Способ измерения высокой температуры неоднородной среды
METHOD OF MEASURING HIGH TEMPERATURE OF INHOMOGENEOUS MEDIUM

Изобретение относится к термометрии, а именно к способам измерения высокой температуры участков среды с неоднородным температурным полем, и может быть использовано в многоточечных измерительно-информационных системах при тепловых испытаниях конструкций для исследования температурных полей, в газодинамике и при построении систем автоматического регулирования высокотемпературными технологическими процессами.
Известен способ измерения температуры термопарами, измерительная информационная система для его осуществления и температурный переходник (патент РФ №2475712, опубл. 20.02.2013, G01K7/02, G01K 7/16. Бюл. №5), заключающийся в том, что рабочий конец термопар размещают в измеряемой зоне, а свободные концы выводят из измеряемой зоны и подключают к измерительному оборудованию, располагают в районе свободных концов термопар терморезистор, измеряют электрическое напряжение термопар, измеряют электрическое сопротивление терморезистора, определяют температуру терморезистора по его температурной характеристике и по результату измерения его сопротивления определяют электрическое напряжение свободных концов термопар по соответствующей их типу температурной характеристике и температуре терморезистора, суммируют результат измерения электрического напряжения термопар с их электрическим напряжением свободных концов, определяют температуру рабочего конца термопар по соответствующей их типу температурной характеристике и результату соответствующего суммирования.
Недостатками аналога являются использование множества соединительных дорогих компенсационных проводов от термопар до программируемого измерителя, низкая помехоустойчивость, большое количество преобразований и сложность схемы, что снижает надежность.
Наиболее близким по технической сути и достигаемому результату является способ измерения средней температуры неоднородной среды и устройство для его осуществления (патент РФ №2495390, опубл. 10.10.2013, K3/02, G01K 7/32. Бюл. №28), реализующий измерение частоты генератора, зависящей от параметров терморезисторов, которые располагают равномерно по объему исследуемого поля и соединяют с внешними конденсаторами фазирующей RC-цепочки, образующей совместно с усилителем генератор, соединенный через преобразователь частота-код и микроконтроллер, программу которого снабжают градуировочной характеристикой зависимости частоты от контролируемой температуры, после обработки которым результат подают в канал регулирования или на индикатор температуры.
Основным существенным недостатком прототипа является ограничение по температуре используемых конденсаторов фазирующей цепочки вблизи зоны измерения высоких температур, что вынуждает их вынос за ее пределы, влекущее значительное увеличение длины соединительных проводов.
Задачей заявляемого изобретения является упрощение измерения высокой температуры среды с неоднородным температурным полем, что обеспечит высокую надежность.
Указанная задача решается осуществлением способа измерения высокой температуры неоднородной среды путем измерения частоты генератора, зависящей от параметров терморезисторов, отличающегося тем, что терморезисторы располагают равномерно по объекту исследуемого поля и соединяют с внешними индуктивностями, изготовленными из высокотемпературных проводов, аналогичных проводам, из которых изготовлены соединительные линии, фазирующей RL-цепочки, образующей совместно с усилителем генератор, соединенный через функциональный преобразователь частота-код с индикатором температуры; при этом частота генератора преобразуется функциональным преобразователем частота-код в единицы измеряемой температуры и индицируется на индикаторе.
На Фиг. 1 представлен преобразователь цепной структуры, на Фиг. 2 представлена принципиальная схема фазирующей цепочки, на Фиг. 3 представлена схема измерения с использованием терморезисторов в качестве элементов фазирующей цепочки RL-генератора.
Традиционные методы исследования не позволяют получать аналитические выражения, связывающие температуру среды с частотой генерации, зависящей от одновременного индивидуального изменения параметров нескольких терморезисторов, и тем самым решить актуальную проблему. Использование метода функций преобразования (ФП) позволило устранить этот пробел (см. Гулин А.И. Диагностика измерительных преобразователей и устройств связи с неоднородной цепной структурой // Контроль. Диагностика. 2010. №11. С. 69-72).
n
0
n
ФП K преобразователя цепной структуры (Фиг. 1) (формально, обратная величина традиционного коэффициента передачи, являющаяся отношением входной активной величины U к выходной U) описывается выражением (формулы Гулина А.И. см. Sukhinets Zh., Gulin A. Analysis of converters with heterogeneous three-pole chain structure // Proceedings of IEEE East-West Design&Test Symposium (EWDTS 2013), 27-30 September 2013, Rostov-on-Don, Russia, 2013 - P. 283-286) при четном числе плеч n
где i=2b-1;
b=1, 2, 3,…, 0,5n
Рекомендуемая электрическая схема RL-фазирующей цепочки (ФЦ) представлена на Фиг. 2. Необходимые минимальные числа терморезисторов для создания ФЦ и индуктивностей должно быть не менее трех (см. Гулин А.И. Проектирование многозвенных RC-генераторов // Изв. вузов «Приборостроение» 2012. Т. 15. №1 (41). С. 14-118). При больших площадях контролируемой среды число терморезисторов увеличивают до необходимого количества, располагая равномерно по всему пространству.
