11зобретенне относится к температурным измерениям и предназначено для измерения профиля температуры в системах контроля окружающей среды и технологических процессов.
Целью изобретения является повышение точности измерения и упрощение устройства путем уменьшения числа вторичных измерительных преобразова- телей и исключения блока восстановления.
На фиг.1 изображена структурная схема устройства; на фиг.2 - пример выполнения распределенного тер- мопреобразователя; на фиг.З - при мер работы устройства.
Устройство содержит проводной термопреобразователь 1 с постоянным погонным сопротивлением и п провод- ных термопреобразователей 1.1,..., 1.П с переменным погонным сопротивлением, изменяющимся согласно п переменным функциям Уолша, уложенных в общий жгут, коммутатор, включаю- щий в себя 2п переключающих ключей 2.1,...,2.п, 3.1,...,3.п, п нормально замкнутых ключей 4.1,...,4.п, п нормально разомкнутых ключей 5.1 5.1 ,. . . , 5. п , два источника 6 и 7 тока, дифференциальный усилитель 8, регистратор 9 и генератор 10 функций Уолша.
Проводные термопреобразователи могут быть выполнены из любого материала с выcoк M температурным коэффициентом чувствительности, например, никеля, стали, меди и других материалов. Термопреобразователи с переменным погонным сопротивлением мо- гут быть выполнены, например, из провода с переменным поперечным сечением, что обеспечивает переменное погонное сопротивление провода и переменный по длине коэффициент термо- чувствительности в соответствии, например с функцией had(i,x) Уолша- Адамара.
Эффект переменного сечения провода по длине может быть достигнут также петлевой укладкой провода, при этом обеспечивается высокая точность дискретной модуляции, что и является необходимым для двоичной функции had(i.x). Если на первом отрезке провод уложен один раз, з на втором отрезке уложен петлей три раза, то это экг ивалентно уменьшению поперечного сечения провода на
0
s
0 5
0 5
0 5
втором отрезке по сравнению с первым в три раза и соответственно увеличению погонного сопротивления и коэффициента термочувствительности.
На фиг.2а показаны графики четырех функций Уолша-Адамара had(i,x), i 0,3, на Лиг.26 - соответствующие им функции г, (х) погонного сопротивления распределенных термопреобразователей, где Гр - постоянная составляющая; г - амплитуда функции
ГТ1
модуляции; г (г - г) - погонное сопротивление термопреобразователя 1. На фиг.2в показано исполнение распределенных модулированных термопреобразователей путем петлевой укладки проводов с использованием прямого и обратного хода для получения входа-выхода на одной стороне жгута, в который параллельно уложены распределенные термопреобразователи и выводы которых выхо- дят на общий кабельный разъем.
Погонное сопротивление каждого i-ro термопреобразователя изменяется в соответствии с функцией had (i ,х) ,и на тех участках,где функция had(i,x)
+1,оно равно значению г , а
на
тех участках,где had(i,x) -1,оно равно г,,- г.
В качестве ключей коммутатора используются электромеханические реле, например магнитоуправляемые контак- 5 ты. Использование электронных ключей возможно, если вариации их переходных сопротивлений будут пренебре-- жимо малы по сравнению с минимальными сопротивлениями термопреобразователей.
Источники 6 и 7 тока должны обеспечивать формирование одинаковых токов и могут быть выполнены по любой известной схеме.
Генератор 10 функций Уолша может быть выполнен по любой известной схеме, например, в составе генератора тактовой частоты, соединенного с двоичным счетчиком, выходы разрядов которого параллельно поданы на узлы умножения, параллельные выходы которых являются выходами полной системы п функций Уолша. Выход i-и функции Уолша had(i,r) генератора 10 подан на управляющие входы ключей 2,1, 3.1,А.1,5.1. При этом значению сигнала +1 функции had(i,r) соответствует нормальное положение ключей.
показанное на фиг,1, а значению сигнала -1 соответствует второе положение ключей.
В качестве регистратора 4 может быть использован любой аналоговый самописец на бумажную ленту, быстро - действие которого по переходному процессу удовлетворяет времени измерения, равного п тактам работы генератора функций Уолша. Это может быть, например, самописец типа КН1. Вместо регистратора 4 может быть использован также цифровой вольтметр с цифропечатью ипи перфорацией данных на бумажную ленту.
Принцип работы устройства заключается в следующем.
