способ измерения пространственного распределения температуры и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ измерения пространственного распределения температуры путем помещения в контролируемые точки N термочувствительных датчиков, соединенных параллельно двухпроводной линией, подачи на один из входов линии сигнала переменного напряжения и регистрации входного переменного тока i_вх(t) двухпроводной линии, отличающийся тем, что в качестве термочувствительных датчиков используют кварцевые пьезорезонансные датчики с различными резонансными частотами _р1, _р2, ... _рi, ... _рN, в качестве сигнала переменного напряжения, подаваемого на один из входов двухпроводной линии используют сигнал с частотной модуляцией в диапазоне резонансных частот пьезорезонансных датчиков, после регистрации входного переменного тока i_вх(t) вычисляют его амплитудно-частотный спектр S(), осуществляют первое измерение резонансных частот кварцевых пьезорезонансных датчиков ⁰_р1,⁰_р2, ... ⁰_рi, ... ⁰_рN, по положению максимумов амплитудно-частотного спектра S(), генерируют многочастотный сигнал, состоящий из N сигналов с девиацией частоты, в пределах диапазона температурного изменения резонансных частот датчиков ⁰_р1,⁰_р2, ... ⁰_рi, ... ⁰_рN, который подают на один из входов двухпроводной линии, регистрируют входной переменный ток i_вх(t) двухпроводной линии, вычисляют его амплитудно-частотный спектр S(), осуществляют второе измерение резонансных частот кварцевых пьезорезонансных датчиков ^T_р1,^T_р2, ... ^T_рi, ... ^T_рN по положению максимумов амплитудно-частотного спектра S(), исходя из которых определяют искомую температуру в контролируемых точках по предварительно экспериментально найденным или теоретически известным зависимостям резонансной частоты кварцевых пьезорезонансных датчиков от температуры _рi(t).

2. Устройство измерения пространственного распределения температуры, содержащее N термочувствительных датчиков, параллельно соединенных двухпроводной линией, соединенной с регистратором, который соединен с источником переменного напряжения, отличающееся тем, что в качестве термочувствительных датчиков использованы кварцевые пьезорезонансные датчики с различными резонансными частотами _р1, _р2, ... _рi, ... _рN, в качестве источника переменного напряжения использован генератор многочастотного сигнала, регистратор содержит последовательно соединенные схему согласования, регистратор амплитуды переменного тока, анализатор спектра, блок обработки и индикации, блок обработки и индикации соединен с генератором многочастотного сигнала.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике при определении температуры во множестве точек.

Известен способ, реализованный в устройстве для измерения пространственного распределения температуры (авт. св. СССР 1682824, кл. G 01 К 7/00, 1991, Бюл. 37), основанный на измерении тока насыщения полупроводниковых термочувствительных элементов или электрического сопротивления термочувствительных элементов, размещенных в точках измерения температурного поля.

Известно устройство для измерения пространственного распределения температуры (авт. св. СССР 1682824, кл. G 01 К 7/00, 1991, Бюл. 37), состоящее из n термопреобразователей, коммутатора, стабилизатора тока, аналого-цифрового преобразователя и цифрового индикаторного устройства.

Недостатком этого способа и осуществляющего его устройства является наличие большого количества соединительных проводов и коммутатора.

Наиболее близким к предлагаемому является способ, реализующий устройство измерения пространственного распределения температуры (патент Российской федерации 2079822, кл. G 01 К 7/00, 1997, Бюл. 14), основанный на измерении тока насыщения полупроводниковых термочувствительных элементов, размещенных в интересующих точках измерения температурного поля.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство измерения пространственного распределения температуры (патент Российской федерации 2079822, кл. G 01 К 7/00, 1997, Бюл. 14), которое содержит множество термочувствительных полупроводниковых элементов, измеритель к выходу которого подключен регистратор, регулируемый источник напряжения и источник гармонического сигнала.

Недостатком этого способа и устройства является низкая точность измерений, вызванная изменением величины измеряемого тока вследствие дрейфа параметров измерительной аппаратуры при изменении температуры, старении элементов, низкая помехоустойчивость, а также не высокий верхний предел температурного диапазона измерений, ограниченный предельной температурой работоспособности р-n перехода термочувствительного полупроводникового элемента.

