Датчик температуры

, 801013770 А СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИН уу) 6 01 .К 7/02 ф 6 01 К 7/16 ПИСАНИЕ ИЗОБРВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ЕТЕ 2281.,ьство СССР6, 1968 авиа Эк 8 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР.ПО ДЕЛАМ, ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ 121) 3308287/18-1022) 26,06.81. 71) Специальное конструкторскотехнологическое бюро Морского гидрефизическогоинститута АН украинс. кой ССР53) 536. 532 088,8 )56 ) 1. Патент США Р 389кл. 73-. 362, 1975.2, Авторское свидетелР 284459, кл,01 К.7/1. прототип ).54)57) ДАТЧИК ТЕМПЕРАТУРЫ, содержащий,защитную арматуру .с переменной площадью поперечного сечения,терометр сопротивления и термопару, холодные концы которой размецены рядом с чувствительным элементом термометра сопротивления, а горячий спай удален от него, приэтом чувствительный элемент термо.метра сопротивления и часть. элект-родов термопары с холодными концамиразмещены в защитной арматуре с большей площадью поперечного сечения,а часть электродов термопары с горячим спаем размещена в защитной арматуре с меньшей площадью поперечного сечения, о т л и ч а ю - щ и й с я тем, что, с целью повы.шения точнбсти измерений в задан.ном частотном диапазоне путем обес,печейия низкочастотной фильтрации .измеряемых Флуктуацйй температуры, в нем часть защитной арматуры с большей площадью поперечного сечения выполнена в видедвухслойного полого цилиндра, причем внеш- ний слой выполнен из оргстекла, . внутренний - из пенопласта, а со.ответствующие радиусы г и г 2 иа-) ружньФ поверхностей слоев определяются следующим соотношеийемеМ ыгде х+- т ф"е: - радиус. внутреннего отверстия в защитнойарматуре.,заданная частота среза Фильтра,коэффициенты темпераФ туропроводности соответственно внешнего и внутреннего слоевзащитной арматуры.50 Изобретение относится к температурным измерениям, и может бытьиспользовано для измерения температуры в заданном частотном диапазоне, например в оксанографических исследованиях, где требуется 5измерять высокочастотные флуктуации температуры в малых объемах,Известно устройство для измерения температуры, содержащее платиновый термометр сопротивления и тер Омистор, включенные в электроннуюсхему. При этом, за счет термистора, обладающего малой инерционностью,обеспечивается динамическая коррекция показаний платинового термометра 13.Недостатком указанного устройства является использование достаточно сложной электронной схемы,Кроме того, эффективность динамической коррекции с помощью миниатюрного термочувствительного элемента ограничена размерами термометра, так как они должны соотноситься с объемом контролируемой среды.Наиболее близким по техническойсущности к предлагаемому изобретениюявляется датчик температуры, содержащий защитную арматуру с переменной площадью поперечного сечения,.термометр сопротивления и термопару,холодные концы которой размещенЫрядом с чувствительным элементомтермометра сопротивления, а горячийспай удален от него, при этом чувствительный элемент термометра сопротивления и часть электродов термопары с холодными концами размещеныв защитной арматуре с большей площадью поперечного сечения, а частьэлектродов термопары с горячим спаем размещена в защитной арматурес меньшей площадью поперечного сечения 2,Недостатки указанного устройствазаключаются в том, что известный 45датчик не обеспечивает измерениефлуктуаций температуры в заданномчастотном диапазоне. Обычно частотный диапазон измерения обеспечивается электрической фильтрациейсигнала с выхода измерительногомоста. При использовании этогодатчика реализация фильтра низкихчастот средствами электроники возможна лишь с использованием конденсаторов большой емкости, что ведет кувеличению габаритов и энергопотребления измерительного канала. Эффективность динамической коррекциипри исследовании высокочастотныхфлуктуаций температуры мелкомасштабных объемов ограничена в виду наличия пространственного осреднениятемпературы телом датчика.Кроме того, при включении термо-,пары последовательно с выходом из мерительного моста термометра сопротивления снижается точность измерения при наступлении установившегося режима из-за ниличия паразитных ЭДС в местах подключения термопары, а также в связи с тем, что привоздействии температуры на термопару меняется не только ЭДС, но иее собственное сопротивление.