Устройство для измерения температуры Советский патент 1986 года по МПК G01K7/14 

Изобретение относится к области температурных измерений и может быть использовано для измерения быстроменяющихся температур, например в газотурбинных установках на переходных режимах.

Целью изобретения является повышение точности измерения температуры путем снижения шумов .дифференцирующих усилителей и более точному определенрю постоянной времени термопреобразователя во .время переходных процессов.

На фиг. 1 показана функциональная схема устройства; на.фиг. 2 - статическая характеристика первого блока нелинейности; на фиг. 3 - статическая характеристика второго блока нелинейности.

Устройство (фиг. ) содержит термопреобразователь 1, усилитель 2, сумматор 3, первый дис еренцирующий усилитель А, второй дифференцирующий усилитель 5, первый фильтр 6 нюкних частот, второй фильтр 7 нижних частот, первый блок 8 деления, первьш ключ 9, блок 10 сравнения, первый интегратор II, второй ключ 12, первый блок 13 нелинейности, второй блок 14 нелинейности, третий ключ 15 второй интегратор 16, второй блок 17 деления, умножитель 18.

Устройство работает следующим образом.

При скачкообразном изменении температуры на входе термопреобразователя 1 на его выходе сигнал изменяется по закону

t-t,,

Е,ЕО+ЛТ.К/1-е 1 J, (1)

. . .

е Е - выходной сигнал термодатчика;

ЕО - сигнал, соответствующий уровню температуры до ее изменения;

К - коэффициент передачи термопреобразователя ; . I - постоянная времени термопреобразователя ; to - время, определяющее момент

изменения температуры; йТ - приращение температуры. Напряжение с выхода усилителя 2

E2.,

е KI - коэф({)ициент усиления усилителя 2,

поступает на идентичные дифференцирующие усилители 4 и 5, выходные сигналы которых соответственно равны

Ег.К.1 Кг-Кз ЛТ

t-tc

2)

dt

л. г

где Кз - коэффицие.нт усиления дифференцирующих усилителей 4 и 5.

При идеальной форме скачка отношение первой Е, и второй Е/ производной сигнала Е определяет постоян- ную времени термопреобразователя

20

t-t.

L :

. ЕЗ

СЗ)

25

T-K,. -е

По окончании переходных процессов в термопреобразователе уровень сигналов EJ и EI, уменьшается и становится соизмеримым с уровнем флюктуации температуры. Это приводит к значительных погрешностям оценки постоянной времени термопреобразователя. Более того, в установившемся режиме значение постоянной времени термопреобразователя не определено: . .

limt (t) .

t-. 00

Для обеспечения работоспособности

устройст.ва в области окончания переходных процессов предлагается постоянную времени термопреобразователя определять по отфильтрованным значениям производных. Фильтрация осуществляется с помощью двух идентичных по структуре и параметрам фильтров нижних частот. Наиболее просто реализовать фильтр первого порядка. Полоса пропускания фильтра выбирается из условия подавления шумов диф- ференцирук цего усилителя, формирующего вторую производную.

Если принять помеху на выходе тер-; модатчика в виде аддитивного белого

шума, ограниченного по спектру мощности N, то среднеквадратичная погрешность, определения второй производной

j N.u)Uu,

uJa

гдечО - круговая частота;

(Jo граничная круговая частота

белого шума.

После фильтрации фильтром нижних частот среднеквадратичная погрешность

f° NoJ К , , .

Tri-тттттз

-uJo

Т

.где Кф - коэффициент передачи фильтров;

- постоянная времени фильтра Передаточная функция фильтра в оператрриой форме описывается выражениемКц

и)(р)

(6)

Tcp-P+l

При условии ослабления помехи в 20 раз параметры фильтра могут быть определены из условия

4

Коэффициент передачи фильтра выбирается из условия сохранения отношения амплитуд сигналов Ej и Ец.

Вид сигналов после фильтрации -можно, определить, решив дифференциальное уравнение вида

. . : t-tv.

