Способ градуировки распределенных датчиков температуры с переменным погонным коэффициентом чувствительности

 

Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения - повышение точности градуировки раг.пределенно модулированных датчиков. Градуируемый датчик помещают в термостат 1 с температурой $1 и измеряют его сопротивление R. Затем перемещают п раз на отрезок Axs из термостата 1 с температурой 0 в термостат 2 с температурой ft. После каждого сдвига измеряют сопротивление датчика и по полученным данным определяют локальный кооффициент чувствительности 2 з п. ф-лы, 8 ил

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (si>s G 01 К 15/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

I (k kQ I

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4631562/10 (22) 04.01.89 (46) 07.10.91. Бюл. М 37 (71) Морской гидрофизический институт АН

УССР (72) В.А.Гайский и А.В.Клименко (53) 537.532 (088.8) .(56) Гордов А.Н. Основы термометрии. — M.:

Металлургия, 1971, с,146-147, (54) СПОСОБ ГРАДУИРОВКИ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ ДАТЧИКОВ ТЕМПЕРАТУРЫ С

ПЕРЕМЕННЫМ ПОГОННЫМ КОЭФФИЦИЕНТОМ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ

„„„ Ж„„1682832 А1 (57) Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения — повышение точности градуировки распределенно модулированных датчиков. Градуируемый датчик помещают в термастат 1 с температурой Oi и измеряют его сопротивление R.

Затем перемещают и раз на отрезок Лх> из термостата 1 с температурой 71 в термостат

2 с температурой 0g. После каждого сдвига измеряют сопротивление датчика и по полученным данным определяют локальный коаффициент чувствительности. 2 з.п. ф-лы, 8 ил.

1882832

15

Изобретение относится к области тем пературных измерений и предназначено для градуировки распределенных датчико: температуры и пространственных фильтров, используемых, например, в океанографических исследованиях, Цель изобретения повышение тсэчности и быстродействия процесса градуировки, На фиг.1 показана структурная схема устройства, реализуloùåãо пгэедлэгаемblé способ; на фиг.2 — струк. урная схема измерительно-вычислительного блока: на фиг.3

5 - функции градуировочных профигей

>емпературы; на фиг.б "схема укладки провода в РМД; на фиг.7 — функция его погонной чувствительности для частного примера; на фиг.8- дискретная градуировочная характеристика.

Устройство (фиг. I) содержит термостаты 1 и 2, устройство 3 перемещения и измерител ьно-вы«иcлитen ьн ь1и блок 4. В Термостатах 1 и 2 для контроля температур 0> и

Ь расположены cooTaeTCT>3el>но образцовые точечные vlf>l локально распределенные датчики 5, и 5>. Градуируемый датчик б размещают в процессе градуировки в первом; втором термостатэх и последовательно пером=-щают >врез сальниковый переход из первого термостата во второй с г>омощь>о устройства 3 переме>цения, Термостаты 1 и 2, заполненные воздухом или жидкостью, должны обеспечивать однородность т(мг .",ратурь! по Bceму Обьему, для чего они могут быть снабжены меL - алками (не показаны). В различных

3еалиэациях способа iepMocTBTbl должны быть активными (поддер>кивающими заданное значение теMI eðàòóðû) или пассивныОбразцовые датчики 5„и 5 температуры должны обеспечивать измерение темпераяуры в термос>атак с заданной точностью, и в их качестве целесообразно использовать терморезисторы, однородные по выходному параметру с 1радуируемыми датчиками.

Устройствс 3 перемещения должно обеспечивать дос1аточ11о точное перемещение градуируемого датчика из одчого термостата в другой, Оно может быть построено любым известным способом, например аналогично устрой-,т ву 11еремотки магнитной ленты, Высокая то ность перемещения может быть обеспечен;3. например, эа счет использования шагово1о двигателя на ведущем валу, магнитньlx или оптических меток на протягиваемом датчике. За счет тянущей затравки мехэ1:и >м перемегцеl>v>»:.->Ожет

55 б>ыть вынесен за 1>ределы камеры первого гермоста>а, как э>0 показано на фиг.1.

Измерительно-вычислительный блок 4 предназнзчен для измерения сопротивления градуируемого датчика, сьема сигналов с образцовых датчиков 5, и 5., температуры и вычисления значений градуировочной характеристики по данным измерений. Блок 4 может выполняться из стандартных измерительных приборов и вычислителей. Например, если образцовые и градуируемый датчики имеют выходной параметр — сопротивлание, To B состав блока 4 входят (фиг.2) последовательно включенные коммутатор

7, аналого-цифровой преобразователь 8 сопротивлений в код и процессор 9. В данном примере коммутатор 7 должен иметь минимальное переходное сопротивление ключей, которые могут быть контактами электромеханических реле. Этим условиям удовлетворяют, например, релейный мультиплексор 750 системы КАМАК. В качестве преобразователя 8 сопротивлений в код желательно использовать высокоточный прибор, например серийный цифровой вольтомметр -ипа Щ387. Требования к процессору 9 различны в предложенных далее вариантах способа грэдуировки. Всем требованиям удовлетворяет использование микроЭВМ, например. типа "Электроника — 60".