Решаемая техническая задача - повышение точности, помехоустойчивости и расширение температурного диапазона измерения пространственного распределения температурного поля.

Решаемая техническая задача в способе измерения пространственного распределения температуры путем помещения в контролируемые точки N термочувствительных датчиков, соединенных параллельно двухпроводной линией, подачи на один из входов линии сигнала переменного напряжения и регистрации входного переменного тока i_вх(t) двухпроводной линии, достигается тем, что в качестве термочувствительных датчиков используют кварцевые пьезорезонансные датчики с различными резонансными частотами _p1, _p2, ... _рi, ... _pN, в качестве сигнала переменного напряжения, подаваемого на один из входов двухпроводной линии, используют сигнал с частотной модуляцией в диапазоне резонансных частот пьезорезонансных датчиков, после регистрации входного переменного тока i_вx(t) вычисляют его амплитудно-частотный спектр S(), осуществляют первое измерение резонансных частот кварцевых пьезорезонансных датчиков ⁰_p1, ⁰_p2, ... ⁰_рi, ... ⁰_pN, по положению максимумов амплитудно-частотного спектра S(), генерируют многочастотный сигнал, состоящий из N сигналов с девиацией частоты, в пределах диапазона температурного изменения резонансных частот датчиков ⁰_p1, ⁰_p2, ... ⁰_рi, ... ⁰_pN, который подают на один из входов двухпроводной линии, регистрируют входной переменный ток i_вx(t) двухпроводной линии, вычисляют его амплитудно-частотный спектр S(), осуществляют второе измерение резонансных частот кварцевых пьезорезонансных датчиков ^T_p1, ^T_p2, ... ^T_рi, ... ^T_pN, по положению максимумов амплитудно-частотного спектра S(), исходя из которых определяют искомую температуру в контролируемых точках по предварительно экспериментально найденным или теоретически известным зависимостям резонансной частоты кварцевых пьезорезонансных датчиков от температуры _pi(t).

Решаемая техническая задача в устройстве, реализующем способ измерения пространственного распределения температуры, содержащем N термочувствительных датчиков, параллельно соединенных двухпроводной линией, соединенной с регистратором, который соединен с источником переменного напряжения, достигается тем, что в качестве термочувствительных датчиков использованы кварцевые пьезорезонансные датчики с различными резонансными частотами _p1, _p2, ... _рi, ... _pN, в качестве источника переменного напряжения использован генератор многочастотного сигнала, регистратор содержит последовательно соединенные схему согласования, регистратор амплитуды переменного тока, анализатор спектра, блок обработки и индикации, блок обработки и индикации соединен с генератором многочастотного сигнала.

На фиг.1 изображена блок-схема устройства, реализующего способ.

На фиг.2 показана температурно-частотная характеристика (ТЧХ) кварцевого пьезорезонансного датчика РКТВ 206.

На фиг.3 показаны амплитудно-частотные характеристики колебательных систем при различных скоростях изменения частоты сигнала переменного напряжения.

Устройство (фиг. 1) содержит N кварцевых пьезорезонансных датчиков l_i, двухпроводную линию 2, где i = 1, 2,..., N, генератор многочастотного сигнала 3, регистратор 4, в состав которого входят схема согласования 5, регистратор амплитуды переменного тока 6, анализатор спектра 7, блок обработки и индикации 8. Количество кварцевых пьезорезонансных датчиков определяется необходимым количеством точек контроля температуры.

Кварцевые пьезорезонансные датчики 1_i электрически соединены при помощи двухпроводной линии 2 со схемой согласования 5, другой вход схемы согласования 5 электрически соединен с генератором многочастотного сигнала 3. Выход схемы согласования 5 электрически соединен с входом регистратора амплитуды переменного тока 6, выход которого соединен с входом анализатора спектра 7. Выход анализатора спектра 7 электрически соединен с входом блока обработки и индикации 8. Вход управления генератора многочастотного сигнала 3 электрически связан с выходом блока обработки и индикации 8.

