СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2021 года по МПК G01K7/32 

Изобретения относятся к измерительной технике при измерении температуры на различных глубинах электропроводящих сред. Предлагаемые способ измерения пространственного распределения температуры и устройство для его осуществления могут быть использованы при производстве материалов и сплавов, в металлургии, в высокотемпературных камерах сгорания, при производстве датчиков температуры, для контроля температуры электропроводящих твёрдых объектов и жидкостей.

Известен способ, реализующий устройство измерения пространственного распределения температуры (Патент RU (11) №2079822, опубликовано 1997, МПК G01K 7/00), основанный на измерении тока насыщения полупроводниковых термочувствительных элементов, размещенных в интересующих точках измерения температурного поля.

Наиболее близким к предлагаемому способу пространственного распределения температуры является способ измерения пространственного распределения температуры (Патент RU (11) № 2206878, опубликовано 20.06.2003, МПК G01K 7/00) Известный способ заключается в измерении пространственного распределения температуры путем помещения в контролируемые точки N термочувствительных датчиков, соединенных параллельно двухпроводной линией, подачи на один из входов линии сигнала переменного напряжения и регистрации входного переменного тока I_вх(t) двухпроводной линии, в качестве термочувствительных датчиков используют кварцевые пьезорезонансные датчики с различными резонансными частотами ω_р1, ω_р2, ... ω_рi, ... ω_рN, в качестве сигнала переменного напряжения, подаваемого на один из входов двухпроводной линии используют сигнал с частотной модуляцией в диапазоне резонансных частот пьезорезонансных датчиков, после регистрации входного переменного тока I_вх(t) вычисляют его амплитудно-частотный спектр S(ω), осуществляют первое измерение резонансных частот кварцевых пьезорезонансных датчиков ω⁰_р1, ω⁰_р2, ... ω⁰_рi, ... ω⁰_рN, по положению максимумов амплитудно-частотного спектра S(щ), генерируют многочастотный сигнал, состоящий из N сигналов с девиацией частоты, в пределах диапазона температурного изменения резонансных частот датчиков ω⁰_р1, ω⁰_р2, ... ω⁰_рi, ... ω⁰_рi , который подают на один из входов двухпроводной линии, регистрируют входной переменный ток I_вх(t) двухпроводной линии, вычисляют его амплитудно-частотный спектр S(ω), осуществляют второе измерение резонансных частот кварцевых пьезорезонансных датчиков ω^T_р1, ω^T_р2, ... ω^T_рi, ... ω^T_рN по положению максимумов амплитудно-частотного спектра S(ω), исходя из которых определяют искомую температуру в контролируемых точках по предварительно экспериментально найденным или теоретически известным зависимостям резонансной частоты кварцевых пьезорезонансных датчиков от температуры ω_рi(t).

Наиболее близким к предлагаемому устройству измерения пространственного распределения температуры и для осуществления предлагаемого способа является устройство измерения пространственного распределения температуры (Патент RU (11) № 2206878, опубликовано 20.06.2003, МПК G01K 7/00 (2000.01)), которое содержит N термочувствительных датчиков, параллельно соединенных двухпроводной линией, соединенной с регистратором, который соединен с источником переменного напряжения, причем, в качестве термочувствительных датчиков использованы кварцевые пьезорезонансные датчики с различными резонансными частотами ω_р1, ω_р2, ... ω_рi, ... ω_рN, в качестве источника переменного напряжения использован генератор многочастотного сигнала, регистратор содержит последовательно соединенные схему согласования, регистратор амплитуды переменного тока, анализатор спектра, блок обработки и индикации, блок обработки и индикации соединен с генератором многочастотного сигнала

Основным недостатком указанного способа измерения пространственного распределения температуры и устройства для его осуществления, выбранных в качестве прототипов, является необходимость помещения пьезорезонансных датчиков непосредственно в область измерения, при этом тепловое распределение внутри объекта исследования вблизи температурных датчиков может искажаться и вносить погрешность в результаты измерения пространственного распределения температуры. В предлагаемом способе измерения данный недостаток отсутствует, так как термочувствительным элементом является непосредственно сам элемент объема исследуемого объекта. При этом его электрофизические и термочувствительные характеристики зависят только от материала объекта исследования и как следствие – такой способ измерения является неразрушающим методом измерения.

