RU2751438C1 - Method for measuring spatial distribution of temperature and device for its implementation - Google Patents
Method for measuring spatial distribution of temperature and device for its implementation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2751438C1 RU2751438C1 RU2020141908A RU2020141908A RU2751438C1 RU 2751438 C1 RU2751438 C1 RU 2751438C1 RU 2020141908 A RU2020141908 A RU 2020141908A RU 2020141908 A RU2020141908 A RU 2020141908A RU 2751438 C1 RU2751438 C1 RU 2751438C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- temperature
- frequency
- distribution
- electrically conductive
- calculator
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01K7/00—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
- G01K7/32—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using change of resonant frequency of a crystal
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретения относятся к измерительной технике при измерении температуры на различных глубинах электропроводящих сред. Предлагаемые способ измерения пространственного распределения температуры и устройство для его осуществления могут быть использованы при производстве материалов и сплавов, в металлургии, в высокотемпературных камерах сгорания, при производстве датчиков температуры, для контроля температуры электропроводящих твёрдых объектов и жидкостей.The inventions relate to measuring technology for measuring temperature at various depths of electrically conductive media. The proposed method for measuring the spatial distribution of temperature and a device for its implementation can be used in the production of materials and alloys, in metallurgy, in high-temperature combustion chambers, in the production of temperature sensors, to control the temperature of electrically conductive solids and liquids.
Известен способ, реализующий устройство измерения пространственного распределения температуры (Патент RU (11) №2079822, опубликовано 1997, МПК G01K 7/00), основанный на измерении тока насыщения полупроводниковых термочувствительных элементов, размещенных в интересующих точках измерения температурного поля.There is a method that implements a device for measuring the spatial distribution of temperature (Patent RU (11) No. 2079822, published 1997, IPC G01K 7/00), based on measuring the saturation current of semiconductor temperature-sensitive elements located at the points of interest for measuring the temperature field.
Наиболее близким к предлагаемому способу пространственного распределения температуры является способ измерения пространственного распределения температуры (Патент RU (11) № 2206878, опубликовано 20.06.2003, МПК G01K 7/00) Известный способ заключается в измерении пространственного распределения температуры путем помещения в контролируемые точки N термочувствительных датчиков, соединенных параллельно двухпроводной линией, подачи на один из входов линии сигнала переменного напряжения и регистрации входного переменного тока I вх (t) двухпроводной линии, в качестве термочувствительных датчиков используют кварцевые пьезорезонансные датчики с различными резонансными частотами ω р1 , ω р2 , ... ω рi , ... ω рN , в качестве сигнала переменного напряжения, подаваемого на один из входов двухпроводной линии используют сигнал с частотной модуляцией в диапазоне резонансных частот пьезорезонансных датчиков, после регистрации входного переменного тока I вх (t) вычисляют его амплитудно-частотный спектр S(ω), осуществляют первое измерение резонансных частот кварцевых пьезорезонансных датчиков ω 0 р1 , ω 0 р2 , ... ω 0 рi , ... ω 0 р N, по положению максимумов амплитудно-частотного спектра S(щ), генерируют многочастотный сигнал, состоящий из N сигналов с девиацией частоты, в пределах диапазона температурного изменения резонансных частот датчиков ω 0 р1 , ω 0 р2 , ... ω 0 рi , ... ω 0 р i , который подают на один из входов двухпроводной линии, регистрируют входной переменный ток I вх (t) двухпроводной линии, вычисляют его амплитудно-частотный спектр S(ω), осуществляют второе измерение резонансных частот кварцевых пьезорезонансных датчиков ω T р1 , ω T р2 , ... ω T рi , ... ω T рN по положению максимумов амплитудно-частотного спектра S(ω), исходя из которых определяют искомую температуру в контролируемых точках по предварительно экспериментально найденным или теоретически известным зависимостям резонансной частоты кварцевых пьезорезонансных датчиков от температуры ω рi (t).The closest to the proposed method of spatial distribution of temperature is a method of measuring the spatial distribution of temperature (Patent RU (11) No. 2206878, published 20.06.2003, IPC G01K 7/00) The known method consists in measuring the spatial distribution of temperature by placing thermosensitive sensors at the controlled points N connected in parallel with a two-wire line, supplying an AC voltage signal to one of the inputs of the line and registering the input alternating current I in ( t ) of a two-wire line, quartz piezoresonance sensors with different resonant frequencies ω р1 , ω р2 , ... ω are used as temperature-sensitive sensors pi , ... ω pN , a frequency modulated signal in the resonant frequency range of piezoresonance sensors is used as an alternating voltage signal applied to one of the inputs of a two-wire line, after registering the input alternating current I in ( t ), its amplitude-frequency cn is calculated spectrum S (ω), carry out the first measurement of the resonant frequencies of quartz piezoresonance sensors ω 0 p1 , ω 0 p2 , ... ω 0 pi , ... ω 0 p N , according to the position of the maxima of the amplitude-frequency spectrum S (u), generate multifrequency signal, consisting of N signals with frequency deviation, within the range of temperature variation of the resonant frequencies of the sensors ω 0 p1 , ω 0 p2 , ... ω 0 pi , ... ω 0 p i , which is fed to one of the inputs of the two-wire line , register the input alternating current I in ( t ) of the two-wire line, calculate its amplitude-frequency spectrum S (ω), carry out the second measurement of the resonance frequencies of quartz piezoresonance sensors ω T р1 , ω T р2 , ... ω T рi , ... ω T рN according to the position of the maxima of the amplitude-frequency spectrum S (ω), based on which the desired temperature at the controlled points is determined according to the previously experimentally found or theoretically known dependences of the resonance frequency of quartz piezoresonance sensors on the temperature ω рi ( t ).
