Способ градуировки распределенных датчиков температуры с переменным погонным коэффициентом чувствительности

(5) СВИДЕТЕЛ У АВТОРСКО нститут А ии. - М.: АСПРЕДЕРАТУРЫ С ЭФФИЦИОЮЗ СОВЕТСКИХОЦИАЛИСТИЧЕСКИХЕСПУБЛИК ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИПРИ ГКНТ СССР САНИЕ ИЗОБР(71) Морской гидрофизический иУССР(54) СПОСОБ ГРАДУИРОВКИ РЛЕННЫХ ДАТЧИКОВ ТЕМПЕПЕРЕМЕННЫМ ПОГОННЫМ КОЕНТОМ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ О 1682832 1 К 15/ОО(57) Изобрете ной технике. ние точности модулирован датчик помещ турой 01 и из Затем переме термостата 1 2 с температу измеряют соп ученным данн аффициент ч 8 ил. ние относится к измеритель- Цель изобретения - повышегоадуировки распределенно ных датчиков. Градуируемый ают в термастат 1 с темпера- меряют его сопротивление В, щают и раз на отрезок Лх из с температурой 01 в термостат рой В. После каждого сдвига ротивление датчика и по полым определяют локальный ковствительности, 2 з,п. ф-лы,Изобретение относится к области темцературных измерений и предназначенодля градуировки распределенных датчико:температуры и пространственных фильт.ров, используемых, например, в океанографических исследованиях,Цель изобретения повышение точности и быстродействия процесса градуировки.На фиг,1 показана структурная схемаустройства, реализующего пгэедлагаемыйспособ; на фиг.2 - структурная схема измерительно-вычислительного блока: на фиг.З5 . функции градуировочных профилейэемцературы; на фиг.б схема укладки цровода в РУД; на фиг,7 - функция его погонной чувствительности для частного примера; на фиг.8- дискретная градуировочнаяхарактеристика,Устройство (фиг.1) содержит термостаты 1 и 2, устройство 3 перемещения и измерительно-вычислительный блок 4. В термостатах 1 и 2 для контроля температур 01 иЬ расположены соответственно образцовые точечные или локально распределенные датчики 5, и 5 э. Градуируемый датчикб размещают в процессе градуировки в первом ; втором термостатах и последовательно перэмщают герез сальниковый переходиз первоо термостата во второй с помощьюустройства 3 перемецения,Термостаты 1 и 2, заполненные воздухок или жидкостью, должны обеспечиватьоднородность темггэрэтуры по всему обьему, для чего они могут быть снабжены мев.алками (не показаны). В различныхэеалиэациях способа термостаты должныбыть активными (поддерживающими заданное значение температуры) или пассивными,Образцовые да;чики 5 и 5 температуры должны обеспечивать измерение температуры в термосатак с заданной точностью,и в их качестве целесообразно использовать терморезисторы, однородныепо выходному параметру срадуируемымидатчиками,Устройствс 3 церемещения должнообеспечивать досэ аточно точное перемещение градуируемого датчика из одчого термостата в другой, Оно может быть построено любым известным способом, наг 1 римераналогично устройству перемотки магнитной ленты, Высокая точность перемещенияможет быть обеспечен;э например, эа счетиспользования шагово о двигателя на ведущем валу, магнитных или оптических метокна протягиваемс м датчике. За счет тянущейзатравки мехаиэм переменения может быть вынесен за пределы камеры первого гермостма, как эо показано на фиг,1.Измерительно-вычислительный блок 4предназначен для измерения сопротивле ния градуируемого датчика, сьема сигналовс образцовых датчиков 5, и 5 температуры и вычисления значений градуировочной характеристики по данным измерений, Блок 4 может выполняться из стандартных измери тельных приборов и вычислителей, Например, если обра.