СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ И ПОКАЗАТЕЛЕЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ ИНЕРЦИИ ОБОЛОЧЕК КОНТАКТНОГО ДАТЧИКА ТЕМПЕРАТУРЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF CONTACT TEMPERATURE SENSOR SHELLS TEMPERATURE AND THERMAL INERTIA MEASURING AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к измерительной технике, предназначено для применения в океанографии и может быть использовано для точного измерения нестационарных температур и физических параметров среды, влияющих на теплообмен датчиков со средой.
Известны способы Г. Пфрима и их развитие для измерения динамической температуры и коэффициента теплообмена датчика со средой с использованием двух разных по динамическим параметрам датчиков, эквивалентных инерционным звеньям первого и второго порядка [Ярышев Н.А. Теоретические основы измерения нестационарной температуры. - 2-е изд., перераб. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1990. - 256 с.: ил. ISBN 5-283-04474-2].
Однако практическая реализация этих способов затруднена из-за необходимости знания конструктивных параметров датчиков, определяющих их инерционные показатели. Идентификация этих параметров затруднена и не возможна в известных способах. Это ограничивает точность динамических измерений и метрологическую долговечность.
Реальные датчики содержат чувствительный элемент, помещенный в защитную оболочку, заполненную теплопроводящим наполнителем. Моделью таких датчиков является последовательное включение трех инерционных звеньев первого порядка.
Целью предлагаемого изобретения является повышение точности динамических измерений температуры и метрологической долговечности за счет определения показателей термической инерции чувствительных элементов и оболочек датчика в рабочем режиме.
t1
t2
t3
tc
Эта цель достигается тем, что используют три датчика, состоящих из чувствительных элементов с разными показателями термической инерции и помещенных во внешние оболочки с одинаковыми значениями теплового фактора и внутренней теплопроводящей средой (наполнителем) с разными показателями термической инерции, помещают датчики в среде измерения с одинаковыми условиями обтекания потоком для обеспечения равенства коэффициентов конвективного теплообмена внешних оболочек датчиков со средой, измеряют одновременно текущие температуры чувствительных элементов датчиков θ, θ и θ, определяют текущую температуру среды θ по формуле
,
t3
текущий показатель термической инерции внешней оболочки датчиков ε по формуле
,
показатели термической инерции внутренних чувствительных элементов датчиков
первого ,
второго ,
третьего ,
показатели термической инерции внутренних оболочек (наполнителей) датчиков
l2
1
11
первого ε=x-ε,
22
3
21
второго ε=x-ε,
32
5
31
третьего ε=x-ε,
где ,
,
,
,
,
,
,
j
x из решения системы линейных алгебраических уравнений вида
, , N≥18,
где ,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
.
Конструкция датчика температуры с тремя чувствительными элементами показана на фиг. 1. Структурная схема устройства измерения температуры и показателя термической инерции оболочек датчиков показана на фиг. 2.
Рассмотрим суть предлагаемого способа. Запишем уравнение теплового баланса для пассивного датчика, имеющего две оболочки вокруг чувствительного элемента (ЧЭ) и три поверхности теплообмена, в показателях термической инерции этих поверхностей. Этим уравнением будет инерционное звено 3-го порядка.
Для инерционного звена 1-го порядка, соответствующего ЧЭ датчика без оболочки, известно [Ярышев Н.А. Теоретические основы измерения нестационарной температуры. - 2-е изд., перераб. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1990. - 256 с.: ил. ISBN 5-283-04474-2] уравнение
tc
где θ - текущая температура внешней среды, как первой оболочки ЧЭ;
t1
θ - текущая температура ЧЭ;
t1
t1
1
1
ε - показатель термической инерции ЧЭ, зависит от времени, поскольку он зависит от переменного коэффициента теплообмена α ЧЭ со средой, причем , где m - масса ЧЭ; c - удельная теплоемкость;
1
t1
S - площадь поверхности контакта ЧЭ со средой. Значение  является консервативным конструктивным параметром, иногда называемым тепловым фактором [Азизов A.M., Гордов А.Н. Точность измерительных преобразователей. - Л.: Энергия, 1974. - 256 с]. Его нельзя определить экспериментально, в отличии от показателя термической инерции ε.
t2
t2
tc
t3
При помещении ЧЭ в некую первую оболочку (в нашем случае - наполнитель с показателем тепловой инерции ε), которая занимает место внешней среды по температуре θ, и температура θ внешней среды отсчитывается от температуры θ и вместо формулы (1) можем записать
При этом из формулы (1)
t1
1
1
t1
1
с учетом замены ε на ε, поскольку показатель тепловой инерции ε ЧЭ стал внутренним консервативным из-за квазипостоянства коэффициента теплообмена α→α ЧЭ с первой оболочкой.