Техническая проблема заключается в создании способа измерения пространственного распределения температуры и устройства, для его осуществления которые позволяют осуществлять измерение распределения температуры по глубине объекта исследования.

Техническим результатом в предлагаемых способе измерения пространственного распределения температуры и устройстве для его осуществления является возможность измерения распределения температуры по глубине электропроводящего объекта исследования.

Технический результат в способе измерения пространственного распределения температуры, включающем подачу на исследуемый объект частотно-модулированного электрического тока в полосе частот, достигается тем, что на исследуемый электропроводящий объект через поверхностные электроды подают частотно-модулированный электрический ток с полосой частот ω_min≤ω≤ω_max, где ω_min - минимальная частота, ω_max - максимальная частота, формируя тем самым скин-слой переменной толщины δ, проникающий на глубину δ_min≤δ≤δ_max исследуемого объекта, где δ_min - минимальная толщина скин-слоя, соответствующая частоте ω_max, δ_max - максимальная толщина скин-слоя, соответствующая частоте ω_min, измеряют в полосе частот ω_min≤ω≤ω_max частотную характеристику импеданса Z(jω), по которой определяют распределение удельной электрической проводимости по глубине σ(δ), и по найденному распределению σ(δ) и по предварительно экспериментально найденным или теоретически известным зависимостям электрической проводимости материала объекта исследования от температуры σ=f(T) судят о пространственном распределении температуры по глубине Т(δ) в исследуемом объекте.

Технический результат в устройстве для измерения пространственного распределения температуры (для осуществления предлагаемого способа), содержащем генератор сигналов, соединенный с блоком обработки, достигается тем, что генератором сигналов является генератор сигналов с полосой частот ω_min≤ω≤ω_max, где ω_min - минимальная частота, ω_max - максимальная частота, блоком обработки является вычислитель частотной характеристики импеданса Z(jω), выход генератора сигналов является выходом для соединения с электропроводящим исследуемым объектом с помощью первого электрода, а второй вход вычислителя частотной характеристики импеданса Z(jω) является входом для соединения с электропроводящим исследуемым объектом посредством второго электрода, выход вычислителя частотной характеристики импеданса Z(jω) соединен со входом вычислителя распределения удельной электрической проводимости σ(δ) и пространственного распределения температуры Т(δ).

На фиг.1 изображена структурная схема устройства для осуществления способа измерения пространственного распределения температуры с электропроводящим объектом исследования.

На фиг. 2 приведена функциональная схема устройства, разъясняющая осуществление способа измерения пространственного распределения температуры по глубине с подключенным электропроводящим объектом исследования.

На фиг. 3 приведена эквивалентная электрическая схема представления электропроводящего объекта исследования на основе А - матриц.

На фиг. 4 изображен алгоритм работы вычислителя распределения удельной электрической проводимости σ(δ) и пространственного распределения температуры Т(δ).

Структурная схема устройства для осуществления способа измерения пространственного распределения температуры с электропроводящим объектом исследования, изображенная на фиг.1, включает: 1 - Генератор сигналов, 2 - Объект исследования, 3 - Первый электрод, 4 - Вычислитель частотной характеристики импеданса Z(jω), 5 - Второй электрод, 6 - Вычислитель распределения удельной электрической проводимости по глубине σ(δ) и пространственного распределения температуры Т(δ).

Функциональная схема устройства, разъясняющая осуществление способа измерения пространственного распределения температуры по глубине, приведенная на фиг. 2, включает: 1 - Генератор сигналов, 2 – Подключенный к схеме измерения электропроводящий объект исследования 2 со скин-слоем, 3 - Первый электрод, 4 - Вычислитель частотной характеристики импеданса Z(jω). 5 - Второй электрод, 6 - Вычислитель распределения удельной электрической проводимости по глубине σ(δ) и пространственного распределения температуры Т(δ).

