Способ измерения температурного профиля жидких и газообразных сред и устройство для его осуществления Советский патент 1986 года по МПК G01K3/02 

поочередное отражение сигнала от введенных в коаксиальный кабель 4 частотно-зависимых неоднородностей 5, определяют затухание неотраженных сигналов, по величине которых судят о температурном профиле среды. Устройство содержит СВЧ-генератор 1, датчик 2 падающей волны, датчик 3 отраженной волны, согласованную нагрузку 6, блок 7 дискретной перестройки частоты, блок 8 обработки и запоминания и регистратор 9. Введение новых элементов и образование

Изобретение относится к технике измерения температуры жидких и газообразных сред и может быть использовано, в частности, при океанологических и рыбопоисковых исследованиях, например, для измерения, пространственного распределения по температурному профилю морской воды.

Цель изобретения - снижение трудоемкости аппаратурной реализации способа измерения температурного профиля среды и расширение динамичекого диапазона измерений.

Предложенньй способ измерения температурного профиля жидких и газообразных сред заключается в зондировании электрическим сигналом те мопреобразоватеЛя, выполненного в виде коаксиального кабеля и помещенного в исследуемую среду, приеме отраженных сигналов и определении но ним температурного профиля среды При зтом зондирование производят гармоническим сигналом, дискретно изменяющимся по частоте, осуществляют поочередное отражение сигнала от введенных в коаксиальньш кабель частотно-зависимых неоднородностей., определяют затухание отраженных сигналов и по ним судят о темпера- турном профиле среды.

На фиг. 1 изображена структурная схема предлагаемого устройства) на фиг. 2 - возможная структурная схема блока обработки сигналов и запоминания j на фиг. 3 - структурная схема одного из возможньсзс вариантов

новых связей позволяет упростить конструкцию и технологию изготовления термообразователя и расширить динамический диапазон измерений. Для этого осуществляют градуировку показаний регистратора 9 во всем рабочем диапазоне, температур с требуемой дискретностью, а температура среды, в которую помещен кабель 4, изменяется и фиксируется через требуемые интервалы с помощью образцового термометра, которым эта температура измеряется. 2 с.п. ф-лы. Зил

5

0

выполнения блока дискретной перестройки частоты.

Устройство для измерения температурного профиля содержит (фиг. 1) СВЧ-генератор 1, датчик 2 падающей волны, датчик 3 отраженной волны, коаксиальный кабель 4 с неоднород- ностями 5, согласованную нагрузку 6, блок 7 дискретной перестройки частоты, блок 8 обработки и запоминания, регистратор 9.

СВЧ-генератор 1 через датчики падающей 2 и отраженной 3 волн соединен с входом термообразователя - коаксиального кабеля 4, нагруженного на согласованную нагрузку 6. В коак- . сиальный кабель 4 в различных его сечениях включены неоднородности в виде короткозамкнутых шлейфов 5. О Выходы датчиков мощности 2 и 3 соединены с информацион;ными входами блока 8 обработки и запоминания, вь1- ход которого соединен с входом регистратора 9. Управляемые входы генератора 1 и блока 8 обработки и запоминания соединены с выходами блока 7 дискретной перестройки частоты. - Датчики падающей 2 и отраженной

3волн предназначены для получения напряжений, пропорциональных мощностям падающей и отраженных волн. Датчики 2 и 3 могут быть реализованы, например, на широкополосных направленных ответвлениях, нагруженных на

5 детекторные, секции.

В качестве термопреобразователя

4может быть использован коаксиаль31

ный кабель, например, с волновым сопротивлением 50 или 75 Ом (РК50, РК75).

Короткозамкнутые шлейфы 5 обеспечивают короткое замыкание в кабе- ле 4 для длин волн, соответствующих дискретным.частотам генератора 1.

