычисляемые из N значений текущих температур θ_t1, θ_t2 и θ_t3 и их производных до третьей. Технический результат - повышение точности динамических измерений температуры и метрологической долговечности за счет определения показателей термической инерции чувствительных элементов и оболочек датчиков в рабочем режиме. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ измерения температуры и показателей термической инерции оболочек контактного датчика температуры, использующий более одного датчика с разными инерционными параметрами, отличающийся тем, что используют три датчика, состоящих из чувствительных элементов с разными показателями термической инерции, помещенных во внешние оболочки с одинаковыми значениями теплового фактора и заполненных теплопроводящей средой (наполнителем) с разными показателями термической инерции, помещают датчики в среде измерения с одинаковыми условиями обтекания для обеспечения равенства коэффициентов конвективного теплообмена внешних оболочек датчиков со средой, измеряют одновременно текущие температуры чувствительных элементов датчиков θ_t1, θ_t2 и θ_t3, определяют текущую температуру среды θ_tc по формуле

текущий показатель термической инерции внешней оболочки датчиков ε_t3 по формуле

показатели термической инерции чувствительных элементов датчиков

первого

второго

третьего

показатели термической инерции оболочек (наполнителей) датчиков

первого ε₁₂=x₁-ε₁₁,

второго ε₂₂=x₃-ε₂₁,

третьего ε₃₂=x₅-ε₃₁,

где

из решения системы линейных алгебраических уравнений вида

N≥18,

где

2. Устройство для осуществления способа по п. 1, состоящее из трех контактных датчиков, выходы которых поданы на входы вторичных измерительных преобразователей, соединенных по выходам с входами аналого-цифровых преобразователей, выходы которых поданы на вход микропроцессора, отличающееся тем, что чувствительные элементы датчиков выполнены распределенными с разными объемами, помещены в однородную защитную трубку вдоль оси на разных участках, причем трубка заполнена теплопроводящей средой.