Рассмотрим осуществление способа измерения пространственного распределения температуры с помощью устройства, показанного на фиг. 1. Термочувствительные датчики 1_i с различными резонансными частотами _p1, _p2, ... _рi, ... _pN помещаются в точки контроля температуры и соединяются параллельно двухпроводной линией 2. Генератор многочастотного сигнала 3 вырабатывает сигнал с частотной модуляцией в диапазоне резонансных частот пьезорезонансных датчиков. Сигнал с генератора многочастотного сигнала 3 через схему согласования 5 поступает на вход двухпроводной линии 2. Схема согласования 5 необходима для выделения небольших изменений входного тока двухпроводной линии 2, вызванного резонансом кварцевых пьезорезонансных датчиков l_i на фоне сильной неизменной составляющей входного сигнала от генератора многочастотного сигнала 3. В результате возбуждения сигналом переменного напряжения с генератора многочастотного сигнала в кварцевых пьезорезонансных датчиках l_i возникают колебания тока на частоте их резонанса. Сигнал со схемы согласования 5 поступает на регистратор амплитуды переменного тока 6. Данные с выхода регистратора переменного тока 6 поступают на анализатор спектра 7, позволяющего вычислить по временной выборке входного тока i_вх(t) двухпроводной линии 2 амплитудно-частотный спектр входного тока S(). Данные об амплитудно-частотном спектре поступают на блок обработки и индикации 8, в котором производится первое измерение резонансных частот пьезорезонансных датчиков ⁰_p1, ⁰_p2, ... ⁰_рi, ... ⁰_pN. На основании найденных резонансных частот пьезорезонансных датчиков ⁰_p1, ⁰_p2, ... ⁰_рi, ... ⁰_pN с блока обработки и индикации 8 поступает управляющий сигнал на генератор многочастотного сигнала 3, который начинает вырабатывать многочастотный сигнал, состоящий из N сигналов с девиацией частоты, в пределах диапазона температурного изменения измеренных резонансных частот датчиков ⁰_p1, ⁰_p2, ... ⁰_рi, ... ⁰_pN. В отличие от сигнала с частотной модуляцией в диапазоне резонансных частот пьезорезонансных датчиков этот сигнал обладает меньшей скоростью измерения частоты. В результате повышается динамическая добротность пьезорезонансных датчиков, что позволяет более точно измерить их резонансную частоту и температуру. Сигнал с генератора многочастотного сигнала 3 через схему согласования 5 поступает на вход двухпроводной линии 2. Сигнал со схемы согласования 5 поступает на регистратор амплитуды переменного тока 6. Данные с выхода регистратора переменного тока 6 поступают на анализатор спектра 7, вычисляющего по временной выборке входного тока i_вx(f) амплитудно-частотный спектр S() входного тока двухпроводной линии 2. Данные об амплитудно-частотном спектре поступают на блок обработки и индикации 8, в котором производится второе измерение резонансных частот пьезорезонансных датчиков ^T_p1, ^T_p2, ... ^T_рi, ... ^T_pN. В отличие от первого измерения резонансных частот пьезорезонансных датчиков при втором измерении точность определения резонансных частот выше, в следствие более высокой динамической добротности пьезорезонансных датчиков. Далее на основании измеренных частот пьезорезонансных датчиков ^T_p1, ^T_p2, ... ^T_рi, ... ^T_pN блок обработки и индикации 8 по предварительно экспериментально найденной или теоретически известной зависимости _pi(t) резонансной частоты кварцевых пьезорезонансных датчиков _i от температуры вычисляет искомую температуру в контролируемых точках и производит ее индикацию.

Покажем, что предлагаемый способ позволяет достичь решения поставленной технической задачи - повысить точность и помехоустойчивость измерения пространственного распределения температуры.

Для измерения температуры распределенных объектов необходимо использовать множество точечных (дискретных) датчиков, размещенных на объекте измерения. При использовании традиционной идеологии (авт. св. 1682824, кл. G 01 К 7/00, 1991, Бюл. 37) построение многоточечных термодатчиков приводит к существенному усложнению измерительной аппаратуры и росту ее объема, а также к значительным материальным затратам, поскольку в этом случае система является многоканальной с числом измерительных каналов, равным числу датчиков. Для построения такой многоканальной системы необходимо большое количество (десятки и сотни) соединительных проводников датчиков с измерительной системой.