Короткозамкнутые шлейфы 5 выполнены из отрезков того же коаксиального кабеля 4 и включены между цент- ральной жилой кабеля К и его экранирующей йплеткой. Шлейфы 5 включены на расстоянии t- от входа кабеля 4, а их длина L выбирается по соотношению

LА,П,

О)

где AJ - длина волны, соответствую

щая i-и дискретной часто те генератора 1; m 1 , 2 . . . ,

i 1, 2, З...П. Блок 8 обработки и запоминания вьшолняет функции преобразования сигналов с выходов датчиков 2 и 3 прямой и отраженной волн в код запоминания этих кодов, вычисления тепературы и вывода информации на регистратор 9 (блок 8 может быть вы- полней по схеме, приведенной на фиг. 2).

Блок 8 содержит микро-ЭВМ 10, комутатор 11, аналого-цифровой преоб- разователь (АЦП) 12. Первый и второ входы коммутатора 11 соединены с выходами датчиков прямой 2 и отраженной 3 волн, выход коммутатора 11 включен на информационньй вход АЦП 12, выход которого соединен с информационным входом микро-ЭВМ 10. Первый и второй управляющие выходы микро-ЭВМ 10 включены на управляю- 1цие входы коммутатора 11 и АЦП 12. Второй информационный вход микро- ЭВМ 10 соединен с информационным выходом блока 7 дискретной перестроки частоты, а выход подключен к регистратору 9.

Блок 7 дискретной перестройки частоты предназначен для формирования ступенчатого напряжения, обеспечивающего дискретную перестройку СВЧ-генератор 1. В состав блока 7 .входит (фиг. 3) генератор тактовых импульсов 13, счетчик импульсов 14, ,цифроаналоговьй преобразователь

144

(ЦДЛ) 15. Выход генератора тактовых импульсов 13 соединен с входом счетчика 14, а выход счетчика 14 соединен с вхбдами 1ДАП 15 и блока 8 о бра- ботки и запоминания.

Регистратор 9 может быть выполнен на индикаторах панорамного типа, в которых развертка по горизонтали соответствует расстоянию вдоль кабеля 4, а по вертикали - температуре. Для этой цели можно использовать, например , осциллографические индикаторы типа Я2Р-67.

Устройство для измерения температурного профиля работает следующим образом.

СВЧ-генератор 1 (фиг. 1) выраба- тьшает сигнал мощностью Р, (мощность падающей волны), которьй через датчики подающей 2 и отраженной 3 волн поступает на вход коаксиального кабеля 4, нагруженного на согласованную нагрузку 5 и помещенного в исследуемую среду, и одновременно на первьй вход блока 8 обработки и запоминания, где преобразуется в код и запоминается (), При этом длина волны Д генератора 1 устанавливается блоком дискретной перестройки частоты 7 и может яринимать последо- вательньй дискретный ряд значений Д,( 1, 2,...h).

Генератор тактовых импульсов 13 формирует прямоугольные импульсы, поступающие на вход счетчика 14, число разрядов которого равно числу шлейфов (h) . Коды со счетчика 14 поступают на вход цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 15. С приходом каждого последующего импульса с генератора 13 состояние счетчика 14 увеличивается на единицу, что соответствует некоторому приращению напряжения ЦАП 15. Таким образом формируется ступенчатое нарастаю- . щее напряжение на выходе ЦАП 15, обеспечивающее дискретную перестройку СВЧ-генератора 1. Код с выхода счетчика 14 поступает в блок 8 обработки, где он используется для синхронизации обработки информации.

Сигнал падающей волны, поступивший на вход коаксиального кабеля 4, распространяется в направлении согласованной нагрузки 6.

