Способ измерения показателя тепловой инерции термопреобразователя с частотным выходом Советский патент 1990 года по МПК G01K15/00 

Изобретение относится к электроизмерительной технике, а именно к теплотехническим измерениям, и может быть использовано при измерении по- катателяцтепловой энергии (ПТИ) термопреобразователей температуры (в лабораторных и заводских условиях).

Целью изобретения является повышение точности измерения путем сниже ния методических и инструментальных погрешностей измерения.

На Фиг. 1 представлена временная зависимость выходной частоты термопреобразователя в период регулярного теплового режима; на Лиг. 2 и 3 - зависимости составляющих погрешностей измерения ГТИ от соотношений

if /it

к и -- соответственно; на фиг. 4 t L

структурная схема устройства для реализации способа.

Способ осуществляют следующим образом.

Спустя некоторый промежуток времени , т.е. до момента окончания первого временного интервала, начинают подсчет числа N0 импульсов во втором временном интервале, равном по длительности первому:

ч+а Nft- I F(t) J exp (- I) I/ utN , ц. -ехр( -кг) ехр(- )

L,1/

(3)

Отношение числа импульсов N, зафиксированных счетчиком за первый промежуток времени, к числу импульсов NЈ, зафиксированных счетчиком за второй равньй ему промежуток времени, равно:

N t

N; ехр(}Отсюда определяют значение ПТИ контролируемого термопреобразователя:

1Г«

М1

In N,/Na

(4)

Изобретение относится к теплотехническим измерениям. Цель изобретения - повышение точности измерения путем снижения методических и инструментальных погрешностей измерения. В момент достижения выходным сигналом термопреобразователя (Т) 1 частоты настройки компаратора 2 на его первом выходе появляется импульс, поступающий на первый вход блока 5 измерения временного интервала. Начинается измерение временной задержки блоком 5 и подсчет числа импульсов, поступающих с выхода Т 1 на вход счетчика 3. Через некоторый промежуток времени начинается подсчет счетчиком 4 импульсов во втором временном интервале, который равен по длительности первому. Значение показателя тепловой инерции (ПТИ) Т 1 вычисляется по приведенной формуле. Результаты измерения числа импульсов в обоих временных интервалах и значение ПТИ с выходов счетчиков 3 и 4 и блока 5 измерения временного интервала выводятся на блок 6 в цифровой индикации для вычисления ПТИ контролируемого Т 1. 4 ил.

Пусть выходная частота F(t) термопреобразователя в регулярном тепловом режиме изменяется по экспоненциальному закону, допустим по затухающей экспоненте вида (фиг. 1)

F(t)F0- exp(- f),

(О

э

где F0 - значение частоты термопреобразователя в момент нача- ла счета импульсов t0; - измеряемое значение ПТИ термопреобразователя .

Стационарное значение выходной частоты преобразователя в установив шемся режиме, как не содержащее информации с ПТИ, не учитывают, так как средства цифровой измерительной техники позволяют просто осуществить измерение значения приращения частоты, вызванного скачкообразным температурным воздействием на термопреобразователь.

Осуществляя интегрирование выходной частоты термопреобразователя, например, с помощью счетчика импульсов, на протяжении некоторого промежутка времени At, получают число импульсов, зафиксированное счетчиком:

N - 1 F(t) J exp( ,c-) l

3

t АЦ -ехр(- -,Ј).

(2)

30

40

35 ьав, в,

55

3 50

В реальных условиях измерения ПТИ вследствие неизбежных погрешностей квантования и дискретизации выходного сигнала термопреобразователя, влияния шумов и помех, а также инструментальных погрешностей измерительных приборов, косящих случайный характер, подсчет числа импульсов N, и NC сопровождается некоторой абсолютной погрешностью измерения ДЫ.

Дадим оценку среднеквадратичной погрешности измерения Ј вследствие влияния погрешностей измерения NI и NЈ. При этом полагаем, что определяющее влияние на результат измерения оказывает погрешность UN, а погрешностью измерения временной задержки У можно пренебречь, так как совмещенные средства измерения временных промежутков позволяют осуществить эту операцию с высокой точностью.

Расчеты показывают, что относительная среднеквадратическая погрешность измерения ПТИ равна:

« ,f(J), (5)

где fit - абсолютная среднеквадратичная погрешность измерения 1;

t aN

°t4 относительная погрешность

N

измерения числа импульсов N,;

Ј()

L2ic1+exp

- коэффициент

4Vc

зависящий от соотношения Ч и Ј.

if Из зависимости f(w) (Лиг. 2)

Lвидно, что значение Функции имеет нечетко выраженный минимум в области значений , т.е. минимальное значение коэффициента fHUH()2,88 достигается при соотношении Ј. Это означает, что для обеспечения минимально возможной погрешности измеi

рения.

Ъ

момент начала отсчета второго интервала времени t0 длительностью

At должен быть смещен по отношению к моменту начала отсчета первого интервала на время, равное Ј. Поскольку значение Јг является измеряемым и оно априори не известно, отсчет второго временного интервала следует начинать с момента tD, когда выходное значение частоты термопреобразователя достигает уровня F , составляющего примерно 0,4 от первоначального значения FC, в момент времени t0 начала отсчета первого интервала.

Относительную погрешность измерения 5NI можно также снизить путем рационального выбора времени ut подсчета числа импульсов.

Действительно

L UN-f/ДЦ &N

VU.-,-«.Wte- - -. MV .

FotD-expC- iЈ)l

f(i-)

F01

На фиг. З приведен график зависимости f(), откуда видно, что при

% -2...3 коэффициент f() отличает- ьt.