Сущность предлагаемого способа градуировки заключается в следующем.

Способ содержит операции формирования градуировочного профиля температуры

0(х), операции измерения параметров профиля температуры 0(х) и градуируемого датчика и операции вычисления коэффициентов градуировочной характеристики а(х).

Минимально возможное число уровней переменного профиля температуры равно двум, Градуировочный профиль температуры 0(х) задается в виде прямоугольной ступеньки между двумя уровнями температур 0> и 6 . Линейно независимые градуировочные профили 0 (х) формируются сдвигом этой ступеньки на заданное пространственное разрешение так, кэк это показано на фиг.3.

Допустим, что в термостатах активно поддерживаются температуры 0> и О . Пусть первоначально РМД находится в термостате 1 с температурой 0> (фиг.3) и его сопротивление равно

> ((ro + a (х) 0> (х)) d х = R, (1) о где г, — посгоянная составляющая погонного сопротивления датчика: а(х) — погонная функция гермочувствительности;

1 — длина дат чика.

1682832

Учитывая, что 01 (х) = Î = const и что пространственное перемещение равно Дх, получим

ЬХ1 L

f (ãî + э1 (х) 01) d х + Дг + а (х) 0) d х = Rp, о Дх1 (2) где а1 — коэффициент грэдуировочной. характеристики датчика на первом участке от

Одо 1.

Передвигают РМД из термостатэ 1 в термостат 2 с температурой (фиг.4), выдерживают до установления температуры и измеряют сопротивление Rt РМД. После первого сдвига можно записать

ДХ1

f (го + а1 %) d х + f (rp + à (x) Ot) d х = R>, о Дх1 (3)

Вычитая выражения (2) и (3), получим а1(ог — 01) Дх1= R> — Rp:

R1 — Rp

1 — (ж — В ) Д. (4)

После s-го сдвига аналогично можно записать

Rs Rs — 1

as s =1,п. (5) ()

Таким образом, по выражению (5) определяются локальные значения ах градуировочной характеристики а (х) распределен-. ного модулированного датчика с любым требуемым и ространственным разрешением Дх .

При малых Д х обеспечение необходимой чувствительности достигается увеличением разности температур % — Ît.

Схема укладки медного проводника по длине РМД (фиг,3) обеспечивает получение модулированной погонной функции термочувствительности а (х) по одной из функции

Уолша, представленной на фиг.4.

Задачей градуировки является определение четырех значений. Допустим, что материал и роводн ика ха р акте ризуется. удельным погонным сопротивлением

0,0175 Ом м /м и температурным коэффиг циентом чувствительности d = 0,004 град

Примем, что длина РМД равна 32 м, Это соответствует длине провода 128 м, как это следует иэ схемы укладки. Допустим, что сопротивление датчиков при 0 С равно Rp =

= 400 Ом, при этом провод имеет диаметр около 0,08 мм. Такой датчик при 35 С имеет сопротивление Взь = 450 Ом.

Устанавливают в термостате 1 температуру 0 С, а в термостате 2 — температуру

35 С. При размещении РМД целиком в термостате 1 его сопротивление равно 400 Ом.

Измеряют и фиксируют Rp = 400 Ом.

Перемещают РМД на первые 8 м иэ первого термостата во второй. Этот отрезок

РМД содержит 48 м провода, В первом термостате этот отрезок имеет сопротивление

5 48 г1о = Rp — = 150 Ом, 128 а во втором термостате приобретает сопротивление

l2)= г1о (1+ а 35) = 171 Ом.

10 Оставшийся в первом термостате 24-местровый отрезок РМД имеет, сопротивление г11 = Rî — г1о = 250 Ом, Тогда общее сопротивление РМД

R1 = l11+ (21 = 421 Ом.

15 Измеряют и фиксируют Rt = 421 Ом.

Используя выражение (4), вычисляют первое значение погонной функции термочувствительн ости

421 — 400 -1 . -1

20 at= 35 8 =0,0750м р д

Очевидно, что перемещение РМД из первого термостата во второй нэ следующие 8 м приведет к уменьшению сопротивления отрезка РМД в первом термостате

25 еще на 150 Ом и увеличению сопротивления отрезка РМД во втором термостате на

171 Ом. Следовательно, г1г = rt t 150 = 100 Ом; ггг = гг1 + 171 = 342 Ом.

30 Общее сопротивление РМД

Вг = г1г + ггг = 442 Ом.

Измеряют и фиксируют R = 442 Ом. По выражению (5) вычисляют

442 — 421 -1 . -1

35 0,075 Ом . град м

Перемещение РМД иэ первого термостата во второй на следующие 8 м приводит к уменьшению сопротивления отрезка РМД в первом термостате наполовину, т.е, на

40 50 Ом, и к увеличению сопротивления отрезка РМД во втором термостате на 50 (1 +

+ а 35)=57 Ом.