В t -м сечении на расстояниях 1 от входа коаксиального кабеля 4 происходит эффективное отражение

S

сигнала в направлении датчика 3. Отраженный сигнал с выхода датчика отраженной волны 3 поступает в блок 8 обработки и запоминания, где преобразуется в код и запоминается (и,)

Блок 8 обработки и запоминания производит вычисление затухания от- раженной волны по отношению сигналов и. и V| . Значение затухания запоминается в соответствующей t-и ячейке памяти устройства обработки и запоминания 8, работа которого синхронизируется блоком дискретной перестройки частоты 1, Блок дискретной перестройки частоты 7 устанав- ливает частоту СВЧ-генератора 1, соответствующую i-му шлейфу. Посл этого блок дискретной перестройки частоты 7 выдает код номера частоты в микро-ЭВМ 10.С приходом :3того сиг нала микро-ЭВМ 10 включает коммутатор 11 в положение, соответствующее датчику 2 падающей волны. АЦП 1 преобразует это напряжение с выхода датчика 2 падающей волны в код, поступающими в микро-ЭВМ 10. Затем коммутатор 11 посредством управляющего сигнала с микро-ЭВМ 10 переводится в положение,соответствующее датчику 3 отраженной волны, и опять производятся операции аналого-цифрового преобразования. Затем блок 7 дискретной перестройки частоты устанавливает ( i + 1) значение частоты, и процесс повторяется.

Вычисленные на микро-ЭВМ 10 значения затухания выводятся на регистратор 9. По временному распределе- нию затухания судят о температурном профиле исследуемой среды.

Отражение сигнала от i -ых сечений кабеля 4 происходит с коэффициентом отражения, близким к единице. Мощность отражения волны Р в i -о сечении равна

Р . - Р . - Г

01 h 1

(2;

j - модуль коэффициента отражения 1 -ой неоднородности 50 по напряжениюj Т, - коэффициент передачи по

мощности отрезка коаксиального кабеля 4 от его входа до i -го сечения.

Отраженный сигнал проходит в обратном направлении такое же расстоя3146

. . Мощность отраженной волны на входе коаксиального кабеля 4 (в месте включения датчика 3 отраженной волны) равна

Р . Р , F.

о 1 и 1 1

При изменении средней температуры среды на участке Р, изменяется сопротивление жилы и проводимости изоляции коаксиального кабеля 4, что приводит к изменению коэффициента передачи кабеля (изменение затухания участка f, ) и, как следствие, изменению отраженной мощности Р,; .,

В режиме калибровки устройства коаксиальный кабель 4 помещают в среду с температурой, контролируемой по образцовому термометру. Напряжения на выходах датчиков па дающей 2 и отраженной 3 волн в соответствии с формулой (3) равны

и .V К . Р .

hi ( И1

(-11

Uo,-K,.,)(r.), (5

где - коэффициент передачи датчиков падающей 2 и отраженной 3 волн на частоте f (датчики 2 и 3 идентичны); индекс К в обозначениях величин относится к режиму калибровки.

Напряжения поступают на информационные входы блока 8- обработки и запоминания.

В блоке 8 обработки и запоминания определяется затухание отраженной волны

к Uo,

ioe -f --20f,2:r,t,

u:.

(6)

При этом результат измерения не зависит от абсолютного уровня мощности падающей волны, неравномерности мощности генератора 1 и коэффициентов передачи У- датчиков 2 и 3 в полосе частот.

В режиме измерения термообразова- тель 4 помещают в исследуемую среду и на начальной стадии повторяют те же операции, что и при калибровке. Для каждого значения V, определяется затухание отраженной волны

, и

и r.3bMoe -- 20f r,r;. (7)

н i

индекс И в обозначениях величин относится к режиму измерения.

Затем в блоке 8 обработки и запоминания определяется разность затуханий отраженной волны на г-м участке кабеля 4 в режимах калибров ки и измерения, которая в соответствии с (6) и (7) равна

К

дн zN N;-2oe

При этом исключается зависимость результата измерения ANj от коэффициента отражения i-й неоднородности Г Формула (8) несет инфо.рмацию об изменении средней температуры слоя среды, примыкающего к v -му отрезку кабеля 4. Если эта температура соответствует температуре калибровки, то затухание N. -N. и л М- 0. Если средняя температура увеличится то затухание в этом режиме измерения возрастет (по модулю), т.е. IN 1 , при этом лМ- 0. Ес .ли же средняя температура слоя уменьшится, то и flN-

Если требуется определить среднюю температуру слоя среды на участке между 1-й и (1+1)-й неоднород- ностями, то в устройстве обработки и запогшнания 8 определяется разность приращений затухания на (f+l)-M и i-м участках

л8 AN,,-AN;:.20e

f 1 . J

где.