Наиболее близким к предлагаемому устройству измерения пространственного распределения температуры и для осуществления предлагаемого способа является устройство измерения пространственного распределения температуры (Патент RU (11) № 2206878, опубликовано 20.06.2003, МПК G01K 7/00 (2000.01)), которое содержит N термочувствительных датчиков, параллельно соединенных двухпроводной линией, соединенной с регистратором, который соединен с источником переменного напряжения, причем, в качестве термочувствительных датчиков использованы кварцевые пьезорезонансные датчики с различными резонансными частотами ω р1 , ω р2 , ... ω рi , ... ω рN , в качестве источника переменного напряжения использован генератор многочастотного сигнала, регистратор содержит последовательно соединенные схему согласования, регистратор амплитуды переменного тока, анализатор спектра, блок обработки и индикации, блок обработки и индикации соединен с генератором многочастотного сигналаClosest to the proposed device for measuring the spatial distribution of temperature and for implementing the proposed method is a device for measuring the spatial distribution of temperature (Patent RU (11) No. 2206878, published 20.06.2003, IPC G01K 7/00 (2000.01)), which contains N temperature-sensitive sensors, connected in parallel by a two-wire line connected to a recorder, which is connected to an alternating voltage source, and, as temperature-sensitive sensors, quartz piezoresonance sensors with different resonant frequencies ω р1 , ω р2 , ... ω рi , ... ω рN are used , as an alternating voltage source, a multifrequency signal generator is used, the recorder contains a series-connected matching circuit, an alternating current amplitude recorder, a spectrum analyzer, a processing and display unit, a processing and display unit is connected to a multifrequency signal generator
Основным недостатком указанного способа измерения пространственного распределения температуры и устройства для его осуществления, выбранных в качестве прототипов, является необходимость помещения пьезорезонансных датчиков непосредственно в область измерения, при этом тепловое распределение внутри объекта исследования вблизи температурных датчиков может искажаться и вносить погрешность в результаты измерения пространственного распределения температуры. В предлагаемом способе измерения данный недостаток отсутствует, так как термочувствительным элементом является непосредственно сам элемент объема исследуемого объекта. При этом его электрофизические и термочувствительные характеристики зависят только от материала объекта исследования и как следствие – такой способ измерения является неразрушающим методом измерения.The main disadvantage of this method for measuring the spatial temperature distribution and the device for its implementation, selected as prototypes, is the need to place piezoresonance sensors directly into the measurement area, while the thermal distribution inside the research object near the temperature sensors can be distorted and introduce an error in the results of measuring the spatial temperature distribution ... In the proposed method of measurement, this disadvantage is absent, since the temperature-sensitive element is directly the element of the volume of the investigated object. Moreover, its electrophysical and thermosensitive characteristics depend only on the material of the research object and, as a consequence, this measurement method is a non-destructive measurement method.
Техническая проблема заключается в создании способа измерения пространственного распределения температуры и устройства, для его осуществления которые позволяют осуществлять измерение распределения температуры по глубине объекта исследования.The technical problem lies in the creation of a method for measuring the spatial distribution of temperature and devices for its implementation, which make it possible to measure the temperature distribution over the depth of the object of study.
Техническим результатом в предлагаемых способе измерения пространственного распределения температуры и устройстве для его осуществления является возможность измерения распределения температуры по глубине электропроводящего объекта исследования.The technical result in the proposed method for measuring the spatial distribution of temperature and the device for its implementation is the ability to measure the temperature distribution over the depth of the electrically conductive object of study.
Технический результат в способе измерения пространственного распределения температуры, включающем подачу на исследуемый объект частотно-модулированного электрического тока в полосе частот, достигается тем, что на исследуемый электропроводящий объект через поверхностные электроды подают частотно-модулированный электрический ток с полосой частот ω min ≤ω≤ω max , где ω min - минимальная частота, ω max - максимальная частота, формируя тем самым скин-слой переменной толщины δ, проникающий на глубину δ min ≤δ≤δ max исследуемого объекта, где δ min - минимальная толщина скин-слоя, соответствующая частоте ω max , δ max - максимальная толщина скин-слоя, соответствующая частоте ω min , измеряют в полосе частот ω min ≤ω≤ω max частотную характеристику импеданса Z(jω), по которой определяют распределение удельной электрической проводимости по глубине σ(δ), и по найденному распределению σ(δ) и по предварительно экспериментально найденным или теоретически известным зависимостям электрической проводимости материала объекта исследования от температуры σ=f(T) судят о пространственном распределении температуры по глубине Т(δ) в исследуемом объекте. The technical result in a method for measuring the spatial distribution of temperature, including the supply of a frequency-modulated electric current to the object under study in a frequency band, is achieved by the fact that a frequency-modulated electric current with a frequency band of ω min ≤ ω ≤ ω max is supplied to the investigated conductive object through the surface electrodes , where ω min is the minimum frequency, ω max is the maximum frequency, thereby forming a skin layer of variable thickness δ, penetrating to a depth δ min ≤ δ ≤ δ max of the object under study, where δ min is the minimum skin layer thickness corresponding to the frequency ω max , δ max is the maximum thickness of the skin layer corresponding to the frequency ω min , the frequency characteristic of the impedance Z ( j ω) is measured in the frequency band ω min ≤ ω ≤ ω max , which is used to determine the distribution of electrical conductivity over the depth σ (δ) and according to the found distribution σ (δ) and according to the previously experimentally found or theoretically known dependences of the electric th conductivity of the material of the object of study on the temperature σ = f ( T ) is judged on the spatial distribution of temperature over the depth T (δ) in the object under study.