Пусть термопреобразователь 1 с постоянным погонным сопротивлением, соответствующий функции had(0,x) имеет погонное сопротивление г при
fn
нулевой те тературе и общее сопротивление R
oo
г
Z.
Погонное сопротивление г i-го термопреобразователя с переменным погонным сопротивлением при некоторо начальной температуре, например при О С, изменяется по длине х по закону
Г: (x) r +r had(i ,x)
где r.
- постоянная составляющая; Г| - амплитуда переменной составляющей, г 7 г had(i,x) had(i,x) - i-я функция Уолша-Ада- мара или другая двоичная функция Уолша.
Для полного сопротивления I-го термопреобразователя, длина которого равна Z при профиле температуры 9(х), можно записать
0 1/ с (I,x)l (1
+ oLG(x) dx Г гД UdG)x)dx +
Р + JQ (i,x) dx +d.
г « J Q(x)had(i,x) dx,(2)
% I rJI-t-oLG(x) dx
где d - температурный коэффициент
чувствительности. Первое слагаемое в выражении (2) равно сопротивлению R распределенного термопреобразователя с постоян- ным погонным сопротивлением г при
температуре
г
г Z+ dL г 0 Z где R,
R,« (l+d0)
(3)
CO - IP сопротивление этого термопреобразователя при температу- ре
Q - средняя температура по профилю 0 (х) на отрезке tO,z.
Второе слагаемое в выражении (2) равно нулю, поскольку функция had(i,x) ортогональна на отрезке 0,z. Последнее слагаемое в выражении (2) содержит информацию для ко- зффициента а . разложения пространст- 5 Генного профиля температуры в (х) по функции had(i,x), поскольку известно, что
0 (x)had(I,x)dx
Jo
0
5
:.ч.
(4)
из
Г 2
had (i,x) dx °z а
Учитывая, что f had (l,x)dx 1,
I Л I о
(5)
(4) получим . г
Г 0(x)had (i,x)dx
JQ
Учитьшая, что г, ляя выражения (З) и (5) (2), получим
a.z.
z и подстав- в вьфажение
25
30
R.
| в
+ olR
оЗ,
(6)
откуда
а. BiQi-Scoc R c
(,n-l), (7)
где R,g и R
tno
измеряемые сопротивления термопреобразователей,
постоянная, равная переменной составляющей г погонного сопротивления при нулевой температуре, умноженной на длину преобразователя.
Таким образом, выражение (7) дает коэффициент разложения а, профиля температуры 0(z) по i-и функции Уолша-Адамара had(i,x).
Для профиля температуры справедЛИБО
е(х) ,
1 0 X о, п-1.
had(i,х) ,
Подставляя выражение получим
у- had - Со
Q(x)
Е
R...
) had (i,x)
i o
Zi R,Qhad(i,x) -tOOCG
1--1
L ,
n-l
(9)
Поскольку Rgg had(0,x) RQ
had(i,x) 1.
Рассмотрим два последних слагаемых в выражении (9). Поскольку
и R,g R
ов
то запишем
с0 оа
rpZ(l + dLQ)-r z(l+dQ) ( rj )
(l+ol0 )
TgZ(1+dLO)
ЭО
R,
(10)
Из выражения (10) следует, что разность двух последних слагаемых равна сопротивлению распределенного термопреобразователя с постоянным погонным сопротивлением
г. + г.
(П)
Назовем зтот термопреобразователь эквивалентным. Этот термопреобраз тель используется вместо соответствующего had (0,х). Получим для профиля температуры
(х)
1
R
&о
R
1 0
, п-1,
19
had(i,x) - 35 (12)
При последовательном во времени восстановлении точек профиля температуры вместо пространственного аргумента X используется временной аргумент Т, Произведя замену х на t из выражения (12)
сГЙ ,,
- R,o , О, п-1.(13)
получим
и-1
)
R,ghad(i,) Из выражения (13) следует, что поскольку had(i,t) ±1, то для получения развернутого во времени профиля температуры 0 (t) с точностью
I
до постоянного множителя Гр- необходимо осуществить алгебраиче ское суммирование сопротивлений термопреобразователей от 1-го до (п-1)-го и эквивалентного термопреобразователя.
Устройство работает следующим образом.
Термопреобразователи, размещенные в среде йдоль траектории, на которой требуется измерить профиль температуры, воспринимают температуру, и их локальные сопротивления соответствуют профилю температуры, а интегральные сопротивления
R.(i-l, n-l) и ,воспринимаются дифференциальным усилителем 8.