J- номер участка, заключенного между 1-й и (|+1)-й неоднородноетями. Далее Тзезультат ы определения & N по формуле (8) либо&В по формуле (9) поступают из блока 8 обработки и запоминания на вход регистратора

Для того, чтобы по Us j восстановить температурный профиль , необходимо точно знать, каким значениям температуры соответствуют конкретные значения &Н и ьБ

Для этого осуществляют градуировку показаний регистратора 9 во всем рабочем диапазоне температур с требуемой дискретностью. При этом в режиме градуировки температура среды, в которую помещен кабель 4, меняется и фиксируется через требуе

2543148

мые интервалы с помощью образцового термометра, которым зта температура измеряется. При каждом значении температуры блоком 8 проводится -оп- 5 ределение uN и й , и вьщача этих параметров в регистратор 9. При этом показания регистратора 9 градуируют непосредственно в значениях температуры среды.

10

, -0

15

20

,

25

30

35

)

9

-

40

45

50

55

Формула изобретения

1.Способ измерения температур- : ного профиля жидких и газообразных сред, заключающийся в зондирований электрическим сигналом термообра- зователя, выполненного в виде коак - сиального кабеля и помещенного в исследуемую среду, приеме отраженных сигналов и определении по ним температурного профиля среды, отличающийся тем, что, с целью снижения трудоемкости аппаратурной реализации способа и расширения динамического диапазона измерений, зондирование проводят гармоническим сигналом, дискретно изменяющимся по, частоте, осуществляют поочередное отражение сигнала от введенных в . коаксиальньй кабель частотно-зависимых неоднородностей, определяют затухание отраженных сигналов, по величине которых судят о температурном профиле- среды.

2.Устройство для измерения температурного профиля жидких и газообразных сред, содержащее генератор сигналов, термообразователь,1вьтолнен- ный в виде коаксиального кабеля, подсое- 1Ц1ненную к нему согласованную нагрузку, регистратор, отличающееся тем, что, с целью упрощения конструкции и технологии изготовления термообразователя и расширения динамического диапазона измерений,- в различные сечения коаксиального кабеля дополнительно включены частотно-зависимые неоднородности в виде короткозамкнутых шлейфов, в устройство введены блок дискретной перестройки частоты, датчики мощности падающей и отраженной волн, блок обработки и запоминания, при этом датчики мощности падающей и отраженной волн включены последовательно между генератором сигналов и входом коаксиального кабеля, выходы блока дискретной перестройки частоты соединены с управляющими входами гене91254314 10

ратора сигналов и блока обработки ков мощности падающей и отраженной и запоминания, информационные входы волн, а выход соединен с входом ре- которого подключены к .выходам датчи- гистратора.

От па- От donjWKO отра - дающей долны : тиной Волны 3

Фиг, 2

Ннформоционньш Sbixod (к обра- бдтки)

Фи.З

Редактор А.Гулько

Составитель В.Голубев

Техред М.Ходанкч

Заказ 4710/44

Тираж 778Подписное

ВНИЖМ Государственного комитета СССР

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

Производственно-полиграфическое предприятие, г, Ужгород, ул.Проектная, 4

Корректор М. Самборская

Изобретение относится к измерению температуры и может быть использовано в океанологических и рыбопоисковых системах. Цель изобретения - снижение трудоемкости аппаратурной реализации способа измерения и расширение диапазона измерений. Для этого зондирование проводят гармоническим сигналом, дискретно изменяющимся по частоте, осуществляют (Л tc 01 4; со