Рассмотрим в качестве примера шестиплечую цепную трехполюсную структуру, для которой выражение ФП согласно (1) будет
1
3
5
2
4
6
Для ФЦ (Фиг. 2), когда Z=Z=Z=jωL, a Y=Y=Y=1/R, ФП будет равна
В составляющих действительной и мнимой части ФП имеет вид
Условием возникновения колебаний при использовании ФЦ является
АП
где К - ФП активного преобразователя (усилителя);
ФЦ
К - ФП фазирующей цепочки.
ФЦ
Т.к. ФП усилителя является вещественной, то для выполнения условия (4) необходимо, чтобы ФП ЦС К на частоте самовозбуждения была тоже вещественной. При этом обе ФП могут иметь одновременно либо положительные, либо отрицательные значения, т.е. ФЦ в зависимости от вида активного преобразователя должна осуществлять сдвиг фазы на четное или нечетное число πi радиан, где i=1, 2, 3 … - натуральный ряд чисел.
Рассмотрим вопрос определения частоты квазирезонанса у шестиплечей ФЦ (Фиг. 2), составленной из RL элементов и осуществляющей поворот фазы на 180°, которая наиболее часто используется при построении генераторов на однокаскадных усилителях. Частота квазирезонанса определяется из мнимой части ФП фазирующего четырехполюсника при обращении ее в ноль, т.е.
0
Приравняв к нулю мнимую часть ФП (условие квазирезонанса) выражения (3), получим формулу для искомой частоты ω шестиплечей ФЦ
,
откуда
6
0
Определим действительную часть ФП ReK на частоте квазирезонанса ω из выражения (3)
,
подставив в которое значение частоты квазирезонанса из (6), получим
АП
Это значит, что ФЦ ослабляет уровень сигнала в 29 раза, а знак минус подтверждает поворот фазы на 180°. Следовательно, К - ФП активного преобразователя (коэффициент усиления) должна превышать более чем в 29 раз.
n
Расчеты по вычислению частот квазирезонансов для произвольного количества термодатчиков n/2 сводятся, как оказалось, к определению коэффициента k выражения
.
n
В результате аналитического анализа впервые получена формула, определяющая коэффициент k для ФЦ из любого количества термодатчиков из уравнений вида
где р=0,25n - 1 - для четных 0,5n;
р=0,25(n+2) - 1 - для нечетных 0,5n.
3
5
Например, для десятиплечей (пятизвенной) ФЦ уравнение (7) имеет вид 15k-28k+k=0, решение которого дает следующие значения k:
1,2
3,4
5
k=±23/32; k=±167/32; k=0.
Из всех вещественных положительных корней уравнения (7) необходимо использовать наименьшее значение k=23/32 (для шестиплечей трехзвенной ФЦ оно равно ), так как использование других значений, удовлетворяющих (7), приведет к сдвигу фаз на 2π радиан и более.
Для расчета более сложных ФЦ можно воспользоваться программой (см. Гулин А.И., Сухинец Ж.А. и др. Расчет частоты квазирезонанса и коэффициента передачи многозвенных RC- структур // Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2003611147/ 16.05.2003. Роспатент. Москва. 2003).
n
6
n
Необходимо отметить, что ФП K ФЦ на частотах квазирезонанса с увеличением числа плеч n от шести до бесконечности уменьшается и стремится от K= -29 до K= -11,6, т.е.
n
n
В таблице приведены значения коэффициентов k и значений ReK для ФЦ с различным числом плеч n.
Измерение высокой температуры неоднородной среды на объекте 1 осуществляется следующим образом. Однотипные терморезисторы 2 (датчики температуры) равномерно размещают по контролируемой среде, соединяют с внешними индуктивностями, изготовленными из высокотемпературных проводов, аналогичных проводам, из которых изготовлены соединительные линии, для образования фазирующей цепочки 3, которая совместно с усилителем 4 образует задающий генератор 5, соединенный через функциональный преобразователь 6 частота-код с цифровым индикатором 7. При изменениях температуры контролируемой среды на объекте меняются значения сопротивлений терморезисторов, образующих фазирующую цепочку 3 генератора 5. В соответствии с величинами этих сопротивлений устанавливается частота генератора 5, которая преобразуется функциональным преобразователем 6 частота-код в единицы измеряемой температуры и индицируется на индикаторе 7.
Итак, заявляемое изобретение позволяет непрерывно измерять высокую температуру неоднородной среды с использованием двухпроводной линии связи и однотипных стандартных терморезисторов (датчиков температуры), что обеспечивает высокую помехоустойчивость, т.к. информативный параметр имеет частотный характер, надежность и экономичность способа из-за малого количества используемых недорогих комплектующих.