В примере конкретной реализации устройство для измерения пространственного распределения температуры (для осуществления предлагаемого способа), представленного на фиг. 1, 2 содержит генератор сигналов 1 с полосой частот ω_min≤ω≤ω_max, где ω_min - минимальная частота, ω_max - максимальная частота, выход генератора сигналов 1 соединен с электропроводящим исследуемым объектом 2, представленного на фиг. 3 в виде электрической схемы на основе А - матриц, с помощью первого электрода 3, и с вычислителем частотной характеристики импеданса Z(jω)4, выход генератора сигналов 1 также соединен со входом вычислителя частотной характеристики импеданса Z(jω) 4, второй вход которого соединен с электропроводящим исследуемым объектом 2 посредством второго электрода 5, выход вычислителя частотной характеристики импеданса Z(jω) 4 соединен со входом вычислителя распределения удельной электрической проводимости σ(δ) и пространственного распределения температуры Т(δ) 6.

В примере конкретной реализации в качестве генератора сигналов 1 может быть использован стандартный высокочастотный генератор, например, высокочастотный генератор российского производства АКИП-3417, Г4-194 и др. В качестве вычислителя частотной характеристики импеданса Z(jω) 4 могут быть использованы векторные анализаторы импеданса, например, измеритель импеданса E4990A фирмы Keysight. В качестве вычислителя распределения удельной электрической проводимости σ(δ) и пространственного распределения температуры T(δ) 6 могут быть использованы ЭВМ или микроконтроллер с программой согласно алгоритму, приведенному на фиг.4. Объектом исследования может быть любой объект или конструкция, изготовленные из электропроводящего материала (металлы, сплавы, композиты из углеволокна и т.п.), в которых необходимо измерить или контролировать профиль температуры по глубине. Например, конструкция из легированной стали при аргоновой сварке либо при кузнечной (горновой) сварке давлением, в процессе которой необходимо точно контролировать температуру сварного шва.

На фиг. 3 изображена эквивалентная электрическая схема представления электропроводящего объекта исследования 2 на основе А - матриц. Схема содержит генератор сигналов 1, который подключен с помощью электродов 3 и 5 к объекту исследования 2. При подаче сигналов с частотой ω_min≤ω≤ω_max в объекте исследования последовательно формируются N скин-слоёв, соответствующих частотам ω_1, ω_2, ω_3… ω_N с толщиной д₁, д₂, д₃,…д_N. с шагом Δδ

, (1)

где N – необходимое количество точек измерения профиля температуры T(δ). В пределах Δδ каждый i-й элементарный участок можно представить в виде RL-цепи, представленных на схеме резисторами R_i и индуктивностями L_i (Фиг. 3), образующими резистивно-индуктивную RL-структуру с распределёнными параметрами. Сопротивление i-го элементарного участка цепи равно:

, (2)

где – удельная электропроводность материала i-го участка объекта исследования, зависящая от температуры T, поперечное сечение элементарного участка, l – расстояние между электродами. Импеданс реактивной составляющей i-го участка равен:

, (3)

где j – мнимая единица, – индуктивность i-го слоя материала объекта,
- реактивное сопротивление индуктивной составляющей.

Электрическая цепь на фиг 3. представляет собой цепь с распределёнными параметрами, в которых для металлических проводников [Л.А. Вайнштейн Электромагнитные волны. М.: Радио и связь, 1990г. – С. 94]

. (4)

Для магнитных электропроводящих материалов с магнитной проницаемостью правая часть выражения (4) возрастает в раз.

Каждый i-й элементарный участок схемы можно описать А-матрицей по формуле [Каганов З.Г. Электрические цепи с распределенными параметрами и цепные схемы. М.: Энергоатомиздат, 1990. – С. 25]

Результирующая матрица всей цепи описывается как произведение всех матриц А_i

Из элементов результирующей матрицы можно определить входной импеданс [Каганов З.Г. Электрические цепи с распределенными параметрами и цепные схемы. М.: Энергоатомиздат, 1990. – С. 24] по формуле

где - волновое сопротивление

Здесь индуктивность и сопротивление при однородном распределении температуры которые находятся из формулы (6) и (7) при предварительном калибровочном измерении.

При произвольном распределении температуры по глубине электрическая проводимость меняется в соответствии с профилем температуры , так как электропроводность металлов и других проводящих материалов всегда зависит от температуры.