ся от минимально возможного значения fwtjH() l не более чем на 10%. Следовательно, длительность промежутка подсчета числа импульсов ut нецелесообразно выбирать более (2,..3)t, так как это не приводит к дальнейшему снижении погрешности $н , а лить увеличивает время процесса измерения.

Таким образом, лишь при -v 2...3

.

т.е. когда временные промежутки, в которых происходит подсчет числа импульсов выходной частоты термопреобразователя, перекрываются,

14866

могут быть достигнуты минимально возможные значения коэффициентов, входящих в выражение для относитель, ной погрешности измерения 8F, и обеспечена максимальная точность измерения значения ПТИ. Следовательно, минимальная погрешность измерения будет обеспечена, если длительность вала bt подсчета числа импульсов N/ и Ме равна (2...3)Т (что соответствует моменту достижения выходной частотой значения примерно 0,1 F0), а сдвиг момента начала второго вре}5 менного интервала по отношению к первому равен /с(что соответствует моменту достижения выходной частотой значения примерно 0,4 F0).

Следует отметить, что вследствие

размытости области минимума коэффиf(-rc-), задание уров5

циентов f(к)

ней отсчета временных интервалов F0 и FI не критично по отношению к ус- 5 ловням обеспечения минимальной погрешности измерения. Однако измерение значения временного сдвига Ч7 при этом должно быть выполнено с надлежащей точностью.

0 |

Следовательно, предлагаемый способ измерения ПТИ термопреобразователя с частотным выводом позволяет не менее чем на 50% повысить точность измерения по сравнению с известным при использовании одних и тех же измерительных средств.

Способ измерения ПТИ может быть реализован с помощью устройства , выполненного по структурной схеме, представленной на йиг. 4.

Устройство для исследования термопреобразователя I содержит блок 2 частотных дискриминаторов, счетчики

с 3 и 4 импульсов, блок 5 измерения временного интервала и блок 6«цифровой индикации. При этом частотный выход термопреобразователя 1 соединен с блоком 2 частотных дискрими0 наторов и со счетными входами счетчиков 3 и 4, первый и третий выходы блока 2 частотных дискриминаторов соединены раздельно с входами блока 5 измерения временного интервала и

5 входами Пуск счетчиков 3 и 4, а второй и четвертый выходы блока 2 частотных дискриминаторов подключены раздельно к входам Стоп обоих счетчиков импульсов. Выходы блока 5

0

и счетчиков 3 и 4 подсоединены к входу блока 6 цифровой индикации. Блок 2 частотных дискриминаторов состоит из четырех компараторов, настроенных на частоты соответственно F0, ,4 Fot ,1. FO и ,04 F0 , на выходе которых появляется сигнал логической единицы в момент достижения выходным сигналом термопреобразователя соответствующей частоты настройки.

Устройство работает следующим образом.

В период регулярного теплового р жима в момент достижения выходным,- сигналом F(t) термопреобразователя 1 частоты F0 настройки первого частотного компаратора блока 2 на его первом выходе появляется импульс, поступающий на первый вход блока 5 измерения временного интервала и на вход Пуск счетчика 3. Начинается измерение времени задержки Ч блоком 5 и подсчет числа импульсов N{, поступающих с выхода термопреобразователя 1 на счетный вход счетчика 3.

В момент достижения выходным сигналом F(t) значения F9 на третье выходе блока 2 появляется импульс, поступающий на второй вход блока 5 измерения временного интервала и на вход Пуск счетчика 4. В этот момент прекращается измерение промежутка времени- блоком 5 и начинается счет счетчиком 4 числа импульсов Ng, поступающих на его счетный вход

Подсчет числа импульсов N счетчиком 3 прекращается в момент достижения выходной частбтой термопреобр зователя 1 значения Y4, о чем сигнализирует появление сигнала на втором выходе блока 2, поступающего на вход Стоп счетчика 3. Аналогично при достижении частотой F(t) значения F( на четвертом выходе блока 2 появляется импульс, поступающий на вход Стоп счетчика 4, прекращающий поступление на него импульсов с выхода термопреобразователя 1.

Результаты измерения N, N,j и с выходов счетчиков 3 и 4 блока 5 в

0

5

0

5

водятся на блок 6 цифровой индикации и затем используются для вычисления значения ПТИ контролируемого термо- преобразователя.

Формула изобретения

Способ измерения показателя тепловой инерции термопреобразователя с частотным выходом, заключающийся в подсчете числа выходных импульсов термопреобразователя в двух равных интервалах времени в период регулярного теплового режима и последующем вычислении показателя тепловой инерции по расчетной Лормуле, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения путем снижения методической и инструментальной погрешности, подсчет числа импульсов производят в двух перекрещивающихся временных интервалах, первый из которых задают с момента начала подсчета импульсов до момента достижения выходным сигналом термопреобразователя значения, равного 0,08-0,15 от начального значения сигнала в момент начала счета импульсов, а второй промежуток времени формируют с момента достижения выходным сигналом уровня, равного 0,35- 0,45 от начального значения сигнала в момент начала счета импульсов первого временного интервала, измеряют время задержки второго временного интервала по отношению к первому, а

Формуле

значение показателя тепловой инерции термопреобразователя вычисляют по

t

ле

Ч In

где

Ј Формуле

показатель тепловой инерции , термопреобразователя; if - время задержки второго временного интервала по отношению к первому; N и - число выходных импульсов

термопреобразователя за первый и второй интервалы времени соответственно.

j2 гпсь

Л о1 s Ј о с 9 г о г s i ol s o о

X

I tnQ

О 0,5 1,0

W

50 М

т