Технический результат в устройстве для измерения пространственного распределения температуры (для осуществления предлагаемого способа), содержащем генератор сигналов, соединенный с блоком обработки, достигается тем, что генератором сигналов является генератор сигналов с полосой частот ω min ≤ω≤ω max , где ω min - минимальная частота, ω max - максимальная частота, блоком обработки является вычислитель частотной характеристики импеданса Z(jω), выход генератора сигналов является выходом для соединения с электропроводящим исследуемым объектом с помощью первого электрода, а второй вход вычислителя частотной характеристики импеданса Z(jω) является входом для соединения с электропроводящим исследуемым объектом посредством второго электрода, выход вычислителя частотной характеристики импеданса Z(jω) соединен со входом вычислителя распределения удельной электрической проводимости σ(δ) и пространственного распределения температуры Т(δ).The technical result in a device for measuring the spatial distribution of temperature (for implementing the proposed method), containing a signal generator connected to the processing unit, is achieved by the fact that the signal generator is a signal generator with a frequency band ω min ≤ ω ≤ ω max , where ω min is the minimum frequency, ω max is the maximum frequency, the processing unit is the calculator of the frequency response of the impedance Z ( j ω), the output of the signal generator is the output for connection with the electrically conductive object under study using the first electrode, and the second input of the calculator of the frequency response of the impedance Z ( j ω) is an input for connection with an electrically conductive test object through a second electrode, the output of the calculator of the frequency response of the impedance Z ( j ω) is connected to the input of the calculator of the distribution of electrical conductivity σ (δ) and the spatial distribution of temperature T (δ).
На фиг.1 изображена структурная схема устройства для осуществления способа измерения пространственного распределения температуры с электропроводящим объектом исследования.Figure 1 shows a block diagram of a device for implementing a method for measuring the spatial distribution of temperature with an electrically conductive object of study.
На фиг. 2 приведена функциональная схема устройства, разъясняющая осуществление способа измерения пространственного распределения температуры по глубине с подключенным электропроводящим объектом исследования.FIG. 2 shows a functional diagram of the device, explaining the implementation of the method for measuring the spatial distribution of temperature in depth with a connected electrically conductive object of study.
На фиг. 3 приведена эквивалентная электрическая схема представления электропроводящего объекта исследования на основе А - матриц. FIG. 3 shows an equivalent electrical diagram of the representation of an electrically conductive research object based on A - matrices.
На фиг. 4 изображен алгоритм работы вычислителя распределения удельной электрической проводимости σ(δ) и пространственного распределения температуры Т(δ).FIG. 4 shows the algorithm of the calculator of the distribution of electrical conductivity σ (δ) and the spatial distribution of temperature T (δ).
Структурная схема устройства для осуществления способа измерения пространственного распределения температуры с электропроводящим объектом исследования, изображенная на фиг.1, включает: 1 - Генератор сигналов, 2 - Объект исследования, 3 - Первый электрод, 4 - Вычислитель частотной характеристики импеданса Z(jω), 5 - Второй электрод, 6 - Вычислитель распределения удельной электрической проводимости по глубине σ(δ) и пространственного распределения температуры Т(δ).The block diagram of a device for implementing a method for measuring the spatial distribution of temperature with an electrically conductive object of study, shown in Fig. 1, includes: 1 - Signal generator, 2 - Object of study, 3 - First electrode, 4 - Calculator of the frequency response of the impedance Z ( j ω), 5 - Second electrode, 6 - Calculator of the distribution of electrical conductivity in depth σ (δ) and the spatial distribution of temperature T (δ).