Устройство для измерения пространственного распределения температуры, описанное в патенте Российской федерации 2079822, кл. G 01 К 7/00, 1997 построено по другому принципу. В нем множество термочувствительных датчиков соединены параллельно при помощи двухпроводной линии. При этом появляется возможность достичь снижения в несколько раз объема вторичной аппаратуры (снижение - пропорционально числу измерительных каналов), снижения во столько же раз общей длины соединительных линий и кабелей.

Однако точность и помехоустойчивость этого устройства остается невысокой. В нем применены полупроводниковые температурные датчики. Температура вычисляется исходя из измерений амплитуды тока датчика. Поскольку информативным параметром является амплитуда тока, то шумы аппаратуры, электромагнитные помехи, дрейф параметров измерительной аппаратуры при изменении температуры, старении элементов и т.д. приведут к случайному изменению этой амплитуды, а следовательно, к снижению точности измерения температуры.

Верхний предел температурного диапазона измерений полупроводниковых датчиков ограничен предельной температурой работоспособности р-n перехода и для некоторых диодов составляет величину до 140^oС [1, диод КД213А].

Использование в качестве точечных датчиков термочувствительных кварцевых пьезорезонансных датчиков с разнесенными частотами дает ряд преимуществ по сравнению с другими типами датчиков. Такие датчики имеют: повышенную точность измерения температуры в рабочем диапазоне от -50 до +370^oС [2]; повышенную помехоустойчивость вследствие преобразования температуры в частотный выходной сигнал.

При использовании этих датчиков возможно проведение измерений температурного поля распределенного объекта в множестве точек с точностью до 0,1% [2] , причем для передачи измерительной информации на вторичную аппаратуру требуется только один канал при условии применения пьезорезонансных датчиков с разнесенными частотами.

Одним из видов кварцевых пьезорезонансных датчиков, выпускаемых промышленностью, являются камертонные кварцевые пьезорезонансные температурные датчики РКТВ 206. Основные характеристики кварцевого пьезорезонансного датчика РКТВ 206 приведены в таблице.

Кварцевый пьезорезонансный датчик РКТВ 206 имеет температурно-частотную характеристику, описываемую следующим выражением [2]:

f(t)=f₀+A_l(t-t₀)+A₂(t-t₀)², (1)

где f(t) - частота кварцевого пьезорезонансного датчика (Гц) при текущем значении температуры t(^oC);

f₀ - частота кварцевого пьезорезонансного датчика (Гц) при опорном значении температуры t₀ (^oC);

t₀ - опорное значение температуры.

Коэффициенты для кварцевого пьезорезонансного датчика РКТВ 206 составляют [2]:

A_l= -1,760,1 Гц/^oС, A₂=-0,00310,0001 Гц/^oС в диапазоне рабочих температур -50. . . +370^oС (отметим, что частота и F связаны между собой .

График температурно-частотной характеристики кварцевого пьезорезонансного датчика с центральной частотой 34 кГц, рассчитанный в соответствии с (1), показан на фиг. 2. Измерив частоту резонатора, по температурно-частотной характеристике вычисляется температура датчика.

Таким образом, разместив кварцевые пьезорезонансные датчики 1_i в точках измерения температуры и соединив их параллельно при помощи двухпроводной линии 2, для вычисления температуры необходимо измерить их резонансные частоты. Для того чтобы это сделать, на вход двухпроводной линии 2 (фиг.1) с генератора 3 подается сигнал с частотной модуляцией в диапазоне резонансных частот кварцевых пьезорезонансных датчиков. В ответ на такое воздействие в кварцевых пьезорезонансных датчиках возникают свободные колебания на частотах их последовательных резонансов. Регистрируя эти колебания при помощи регистратора переменного тока 6 и вычисляя их спектр при помощи анализатора спектра 7, определяются резонансные частоты всех датчиков.

Однако сигнал с частотной модуляцией в диапазоне резонансных частот пьезорезонансных датчиков обладает достаточно большой скоростью изменения частоты . Характер амплитудно-частотных характеристик резонансных систем для различных значений нормированной скорости изменения частоты сигнала /² показан на фиг.3 [4], где - полоса пропускания колебательной системы, - девиация частоты возбуждающего сигнала. Из чертежа видно, что чем больше скорость изменения частоты , тем более полога динамическая характеристика, тем больше ее перекос в направлении изменения частоты и интенсивность дополнительных экстремумов, являющихся результатом биений между возбуждающим частотно-модулированным сигналом и собственными колебаниями в фильтре. То есть при высокой скорости изменения частоты сигнала переменного напряжения, подаваемого на вход двухпроводной линии уменьшается добротность колебательной системы, а так же изменяется ее резонансная частота.

