SU808872A1 - Устройство дл измерени температуры - Google Patents

Description

1

Изобрегение относитс  к температурным измерени м, а именно, к устройствам дл  измерени  температурных профилей и предназначено дл  использовани  в системах контрол  окружающей среды и технологических процессов.

Известно устройство дл  измерени  профил  температуры в жидких и газообразных средах, содержащее несколько точечных датчиков температуры, расположенных в узлах по граектсрии профил  Ij

Однако это устройство не обеспечивает высокой точности измерени  температуры , им невозможно осуществл ть пространственную фильтрацию существенно неоднородньрс температурных полей.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности  вл етс  стрсйство дл  измерени  температуры, содержащее распределенный термопреобразователь и регистратор 12. Это устройство обеспечивает высокую чувствительность и точность измерени  средней 1в объеме, температуры.

Его недостатком  вл етс  невозможность получени  температурного профил  по траектории Датчика, а также невозможность реализации с помощью датчика дру- гого пространственного фильтра, кроме фильтра скольз щего среднего при перемещении датчика в среде. Использование же в устройстве нескольких таких датчиков, последовательно размещенных на траектории профил , не обеспечивает высокой точности восстановлени  профил  температуры и выполнение фильтрации, а также усложн ет дистанционную аппаратуру.

Цель изобретени  - повыщение точности измерени  теИлпературного профил , а также расширение функциональных возможностей пространственной фильтрации температурного пол  непосредственно термопреобразователем .

Поставленна  цель достигаетс  тем, что а устройство введены последовательно включенные блок сьема сигнала, коммутатор , аналого-41ифровой преобразователь и блок восстановлени , 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 структурна  схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - график изменени  погонного сопротивлени  проводов термопреобразовател  -ао функци м тригонометрического р да Фурье; на фиг, 3 - то же, по функци м Уолша-Адамара; на фиг. . 4 - то же, по импульсным весовым функци м фильтров HtfaiuHX пространственных частот; на фиг. 5 - то же, по импульсным весовым функци м полосовых фильтров пространствен-. ных частот; на фиг. 6 - то же, по импульсным весовым функци м фильтров низких пространственных частот в многоканальном устройстве. Устройство дл  измерени  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 восстановлени  и ре гистратор 7. Блок восстановлени  включает в себ  источник 8 напр жени , стабилизаторы 9,1О,11 и 12 тока, посто нные резисторы 13,14,15 и 16, разв зывающие усилители 17, 18 и 19. В качестве стабилййзаторов тока могут использоватьс  посто нные резисторы с большим относительно проводных датчиков сопротивлением, или барретеры. В зависимости от -конкретной .реализации устройства источник 8 напр жени , а разв зывающие усилители 17, 18 и .19 могут быть п.осто нного 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 напр жени  так, что кажда  из пар образует мостовую схему, выходы которых через разв зьшающие усилители подключены ко входу коммутатора. Така  схема соедннени  проводных датчиков позвол ет по - лучагь сигнал, пропорциональный разности сопротивлений проводных датчиков термопреобразовател . Проводные датчики термо.преобразоваел  изготовлены так, что погонное сопотивление (Ом/м) -1 -датчика (i 1,...п ри некоторой начальной температуре QQ е  вл етс  посто нным по длине X , а ромодулировано и измен етс  по закону fUX) irti-SUx),i -i,.-, де Г(. - посто нна  роставл юща  погонного сопротивлени ; , - максимальна  ампли1 Да переменной составл ющей погонного сопротивлени ; Ч,-{Х) - 1 -а  функци , вид кoтqэoй зависит от целей измерени . Модул ци  погонного сопротивлени  может быть получена, например, за счет изменени  площади его поперечного сечени , изменени  удельного сопротивлени  материала провода или запараллеливанием проводов с одинаковым сечением. Погонное сопротивление Го(Х} первого проводного датчика посто нно по длине и roU)),) что эквивалентно его модул ции функцией (x )i. Погонное сопротивление последнего датчика посто нно по длине и равно: им(х) Гс() При линейной зависимости сопротивлени  датчика от температуры и отклонении температуры в точке X. от начальной на Q(X ) дл  погонного сопротивлени  первого , 1 -го и последнего датчиков справедливы выражени : о roq fMi(x.)l + o(QU) Untn-e(Q(x)l /Уу 11им10 ГсИ- -«-Ои)1 где Об - температурный коэффициент датчика . Интегральные сопротивлени  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 - средн   температура. Дл  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 измерени .

Устройство может использоватьс  дл  измерени  температурного профил  вдоль траектории расположени  чувствительного элемента в среде, а также дл  измеренв  пространственно отфильтрованных значений температуры в одной или нескольких точках среды.

Если целью измерени   вл етс  получение профил  температуры вдоль неподвижного чувствительного элемента, то в качестве { } используетс  система ортонормированных на отрезке to, Х1 функций, образующих базис обс бшенного р да 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) р да 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 сопротивлени  Rid может быть представлено в виде: ,v,.;,.q («)

Дл  коэффициентов di разложени  Q(К) в обобщенный р д Фурье справедливы выражени :

°Q .