Функциональная схема устройства, разъясняющая осуществление способа измерения пространственного распределения температуры по глубине, приведенная на фиг. 2, включает: 1 - Генератор сигналов, 2 – Подключенный к схеме измерения электропроводящий объект исследования 2 со скин-слоем, 3 - Первый электрод, 4 - Вычислитель частотной характеристики импеданса Z(jω). 5 - Второй электрод, 6 - Вычислитель распределения удельной электрической проводимости по глубине σ(δ) и пространственного распределения температуры Т(δ).The functional diagram of the device, explaining the implementation of the method for measuring the spatial distribution of temperature in depth, shown in Fig. 2, includes: 1 - Signal generator, 2 - Electrically conductive object of study connected to the
В примере конкретной реализации устройство для измерения пространственного распределения температуры (для осуществления предлагаемого способа), представленного на фиг. 1, 2 содержит генератор сигналов 1 с полосой частот ω min ≤ω≤ω max , где ω min - минимальная частота, ω max - максимальная частота, выход генератора сигналов 1 соединен с электропроводящим исследуемым объектом 2, представленного на фиг. 3 в виде электрической схемы на основе А - матриц, с помощью первого электрода 3, и с вычислителем частотной характеристики импеданса Z(jω)4, выход генератора сигналов 1 также соединен со входом вычислителя частотной характеристики импеданса Z(jω) 4, второй вход которого соединен с электропроводящим исследуемым объектом 2 посредством второго электрода 5, выход вычислителя частотной характеристики импеданса Z(jω) 4 соединен со входом вычислителя распределения удельной электрической проводимости σ(δ) и пространственного распределения температуры Т(δ) 6.In an example of a specific implementation, the device for measuring the spatial distribution of temperature (for implementing the proposed method), shown in Fig. 1, 2 contains a
В примере конкретной реализации в качестве генератора сигналов 1 может быть использован стандартный высокочастотный генератор, например, высокочастотный генератор российского производства АКИП-3417, Г4-194 и др. В качестве вычислителя частотной характеристики импеданса Z(jω) 4 могут быть использованы векторные анализаторы импеданса, например, измеритель импеданса E4990A фирмы Keysight. В качестве вычислителя распределения удельной электрической проводимости σ(δ) и пространственного распределения температуры T(δ) 6 могут быть использованы ЭВМ или микроконтроллер с программой согласно алгоритму, приведенному на фиг.4. Объектом исследования может быть любой объект или конструкция, изготовленные из электропроводящего материала (металлы, сплавы, композиты из углеволокна и т.п.), в которых необходимо измерить или контролировать профиль температуры по глубине. Например, конструкция из легированной стали при аргоновой сварке либо при кузнечной (горновой) сварке давлением, в процессе которой необходимо точно контролировать температуру сварного шва.In the example of a particular implementation as the
На фиг. 3 изображена эквивалентная электрическая схема представления электропроводящего объекта исследования 2 на основе А - матриц. Схема содержит генератор сигналов 1, который подключен с помощью электродов 3 и 5 к объекту исследования 2. При подаче сигналов с частотой ω min ≤ω≤ω max в объекте исследования последовательно формируются N скин-слоёв, соответствующих частотам ω 1, ω 2, ω 3… ω N с толщиной д 1 , д 2 , д 3 ,…д N . с шагом Δδ FIG. 3 shows an equivalent electrical diagram of a representation of an electrically
, (1) , (1)
где N – необходимое количество точек измерения профиля температуры T(δ). В пределах Δδ каждый i-й элементарный участок можно представить в виде RL-цепи, представленных на схеме резисторами R i и индуктивностями L i (Фиг. 3), образующими резистивно-индуктивную RL-структуру с распределёнными параметрами. Сопротивление i-го элементарного участка цепи равно:whereN - the required number of points for measuring the temperature profileT(δ). Within Δδ, eachith elementary section can be represented asRL- circuits represented in the diagram by resistorsR i and inductancesL i (Fig. 3), forming a resistive-inductiveRL-structure with distributed parameters. Resistanceith elementary section of the chain is equal to:
, (2) , (2)
где – удельная электропроводность материала i-го участка объекта исследования, зависящая от температуры T, поперечное сечение элементарного участка, l – расстояние между электродами. Импеданс реактивной составляющей i-го участка равен:where -material conductivityi-th section of the object of study, depending on the temperatureT, cross-section of an elementary section,l - the distance between the electrodes. Reactive impedancei-th plot is equal to:
, (3) , (3)
где j – мнимая единица, – индуктивность i-го слоя материала объекта,
- реактивное сопротивление индуктивной составляющей. where j is the imaginary unit, Is the inductance of the i- th layer of the object material,
is the reactance of the inductive component.
Электрическая цепь на фиг 3. представляет собой цепь с распределёнными параметрами, в которых для металлических проводников [Л.А. Вайнштейн Электромагнитные волны. М.: Радио и связь, 1990г. – С. 94] The electrical circuit in Fig. 3. is a circuit with distributed parameters, in which for metal conductors [L.A. Weinstein Electromagnetic waves. M .: Radio and communication, 1990. - S. 94]
. (4) ... (4)
Для магнитных электропроводящих материалов с магнитной проницаемостью правая часть выражения (4) возрастает в раз.For magnetic conductive materials with magnetic permeability the right-hand side of expression (4) increases in once.
Каждый i-й элементарный участок схемы можно описать А-матрицей по формуле [Каганов З.Г. Электрические цепи с распределенными параметрами и цепные схемы. М.: Энергоатомиздат, 1990. – С. 25]Each i- th elementary section schemes can be described by the A-matrix according to the formula [Kaganov Z.G. Distributed electrical circuits and chain diagrams. M .: Energoatomizdat, 1990. - S. 25]
Результирующая матрица всей цепи описывается как произведение всех матриц А i Result matrix the whole chain is described as the product of all matrices А i
Из элементов результирующей матрицы можно определить входной импеданс [Каганов З.Г. Электрические цепи с распределенными параметрами и цепные схемы. М.: Энергоатомиздат, 1990. – С. 24] по формулеFrom the elements of the resulting matrix you can determine the input impedance [Kaganov ZG. Distributed electrical circuits and chain diagrams. M .: Energoatomizdat, 1990. - P. 24] according to the formula
где - волновое сопротивлениеwhere - wave impedance
Здесь индуктивность и сопротивление при однородном распределении температуры которые находятся из формулы (6) и (7) при предварительном калибровочном измерении.Here inductance and resistance with uniform temperature distribution which are found from formulas (6) and (7) during preliminary calibration measurement.