. TcpE5 Es , x-KjuT.

:где Eg - сигнал на выходе фильтра 6. Решение уравненная, имеет вид

, / 1

Es K p-KvKiK,,AT:r- Р )

L - (q V .- . /

:(9)

Сигнал на выходе ф шьтра 7 имеет

t t-to TV-P )

ВИД,

e,-K«,.K,.K,.K,.T.-(eT.E

I(10)

Таким образом, сигналы после фильтрации имеют одинаковые амплитудные и фазовые искажения, поэтому на точность оценки постоянной времени термодатчика введение фильтрации не повлияет.j- t-t

, Кг Ki дт( , K.K,K....T(e4-f U

-(11)

ь

16670 4

Очевидно, что при соотношении L,j,u выходные сигналы фильтров, поступающих на выхрд делителя I7 при , т.е. в области окончания пере- 5 ходньпс процессов, превышают уровень помех,

На устойчивость оценки постоянной времени термодатчика влияет случайная составляющая входного сигнала

10 температуры. Для повьш1ения динамической точности коррекции предлагается вычислять среднее значение постоянной времени тёрмопреобразовате- ля на всем интервале наблюдения. Для

)5 этого предлагается интегрировать выходной сигнал делителя 8 интеграто- ; ром 11

20

s, Jt(t)ck (,г;

t

и делитель его на время (t-to ) его работы. /Для определения интервала работы интегратора и от помех определяется отклонение мгновенного значения I (t) от среднего значения постоянной времени термопреобразова- . теля.

(t)-t(13)

иа блоке ГО сравнения, на первьш вход которого поступает сигнал с выхода второго блока 17 деления,, на второй вход поступает С1ггнал с выхода-первого блока 8 деления и вводит-, ся допуск са уровень среднеквадрати- .

35 ческого отклонения при помощи второго блока 1А нелинейности. Блок нелинейности содержит квадратор и нели- иейньи элемент, статическая характеристика которого изображена на

40 фиг, 2. Квадратор определяет квадратичное значение выходного сигнала ,. Нелинейный элемент реализует условие, ограничивающие квадрат разности мгновенного и среднего значения постоян45 ной времени термодатчика.

.4t)(t(t)-J:), (14)

где UQ зона допуска.

Поскольку скорость изменения постоянной времени термопреобразовате50 ля на интерпале оценивания является конечной величиной, то условие (14) в любой момент времени полностью оп- ределяет допустимый уровень отклонений мгновенного значения от средие55 го. Величина Uo определяется настройкой при отладке устройства и зависит от характеристик газовых потоков. Среднее значение постоянной времени

термопреобразователя оценивается только при выполнен.ии условия (14) интегратором 16, выходной сигнал которого равенг

г Г Л4- () .

; ... -ЬО,.

Выход блока 1А нелинейности соединен с управляющим входом ключа 9,. который синхронизирует во времени

работу интеграторов- 11 и 1 б .

При прохождении помехи по оценке или по окончании переходных процессов в термопреобразователе, когда выходной сигнал второго.делителя 17 будет в соответствия с алгоритмом получения постоянной времени, термо- преобраэователя не определен , и его выходной сигнал превратится в шум, среднеквадратичное отклонение этого сигнала выйдет за предел допуска па уровень отклонения , что опре-. делается с помощью блока 14 нел1зней- иости, которьй обнуляет вход интегратора 16 и с помощью к люча 9 обнуляет вход интегратора 11, и корректирующее воздействие формируется по запомненному значению постоянной времени Термопреобразователя.

Выходные сигналы интеграторов 11 и 16-подаются на первьй и второй входы блока 17 деления. Отношение выход ных сигналов двух интеграторов соот- ветствует среднему значению постоянной времени термопреобразователя t

)c|l:

t I cit

tn

C1b)

D блоке умножения сигналы с выхода блока деления 17 и дифференцирующего усилителя 4 перемножаются, а рез.ультирующий сигнал поступает на вход сумматора 3 с противоположным знаком:, ..