эцовые и градуируемый датчики имеют выходной параметр - сопротивление, то в состав блока 4 входят (фиг.2) последовательно включенные коммутатор 15 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 элек тромеханических реле, Этим условиям удовлетворяют, например, релейный мультиплексор 750 системы КАУАК, В качестве преобразователя 8 сопротивлений в код желательно использовать высокоточный при бор, например серийный цифровой вольтомметр типа Щ 387. Требования к процессору 9 различны в предложенных далее вариантах способа грэдуировки, Всем требованиям удовлетворяет использование мик роЭВМ, напримегэ. типа "Электроника - 60",Сущность предлагаемого способа градуировки заключается в следующем.Способ содержит операции формирования градуировочного профиля температуры 35 0(х), операции измерения параметров про.филя температуры Ох) и градуируемого датчика и операции вычисления коэффициентов градуировочной характеристики а(х).Минимально возможное число уровней пе ременного профиля температуры равнодвум, Градуировочный профиль температуры 0(х) задается в виде прямоугольной ступеньки между двумя уровнями температур В 1 и 6. Линейно независимые градуировочные 45 профили 0 (х) формируются сдвигом этойступеньки на заданное пространственное разрешение так, как это показано на фиг.З Допустим, что в термостатах активно поддерживаются температуры Оэ и О. Пусть 50 первоначально РУД находится в термостате 1 с температурой 01 (фиг.3) и его сопротивление равно) г + а (х) 01 (х д х =. Й, (1) 55где г, - посгоянная составляющая погонного сопротивления датчика;ах) - погонная функция .гермочувствительности;- длина датчика.Учитывая, что 01 (х) = 01 = сопзт и чтопространственное перемещение равно Ьх,получим ьх 1 Гго + а 1 (х) 01) б х+ Дго + а (х) О) б х = Во, о Лх 1 Яз Вз - 1аз з =1,п.( )Таким образом, по выражению (5) определяются локальные значения ах градуировочной характеристики а (х) распределен-. ного модулированного датчика с любым требуемым и ространственным разрешением Ьхз,При малых Л х обеспечение необходимой чувствительности достигается увеличением разности температур Ж - В 1.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 проводника характеризуется удельным погонным сопротивлением 0,0175 Ом м /м и температурным коэффигциентом чувствительности б = 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 Во = = 400 Ом, при этом провод имеет диаметр около 0,08 мм. Такой датчик при 35 С имеет сопротивление Вз 5 = 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 Во = 400 Ом.(2)где а 1 - коэффициент грэдуировочной. характеристики датчика на первом участке отО до 1,Передвигают РМД из термостатэ 1 втермостат 2 с температурой % (фиг.4), выдерживают до установления температуры иизмеряют сопротивление В 1 РМД. Послепервого сдвига можно записатьЬх 1го + а 1%1 б х +г, + а (х) 01) б х = В 1,о Лх 1Р)Вычитая выражения (2) и (3), получима 1 (Ж - 01) Ь х 1 = В 1 - В,;В - Воа (6 О, ) Л(4)После з-го сдвига аналогично можно записать Перемещают РМД на первые 8 м иэ первого термостэта во второй, Этот отрезокРМД содержит 48 м провода, В первом термостате этот отрезок имеет сопротивление5 48г 10 = Яо - = 150 Ом,128а во втором термостате приобретает сопротивлениегг= г 1 о (1+ а 35) = 171 Ом,10 Оставшийся в первом термостате 24-местровый отрезок РМД имеет, сопротивлениег 11 = Во - г 1 о = 250 Ом,Тогда общее сопротивление РМДЯ 1= г 11+ г 21= 421 Ом,15 Измеряют и фиксируют В 1 = 421 Ом.Используя выражение (4), вычисляют первое значение погонной функции термочувствительн ости421 - 400 -1, -120 а 1 = 35, 8 = 0,075 О градОчевидно, что перемещение РМД изпервого термостата во второй нэ следующие 8 м приведет к уменьшению сопротивления отрезка РМД в первом термостате25 еще на 150 Ом и увеличению сопротивления .отрезка РМД во втором термостате на171 Ом, Следовательно,г 12 = г 11 150 = 100 Ом;г 22 = г 21 + 171 = 342 Ом,30 Общее сопротивление РМДЯ 2 = г 12 + г 22 = 442 Ом.Измеряют и фиксируют В = 442 Ом. Повыражению (5) вычисляют442 - 42135 аг - 35 8 0,075 Ом град м .