При произвольном распределении температуры по глубине электрическая проводимость меняется в соответствии с профилем температуры , так как электропроводность металлов и других проводящих материалов всегда зависит от температуры. With an arbitrary distribution of temperature along the depth electrical conductivity changes according to the temperature profile , since the electrical conductivity of metals and other conductive materials is always temperature dependent.
В случае, когда температура в объекте измерения постоянна по глубине , то удельная электропроводность материала объекта постоянна по глубине. Следовательно, все матрицы одинаковы и результирующая матрица цепи согласно (6) будет равна: In the case when the temperature in the object of measurement is constant along the depth , then the specific conductivity of the object material is constant in depth. Hence all matrices are the same and the resulting chain matrix according to (6) will be equal to:
. (9) ... (nine)
На максимальной частоте измерения глубина проникновения будет равна и результирующая матрица цепи будет равна матрице (фиг. 3).At maximum measurement frequency penetration depth will be equal to and the resulting chain matrix will be equal to the matrix (Fig. 3).
. (10) ... (10)
При частоте результирующая матрица цепи при глубине проникновения будет равна произведению двух первых матрицAt a frequency resulting matrix chains at penetration depth will be equal to the product of the first two matrices
(11) (eleven)
Тогда из данного выражения матрица будет равнаThen from this expression the matrix will be equal
, (12) , (12)
где обратная матрица .where inverse matrix ...
Таким образом, можно последовательно вычислить все матрицы от и их элементы для частот ω N , ω N -1, ω N -2… ω 1 в диапазоне частот отдо и определить значения и соответственно по формуле (2) для различных глубин. Thus, it is possible to sequentially calculate all matrices from and their elements for frequencies ω N , ω N -one, ω N -2 ... ω one in the frequency range frombefore and determine the values and correspondingly according to formula (2) for different depths.
Глубина проникновения δ электрического тока с частотой ω пропорциональна The penetration depth δ of an electric current with a frequency ω is proportional to
Чем меньше частота щ, тем на большую глубину проникает переменный ток. Например, согласно [Волин М.Л. Паразитные процессы в радиоэлектронной аппаратуре. Изд. 2-е перераб, и доп. М.: Радио и связь, 1981. – С. 65] для частот 100 Гц и 10 МГц толщина скин-слоя д для различных металлов различна и соответственно для меди составляет 6,6 мм и 0,02 мм, для алюминия - 8,5 мм и 0,025 мм, для различных марок стали – ориентировочно лежит в диапазоне от 1 мм до 0,002 мм. Если проводить измерение на N частотах ω 1 , ω 2 , ω 3 …ω N , то глубина проникновения в электропроводящий материал объекта будет равна соответственно δ 1 , δ 2 , δ δ 3 … δ N . Выбирая необходимый шаг по частоте Δω можно добиться необходимой пространственной разрешающей способности Δδ измерений профиля температуры T(δ). Оценку пространственной разрешающей способности можно получить как полный дифференциал из соотношения (13):The lower the frequency u, the deeper the alternating current penetrates. For example, according to [Volin M.L. Parasitic processes in electronic equipment. Ed. 2nd revision, and add. M .: Radio i svyaz, 1981. - P. 65] for frequencies of 100 Hz and 10 MHz, the thickness of the skin layer d for various metals is different and, accordingly, for copper is 6.6 mm and 0.02 mm, for aluminum - 8, 5 mm and 0.025 mm, for various grades of steel - roughly lies in the range from 1 mm to 0.002 mm. If you take a measurement onN frequencies ω one ,ω 2 ,ω 3 ...ω N , then the depth of penetration into the electrically conductive material of the object will be equal to δ one ,δ 2 , δ δ 3 ...δ N ... Choosing the required frequency step Δω, it is possible to achieve the required spatial resolution Δδ of temperature profile measurementsT(δ). An estimate of the spatial resolution can be obtained as a total differential from the relation (13):
Тогда необходимое количество точек измерения с заданной пространственной разрешающей способности будет равноThen the required number of measurement points with a given spatial resolution will be equal
где – максимальная толщина скин слоя на минимальной частоте
. Для постоянства разрешающей способности =const необходимо частоту ω i и переменный шаг по частоте выбирать из соотношений:where - maximum skin layer thickness at minimum frequency
... For consistent resolution = const necessary frequency ω i and variable frequency step choose from the ratios:
На фиг. 4 изображен алгоритм работы вычислителя удельной электрической проводимости σ(δ) и пространственного распределения температуры T(δ) 6. Он реализует расчет распределения по глубине δ удельной электрической проводимости σ(δ) и температуры T(δ) по измеренной частотной характеристике импеданса Z(jω) 4. Первой функцией данного алгоритма является считывание импеданса Z(jω) с вычислителя частотной характеристики импеданса 4. Далее вычисляются значения частот ω 1, ω 2, ω 3… ω N таким образом, чтобы согласно (15), (16), (17) толщины соответствующих скин-слоёв были кратны Δδ, 2Δδ ,3Δδ, … NΔδ . Далее рассчитываются значения элементов А 11, А 21, А 12, А 22. матрицы A 1 первого элемента структуры при частотах ω N . Затем последовательно вычисляются