Дифференцируем выражение (3) и находим
t2
Подставляем выражения для θ и  в выражение (2) и получим
t3
t3
Помещаем ЧЭ в первой оболочке из наполнителя во вторую оболочку (трубку) с показателем тепловой инерции ε и температурой θ.
t4
tc
Для температуры внешней среды θ=θ по аналогии с выражениями (2-4) запишем
1
2
t3
t3
tc
t3
В выражении (8) показатели термической инерции ЧЭ ε и наполнителя εявляются консервативными и их можно считать постоянными на некотором отрезке времени, показатель термической инерции внешней оболочки ε изменяется во времени из-за изменчивости коэффициента α теплообмена с внешней средой и подлежит определению в текущем времени. Запишем выражение (8), выделив неизвестные θ и ε
t3
1
2
11
12
21
22
31
32
Для достижения поставленной цели используем три датчика, у которых показатели ε совпадают, а показатели ε и ε различаются. Обозначим их ε, ε, ε, ε, ε, ε.
Обозначим вычисляемые из измерений величины
i1
i2
i1
i1
i2
i2
при ε+ε=b, εε=b.
- номер датчика.
tc
t3
Для трех датчиков получим систему уравнений относительно неизвестных θ и ε
Первое и второе уравнения из системы (12) дают расширенную матрицу вида
и первые значения для неизвестных
Первое и третье уравнение из системы (12) дают расширенную матрицу вида
и вторые значения для неизвестных
Эти пары значений неизвестных для одного и того же момента времени при отсутствии погрешностей измерений температур ЧЭ и определения их производных должны совпадать. Поскольку указанные погрешности всегда имеют место, то совпадения не будет и целесообразно за оценки неизвестных взять средние из двух полученных выше значений
Для нахождения показателей термической инерции внутренних оболочек датчиков после изготовления или в рабочем режиме приравняем выражения для  и
t1
t2
t3
t1
t2
t3
Подставляя выражения для A, A, A и C, C, C в (21) получим
За счет отсчетов во времени сформируем систему линейных алгебраических уравнений, для чего раскрываем скобки, приводим подобные, группируем неизвестные и коэффициенты при них, вводим обозначения для новых неизвестных
Для коэффициентов при неизвестных получим
Для свободных членов запишем . Получили систему линейных алгебраических уравнений вида
i
j
Представляют интерес шесть первых неизвестных x, остальные неизвестные x являются избыточными, но могут вычисляться для контроля правильности решений.
i
После нахождения x получим
12
1
11
Во второе выражение подставляем ε=x-ε и получаем
По аналогии получим
tc
t3
11
21
31
12
22
32
Таким образом, предложенный способ позволяет измерять без динамической погрешности текущую температуру среды θ, общий для трех датчиков текущий показатель термической инерции внешней оболочки датчиков ε, а также квазипостоянные медленно изменяющиеся показатели термической инерции чувствительных элементов ε, ε, ε и наполнителей ε, ε, ε, что обеспечивает метрологическую долговечность.
11
21
31
12
22
32
t13
t13
t33
t3
Устройство для осуществления предложенного способа, в отличии от известных, должно содержать три датчика температуры из чувствительных элементов в трубках с наполнителем, конструкция которых должна обеспечивать различие показателей термической инерции ε, ε, ε чувствительных элементов и наполнителей ε, ε, ε и равенство текущих показателей термической инерции внешних оболочек ε=ε=ε=ε.
Указанные требования удовлетворяются, если конструкцию датчиков выполнить так, как это показано на чертеже фиг. 1.
11
21
31
11
22
32
t3
Чувствительные элементы 1, 2 и 3 распределены на равных участках внутри общей трубки 4, заполненной теплопроводящей средой (наполнителем) 5. Различие в показателях термической инерции ε, ε, ε распределенных чувствительных элементов достигается изменением их массы (соответственно и объема), например, за счет укладки разного количества продольных петель пассивного провода 6. Это автоматически, за счет изменения объема в трубке с фиксированным внутренним диаметром обеспечивает различие в показателях термической инерции наполнителей ε, ε, ε. Поскольку внешние оболочки всех чувствительных элементов идентичны и одинаково расположены в потоке во внешней среде, то тепловой фактор  и конвективный коэффициент теплообмена с внешней средой α(t) для всех датчиков совпадают, следовательно, равны и показатели термической инерции внешних оболочек .
Устройство для осуществления предложенного способа (фиг. 2) кроме трех датчиков 1i с указанными выше отличиями содержит также электронику обрамления, которая может быть выполнена известным образом, например, в составе вторичных измерительных преобразователей 2i, аналого-цифровых преобразователей 3i и микропроцессора 4 . Устройство работает параллельным опросом датчиков, преобразованием их параметров в код и вычислением измеряемых величин по предложенному способу.