Устройство для измерения температуры Советский патент 1981 года по МПК G01K7/00 

1

Изобрегение относится к температурным измерениям, а именно, к устройствам для измерения температурных профилей и предназначено для использования в системах контроля окружающей среды и технологических процессов.

Известно устройство для измерения профиля температуры в жидких и газообразных средах, содержащее несколько точечных датчиков температуры, расположенных в узлах по граектсрии профиля Ij

Однако это устройство не обеспечивает высокой точности измерения температуры, им невозможно осуществлять пространственную фильтрацию существенно неоднородньрс температурных полей.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является стрсйство для измерения температуры, содержащее распределенный термопреобразователь и регистратор 12. Это устройство обеспечивает высокую чувствительность и точность измерения средней 1в объеме, температуры.

Его недостатком является невозможность получения температурного профиля по траектории Датчика, а также невозможность реализации с помощью датчика дру- гого пространственного фильтра, кроме фильтра скользящего среднего при перемещении датчика в среде. Использование же в устройстве нескольких таких датчиков, последовательно размещенных на траектории профиля, не обеспечивает высокой точности восстановления профиля температуры и выполнение фильтрации, а также усложняет дистанционную аппаратуру.

Цель изобретения - повыщение точности измерения теИлпературного профиля, а также расширение функциональных возможностей пространственной фильтрации температурного поля непосредственно термопреобразователем.

Поставленная цель достигается тем, что а устройство введены последовательно включенные блок сьема сигнала, коммутатор, аналого-41ифровой преобразователь и блок восстановления, выход которого соединен с регистром, причем гермопреобразовагель выполнен в виде жгуга из нескольких проводов с различным по длине провода погонным сопротивлением, одни концы которых соединены между собой к совместно с другими концами подключены ко входам блокаСьема сигнала. На фиг, 1 изображена структурная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - график изменения погонного сопротивления проводов термопреобразователя -ао функциям тригонометрического ряда Фурье; на фиг, 3 - то же, по функциям Уолша-Адамара; на фиг. . 4 - то же, по импульсным весовым функциям фильтров HtfaiuHX пространственных частот; на фиг. 5 - то же, по импульсным весовым функциям полосовых фильтров пространствен-. ных частот; на фиг. 6 - то же, по импульсным весовым функциям фильтров низких пространственных частот в многоканальном устройстве. Устройство для измерения температуры содержит гермопреобразователь 1, вы полненный в виде жгута на п +2 проводов (проводимых датчиков),одни концы которых соединены через провод 2, а дру гие концы непосредственно подключены к блоку 3 сьема сигналов, выходы которого через коммутатор 4 подключены к ана лого цифровому преобразователю 5, соеди ненному с блоком 6 восстановления и ре гистратор 7. Блок восстановления включает в себя источник 8 напряжения, стабилизаторы 9,1О,11 и 12 тока, постоянные резисторы 13,14,15 и 16, развязывающие усилители 17, 18 и 19. В качестве стабилййзаторов тока могут использоваться постоянные резисторы с большим относительно проводных датчиков сопротивлением, или барретеры. В зависимости от -конкретной .реализации устройства источник 8 напряжения, а развязывающие усилители 17, 18 и .19 могут быть п.остоянного или переменного тока. Каждый из проводных датчиков образует последовательную цепь с одним . из резисторов и стабилизатсров тока. Eic эти цепи параллельно через провод 2 пошшючены к выходу источника 8 напряжения так, что каждая из пар образует мостовую схему, выходы которых через развязьшающие усилители подключены ко входу коммутатора. Такая схема соедннения проводных датчиков позволяет по - лучагь сигнал, пропорциональный разности сопротивлений проводных датчиков термопреобразователя. Проводные датчики термо.преобразоваеля изготовлены так, что погонное сопотивление (Ом/м) -1 -датчика (i 1,...п ри некоторой начальной температуре QQ е является постоянным по длине X , а ромодулировано и изменяется по закону fUX) irti-SUx),i -i,.-, де Г(. - постоянная роставляющая погонного сопротивления; , - максимальная ампли1 Да переменной составляющей погонного сопротивления;Ч,-{Х) - 1 -ая функция, вид кoтqэoй зависит от целей измерения. Модуляция погонного сопротивления может быть получена, например, за счет изменения площади его поперечного сечения, изменения удельного сопротивления материала провода или запараллеливанием проводов с одинаковым сечением. Погонное сопротивление Го(Х} первого проводного датчика постоянно по длине и roU)),) что эквивалентно его модуляции функцией (x )i. Погонное сопротивление последнего датчика постоянно по длине и равно: им(х) Гс() При линейной зависимости сопротивления датчика от температуры и отклонении температуры в точке X. от начальной на Q(X ) для погонного сопротивления первого, 1 -го и последнего датчиков справедливы выражения: о roq fMi(x.)l + o(QU) Untn-e(Q(x)l /Уу 11им10 ГсИ- -«-Ои)1 где Об - температурный коэффициент датчика. Интегральные сопротивления датчиков соогветственно равны: T oQ«|rK,ln-ecg(,Qx ),/с) RIQ -Iri-QlKJdX. IП 1Х) 11 f OCQU) 1, i 0,... и (б) T h iJrcU-KXQCxlJdx,

где X - длина дат чика;

Q - средняя температура. Для соаротнвлений проводных чиков справедливо вьфажение:

hrc i l)И + XQ)Jd) Т(„,) о

fvpi-U) o( {4i(n)Q(K)dx. (S

4- r

Выбор системы модулирующих функций ) зависит от цели измерения.