А 1, А 2, А 3 … А N – матрицы структуры объекта исследования 2. В расчёте каждого A i элемента используется значение матрицы предыдущего A i -1 элемента. Далее вычисляется проводимость σ i скин-слоя Δδ i от элемента R i матрицы A i . Затем по найденным значениям σ i и известной зависимости σ=f(T). удельной электрической проводимости от температуры вычисляется распределение температуры Т(δ i ). Для наглядного отображения зависимости температуры по глубине предлагается графическое представление.FIG. 4 shows the algorithm of the calculator of the electrical conductivity σ (δ) and the spatial distribution of temperatureT(δ) 6. It realizes the calculation of the distribution over the depth δ of the electrical conductivity σ (δ) and temperatureT(δ) according to the measured frequency characteristic of the impedance Z (jω) 4. The first function of this algorithm is to read the impedance Z (jω) from the calculator of the frequency response of
BUT one, BUT 2, BUT 3 … BUT N - matrix of the structure of the
Рассмотрим осуществление предлагаемого способа измерения пространственного распределения температуры с помощью устройства для его осуществления, структурная схема которого изображена на фиг. 1. Вычислитель распределения удельной электрической проводимости σ(δ) и пространственного распределения температуры T(δ) 6 работает согласно алгоритму работы, приведенному на фиг. 4. Способ измерения пространственного распределения температуры заключается в том, что на исследуемый электропроводящий объект 2 подают с генератора сигналов 1 с помощью поверхностных электродов, в примере конкретной реализации посредством первого электрода 3, частотно-модулированный электрический ток с полосой частот ω min ≤ω≤ω max , где ω min - минимальная частота, ω max - максимальная частота, формируя тем самым скин-слой переменной толщины δ, проникающий на глубину δ min ≤δ≤δ max исследуемого объекта, где δ min - минимальная толщина скин-слоя, соответствующая частоте ω max , δ max - максимальная толщина скин-слоя, соответствующая частоте ω min . Далее, измеряют с помощью вычислителя частотной характеристики импеданса Z(jω) 4, на вход которого поступает сигнал с электропроводящего исследуемого объекта 2 посредством второго электрода 5 в полосе частот ω min ≤ω≤ω max частотную характеристику импеданса Z(jω). Далее, по ней с помощью вычислителя распределения удельной электрической проводимости σ(δ) и пространственного распределения температуры Т(δ) 6 определяют распределение удельной электрической проводимости по глубине σ(δ) и по найденному распределению σ(δ) и по предварительно экспериментально найденным или теоретически известным зависимостям электрической проводимости материала объекта исследования от температуры σ=f(T) судят о пространственном распределении температуры Т(δ) в исследуемом объекте. Consider the implementation of the proposed method for measuring the spatial distribution of temperature using a device for its implementation, the block diagram of which is shown in Fig. 1. The calculator of the distribution of electrical conductivity σ (δ) and the spatial distribution of temperature T (δ) 6 operates according to the operation algorithm shown in FIG. 4. A method for measuring the spatial distribution of temperature is that a frequency-modulated electric current with a frequency band ω min ≤ ω ≤ ω max , where ω min is the minimum frequency, ω max is the maximum frequency, thereby forming a skin layer of variable thickness δ, penetrating to a depth δ min ≤ δ ≤ δ max of the object under study, where δ min is the minimum skin layer thickness corresponding to the frequency ω max , δ max is the maximum skin layer thickness corresponding to the frequency ω min . Further, measured by calculating the frequency characteristic of the impedance Z (j ω) 4, in which the input signal from the electrically
Рассмотрим осуществление предлагаемого способа измерения пространственного распределения температуры по глубине. Решение данной задачи возможно при использовании известного физического эффекта - возникновения скин-слоя в поверхностном слое проводника при пропускании переменного тока высокой частоты . Суть эффекта заключается в оттеснении протекающего электрического тока проводника и, как следствие, зависимость его импеданса от частоты Consider the implementation of the proposed method for measuring the spatial distribution of temperature over depth. The solution to this problem is possible using a well-known physical effect - the appearance of a skin layer in the surface layer of a conductor when passing an alternating current of high frequency ... The essence of the effect is to push back the flowing electric current of the conductor and, as a consequence, the dependence of its impedance from frequency
(18) (18)
где – комплексное значение напряжения, – комплексное значение тока. Толщина скин-слоя δ является функцией частоты и уменьшается с ее повышением по выражению:where - complex voltage value, - complex value of the current. Skin thickness δ is a function of frequency and decreases with its increase in expression:
, (19) , (nineteen)
где у – удельная электрическая проводимость материала, µ - относительная магнитная проницаемость вещества, µ0 – магнитная постоянная, – угловая частота. Таким образом, подбирая частоту переменного тока, можно сформировать практически любую толщину δ скин-слоя, необходимую для зондирования глубинных электрических параметров материала. where y is the specific electrical conductivity of the material, µ is the relative magnetic permeability of the substance, µ 0 is the magnetic constant, - angular frequency. Thus, choosing the frequency alternating current, it is possible to form practically any thickness δ of the skin layer necessary for sounding the deep electrical parameters of the material.
