Вид РИД
Изобретение
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.
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 θt1, θt2 и θt3, определяют текущую температуру среды θtc по формуле
,
текущий показатель термической инерции внешней оболочки датчиков εt3 по формуле
,
показатели термической инерции внутренних чувствительных элементов датчиков
первого ,
второго ,
третьего ,
показатели термической инерции внутренних оболочек (наполнителей) датчиков
первого εl2=x1-ε11,
второго ε22=x3-ε21,
третьего ε32=x5-ε31,
где ,
,
,
,
,
,
,
xj 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
где θtc - текущая температура внешней среды, как первой оболочки ЧЭ;
θt1 - текущая температура ЧЭ;
εt1 - показатель термической инерции ЧЭ, зависит от времени, поскольку он зависит от переменного коэффициента теплообмена αt1 ЧЭ со средой, причем , где m1 - масса ЧЭ; c1 - удельная теплоемкость;
S1 - 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 εt1.
При помещении ЧЭ в некую первую оболочку (в нашем случае - наполнитель с показателем тепловой инерции εt2), которая занимает место внешней среды по температуре θt2, и температура θtc внешней среды отсчитывается от температуры θt3 и вместо формулы (1) можем записать
При этом из формулы (1)
с учетом замены εt1 на ε1, поскольку показатель тепловой инерции ε1 ЧЭ стал внутренним консервативным из-за квазипостоянства коэффициента теплообмена αt1→α1 ЧЭ с первой оболочкой.
Дифференцируем выражение (3) и находим
Подставляем выражения для θt2 и в выражение (2) и получим
Помещаем ЧЭ в первой оболочке из наполнителя во вторую оболочку (трубку) с показателем тепловой инерции εt3 и температурой θt3.
Для температуры внешней среды θt4=θtc по аналогии с выражениями (2-4) запишем
В выражении (8) показатели термической инерции ЧЭ ε1 и наполнителя ε2 являются консервативными и их можно считать постоянными на некотором отрезке времени, показатель термической инерции внешней оболочки εt3 изменяется во времени из-за изменчивости коэффициента αt3 теплообмена с внешней средой и подлежит определению в текущем времени. Запишем выражение (8), выделив неизвестные θtc и εt3
Для достижения поставленной цели используем три датчика, у которых показатели εt3 совпадают, а показатели ε1 и ε2 различаются. Обозначим их ε11, ε12, ε21, ε22, ε31, ε32.
Обозначим вычисляемые из измерений величины
при εi1+εi2=bi1, εi1εi2=bi2.
- номер датчика.
Для трех датчиков получим систему уравнений относительно неизвестных θtc и εt3
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
Подставляя выражения для At1, At2, At3 и Ct1, Ct2, Ct3 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
Представляют интерес шесть первых неизвестных xi , остальные неизвестные xj являются избыточными, но могут вычисляться для контроля правильности решений.
После нахождения xi получим
Во второе выражение подставляем ε12=x1-ε11 и получаем
По аналогии получим
Таким образом, предложенный способ позволяет измерять без динамической погрешности текущую температуру среды θtc, общий для трех датчиков текущий показатель термической инерции внешней оболочки датчиков εt3, а также квазипостоянные медленно изменяющиеся показатели термической инерции чувствительных элементов ε11, ε21, ε31 и наполнителей ε12, ε22, ε32, что обеспечивает метрологическую долговечность.
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 ε11, ε21, ε31 чувствительных элементов и наполнителей ε12, ε22, ε32 и равенство текущих показателей термической инерции внешних оболочек εt13=εt13=εt33=εt3.
Указанные требования удовлетворяются, если конструкцию датчиков выполнить так, как это показано на чертеже фиг. 1.
Чувствительные элементы 1, 2 и 3 распределены на равных участках внутри общей трубки 4, заполненной теплопроводящей средой (наполнителем) 5. Различие в показателях термической инерции ε11, ε21, ε31 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 ε11, ε22, ε32. 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 αt3(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.