УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к акустическим устройствам для измерения температуры жидкосодержащих, преимущественно влагосодержащих сред, например, грунтов и донных осадков, и может быть использована в геофизике, а также для измерения температуры в различных технологических процессах.
Различают две группы устройств для измерения температуры: простые контактные термометры и бесконтактные дистанционные термометры, при этом для первых необходимо обязательное размещение температурного датчика в среде, температуру которой измеряют, а для вторых используют датчики, которые могут находиться и вне измеряемой среды.
Как правило, для измерения температуры почв и грунтов используют простые контактные термометры типа ТМ-3, ТМП-2, ИТ-6П. и др. Термометр ТМ-3 представляет собой жидкостной термометр, где в качестве термометрической жидкости используется ртуть. Термометр ТМП-2 состоит из измерительного электронного блока, стержня с укрепленным на его конце полупроводниковым датчиком. Термометр портативный цифровой ИТ-6П выполнен в виде переносного устройства, соединенного кабелем с выносным зондом. В качестве чувствительного элемента используется термопара.
Основной недостаток этих приборов - практическая невозможность мониторинга больших участков территорий.
Этого недостатка лишены бесконтактные дистанционные термометр -радиометры, принцип действия которых основан на измерении электромагнитного излучения в различных диапазонах. Радиометры могут устанавливаться на самолетах и спутниках, откуда с их помощью производится измерение температуры подстилающей поверхности с достаточной точностью, высоким пространственным разрешением и оперативностью. Примером такого бесконтактного дистанционного термометра является радиометр ASTER (http://asterweb.ipl.nasa.gov), который представляет собой устройство, состоящее из 14 независимых приемников электромагнитного излучения в диапазоне 0.51-11.65 мкм, 14 усилителей сигнала, блока обработки и передатчика полученной информации. Такой измеритель установлен на искусственном спутнике
Земли и используется для получения детальных карт температуры ее поверхности. Недостатком измерения температуры почвы с помощью радиометра является то, что он измеряет температуру только очень тонкого поверхностного слоя почвы. Кроме того, из-за сильного поглощения электромагнитных волн диапазона 0.51-11.65 мкм в морской воде радиометром невозможно измерить температуру осадков на шельфе.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является устройство для измерения температуры (з. РФ №99124165, опубл. 27.08.2001 г.), представляющее собой электрически связанный с блоком измерительной аппаратуры акустический датчик, содержащий приемопередатчик акустических импульсов и связанный с ним акустический волновод закрытого типа газонаполненный, при этом приемопередатчик содержит генератор электрических импульсов, электроакустический преобразователь и усилитель принимаемых сигналов.
Устройство работает следующим образом. Волновод акустического датчика помещают в измеряемую среду. Генератор вырабатывает периодически электрические сигналы, которые после преобразования в акустические распространяются в волноводе, а затем возвращаются на преобразователь, где снова преобразуются в электрический сигнал. Данный сигнал усиливается усилителем и поступает на вход генератора, запуская его. Таким образом, в данном устройстве происходит периодическая генерация сигналов, причем период определяется скоростью звука в волноводе. При изменении температуры среды, в которую помещен акустический датчик, температура газа в волноводе также изменяется. Соответственно изменяются скорость звука и, соответственно, период генерации сигналов. По данному периоду генерации сигналов в блоке измерительной аппаратуры, выполненной на базе микропроцессора, производится вычисление температуры среды.
Размещение волновода непосредственно в среде, температура которой измеряется, имеет ряд существенных недостатков. В частности, при измерении температуры данным измерителем требуются большие затраты времени на измерения из-за необходимости установления температурного равновесия между газом в волноводе и измеряемой средой. В случае измерения температуры сред с плохой текучестью, или нетекучих, измерение температуры при движении датчика относительно среды затруднительно, а в некоторых случаях невозможно.. Например, таким устройством практически невозможно измерить температуру донных осадков с борта движущегося судна. Кроме того, для измерения средней температуры в объеме
среды, существенно превышающем объем датчика, с помощью данного измерителя требуется много времени, поскольку необходимо выполнить большое количество «точечных» измерений и затем усреднить полученные данные. Например, при измерении средней температуры слоя донных осадков потребуется выполнить серию измерений на различных горизонтах.
Задачей заявляемой полезной модели является создание устройства для дистанционно измерения температуры в объеме жидкосодержащих пористых сред, как в стационарных, так и нестационарных условиях измерения.
