Устройство для измерения температурных полей

Изобретение относится к устройствам для измерения температуры и может быть использовано при определении температурных полей в различных средах и на поверхности твердых тел.

Известны устройства измерения температурных полей термоэлектрическими датчиками в виде спаренных разнородных проводников [Авт. св. СССР №165324, опубл. 00.00.1964; Линевег, Ф. Измерение температур в технике: Справочник / Ф. Линевег; Под ред. Л.А. Чарихов; Пер. Т.И. Киселева; Пер. В.А. Федорович. - М.: Металлургия, 1980. - 543 с.].

К недостаткам этих устройств следует отнести сложность их реализации: необходимость изоляции электрических проводников от объекта и стабилизации температуры выводов термодатчиков.

Известны устройства измерения температурного поля с использованием термоэлектрического датчика в виде сетки с четырехугольными ячейками из m и n разнородных проводников, соединенных в месте пересечения и образующих соответственно столбцы и строки, путем измерения термоЭДС между выходными концами проводников [Патент FR №2315689, опубл. 21.01.1977].

Недостаток данного устройства заключается в сложности математической модели и низкой точности восстановления профиля температурного поля из-за того, что в модели не учитывается изменение удельного сопротивления термоэлектрических проводников от температуры. Учет этой зависимости приведет к еще большему усложнению математической модели.

Известно устройство измерения температур с помощью проволочных термометров сопротивления [OCT В92 0694-80 Термометры сопротивления проволочные. Общие технические условия, введен ЦКБС от 1 ноября 1985 года].

К его недостаткам относится необходимость использования большого количества отдельных термометров, каждый из которых требует применения 4-х подводящих проводов.

В качестве прототипа взято устройство [Патент РФ №2079822, опубл. 20.05.1997], составленное из N последовательных Т-образных соединений термочувствительных элементов, состоящих из встречно включенных одинаковых диодов, и двух равных резисторов. Между первой входной клеммой первого термочувствительного элемента и первой выходной клеммой последнего термочувствительного элемента включен источник постоянного напряжения. Между входными клеммами первого термочувствительного элемента включены последовательно соединенные регулируемый источник напряжения, источник гармонического сигнала и измеритель амплитуды переменного тока. Количество подводящих проводов в данной схеме измерения равно трем. Так как источник постоянного напряжения подключен к делителю напряжения из 2N одинаковых резисторов, то при возрастании гармонического сигнала, в момент равенства нулю напряжения на диодной паре, общее дифференциальное сопротивление встречно включенных диодов становится минимальным. Изменение тока через диодную пару обрабатываются на ЭВМ. По амплитуде пика тока вычисляется температура термочувствительного элемента, номер которой определяется порядком следуемых пиков. Такая конструкция значительно облегчает расстановку датчиков и упрощает систему опроса и регистрации. Несомненным достоинством распределенных резистивно-диодных датчиков температуры является возможность последовательного опроса датчиков по трехпроводной линии с их временной адресацией.

Однако, в качестве термочувствительного элемента здесь выступают полупроводниковые диоды, обратный ток которых нелинейно зависит от температуры, что не позволяет уверенно регистрировать амплитуду обратного тока при температурах ниже +20°С. Кроме того значение суммарного обратного тока диодных пар зависит от марки диодов, влияния параллельно подключенных диодных пар и, наконец, электромагнитных наводок с учетом больших величин обратных сопротивлений диодов. Поскольку все эти факторы влияют непосредственно на измеряемую величину (амплитуду обратного тока) использование математических методов обработки регистрируемых сигналов не дает ожидаемых результатов.

Техническим результатом данного изобретения является повышение точности измерения температуры и расширение температурного диапазона его применения.

Данный технический результат достигается за счет того, что в устройстве для измерения температурных полей, состоящем из последовательно включенных резистивно-диодных цепочек, подключенных по трехпроводной схеме к источникам постоянного тока и гармонического сигнала, включающем измерительный прибор, новым является то, что делитель напряжения в резистивно-диодной цепочке состоит из термисторов, которые являются термочувствительными элементами, при этом вместо первого термистора в цепочке установлен калибровочный резистор с минимальным температурным коэффициентом сопротивления, а встречно включенные диоды подсоединены к делителю напряжения в точках соединения между термисторами.