В случае, когда температура в объекте измерения постоянна по глубине , то удельная электропроводность материала объекта постоянна по глубине. Следовательно, все матрицы одинаковы и результирующая матрица цепи согласно (6) будет равна:

. (9)

На максимальной частоте измерения глубина проникновения будет равна и результирующая матрица цепи будет равна матрице (фиг. 3).

. (10)

При частоте результирующая матрица цепи при глубине проникновения будет равна произведению двух первых матриц

(11)

Тогда из данного выражения матрица будет равна

, (12)

где обратная матрица .

Таким образом, можно последовательно вычислить все матрицы от и их элементы для частот ω_N, ω_N-1, ω_N-2… ω₁ в диапазоне частот отдо и определить значения и соответственно по формуле (2) для различных глубин.

Глубина проникновения δ электрического тока с частотой ω пропорциональна

Чем меньше частота щ, тем на большую глубину проникает переменный ток. Например, согласно [Волин М.Л. Паразитные процессы в радиоэлектронной аппаратуре. Изд. 2-е перераб, и доп. М.: Радио и связь, 1981. – С. 65] для частот 100 Гц и 10 МГц толщина скин-слоя д для различных металлов различна и соответственно для меди составляет 6,6 мм и 0,02 мм, для алюминия - 8,5 мм и 0,025 мм, для различных марок стали – ориентировочно лежит в диапазоне от 1 мм до 0,002 мм. Если проводить измерение на N частотах ω₁, ω₂, ω₃…ω_N, то глубина проникновения в электропроводящий материал объекта будет равна соответственно δ₁, δ₂, δ δ₃ … δ _N. Выбирая необходимый шаг по частоте Δω можно добиться необходимой пространственной разрешающей способности Δδ измерений профиля температуры T(δ). Оценку пространственной разрешающей способности можно получить как полный дифференциал из соотношения (13):

Тогда необходимое количество точек измерения с заданной пространственной разрешающей способности будет равно

где – максимальная толщина скин слоя на минимальной частоте
. Для постоянства разрешающей способности =const необходимо частоту ω_i и переменный шаг по частоте выбирать из соотношений:

На фиг. 4 изображен алгоритм работы вычислителя удельной электрической проводимости σ(δ) и пространственного распределения температуры T(δ) 6. Он реализует расчет распределения по глубине δ удельной электрической проводимости σ(δ) и температуры T(δ) по измеренной частотной характеристике импеданса Z(jω) 4. Первой функцией данного алгоритма является считывание импеданса Z(jω) с вычислителя частотной характеристики импеданса 4. Далее вычисляются значения частот ω_1, ω_2, ω_3… ω_N таким образом, чтобы согласно (15), (16), (17) толщины соответствующих скин-слоёв были кратны Δδ_, 2Δδ ,3Δδ, … NΔδ_. Далее рассчитываются значения элементов А_11, А_21, А_12, А_22. матрицы A₁ первого элемента структуры при частотах ω_N. Затем последовательно вычисляются
А_1, А_2, А₃ … А_N – матрицы структуры объекта исследования 2. В расчёте каждого A_i элемента используется значение матрицы предыдущего A_i-1 элемента. Далее вычисляется проводимость σ_i скин-слоя Δδ_i от элемента R_i матрицы A_i. Затем по найденным значениям σ_i и известной зависимости σ=f(T). удельной электрической проводимости от температуры вычисляется распределение температуры Т(δ_i). Для наглядного отображения зависимости температуры по глубине предлагается графическое представление.