При измерениях температуры при помощи кварцевых пьезорезонансных датчиков точность измерения температуры определяется кратковременной нестабильностью S_f генератора. Кратковременная стабильность снижается с увеличением добротности [3, стр. 105] . Следовательно, при большой скорости изменения частоты сигнала переменного напряжения ухудшается точность измерения температуры.

Для увеличения точности измерения температуры необходимо уменьшать скорость изменения частоты сигнала переменного напряжения . При этом для сохранения времени измерения при уменьшении скорости изменения частоты возбуждающего сигнала , на вход двухпроводной линии подается сигнал, состоящий из N сигналов с девиацией частоты, в пределах диапазона температурного изменения резонансных частот датчиков. Поскольку при измерении температуры кварцевые пьезорезонансные датчики обладают определенной инерционностью, то изменение их температуры и резонансной частоты за время измерения будет не большой по сравнению со всем диапазоном изменения рабочих температур и частот датчика. Поэтому центральные частоты составляющих многочастотного сигнала необходимо установить на значение измеренных резонансных частот пьезорезонансных датчиков ⁰_p1, ⁰_p2, ... ⁰_рi, ... ⁰_pN, и девиацию частоты каждой составляющей многочастотного сигнала можно поставить небольшой по сравнению со всем диапазоном изменения резонансных частот датчика.

Проведя более точное определение резонансных частот пьезорезонансных датчиков ^T_p1, ^T_p2, ... ^T_рi, ... ^T_pN, в блоке обработки и индикации 8 производится вычисление температур по известным температурно-частотным характеристикам кварцевых пьезорезонансных датчиков, вид которых показан на фиг. 2.

Опытный образец устройства для измерения пространственного распределения температуры был изготовлен на основе кварцевых пьезорезонансных датчиков РКТВ 206. Генератор многочастотного сигнала 3 реализован на основе нескольких стандартных генераторов качающейся частоты путем суммирования их выходных сигналов. Схема согласования 5 выполнена на основе дифференциального усилителя на микросхемах К544УД1. Пример принципиальной схемы этого блока приведен в приложении 1 (фиг. 4). Регистратор амплитуды переменного тока 6 представлял собой блок АЦП на основе платы ввода/вывода сигнала в ЭВМ - L305 фирмы L-Card. Анализатор спектра 7 и блок обработки и индикации 8 выполнен на основе ЭВМ и программного пакета Lab View. Блок обработки и индикации 8 работает по алгоритму, приведенному в настоящей заявке.

Таким образом, при использовании кварцевых пьезорезонансных датчиков удается повысить точность измерения пространственного распределения температуры, поскольку эти датчики обладают более высоким классом точности, чем полупроводниковые датчики. Кварцевые пьезорезонансные датчики позволяют повысить помехоустойчивость измерений, поскольку информационным параметром является частота сигнала, а не амплитуда. Так же расширяется верхний предел температурного диапазона измерений.

Мы показали, что, используя соединенные параллельно при помощи двухпроводной линии пьезорезонансные датчики, возможно измерение пространственного распределения температуры, повысив при этом точность, помехоустойчивость измерений и расширив верхний предел температурного диапазона измерений.

Список литературы

1. Полупроводниковые приборы: Диоды, тиристоры, оптоэлектронные приборы. Справочник./А.В. Баюков, А.Б. Гитцевич, А.А. Зайцев и др./Под общ. ред. Н.Н. Горюнова. М.: Энергоатомиздат, 1983, 744 с.

2. Технический паспорт резонатора кварцевого термочувствительного высокотемпературного РКТВ 206. ТУ 25-1862.0013-88. Специальное конструкторско-технологическое бюро электроники, приборостроения и автоматизации, г. Углич.

3. Малов В.В. Пьезорезонансные датчики. - 2-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1989.

4. Виницкий А.С. Модулированные фильтры и следящий прием ЧМ. - М.: Советское радио, 1969.