Устройство для измерения температурных полей поясняется фигурой 1 и содержит делитель напряжения, состоящий из последовательно соединенных термисторов Rx₁, …, Rx_N и калибровочного резистора Rx₀. Встречно включенные диодные пары DD₀, …, DD_N-1 присоединены к делителю напряжения в точках соединения между термисторами. К клеммам U₀, U_p и Ux₀ подсоединены соответственно источник постоянного напряжения 1, источник пилообразного гармонического сигнала 2 и измерительный прибор 3, который через равные промежутки времени измеряет одновременно напряжения U_p и Ux₀.

Описываемое устройство работает следующим образом.

Через клемму U₀ на делитель, составленный из N термисторов Rx_i и калибровочного резистора Rx₀ подается постоянное напряжения. Напряжение на делителе распределяется пропорционально сопротивлениям термисторов, зависящим от температуры термисторов. Через клемму U_p пилообразное напряжение подается на диодные пары DD_i, которые подключены к делителю напряжения. При увеличении U_p измерительным прибором фиксируется пропорциональный прирост напряжения Ux₀ за счет суммарного обратного тока через диодные пары. Но при совпадении значения пилообразного напряжения с напряжением на делителе между термисторами Rx_i-1 и Rx_i, через диодную пару DDi проходит экспоненциальное увеличение тока J≅J₀Exp(-α|Up-Ux_i|), которое регистрируется измерительным прибором как скачок напряжения Ux₀. Точное значение напряжения в делителе определяется по максимуму пика производной dUx₀(t)/dt, и позволяет по измеряемой зависимости U_p(t) определить падение напряжения на термисторе и, тем самым, вычислить его сопротивление и температуру.

Возможность использования математических методов обработки сигнала Ux₀(t) позволяет зафиксировать момент совпадения пилообразного напряжения с напряжением в цепи делителя даже при малых обратных токах диодных пар DDi, что имеет место в области низких температур. Таким образом алгоритм измерения падения напряжения на термисторе Rx_i позволяет не только повысить точность измерения температуры, но и расширить диапазон измеряемых температур.

Для примера на фиг. 2 показаны экспериментальные результаты измерения U_p и Ux₀(мкB) и производной dUx₀(t)/dt в зависимости от времени.

Обработка экспериментальных данных проводится в несколько этапов. На первом этапе производная по времени dUx₀/dt переводится к зависимости не от времени, а от пилообразного напряжения U_p(t).

На втором этапе применяется усреднение сигнала F(Up_k)=dUx₀/dt по K измерениям. Случайные помехи при усреднении уменьшаются в раз, а полезный сигнал на их фоне четко проявляется.

На третьем этапе, после усреднения, рассчитывается кросскорреляционная функция k_FG(Up) между F(Up)=dUx₀/dt и по формуле

где функция G(Up_max-Up) по форме напоминает пик в производной от напряжения Ux₀ (фиг. 2).

Пример расчета кросскорреляционной функции k_FG(Up), напряжения в делителе и сопротивлений термисторов по данным фиг. 2 представлена на фигуре 3.

Точное значение напряжения Ux_i в делителе определяется по максимуму пиков кросскорреляционной функции на фигуре 3.

Так как ток через диодные пары на три порядка меньше чем ток, протекающий через делитель, то им можно пренебречь при расчетах. На последнем этапе из постоянства тока, протекающего через термисторы и калибровочное сопротивление, сопротивление термисторов рассчитывается по формуле:

Использование термисторов в качестве датчиков температуры и диодных пар, определяющих адресацию измерительных элементов, позволяет реализовать трехпроводную схему измерения температуры и расширить температурный диапазон в сторону отрицательных температур до -10°С.

Таким образом заявленное техническое решение существенно отличается от известных на данный момент времени.