Цель изобретения - повышение точ -ности измерений в заданном частотном диапазоне путем обеспечения низкочастотной фильтрации измеряемыхфлуктуаций температуры,Указанная цель достигается тем,что в датчике, содержащем защитнуюарматуру с переменной площадью поперечного сечения, термометр сопротивления и термопару, холодные концЫкоторой размещены рядом с чувствительным элементом термометра сопротивления, а горячий спай удален отнего, при этом, чувствительный элемент термопары сопротивления ичасть электродов термопары с холодными концами размещены в защитнойарматуре с большей площадью поперечного сечения, а часть электродовтермопары с горячим спаем размещенав защитной арматуре с меньшей площадью поперечного сечения, частьзащитной арматуры с большей площадью поперечного сечения выполненав виде двухслойного полого цилиндра,причем, внешний слой выполнен изоргстекла, внутренний - из пенопласта, а соответствующие радиусы г иг наружных поверхностей слоев определяются следующим соотношениемР 2 Р:) - + - +г, г = - +г 1 1 а 1 и, о 2 т о гдег. - радиус внутреннего от,оверстия части защитнойарматуры с большей площадью поперечного сечения,в - заданная частота срезафильтраа и а - коэффициенты темпера 1 2туропроводимости соответственно внешнего ивнутреннего слоев защитной арматуры.На чертеже изображен датчик,разрез.Часть защитной арматуры датчикас большей площадью поперечного сечения выполнена в виде двухслойного полого цилиндра с внешним слоем 1 из оргстекла и с радиусом г.его наружной поверхности и внутренним слоем 2 из пенопласта, приэтом наружная поверхность слоя 2имеет радиус г . В слое 2 выполненоосевое отверстйе 3 радиуса г , вкотором располагаются свободные,=И,- Д;. 6, щ л ( - г );11) Р= 3 г - г ; (1 Ц 10р= У(г -г ), э)2 й огде,0 - температура материала,температура окружающей среды,р - эффективный периметр,6 - площадь поперечного сечения,с - теплоемкость материала.,плотность материала,теплопроводимость материала,г 2 г - радиусы эквивалентного стерж 2 1ня и оболочки, соответственно,г - радиус внутреннего отверстия.ов эквивалентном стержне,коэффициент теплопередачи,е) - коэффициент конвективного1 к25 теплообмена наружной поверхности оболочки с окружающейсредой,В - термическое сопротивление.Применяя преобразования Лапласа куравнениям (1 ) и (2 ), находят выражения передаточных Функций для тем- ператур 15 20 Э 4(+) 0 (5) У 5)= -2 ТР) 0(з)(9)= - " 1 Т 5)иенты авнен являютс фф) р +) 0(С):)п,Ю+рп 0 (Ю,(й) 45Ь. фильтра, оьтурой, так к емпер 4 акатуля 2нпост 6 ого тепповерхносзависит бтекания 65 концы термопары 4 и чувствительныйэлемент термометра сопротивления 5.Рабочий спай термопары б расположен в передней части датчика и можетбыть либо незащищенным, либо изолированным от среды. Чувствительныйэлемент термометра сопротивленияимеет выводы - выход 1, а термопары выход 2.В данном случае чувствительныйэлемент термометра сопротивления,свободные концы термопары и внут. ренний цилиндр из пенопласта образуют эквивалентный стержень исоответствующие ему параметры Имеют Индекс "2" . Внешний цилиндр изорганического стекла является оболочкой и соответствующие ему параметры имеют индекс ф 1 Н,Для реальной конструкции берутся следующие допущения:.а ) теплоотвод по термочувствительным элементам пренебрежимо малб ) теплофизические характеристики термочувствительных элементов неоказывают существенного влияния наразвитие теплового процесса в датчике;в ) в датчике отсутствуют внутренние источники тепла,гтеплообменом излучением пренебрегают;д ) теплофизические характеристи-.ки защитной арматуры в процессе из-,мерений неизменны.Тогда дифФеренциальные уравнения распределения температуры в эквивалентном Стержне и оболочке имеют вид 5 +(т 1+р)фт )5 т щ,о1 ,и рассчитываются по формуле Передаточной функцией разованного защитной арм является выражение (14 ), 0 (9) является измеренной р 3 й, а коэффициенты пЭ и ются частотами среза.Таким образом находят через заданные и и и, и ные коэффициенты.