По теоретически известным зависимостям электрической проводимости материала объекта исследования от температуры σ=f(T) [Справочник по электротехническим материалам / Под ред. Ю.В. Корицкого, В.В. Пасынкова, Б.М. Тареева. – М.: Энергоиздат, 1988. т.3. – C.239-289.] по найденному распределению проводимости определяют распределение температуры T(д) по глубине д. Для металлов и сплавов зависимость удельного сопротивления от температуры , как правило, является линейной и выражается формулой:According to the theoretically known dependences of the electrical conductivity of the material of the research object on the temperature σ= f(T) [Handbook of electrical materials / Ed. Yu.V. Koritsky, V.V. Pasynkova, B.M. Tareeva. - M .: Energoizdat, 1988.v.3. - C.239-289.] According to the found distribution of conductivity determine the temperature distributionT(d) in depth d...For metals and alloys, the dependence of the resistivity on temperatureis usually linear and expressed by the formula:
(20) (twenty)
где – удельное сопротивление материала при температуре , α - температурный коэффициент сопротивления материала. Следовательно, температуру T i каждого i-го слоя (i=1,2,3…N) можно определить по электропроводности из формулыwhere - material resistivity at temperature, α is the temperature coefficient of material resistance. Therefore, the temperatureT i of eachi-thlayer (i = 1,2,3 ... N) can be determined by electrical conductivity from the formula
(21) (21)
где - известная электропроводность материала объекта при температуре .where - known electrical conductivity of the object material at temperature ...
Подставляя в (21) найденное по приведённому алгоритму значение электропроводности, рассчитывается температура на глубине T i . Substituting in (21) the value of electrical conductivity found according to the above algorithm, the temperature at the depth T i is calculated.
Значение температурного коэффициента сопротивления α для неизвестного материала можно определить экспериментально по формуле (21) или другими известными методами.The value of the temperature coefficient of resistance α for an unknown material can be determined experimentally using formula (21) or other known methods.
По сравнению с прототипом в предлагаемых технических решениях в способе измерения пространственного распределения температуры и устройстве для его осуществления технический результат будет достигнут за счет того, что на исследуемый электропроводящий объект через поверхностные электроды подают частотно-модулированный электрический ток с полосой частот ωmin≤ω≤ωmax, где ωmin - минимальная частота, ωmax - максимальная частота, формируя тем самым скин-слой переменной толщины δ, проникающий на глубину δmin≤δ≤δmax исследуемого объекта, где δmin - минимальная толщина скин-слоя, соответствующая частоте ωmax, δmax - максимальная толщина скин-слоя, соответствующая частоте ωmin, измеряют в полосе частот ωmin≤ω≤ωmax частотную характеристику импеданса Z(jω), по которой определяют распределение удельной электрической проводимости по глубине σ(δ), и по найденному распределению σ(δ) и по предварительно экспериментально найденным или теоретически известным зависимостям электрической проводимости материала объекта исследования от температуры σ=f(T) судят о пространственном распределении температуры по глубине Т(δ) в исследуемом объекте. А в устройстве для реализации предложенного способа за счет того, что генератором сигналов является генератор сигналов с полосой частот ωmin≤ω≤ωmax, где ωmin - минимальная частота, ωmax - максимальная частота, блоком обработки является вычислитель частотной характеристики импеданса Z(jω), выход генератора сигналов является выходом для соединения с электропроводящим исследуемым объектом с помощью первого электрода, а второй вход вычислителя частотной характеристики импеданса Z(jω) является входом для соединения с электропроводящим исследуемым объектом посредством второго электрода, выход вычислителя частотной характеристики импеданса Z(jω) соединен со входом вычислителя распределения удельной электрической проводимости σ(δ) и пространственного распределения температуры Т(δ).Compared with the prototype in the proposed technical solutions in the method of measuring the spatial distribution of temperature and the device for its implementation, the technical result will be achieved due to the fact that a frequency-modulated electric current with a frequency band of ω min ≤ω≤ω is supplied to the investigated conductive object through the surface electrodes max , where ω min is the minimum frequency, ω max is the maximum frequency, thus forming a skin layer of variable thickness δ, penetrating to a depth δ min ≤ δ ≤ δ max of the object under study, where δ min is the minimum skin layer thickness corresponding to the frequency ω max , δ max - the maximum thickness of the skin layer, corresponding to the frequency ω min , is measured in the frequency band ω min ≤ ω ≤ ω max, the frequency characteristic of the impedance Z ( j ω), which determines the distribution of electrical conductivity in depth σ (δ) , and according to the found distribution σ (δ) and according to previously experimentally found or theoretically known dependences of the electric the conductivity of the material of the object under study on the temperature σ = f ( T ) is judged on the spatial distribution of temperature over the depth T (δ) in the object under study. And in the device for implementing the proposed method due to the fact that the signal generator is a signal generator with a frequency band ω min ≤ ω ≤ ω max , where ω min is the minimum frequency, ω max is the maximum frequency, the processing unit is the calculator of the frequency response of the impedance Z ( j ω), the output of the signal generator is the output for connection with the electrically conductive test object using the first electrode, and the second input of the calculator of the frequency response of the impedance Z ( j ω) is the input for connection with the electrically conductive test object through the second electrode, the output of the calculator of the frequency response of the impedance Z ( j ω) is connected to the input of the calculator of the distribution of electrical conductivity σ (δ) and the spatial distribution of temperature T (δ).