Рассмотрим осуществление предлагаемого способа измерения пространственного распределения температуры с помощью устройства для его осуществления, структурная схема которого изображена на фиг. 1. Вычислитель распределения удельной электрической проводимости σ(δ) и пространственного распределения температуры T(δ) 6 работает согласно алгоритму работы, приведенному на фиг. 4. Способ измерения пространственного распределения температуры заключается в том, что на исследуемый электропроводящий объект 2 подают с генератора сигналов 1 с помощью поверхностных электродов, в примере конкретной реализации посредством первого электрода 3, частотно-модулированный электрический ток с полосой частот ω_min≤ω≤ω_max, где ω_min - минимальная частота, ω_max - максимальная частота, формируя тем самым скин-слой переменной толщины δ, проникающий на глубину δ_min≤δ≤δ_max исследуемого объекта, где δ_min - минимальная толщина скин-слоя, соответствующая частоте ω_max, δ_max - максимальная толщина скин-слоя, соответствующая частоте ω_min. Далее, измеряют с помощью вычислителя частотной характеристики импеданса Z(jω) 4, на вход которого поступает сигнал с электропроводящего исследуемого объекта 2 посредством второго электрода 5 в полосе частот ω_min≤ω≤ω_max частотную характеристику импеданса Z(jω). Далее, по ней с помощью вычислителя распределения удельной электрической проводимости σ(δ) и пространственного распределения температуры Т(δ) 6 определяют распределение удельной электрической проводимости по глубине σ(δ) и по найденному распределению σ(δ) и по предварительно экспериментально найденным или теоретически известным зависимостям электрической проводимости материала объекта исследования от температуры σ=f(T) судят о пространственном распределении температуры Т(δ) в исследуемом объекте.

Рассмотрим осуществление предлагаемого способа измерения пространственного распределения температуры по глубине. Решение данной задачи возможно при использовании известного физического эффекта - возникновения скин-слоя в поверхностном слое проводника при пропускании переменного тока высокой частоты . Суть эффекта заключается в оттеснении протекающего электрического тока проводника и, как следствие, зависимость его импеданса от частоты

(18)

где – комплексное значение напряжения, – комплексное значение тока. Толщина скин-слоя δ является функцией частоты и уменьшается с ее повышением по выражению:

, (19)

где у – удельная электрическая проводимость материала, µ - относительная магнитная проницаемость вещества, µ₀ – магнитная постоянная, – угловая частота. Таким образом, подбирая частоту переменного тока, можно сформировать практически любую толщину δ скин-слоя, необходимую для зондирования глубинных электрических параметров материала.

По теоретически известным зависимостям электрической проводимости материала объекта исследования от температуры σ=f(T) [Справочник по электротехническим материалам / Под ред. Ю.В. Корицкого, В.В. Пасынкова, Б.М. Тареева. – М.: Энергоиздат, 1988. т.3. – C.239-289.] по найденному распределению проводимости определяют распределение температуры T(д) по глубине д. Для металлов и сплавов зависимость удельного сопротивления от температуры , как правило, является линейной и выражается формулой:

(20)

где – удельное сопротивление материала при температуре , α - температурный коэффициент сопротивления материала. Следовательно, температуру T_i каждого i-го слоя (i=1,2,3…N) можно определить по электропроводности из формулы

(21)

где - известная электропроводность материала объекта при температуре .

Подставляя в (21) найденное по приведённому алгоритму значение электропроводности, рассчитывается температура на глубине T_i.

Значение температурного коэффициента сопротивления α для неизвестного материала можно определить экспериментально по формуле (21) или другими известными методами.

По сравнению с прототипом в предлагаемых технических решениях в способе измерения пространственного распределения температуры и устройстве для его осуществления технический результат будет достигнут за счет того, что на исследуемый электропроводящий объект через поверхностные электроды подают частотно-модулированный электрический ток с полосой частот ω_min≤ω≤ω_max, где ω_min - минимальная частота, ω_max - максимальная частота, формируя тем самым скин-слой переменной толщины δ, проникающий на глубину δ_min≤δ≤δ_max исследуемого объекта, где δ_min - минимальная толщина скин-слоя, соответствующая частоте ω_max, δ_max - максимальная толщина скин-слоя, соответствующая частоте ω_min, измеряют в полосе частот ω_min≤ω≤ω_max частотную характеристику импеданса Z(jω), по которой определяют распределение удельной электрической проводимости по глубине σ(δ), и по найденному распределению σ(δ) и по предварительно экспериментально найденным или теоретически известным зависимостям электрической проводимости материала объекта исследования от температуры σ=f(T) судят о пространственном распределении температуры по глубине Т(δ) в исследуемом объекте. А в устройстве для реализации предложенного способа за счет того, что генератором сигналов является генератор сигналов с полосой частот ω_min≤ω≤ω_max, где ω_min - минимальная частота, ω_max - максимальная частота, блоком обработки является вычислитель частотной характеристики импеданса Z(jω), выход генератора сигналов является выходом для соединения с электропроводящим исследуемым объектом с помощью первого электрода, а второй вход вычислителя частотной характеристики импеданса Z(jω) является входом для соединения с электропроводящим исследуемым объектом посредством второго электрода, выход вычислителя частотной характеристики импеданса Z(jω) соединен со входом вычислителя распределения удельной электрической проводимости σ(δ) и пространственного распределения температуры Т(δ).