Коэффициент конвектив лообмена, между наружной оболочки и окружающей ср входящей в выражение (6 ) от скорости и характера25 и соответстванно условия (18), (19выполняются приф 30р ( 1; (2 о) Подставим в выражения (20) ц (21) 35выражения ( 3 ) и (13) Работа датчика заключается в том, что флуктуации температуры, воздействующие на чувствительный элемент термометра сопротивления, и свободные концы термопары фильтруются заданным образом с помощью окружающей их защитной арматуры и весь частотный диапазон измерений Флуктуаций температуры делится в заданной тачке на два поддиапазона, Причем сигнал с термопары, пропорциональный разности температур рабочего спая и свободных концов соответствует высокочастотному поддиапазону Флуктуаций температуры и, в дальнейшем, может быть измерен с помощью электронных схем непосредственного. измерения, А сигнал с чувст.вительного элемента термометра сопротивления, пропорциональный его температуре, соответствует низкочастотному поддиапазону флуктуаций температуры и может быть измерен с помощью компенсационных автоматических электронных схем.Обеспечение измерений в заданном частотном диапазоне достигается за счет Фильтрации измеряемых флуктуа 40 45 60 и поэтому в выражении (б )должновыполняться ограничение 5Из-за ограничения (17) в качестве материала оболочек используются материалы с низкой теплопроводностью и, следовательно, высоким термическим сопротивлением й, поэтому условие 0 постоянства частот среза реализуется только для фильтра нижних частот.1(роме того, условием оптимальной Фильтрации пропусканием измеряемых и подавлением неиэмеряемых термометром сопротивления составляющих спектра флуктуаций температуры) является близость значений частот среза щэ и ш+. Поэтому для упрощения расчета.и реализации условий20 оптимальной Фильтрации принимаютщ 4: г (182 тогда из выражения (1 б) й 2 (1+Р)+ тп - 4 пз п:О (19)21 2 е =п - .=т =пч =тп; (212 Л Л(+г,д - фп, (2 З) с, г,(г,-г )У 1 г-г)(2 Ч2 О 22 0 Р .1, (25) Следует отметить, что гсопят должен быть минимальным 65 для исключения влияния конвекции воздуха на характеристики фильтра,Таким образом, частотный диапазонизмеряемых Флуктуаций температуры делится на два поддиапазона. Высокочастотный, поддиапазон ограничен сверху показателем тепловой инерции термопары. При этом имеет место затуханиегбдбна частотахокт1м), - (Т - постоянная времени термопары )., Снизу высокочастотный поддиапазон ограничивается частотой среза описанного фильтрам = в. Иными словами термопара измеряет флук- туации температуры относительно температуры измеряемой термометром со- противления, работающего в низкочас- тотном поддиапазоне.измерений, начиная от М)., вплоть до измерений стационарных тепловых процессов, Границу раздела частотного диапазона мощно выбирать однозначно, задаваясь. знаЧением частоты среза Фильтра в зависимости от характера исследуемых явлений и задачи исследований.Раздельное выполнение выводов с термопары и термометра .сопротивления дает возможность измерять низкочастотные флуктуации и среднее ,значение температуры с помощью термометра сопротивления в сочетании с автоматической, компенсационной схемой, а высокочастотные флуктуа 6 ции температуры с помощью термопары и схемы непосредственного измерения.1013770 10 Составитель Г. МухинаРедактор Т. Киселева ТехредЖ. КастелевичКорректор А.Повх Заказ 3002/49 Тираж 871 Подписное.ВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж., Раушская наб., д. 4/5 филиал ППП "Патентф, г. Ужгород, ул Проектная, 4 ций температуры элементами защитной арматуры.Повышение точности измерений достигается за счет фильтрации флуктуаций температуры на общей границе частотных поддиапазонов с затухани-, ем 12 дБ/окт, что позволяет четко разграничить исследуемые процессы, а также сужения динамических диапазонов путем разделения всего диапа,зона измеряемых флуктуаций температуры на поддиапазоны.1 Кроме того,при применении данного датчика отпадает необходимость в электрическом фильтре, а значит, 15уменьшатся габариты и энергопотребление всего канала измерения температуры. Это особенноэважно в автономных океанографических приборах.Раздельное измерение сигналов от термопары и термометра сопротивления позволяет повысить точность измерения эа счет исключения влияния погрешностей термопары на канал термомет- ра сопротивления, исключения потери информации при выделении заданного частотного диапазона, которая происходит в случае использования одного канала, соответствия размеров и инерционности рабочего спая термопары масштабам и частоте высокочастотных флуктуаций температуры возможности применения автома 1тической компенсационной схемы для канала термометра сопротивления.