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020141908A RU2751438C1 (en) | 2020-12-18 | 2020-12-18 | Method for measuring spatial distribution of temperature and device for its implementation |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020141908A RU2751438C1 (en) | 2020-12-18 | 2020-12-18 | Method for measuring spatial distribution of temperature and device for its implementation |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2751438C1 true RU2751438C1 (en) | 2021-07-13 |
Family
ID=77020023
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2020141908A RU2751438C1 (en) | 2020-12-18 | 2020-12-18 | Method for measuring spatial distribution of temperature and device for its implementation |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2751438C1 (en) |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1177684A1 (en) * | 1983-05-20 | 1985-09-07 | Марийское специальное конструкторско-технологическое бюро торгового холодильного оборудования | Device for multipoint temperature measurement |
RU2079822C1 (en) * | 1994-10-11 | 1997-05-20 | Казанский государственный технический университет им.А.Н.Туполева | Device measuring spatial distribution of temperature |
RU2194956C1 (en) * | 2001-07-04 | 2002-12-20 | Открытое акционерное общество "Завод электроники и механики" | Procedure measuring spatial distribution of temperature ( versions ) and facility for its realization |
RU2206878C1 (en) * | 2001-10-01 | 2003-06-20 | ОАО Казанский вертолетный завод | Method measuring spatial distribution of temperature and device for its realization |
JP2011137738A (en) * | 2009-12-28 | 2011-07-14 | Fukuda Crystal Laboratory | Multipoint temperature measuring device |
RU2495390C1 (en) * | 2012-04-12 | 2013-10-10 | Артур Игоревич Гулин | Measuring temperature of average temperature of non-homogeneous medium, and device for its implementation |
JP2017166840A (en) * | 2016-03-14 | 2017-09-21 | シチズン時計株式会社 | Physical quantity sensor unit |
-
2020
- 2020-12-18 RU RU2020141908A patent/RU2751438C1/en active
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1177684A1 (en) * | 1983-05-20 | 1985-09-07 | Марийское специальное конструкторско-технологическое бюро торгового холодильного оборудования | Device for multipoint temperature measurement |
RU2079822C1 (en) * | 1994-10-11 | 1997-05-20 | Казанский государственный технический университет им.А.Н.Туполева | Device measuring spatial distribution of temperature |
RU2194956C1 (en) * | 2001-07-04 | 2002-12-20 | Открытое акционерное общество "Завод электроники и механики" | Procedure measuring spatial distribution of temperature ( versions ) and facility for its realization |
RU2206878C1 (en) * | 2001-10-01 | 2003-06-20 | ОАО Казанский вертолетный завод | Method measuring spatial distribution of temperature and device for its realization |
JP2011137738A (en) * | 2009-12-28 | 2011-07-14 | Fukuda Crystal Laboratory | Multipoint temperature measuring device |
RU2495390C1 (en) * | 2012-04-12 | 2013-10-10 | Артур Игоревич Гулин | Measuring temperature of average temperature of non-homogeneous medium, and device for its implementation |
JP2017166840A (en) * | 2016-03-14 | 2017-09-21 | シチズン時計株式会社 | Physical quantity sensor unit |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US9395250B2 (en) | Eddy current thermometer | |
CA2405077A1 (en) | Method and apparatus for investigating the wall of a borehole | |
US20070096724A1 (en) | Robust detection of strain with temperature correction | |
US20110128014A1 (en) | Position sensor | |
CN102692524B (en) | A kind of nano thermoelectric seebeck coefficient in-situ quantitative characterization device based on atomic force microscope | |
JP2018506038A (en) | Spectroscopic material analysis using multi-frequency inductive sensing | |
RU2751438C1 (en) | Method for measuring spatial distribution of temperature and device for its implementation | |
CA1143791A (en) | Hydrocarbon prospecting method and apparatus for the indirect detection of hydrocarbon reservoirs | |
CN102356296A (en) | A method and an apparatus for measuring thickness of a metal layer provided on a metal object | |
US3995213A (en) | Surface impedance tester | |
US6936158B2 (en) | Method and apparatus for measuring accumulated and instant rate of material loss or material gain | |
CN110220947A (en) | A kind of corrosive pipeline degree determines method | |
Roseberry et al. | A parallel-strip line for testing RF susceptibility | |
CN110133053A (en) | A kind of Metal pipeline corrosion monitoring method and system | |
Belloni et al. | On the experimental calibration of a potential drop system for crack length measurements in a compact tension specimen | |
US5091696A (en) | Metallic coating measuring method and apparatus | |
Lin et al. | Development of TDR penetrometer through theoretical and laboratory investigations: 2. Measurement of soil electrical conductivity | |
RU2787301C1 (en) | Method for determining unstationary heat flow | |
RU2787300C1 (en) | Increasing the speed of measurement of non-stationary heat flux in time. | |
US3624496A (en) | Method and apparatus for swept-frequency impedance measurements of welds | |
RU64755U1 (en) | DEVICE FOR NON-DESTRUCTIVE DETERMINATION OF MECHANICAL STRESSES IN THE SURFACE LAYER OF PRODUCTS OF METALS AND ALLOYS | |
EP1925905A1 (en) | Signal processing method and unit for a dimension-gauging system | |
Stadler et al. | Noise spectroscopy of resistive components at elevated temperature | |
Aykan | Calibration of circular loop antennas | |
EP3292559B1 (en) | Method, measurement probe and measurement system for determining plasma characteristics |