жения, равный
Генератор Уолша циклически выра- батьгаает функции had(1,7) (фиг.За), которые поступают на управление ключами ,включающими термопреобразователи в цепь источника 7 тока при had(i, L) + 1 ив цепь источника 6 тока при had (1,7:) -1. При этом на входе дифференциального усилителя 8 образуется напряжение, равное разности сопротивлений термопреобразователей, подключенных к различным источникам тока (фиг.2в).
Поскольку токи I равны,сопротивление термопреобразователя 1„ равно RJ и остальных то на вход усилителя 4 поступает сигнал напряия, равный
и(Г) 1 Ц R,Qhad(i,t) ,
( 1
г О, п-1.
(14)
Подставляя значение выражения в- квадратных скобках из выражения (14) в формулу (13), получим (фиг.Зв):
O(L)
Ы R
и(г)
гт о
t О, п-1. Значением величины тока
(15)
5
0
и значением коэффициента усиления развязывающего усилителя устанавливается нормирующий множитель в выражении (15).
В результате на вход регистратора 5 поступает сигнал напряжения U() , в каждьш момент времени пропорциональный значению температуры в некоторой точке пространства, т.е. сигнал 6( 1Г), адекватный 0(х). Этот сигнал периодически повторяется. При 5 аналоговой регистрации сигнала 0(t), например, на бумажной ленте самописца будет осугцествляться сканирующая запись профиля в (х) . При этом предполагается, что за время п так7
тов профиль температуры (х) остается неизменным. Пространственное разрешение и точность восстановления исследуемого профиля температуры определяется числом проводных термопреобразователей .
При необходимости цифровой регистрации профиля выход дифференциального усилителя 4 подают на вход регистратора через аналого-цифровой преобразователь.
Формула изобретения
Устройство для измерения профиля температуры, содержащее п проводных термопреобразователей с переменным погонным сопротивлением, изменяющимся согласно п переменным функциям Уолша, проводной термопреобразователь с постоянным погонным сопротивлением коммутатор, два источника тока, дифференциальный усилитель и регистратор, отличающееся тем, что, с целью повьшения точности измерения и упрощения устройства путем сокращения числа вторичных измерительных и восстанавливающих преобразователей, в него введен генератор функций Уолша, а коммутатор снабжен п нормально замкнутыми, п нормально разомкнутыми и 2п переклю
8
чающими ключами, при этом термопреобразователь с постоянным погонным сопротивлением, равным разности постоянной и переменной составляющих погонных сопротивлений других термо - преобразователей, одним вьтодом соединен с общей шиной устройства, а вторым вьтодом через п последовательно включенных нормально замкнутых ключей коммутатора соединен с первым выводом первого источника тока и первым входом дифференциального усилителя, выход которого подключен к регистратору, а второй вход соединен с первым выходом второго источника тока и через п последовательно включенных нормально разомкнутых ключей коммутатора подключен к
общей шине, соединенной с вторыми вьшодами источников тока, вьшоды каждого i-ro термопреобразователя с переменным погонным сопротивлением через два i-х переключающих ключа
соединены соответственно с первьм и вторым выводами i-го нормально замкнутого и i -го нормально разомкнутого ключей, управляющие каждого i-ro нормально замкнутого,
i-ro нормально разомкнутого и соответствующих двух i-x переключающих ключей соединены с i-M выходом генератора функций Уолша.
Изобретение относится к температурным измерениям. Цель изобретения - повьшение точности измерения и упрощение устр-ва. Устройство содержит термопреобразователь 1 с постоянным погонным сопротивлением и п проводных термопреобразователей 1.1,...,1.п с переменным погонным сопротивлением, изменяющимся согласно п переменным функциям- Уолша, уложенных в общий жгут, включающий в себя 2п переключающих ключей 2.1,..., 2п,3.1,...,3.п,п нормально замкнутых ключей 4.1,...,4.п, п нормально разомкнутых ключей -5.1,.., 5.П, источники 6 и 7 тока, дифференциальный усилитель 8, регистратор 9 и генератор 10 функций Уолша. Введение новых элементов и образование новых связей между элементами устройства позволяет уменьшить число вторичных измерительных преобразователей и исключить блок восстановления. 3 ил. с (Л со 00 ot О5 00