Устройство может использоваться для измерения температурного профиля вдоль траектории расположения чувствительного элемента в среде, а также для измеренвя пространственно отфильтрованных значений температуры в одной или нескольких точках среды.

Если целью измерения является получение профиля температуры вдоль неподвижного чувствительного элемента, то в качестве { } используется система ортонормированных на отрезке to, Х1 функций, образующих базис обс бшенного ряда Фурье. В этом случае в выражении (8)

Im FfilujdK-O, 1,...Ц} о

поскольку функции S i ( X) ортогональны на отрезке to, X , аi

,)Q(x)dx Кi гжосхаи Г

- нормирующий множитель}

К Qi - коэффициент обобщеннотч) ряда Фурье, аппроксимирующего температурный профиль выражением

QU)wi: aivpiC)

iO

Поскольку коэффициенты dj , определенные tp вьцэажению

}

C(4 (Q)

обеспечивают наилучшее по среднёк&адративной погрешности приближение в выраж нии (9 ), значение сопротивления Rid может быть представлено в виде: ,v,.;,.q («)

Для коэффициентов di разложения Q(К) в обобщенный ряд Фурье справедливы выражения:

°Q .

йС-

(i)

04 Q- Ht-iiQ

где 1 1,..ц; Hiti 2niX-Ko KI -нормирующие мйожители зависящие от вида функции (Х).

При измерении профиля температуры устройство работает следующим образом. Под воздействием температуры среды Q ( X ) проводные датчики термопреобразователя 1 принимают сопротивление RfQ .в соответствии с зависимостями (5), (7), (11). Блсж 3 сьема сигнала обеспечивает получение/сигналов пропс циональных разности сопротивлений проводных датчиков в соответствии с формулами (12), аналого-цифровой преобразователь преобразует эти сигналы Б цифровой код, блок 6 восстановления осу|ществляет вычисление температуры по формуле (Ю), значенне которой фиксируется регистратором 7.

Если известно, что функция Q(x) являются периодичной и кусочно непрерывной на отрезкеЮ, X, то эффективное среднеквадратичное приближение может быть получено при использовании системы Тригонометрических функций ряда Фурье. В этом случае используется (2п+ 2) датчиков, псэтонные сопротивления которых промодулированы по функциям {фиг.2)

о()Г«, I

П 1 Тс ГжСОЗ X

40

iVj-b -iw H- x

(ib)

, / rc1-r,T,..

Г„,и)-Гс

В этом случае , вычисление температуры профиля температуры осу1аествляется по t 55 формуле