Следовательно, общее сопротивлениеРМД возрастет на 7 Ом и составит Яз = Яг+

45 + 7 = 449 Ом.

Измеряют и фиксируют йз = 449 Ом. По выражению (5) вычисляют

449 — 442 -1 . -1 аз 8 0,025 Ом град м

50 Аналогично при перемещении последних 8 м РМД из первого термостата во второй происходит увеличение общего сопротивления РМД нэ 7 Ом, и в результате измерений и вычислений получают

55 7 1 а4 - = 0,025 Ом град м, Таким образом, в результате градуировки получают четыре, значения as погонной

1682832

) Х,6„..., ах«О„R,- R„; хФ«)I >ïe« ) -яоо ) лХабгй Х)6 2 ° ° о "hen 6г лОО) хай(л- ) . ° хоби)л-t) Rn-<- )оо ьх,6„ ьх,6« а х16,1 ох 6,<л,,) (7 2

Решение системы уравнений (6) по измеренным значениям температуры Оъ и As дает искомые градуировочные коэффициенты ах.

При этом способе снижаются требования к стабильности температуры в термостатах и повышается оперативность градуировки.

В данном варианте предлагаемого способа сложность вычисления может быть уменьшена, если пассивные термостаты сделать достаточно инерционными и теплоемкими так, чтобы за время двух соседних сдвигов градуируемого датчика температура в них изменилась бы несущественно, т.е, выполнялись бы условия: I) 1(s 1) ф %( — )) 6?8. (8)

В этом случае уравнение для сопротивлений градуируемого датчика. às-й элемент которого передвинулся из одного термостата в другой, имеют вид

5 л- ьх5а50чо,)+Е ах;а; 9« .,) + <3j eg5 Ьх) )? -хр (9J ах., Е, 3 )е„х;.."". aje„sx;-к,-R„ р))Х з! j S« функции чувствительности, показанные на фиг,5.

Необходимость использования активных термостатов усложняет и удорожает техническую реализацию способа. С целью исключения этого недостатка предлагается второй вариант способа градуировки без активной стабилизации температуры в термостатах, Допустим, что температура среды в термостатах изменяется, но измеряется образцовыми датчиками 5< и 51 после каждого з-го сдвига как 0» и ties. При этом1 будут справедливы выражения в дискретнои форме з И а1 Qs Л х) +, ), а2 О1, Л xJ =

1=1 J:=s +1

Rs — R0o, s = О, (и — 1). (б)

Выражения (6) образуют систему линейных алгебраических уравнений с и неизвеСтНЫМИ а), КОЭффИцИЕНтаМИ Î)s ЛХ) И 6 5 Л Х2 и свободными членами Rg, имеющую расширенную матрицу:

Учитывая равенства (9) и вычитая (10) из (9), получим

Rs Rs — 1 а5 — — @ — (11)

5 Вычисление градуировочных коэффициентов ах по выражению (11) проще, чем решение системы (7).

Таким образом, за счет обеспечения

"0 требования по некоторой инерционности термостатов существенно упрощается процедура вычислений и снижаются требования к процессору, повышается точность градуи ровки.

Формула изобретения

1. Способ градуировки распределенных датчиков температуры с переменным погон20 ным коэффициентом чувствительности. состоящий в последовательном перемещении датчика иэ одного термостата в другой термастат с различными температурами 01 и ф, отличающийся тем, что, с целью повышения точности градуировки, осуществляют и последовательных сдвигов на отрезок длиной Л xs, где и — число точек градуировки, после каждого s-ro сдвига измеряют сопротивление Rs датчика и опредеЗО ляют локальные коэффициенты чувствительности а> по выражению

Rs Rs — 1 (6=3 )

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия градуировки путем снижения требований к стабильности температуры в термостатах, после каждого в-го сдвига датчика дополнительно измеряют температуру 015 и

6 в термостатах, а локальные коэффициенты чувствительности аз определяют на основе решения следующей системы алгебраических уравнений: з ))

g а) %5) — g aJ81зЛх1 =

i 1 J — s+1

=Rs Йоо $=1,(A — 1), где Йаа — постоянная составляющая сопро50 тивления датчика, 3. Способ по пп.1 и 2, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что при кратковременной стабильности температуры в термостатах в течение двух последовательных сдвигов локальный

55 коэффициент чувствительности as устанавливают равным

Rs Rs — 1 (%в — 6 в ) Л х.

1682832

e(x) e(x) 0 1 2

Фиг.5 а(х) a"(õ (Рог. 8

Корректор Э.Лончакова

Редактор С.Пекарь

Заказ 3405 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва. Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород. ул.Гагарина, 101

0.

8(к) 2Ф юг. 7

Составитель С.Ботуз

Техред М,Моргентал