Перемещение РМД иэ первого термостата во второй на следующие 8 м приводитк уменьшению сопротивления отрезка РМДв первом термостате наполовину, т.е, на40 50 Ом, и к увеличению сопротивления от- зрезка РМД во втором термостате на 50 (1 ++ а 35)=57 Ом.Следовательно, общее сопротивлениеРМД возрастет на 7 Ом и составит Яз = Ва+45 + 7 = 449 Ом,Измеряют и фиксируют Вз = 449 Ом. Повыражению (5) вычисляют449 - 442 ., -1, -1аз 0,025 Ом град м50 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 получают55 7, -1, -1а 4 - = 0,025 Ом град м,Таким образом, в результате градуировки получают четыре, значения а 5 погоннойьх,ВьхО,ЬХ 6ьх О,л.о ьх,Е, ьхлоК,-К, Ь Хгд ЬХ лв-я;ЕХаогй ЬХ 392Ьхлв 1 г лаа; ЬХ 28 аьЬ Х Оащ,.1 а л- аа Решение системы уравнений (8) по измеренным значениям температуры О 1 в и йз дает искомые градуировочные коэффициенты ахПри 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 тепло- емкими так, чтобы за время двух соседних сдвигов градуируемого датчика температура в них изменилась бы несущественно, т.е, выполнялись бы условия:О 1(в) 4 в, %(в) . .О 2 з. (8)В этом случае уравнение для сопротивлений градуируемого датчика. аз-й элемент которого передвинулся из одного термостата в другой, имеют вид Я л. ьхла Оа.1+Еьх;а; а,.ц+ а;эг Ьх, Я,-йаа,Ю ЬХ,О,.ЕЯЬ,9 ЬХ;+", О;ЕЬХ;Е,-йаа, НВХ з 1 еьфункции чувствительности, показанные нафиг,5,Необходимость использования активных термостатов усложняет и удорожаеттехническую реализациею способа. С цельюисключения этого недостатка предлагаетсявторой вариант способа градуировки без активной стабилизации температуры в термостатах,Допустим, что температура среды в термостатах изменяется, но измеряется образцовыми датчиками 5,1 и 5 ь после каждогоз-го сдвига как 01 в и 6 Ь При этом 1 будутсправедливы выражения в дискретнои формез Ид 1 в Лх 1 + ), а) О 1 в Лх) =1=1 ):=в+1Йз - Йоо, э=О,(п - 1). (б)Выражения (8) образуют систему линейных алгебраических уравнений с и неизвестнымиа 1, коэффициентами О 1 в Лх 1 ибв Лх)и свободными членами Йо, имеющую расширенную матрицу:Учитывая равенства (9) и вычитая (10) из (9), получимЙз - 1аз ---(11) 5 Вычисление градуировочных коэффициентов ах по выражению (11) проще, чем решение системы (7).Таким образом, за счет обеспечения 10 требования по некоторой инерционности термостатов существенно упрощается процедура вычислений и снижаются требования к процессору, повышается точность градуировки. 15 Формула изобретения 1, Способ градуировки распределенных датчиков температуры с переменным погон ным коэффициентом чувствительности, состоящий в последовательном перемещении датчика из одного термостата в другой термастат с различными температурами О 1 и ф, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью 25 повышения точности градуировки, осуществляют и последовательных сдвигов на отрезок длиной Л хв, где и - число точек градуировки, после каждого з-го сдвига измеряют сопротивление Йз датчика и опредеЗ 0 ляют локальные коэффициенты чувствительности ав по выражениюЙв Йв - 16=3 Ге2, Способ по п,1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения быстродействия градуировки путем снижения требований к стабильности температуры в термостатах, после каждого в-го сдвига датчика дополнительно измеряют температуру О 1 в и 62 в в термостатах, а локальные коэффициенты чувствительности аз определяют на основе решения следующей системы алгебраических уравнений:з и 15а 1%з - Х а)О 1 вЛх) ==Йз Йоо 3=1,(п - 1),где Йоо - постоянная составляющая сопро 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 аэ устанавливают равнымЙз Йв - 11682832 ВР)О. ОР) Раг, Фюг.Составитель С.Ботузктор С.Пекарь Техред М,Моргентал . Корректор Э.Лончакова каз 3405 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКН113035, Москва. Ж, Раушская наб., 4/5роизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород. ул,Гагарина, 101