УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ, НАХОДЯЩЕЙСЯ ПОД ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ НАПРЯЖЕНИЕМ
DEVICE FOR MEASUREMENT OF TEMPERATURE OF SURFACE UNDER ELECTRIC VOLTAGE

Изобретение относится к области измерения температуры. Устройство позволяет осуществлять измерение температуры поверхностей, находящихся под электрическим напряжением, например температуру токоведущих шин и контактных соединений.
Известно устройство для измерения температуры поверхности, находящейся под электрическим напряжением (патент РФ №2337335, G01K 7/02, 04.04.2007 г.). В устройстве используется металлический корпус в виде подложки (пластины) с бортиками по периметру, имеющей квадратную форму и аналогичную по форме и виду фарфоровую крышку, между которыми уложены пластины из слюды. Между пластинами размещен термистор, выводы которого подключены к прибору, регистрирующему температуру.
Недостатками приведенного выше устройства являются: возможность пробоя высокого напряжения по поверхности конструкции в измерительную цепь устройства, отсутствие непосредственного теплового контакта между поверхностью и датчиком, что приводит к большой инерционности (запаздыванию) измерений температуры.
Хорошо известен класс измерителей температуры пирометрического типа. Преимуществами пирометрических методов измерения температуры являются: высокое быстродействие, возможность измерения температуры элементов оборудования, находящихся под высоким напряжением, возможность измерения высоких температур, возможность работы в условиях повышенной радиации и температуры окружающей среды.
Основной недостаток пирометрических измерений температуры - это трудности полного учета связей между термодинамической температурой объекта и регистрируемой пирометром тепловой радиацией. При пирометрических измерений температуры необходимо учитывать изменение излучательной способности поверхности в зависимости от длины волны в регистрируемом спектральном диапазоне и от температуры в диапазоне измерений, наличие поглощения излучения в среде между пирометром и объектом контроля, геометрические параметры поля зрения пирометра и его оптической системы, температуру окружающей среды и корпуса прибора.
3
Известно устройство для дистанционного измерения температуры (патент РФ №2152598, G01K 7/32, 27.07.1998 г.). Изобретение предназначено для дистанционного измерения температуры различных объектов в диапазоне от -60 до +60ºС. Может применяться в различных областях науки и техники, где использование традиционных измерителей температуры встречает затруднения. Устройство для дистанционного измерения температуры содержит генератор, передающую и приемную антенны, постоянные магниты для создания подмагничивающего поля и частотомер. Генератор является СВЧ-генератором. Он содержит полый резонатор и диод Ганна. Внутри полого резонатора закреплен гиромагнитный резонатор из монокристалла FeBO. Изменение температуры объекта приведет к изменению частоты генератора. Частотомер зафиксирует значение частоты, соответствующее температуре.
Недостатками приведенного выше устройства являются необходимость источника питания для работы датчика, ограниченный температурный диапазон и невозможность применения устройства для измерения температуры поверхностей, находящихся под напряжением и в местах с магнитными полями.
Известно устройство для измерения температуры (Авторское свидетельство СССР №864027, G01K 7/32, 23.11.1979 г.), содержащее термозависимый пьезорезонатор в качестве датчика температуры, включенный в частотно-задающую цепь измерительного преобразователя, радиоприемник с регистратором, генератор накачки для возбуждения измерительного преобразователя. Измерительный преобразователь выполнен в виде двухконтурного параметрического генератора с некратными частотами. Генератор накачки излучает сигнал. В катушке индуктивности наводится напряжение с частотой сигнала накачки, которое через конденсатор воздействует на варикап и изменяет его емкость с частотой накачки. Изменение емкости связи двух колебательных контуров приводит к возникновению генерации на собственных частотах этих контуров. Протекающие в контурах токи создают электромагнитное поле, принимаемое приемником. О значении температуры судят либо по значению любой из генерируемых частот, либо по их разрядности. Это устройство выбрано в качестве прототипа.
Недостатками данного устройства являются сложность, низкая надежность работы и низкая точность измерения температуры. Работоспособность данного устройства возможна только при условии, что приемник обладает высокой чувствительностью и селективностью для надежного приема электромагнитного поля от токов, протекающих в контурах измерительного преобразователя. При этом генератор накачки должен быть достаточно мощным для возбуждения измерительного преобразователя, что в свою очередь создаст значительные электромагнитные помехи. Кроме того, устройство имеет недостаточный диапазон измеряемых температур. Это объясняется тем, что нарушаются условия возбуждения двухконтурного параметрического генератора, если пределы перестройки резонансной частоты термозависимого пьезорезонатора превысят пороговую величину, определяемую условием баланса амплитуд и фаз параметрического генератора.
Целью заявляемого изобретения является создание устройства, позволяющего измерять температуру поверхности, находящейся под электрическим напряжением, в местах, недоступных для измерения другими устройствами, например шин и контактных соединений. Целью также является упрощение процесса измерений, повышение надежности и точности его результатов и расширение диапазона измеряемых температур.
Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемой конструкции устройства используются резонансные магнитосвязанные контура, посредством которых передается электроэнергия для питания датчика температуры и информация о температуре поверхности. Первый контур расположен вблизи поверхности, находящейся под электрическим напряжением, температуру которой надо измерить, и подключен к выпрямителю питания датчика температуры. Второй контур располагается вне зоны действия электрического напряжения и подключен к генератору накачки со схемой автоподстройки частоты. Резонансная частота контуров периодически перестраивается сигналом датчика температуры. Период перестройки контуров и генератора несет информацию о температуре поверхности.
Работу устройства поясняет схема на фиг.1. Температурный датчик 1 находится в тепловом контакте с поверхностью 2, температуру которой надо измерять. На выходе датчика формируется сигнал, период следования которого несет информацию о значении температуры датчика. В качестве датчика температуры может использоваться генератор на основе кварцевого термочувствительного резонатора или цифровые датчики температуры. Зависимость периода модуляции от температуры для каждого типа датчиков либо указана в паспорте на датчик, либо определяется при калибровке. Напряжение с выхода датчика перестраивает резонансную частоту контура 3. Перестройка резонансной частоты производится изменением емкости конденсатора колебательного контура с помощью варикапа или коммутацией дополнительного конденсатора с помощью ключа. При этом за счет магнитной связи между контурами меняется резонансная частота контура 4. К контуру 4 подключен генератор накачки 5. Генератор накачки включает в себя схему автоподстройки частоты, которая настраивает частоту генератора в резонанс с частотой контура 4. Таким образом, происходит периодическая перестройка частоты генератора 5. Период перестройки частоты генератора измеряется регистратором 6 и пересчитывается в температуру по известной зависимости периода следования импульсов от температуры.
Напряжение, наведенное в первом контуре, используется для питания датчика температуры. Для этого в цепь контура 3 включен выпрямитель 7. Постоянная настройка контуров на резонансную частоту обеспечивает эффективную передачу энергии для питания датчика температуры.
Размеры контуров и их взаимное расположение выбираются так, чтобы обеспечить, с одной стороны, электрическую изоляцию второго контура от напряжения, а с другой - получить достаточный коэффициент связи между контурами, позволяющий обеспечить электропитание датчика температуры.
Работоспособность предлагаемого устройства для измерения температуры проверена в серии экспериментов.
Таким образом, изобретение в техническом и функциональном отношении значительно упростилось относительно прототипа. Изобретение позволило получить большую надежность, расширить диапазон измеряемых температур, повысить точность измерений.