Поставленная задача решается устройством для измерения температуры в жидкосодержащих, преимущественно влагосодержащих, пористых средах, включающее блок измерительной аппаратуры, приемопередатчик акустических сигналов, состоящий из генератора электрических сигналов, соединенных с ним электроакустического преобразователя и усилителя принимаемых сигналов, при этом устройство дополнительно содержит блок выделения длительности сигнала обратного объемного рассеяния звука в среде, вход которого связан с выходом усилителя, а выход с входом блока измерительной аппаратуры.
Блок-схема заявляемого устройства представлена на фиг.1, где (1) - генератор электрических сигналов, выход которого соединен с входом-выходом преобразователя (2) и с входом усилителя (3), выход которого соединен с входом блока (4) выделения длительности сигнала обратного объемного рассеяния звука в среде, а выход блока (4) соединен с входом блока измерительной аппаратуры (5).
Заявляемое устройство работает следующим образом. Генератор (1) электрических сигналов вырабатывает электрический сигнал, который представляет собой пачку импульсов напряжения с частотой и амплитудой, соответствующими конкретному виду и частоте применяемого электроакустического преобразователя. Данный сигнал поступает на электроакустический преобразователь (2), например, пьезокерамический или магнитострикционный, где преобразуется в ультразвуковой сигнал, излучаемый в измеряемую среду. Рассеянный в среде сигнал обратного объемного рассеяния звука (ООРЗ) в среде воспринимается тем же преобразователем (2). После обратного преобразования электрический сигнал поступает на усилитель (3), который производит усиление принятого сигнала до величины, достаточной для его обработки. После этого сигнал поступает на блок (4) выделения длительности сигнала ООРЗ, который состоит, например, из выпрямителя и последовательно соединенного с
ним порогового устройства, собранных, например, на аналоговых микросхемах и/или транзисторах. С помощью выпрямителя принятый сигнал преобразуется в сигнал одной полярности, амплитуда которого соответствует огибающей принятого сигнала. Далее сигнал поступает на вход стандартного порогового устройства и преобразуется в прямоугольный сигнал с длительностью, равной длительности сигнала ООРЗ. Величина порога определяется исходя из уровня шума и величины паразитной реверберации. В случае измерения температуры в верхнем слое донных осадков через слой воды такой паразитной реверберацией может быть сигнал, рассеянный различными неоднородностями в толще воды. При этом начало прямоугольного сигнала соответствует началу превышения заданного порогового уровня и совпадает по времени с началом рассеяния акустических волн от поверхности донных осадков. Конец сигнала соответствует концу превышения заданного порогового уровня. При этом длительность полученного электрического сигнала соответствует длительности сигнала ООРЗ. Далее с блока (4) сигнал поступает на блок (5) измерительной аппаратуры, выполненный, например, на базе микропроцессора, который производит необходимые вычисления температуры, основываясь на эмпирической зависимости длительности сигнала ООРЗ в среде от температуры, что ранее в известных устройствах измерения температуры не применялось.
Температура вычисляется по экспериментально определенной калибровочной зависимости длительности сигнала ООРЗ от температуры в измеряемой среде.
Конкретные рабочие характеристики (частота, длина, мощность сигналов) и технические характеристики используемых элементов и блоков определяются измеряемой средой и условиями измерений.
Натурные испытания заявляемого устройства были проведены в рейсе НИС "Николай Каломейцев" на 57 станциях, расположенных на шельфе Арктики, на частотах 50 и 200 кГц для измерения температуры донных осадков.
Использовали генератор импульсов, который вырабатывал импульсы длительностью 1 мс с частотой заполнения по выбору 50 и 200 кГц. В качестве преобразователя использовались дисковые пьезокерамические преобразователи с полушириной диаграммы направленности для 50 кГц - 12°, и для частоты 200 кГц - 2,3°, соединенные с блоками устройства с помощью гибкого кабеля. Измерение производилось в дрейфе судна. Излучатели помещались на глубину около 2-3 м, ультразвуковые сигналы излучались и принимались в вертикальном направлении.
Температура (в градусах Цельсия) вычислялась по длительности D (в миллисекундах) сигнала ООРЗ исходя из предварительно эмпирически определенной для донных осадков калибровочной зависимости:
1
2
T=KlnKD,
1
2
2
2
где коэффициенты k=-1,6; К=0,075 для частоты 50 кГц и k=-2,1; К=0,14 для частоты 200 кГц.