с . , Кг-КзйТ - -7-° (I f)

л. t

-t-t.

E6b,x-- zEo - iKi-ul(l-e )- е ,)-, (8)

где Е |, - выходной сигнал сумматора. Подбором коэффициентов можно скомпенсировать динамическую ошибку, обусловленную инерционностью термо- преобразов.ателя. При ЭТОМ с выхода блока 17 снимают сигнал, пропорциональный постоянной времени термопреобраз.ователя. .Первый блок нелинейности определяет момент насыщения первого «нтегра- тора и выдает сигнал на управляющие входы ключей 12 и 15, осуществляющих

одновременное обнуление выходов ин- теграторов II и 16. Статическая характеристика блока 13 нелинейности изображена на фиг. 3.

Таким образом, предлагаемое устройство для измерения быстроменяю- щнхся температур позволяе.т повысить точность коррекции показаний термопары за счё т сглалшваиня оценки параметра путем .ос реднения, запоминания, исп ОЛЬ зевания ее для коррекции в те моменты времени, когда работа первого делителя неустойчива.

г

Формула и 3 о б р е т е н И я

. Устройство для измерения температуйэ1, содержащее последовательно , включенные термопреобразователь и усилитель, выход которого соединен с первым входом сумматора и входом

первого диф{1)еренциру1ощего ус11лителя, выход которого соединен с входом второго, дифференцирующего усилителя, умножитель, входы которого соединены с выходом первого дифференцирующего

усшштеля и выходом блока деления, а выход ; подключен к второму входу сумматора, отличающее.с я тем, что, С целью повьшения динамической точности измерения, в пего

введены два фильтра нижних частот, два блока .нелш1ей11ости, три ключа, два интегратора, блок сравнен.ия и второй делитель, входы которого через фильтры нижних частот соединены

соответственно с выходами дифференцирующих у.илителей, а вЬкод соединен с первым входом блока сравнения и через первый ключ подключен к входу первого-интегратора, выход которого

соединён с первым входом первого блока деления и через первый блок нелинейности подключен к управляющим входам второго и третьего ключей, подключенных соответственно к обнуляющим входам первого и второго интеграторов , при этом выход первого блока деления подконочен к второму входу блока сравнения, выход которого

У6Ь(Х

1

-%

О

фиг. 2

Редактор В. Иванова

Составитель В. Куликов

Техред С.Мигунова Корректор С. Черни

Заказ 996/53Тираж 778Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

через второй блок нелинейности подключен к управляющему входу первого ключа и входу второго интегратора, выход которогб подключен к второму входу первого блока деления.

бых

-и.

О г t/sx

Фиг.

Изобретение относится к области температурных измерений и может быть использовано для измерения быстроменяющихся температур, например, в газотурбинных установках на переходных режимах. Целью изобретения является повышение точности измерения температуры путем снижения шумов дифференцирующих усилителей и более точного определения постоянной времени термопреобразователя во времл переходных процессов. Устройство содержит термопреобразователь 1, усилитель 2, сумматор 3, дифференцирующие усилители 4 и 5, фильтры 6 и 7 нажних частот, блоки 8 и 17 деления, ключи 9, 12 и 15, блок 10 сравнения, интеграторы 11 и 16, блоки 13 и 14 нели- нейности, умножитель 18. С выхода блока 17 деления снимают сигнал, пропорциональный постоянной времени термопреобразователя I. Блок 13 определяет момент насыщения блока 11 и выдает сигнал на входы ключей 12 и 15, осуществляющих одновременное обнуление вькодов интеграторов 11 и 16, Устройство позволяет повысить точность коррекции показаний термопары за счет сглаж1шания оценки параметра t путем осреднения, запоминания, использования ее для коррекции во время, когда работа первого делителя неустойчива. 3 ил. С (Л О5 О)