(V Ql)au.(a,-cos.,) получаемой из-(9), где коэффициенты (Ц, . bl определяются по формулам (12) RfRf. при Ко , KI 1/2 {I 1„.И), RjQ Наиболее просто реализуются распределенные датчики с модуляцией погонного сопротивления по системам функций Уол- ша, В этом случае модуляц-ия сопротивления может осуихествпяться простым запа- раллоливанием идентичных проводов. Из различных систем функций Уолша наиболее удобны те, в которых начальные функции сохраняются неизменными при произвольном увеличении порядка. К ним относятся функции Уолша-Аяамара (fiad) и собственно Уолша. При использовании фун1щий Уолша-Ада мара (hQd(h|X )Jпогонные сопротивления датчиков выражаются зависимостями (фиг.З) roU) (0,)) , . i V , R, (X)rc4-r had (h,x), 1-де bad.n lcosrXi I hi- номер функции Уолша-Адамара, Xi 0,3j i -ЫЙ разряд двоичного представления точки X на интервале 10, Х. Для любых непрерывных профилей 9(Х) возможна модуляция погонного сопротивления по функциям Хаара. При измерении, некоторых температурных пра|)илей в верхнем слое океана, типичная форма которых хорошо аппроксимируется малым числом членов некотсры полиномов, например, полиномов Лежанд- ра 1-го рода ,(Х) , целесообразно выполнять модуляцию датчиков по эги полиномам. Если целью измерения является получение значения температуры в некоторой точке поля Хо причем эти значения должны содержать только отфильтрованные заданным пространственным фильтром H i{С ) составляющие исходного температурного поля среды, то для 1 -го датчика в качестве функции (Х ) принимают, нормированную импульсную весову функцию hi(K- XQ) заданного фильтра, причем где g ( X ) - импульсная весовая функция ISiwI модуль максимального значе ния. Из выражения (8) получим iq «(h-h-llG( и )d4tdrrHf hiU-Xo)Q(x)(i€) 28 Член rHi|H;(x-)(o),«coMSt , (так как он не зависит от измеряемой температуры, a определяется только весовой функцией Hi(X ) заданного фильтра, т.е. конструктивными параметрами. Отфильтрованное значение температуры будет равно ) )qUo)dx ,jjj Из результатов измерения сопротивлений : RiQ () Q температура определяется по формуле, 1 iQ-Hittvi)Q-Rvv,i ОС Таким образом, при измерении температуры возможно осуществлять произвольную фильтрацию пространственных частот температуры датчиком, если сопротивление датчика промодулировать по нормированной импульсной весовой функции заданного фильтра. При реализации прямоугольного фильтра низких пространственных частот (ФНПЧ) нормированная весовая функция фильтра равна й н2ТГГИЛ-У.о) ЬДх-XoV 2КРПХ-Хо) где F« - пространственная частота среза 1 -го фильтра. При реализации полосового пространственного фильтра нормированная весовая функция равна н;и-м- - о)). (20) 2irF iu-Xo) I FHU-HO) .о Если требуется измерить пространство отфильтрованные значения температуры в точке XoQii(), (получить спектр), то используя (И+1) распределенных датчиков, погонные сопротивления которых промодулированы по функциям :Г.,и) Гс+ ГжН-;(х-Хо) ги) hilx-Xo) U ) Гс h м (Х-А о) и+л1х) Гс . И(Х)- нормированная весовая функ- , ция фильтра. На фиг. 4 показаны графики модулирующих сопротивление датчиков функций

по выражению (19) для фильтра низких пространственных частот Вычигая попарно сигналы с Бьгходов таких датчиков, можно получить широкий набор сигнал.ов, отфильтрованных в определенных noaoceix.

На фиг, 5 показаны графижи модулирующих функций по выражению (2О) для полосовых фильтров пространственных частот. В этом случае устройство является анализатором амплитудного пространственного спектра температуры.

Во всех случаях вычисление отфильтрованных значений температуры Q(XQ) производится по формуле (18). Для получения профиля отфильтрованных значений температуры Q(X), X € lOjЛ 1 вдоль линии X чувствительный элемент перемещают вдоль линии X.

Если требуется одновременно измерить пространственно отфильтрованные .значения температуры (XO)B itl точках вдоль линии X, то в Многоканальном устрсЛйтве используется кц групп по И датчиков модулированными сопротивлениями по функциям (фиг. 6 для ФНПЧ): . ic f .) ; ) rc-t-r fij x-AX)} (22)

f nUy-Гс Ги hntX-AR)j fia4 4c + ,hilX- AX)

ji4x)-r-c + Hitx-j дх)

где f -1,... И, ,...Hi; ЛХ -расстояние

между точками определения температуры по оси X. При этом вычисление температуры осуществляется по формуле:

.. ilQ tM+1)Q И1 : цI

,...П.

Для получения непрерывных профилей отфильтрованной температуры Q|(X) чувствительный элемент необходимо сканировать вдоль оси X в пределах Д X. Устройство для измерения температуры

обладает вьгсоким быстродействием, позволяет с высокой точностью производить измерение температурного профиля среды, а также осуществлять пространственную фильтрацию температурных полей.

Формула изобретения.

Устройство для измерения температуры, содержащее распределенный термопреобразовагель и регистратор, о т л и ч а ю- . щ е е с я тем, что, с целью повышения . , точности измерения температурнсио профиля, в него введены последовательно включенные блок сьема сигнала, KOMMyraropj; аналого-41ифровой преобразователь и блок восстановления, выход которого соединен с регистратором, причем термопреобразователь выполнен в виде жгута из нескольких проводов с различным по длине провода noroHHbnvf сопротивлением, одни концы которысх соединены между собой и совместно с другими концами подключены

ко входам блока сьема сигнала.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Авторское свидетельство СССР № 139105, кл. Gj 01 К 3/О2, 7/О2,

,19.09.60..

2.Авторское свидетельство СССР № 238823, кл. Q О1 К 7/16, 17.О4.67 (прототип).

t 1 Г

71 /. /

п

п

:

о

1 L

П

и т

«4

п

п «I ,C -m-IГП Г c -I+-I-1 «VT (риг.З

;r

fnti

1 tZ i

- члх/ч/vv iX Ял

I;.

Л.

С

IWUM

/f

B M/t/Wwi -Vml

Or

ч.-ч/ ч/ИАА/Ч/Ч

Л2

Хв

Хв (рие.5

.

x

/

тхв X

- je