йС-

(i)

04 Q- Ht-iiQ

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

При измерении профил  температуры устройство работает следующим образом. Под воздействием температуры среды Q ( X ) проводные датчики термопреобразовател  1 принимают сопротивление RfQ .в соответствии с зависимост ми (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 восстановлени  осу|ществл ет вычисление температуры по формуле (Ю), значенне которой фиксируетс  регистратором 7.

Если известно, что функци  Q(x)  вл ютс  периодичной и кусочно непрерывной на отрезкеЮ, X, то эффективное среднеквадратичное приближение может быть получено при использовании системы Тригонометрических функций р да Фурье. В этом случае используетс  (2п+ 2) датчиков, псэтонные сопротивлени  которых промодулированы по функци м {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 профил  температуры осу1аествл етс  по t 55 формуле

(V Ql)au.(a,-cos.,) получаемой из-(9), где коэффициенты (Ц, . bl определ ютс  по формулам (12) RfRf. при Ко , KI 1/2 {I 1„.И), RjQ Наиболее просто реализуютс  распределенные датчики с модул цией погонного сопротивлени  по системам функций Уол- ша, В этом случае модул ц-и  сопротивлени  может осуихествп тьс  простым запа- раллоливанием идентичных проводов. Из различных систем функций Уолша наиболее удобны те, в которых начальные функции сохран ютс  неизменными при произвольном увеличении пор дка. К ним относ тс  функции Уолша-А амара (fiad) и собственно Уолша. При использовании фун1щий Уолша-Ада мара (hQd(h|X )Jпогонные сопротивлени  датчиков выражаютс  зависимост ми (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 разр д двоичного представлени  точки X на интервале 10, Х. Дл  любых непрерывных профилей 9(Х) возможна модул ци  погонного сопротивлени  по функци м Хаара. При измерении, некоторых температурных пра|)илей в верхнем слое океана, типична  форма которых хорошо аппроксимируетс  малым числом членов некотсры полиномов, например, полиномов Лежанд- ра 1-го рода ,(Х) , целесообразно выполн ть модул цию датчиков по эги полиномам. Если целью измерени   вл етс  получение значени  температуры в некоторой точке пол  Хо причем эти значени  должны содержать только отфильтрованные заданным пространственным фильтром H i{С ) составл ющие исходного температурного пол  среды, то дл  1 -го датчика в качестве функции (Х ) принимают , нормированную импульсную весову функцию hi(K- XQ) заданного фильтра, причем где g ( X ) - импульсна  весова  функци  ISiwI модуль максимального значе ни . Из выражени  (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 измер емой температуры, a определ етс  только весовой функцией Hi(X ) заданного фильтра , т.е. конструктивными параметрами. Отфильтрованное значение температуры будет равно ) )qUo)dx ,jjj Из результатов измерени  сопротивлений : RiQ () Q температура определ етс  по формуле, 1 iQ-Hittvi)Q-Rvv,i ОС Таким образом, при измерении температуры возможно осуществл ть произвольную фильтрацию пространственных частот температуры датчиком, если сопротивление датчика промодулировать по нормированной импульсной весовой функции заданного фильтра. При реализации пр моугольного фильтра низких пространственных частот (ФНПЧ) нормированна  весова  функци  фильтра равна й н2ТГГИЛ-У.о) ЬДх-XoV 2КРПХ-Хо) где F« - пространственна  частота среза 1 -го фильтра. При реализации полосового пространственного фильтра нормированна  весова  функци  равна н;и-м- - о)). (20) 2irF iu-Xo) I FHU-HO) . о Если требуетс  измерить пространство отфильтрованные значени  температуры в точке XoQii(), (получить спектр), то использу  (И+1) распределенных датчиков , погонные сопротивлени  которых промодулированы по функци м :Г.,и) Гс+ ГжН-;(х-Хо) ги) hilx-Xo) U ) Гс h м (Х-А о) и+л1х) Гс . И(Х)- нормированна  весова  функ- , ци  фильтра. На фиг. 4 показаны графики модулирующих сопротивление датчиков функций

по выражению (19) дл  фильтра низких пространственных частот Вычига  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) дл  полосовых фильтров пространственных частот . В этом случае устройство  вл етс  анализатором амплитудного пространственного спектра температуры.

Во всех случа х вычисление отфильтрованных значений температуры Q(XQ) производитс  по формуле (18). Дл  получени  профил  отфильтрованных значений температуры Q(X), X € lOjЛ 1 вдоль линии X чувствительный элемент перемещают вдоль линии X.

Если требуетс  одновременно измерить пространственно отфильтрованные .значени  температуры (XO)B itl точках вдоль линии X, то в Многоканальном устрсЛйтве используетс  кц групп по И датчиков модулированными сопротивлени ми по функци м (фиг. 6 дл  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 -рассто ние

между точками определени  температуры по оси X. При этом вычисление температуры осуществл етс  по формуле:

.. ilQ tM+1)Q И1 : цI

,...П.

Дл  получени  непрерывных профилей отфильтрованной температуры Q|(X) чувствительный элемент необходимо сканировать вдоль оси X в пределах Д X. Устройство дл  измерени  температуры

обладает вьгсоким быстродействием, позвол ет с высокой точностью производить измерение температурного профил  среды, а также осуществл ть пространственную фильтрацию температурных полей.

Claims (2)

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

.

1.

x

/

тхв X

- je