Одновременно с акустическими измерениями производилось измерение температуры и гранулометрического состава в верхнем слое осадков. Для измерения температуры использовался зонд в виде металлического стержня длиной 1.5 м с четырьмя датчиками температуры, расположенными на расстоянии 50 см друг от друга. Глубина вхождения зонда в донные осадки составляла 1 м. Для проведения гранулометрического анализа осадки поднимались на поверхность с помощью драги.
Измерения показали, что длительность сигнала ООРЗ на обеих частотах не зависит от гранулометрического состава осадков, а зависит только от температуры (фиг.2) и в среднем увеличивается с уменьшением температуры. На фиг.2 треугольными значками для частоты 50 кГц и квадратными значками для частоты 200 кГц показаны значения длительности ООРЗ, осредненные в интервалах температур -1,75±0,25°С; -1,25±0,25°С; -0,75±0,25°С; -0,25±0,25°С; 0,25±0,25°С; 0,75±0,25°С; 1,25±0,25°С; 1,75±0,25°С; 2,25±0,25°С; 2,75±0,25°С; 3,25±0,25°С. Для каждой частоты нанесены линии тренда, которые описываются уравнениями:
-0,063T
D=13,3e (линия 1),
0.47T
D=7,1e (линия 2),
для 50 и 200 кГц, соответственно. Где D - длительность сигнала ООРЗ в донном осадке в миллисекундах, Т - температура в осадке, °С. При этом различие между средними значениями длительности сигнала ООРЗ для положительных и отрицательных значений температуры дна согласно Т-тесту Стьюдента является существенным с вероятностью больше 0.999 для обеих частот.
Такая зависимость длительности сигнала ООРЗ от температуры может быть объяснена исходя из общих физических соображений. Длительность сигнала ООРЗ зависит от уровня рассеяния на неоднородностях осадков и поглощения звука в них. Уровень ООРЗ от слоистой структуры осадков определяется скачком импеданса и отношением характерных масштабов поверхности раздела между соседними
квазиоднородными слоями в осадках к длине волны. Характерными масштабами являются толщина раздела и среднеквадратичная высота неровностей поверхности. При замораживании осадков из-за увеличения скорости звука (Фролов А.Д. Электрические и упругие свойства мерзлых пород и льдов. Пущино, ОНТИ ПНЦ РАЕ, 1998. 515 с.) длина волны будет увеличиваться, а рассеяние от слоистой структуры возрастать (loussoupov V.I., Salomatin A.S., Voronin A.A. On acoustical properties of Russian Arctic shallow shelves using high frequency echo sounders. In: Changes in the Atmosphere-Land-Sea System in the Amerasian Arctic, edited by I.P.Semiletov, Dalnauka, Vladivostok, 2001. P.227-235). В изначально однородной среде при наличии градиента температуры на глубине вблизи температуры замерзания образуется скачек скорости звука, что вызывает появление ОРЗ. Поглощение звука в осадках резко уменьшается при замерзании (Фролов А.Д. Электрические и упругие свойства мерзлых пород и льдов. Пущино, ОНТИ ПНЦ РАЕ, 1998. 515 с.) за счет постепенного увеличения процентного содержания жидкокристаллической и кристаллической воды. Поэтому длительность сигнала ООРЗ в осадочной толще при замерзании должна увеличиться как за счет увеличения рассеяния, так и из-за уменьшения поглощения.
Для данных донных осадков, как видно из вышеприведенных формул, длительность сигнала ООРЗ экспоненциально зависит от температуры. Как следует из приведенных выше теоретических рассуждении, аналогичные зависимости следует ожидать и для грунтов. Единственным требованием является наличие в них достаточного количества жидкости. Наиболее чувствительным данный метод будет для измерения температур во влагосодержащих средах в диапазоне от нескольких градусов, когда значительное количество влаги в порах находится в жидкокристаллическом состоянии, до отрицательных температур, при которых практически вся влага перейдет в кристаллическое состояние. Например, для различных грунтов (осадков) значение этой температуры составляет -15±5°С.
Заявляемое устройство может использоваться для дистанционного определения температуры любых пористых жидкосодержащих материалов в объеме, как в стационарных, так и в нестационарных условиях, при этом интервал определяемой температуры определяется интервалом фазовых превращений заполняющей поры жидкости от точки начала образования жидкокристаллической фазы до полного замерзания жидкости в порах.