Изобретения относятся к измерительной технике при измерении температуры на различных глубинах электропроводящих сред. Предлагаемые способ измерения пространственного распределения температуры и устройство для его осуществления могут быть использованы при производстве материалов и сплавов, в металлургии, в высокотемпературных камерах сгорания, при производстве датчиков температуры, для контроля температуры электропроводящих твёрдых объектов и жидкостей. Заявлен способ измерения пространственного распределения температуры, согласно которому на исследуемый электропроводящий объект через поверхностные электроды подают частотно-модулированный электрический ток с полосой частот ω_min≤ω≤ω_max, формируя тем самым скин-слой переменной толщины δ, проникающий на глубину δ_min≤δ≤δ_max исследуемого объекта. Измеряют в полосе частот ω_min≤ω≤ω_max частотную характеристику импеданса Z(jω), по которой определяют распределение удельной электрической проводимости по глубине σ(δ). По найденному распределению σ(δ) и по предварительно экспериментально найденным или теоретически известным зависимостям электрической проводимости материала объекта исследования от температуры σ=f(T) судят о пространственном распределении температуры по глубине Т(δ) в исследуемом объекте. Также предложено устройство для осуществления предлагаемого способа, в котором генератором сигналов является генератор сигналов с полосой частот ω_min≤ω≤ω_max, блоком обработки является вычислитель частотной характеристики импеданса Z(jω). Выход генератора сигналов является выходом для соединения с электропроводящим исследуемым объектом с помощью первого электрода, а второй вход вычислителя частотной характеристики импеданса Z(jω) является входом для соединения с электропроводящим исследуемым объектом посредством второго электрода. Выход вычислителя частотной характеристики импеданса Z(jω) соединен со входом вычислителя распределения удельной электрической проводимости σ(δ) и пространственного распределения температуры T(δ). Технический результат - обеспечение возможности измерения распределения температуры по глубине электропроводящего объекта исследования. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ измерения пространственного распределения температуры, включающий подачу на исследуемый объект частотно-модулированного электрического тока в полосе частот, отличающийся тем, что на исследуемый электропроводящий объект через поверхностные электроды подают частотно-модулированный электрический ток с полосой частот ω_min≤ω≤ω_max, где ω_min - минимальная частота, ω_max - максимальная частота, формируя тем самым скин-слой переменной толщины δ, проникающий на глубину δ_min≤δ≤δ_max исследуемого объекта, где δ_min - минимальная толщина скин-слоя, соответствующая частоте ω_max, δ_max - максимальная толщина скин-слоя, соответствующая частоте ω_min, измеряют в полосе частот ω_min≤ω≤ω_max частотную характеристику импеданса Z(jω), по которой определяют распределение удельной электрической проводимости по глубине σ(δ), и по найденному распределению σ(δ) и по предварительно экспериментально найденным или теоретически известным зависимостям электрической проводимости материала объекта исследования от температуры σ=f(Т) судят о пространственном распределении температуры по глубине Т(δ) в исследуемом объекте.

2. Устройство для осуществления способа измерения пространственного распределения температуры по п.1, содержащее генератор сигналов, соединенный с блоком обработки, отличающееся тем, что генератором сигналов является генератор сигналов с полосой частот ω_min≤ω≤ω_max, где ω_min - минимальная частота, ω_max - максимальная частота, блоком обработки является вычислитель частотной характеристики импеданса Z(jω), выход генератора сигналов является выходом для соединения с электропроводящим исследуемым объектом с помощью первого электрода, а второй вход вычислителя частотной характеристики импеданса Z(jω) является входом для соединения с электропроводящим исследуемым объектом посредством второго электрода, выход вычислителя частотной характеристики импеданса Z(jω) соединен со входом вычислителя распределения удельной электрической проводимости σ(δ) и пространственного распределения температуры Т(δ).