Терморезистивные измерительные преобразователи (ИП) на базе термосопротивлений (ТС) являются одним из самых распространенных типов преобразователей, применяемых для измерения самых различных физических величин, таких как температура, состав газов, скорость потока вещества, плотность вещества, параметры импульсов электрического тока и т. д. Естественной выходной величиной при измерении указанных выше величин является электрическое сопротивление ИП, обусловленное изменением температуры, которая, в свою очередь, функционально связана с измеряемой физической величиной.
Таким образом, в любых отраслях промышленности, при научных исследованиях, в сельском хозяйстве, медицине точность контроля такого важного физического параметра, как температура, во многом определяет качество выпускаемой продукции и проводимого научного эксперимента. Наряду с высокой точностью во многих случаях требуется значительно повысить быстродействие проводимых измерений. Такие задачи возникают, в частности, в практике контроля нагрева жидких металлов с высокой температурой плавления [1], где за одну плавку расходуются 5−6 измерительных преобразователей температуры (ИПТ), стоимость которых достигает трех долларов, а общий расход составляет 50 — 60 штук. В криогенной технике при получении жидкого гелия возникает задача измерения циклических температур, имеющих частоту колебаний до 20 Гц. Подобные указанным задачи возникают также в судебной медицине и при испытании различных материалов на температуроустойчивость [2],.
Таким образом, мы видим, что вследствие интенсификации производства и необходимости исследования различных динамических процессов в науке и технике тенденция развития приборов для измерения температуры направлена на повышение их быстродействия при сохранении или незначительном уменьшении) требуемой точности.
Температура является интенсивным параметром. Остальные шесть основных метрологических параметров — длина, масса, время, сила света, количество электричества, количество вещества — по своей природе экстенсивны и обладают свойством суперпозиции [3]. Температура таким свойством не обладает, и это всегда вносило большие трудности в проведение измерений.
При использовании терморезистивных методов в качестве термопреобразователя используются параметрические измерительные преобразователи температуры, в частности термометры сопротивления (ТС), поскольку имеется принципиальная возможность получения высоких точностей [3]. Это свойство объясняется высокой стабильностью характеристик и параметров ТС, а также их технологичностью.
Сравнительный анализ контактных методов измерения температуры, проведенный С. А. Спектором [4], показал, что терморезистивный метод с применением параметрических измерительных преобразователей температуры дает в диапазоне температур (4 — 2000) К существенный (в 5 — 10 раз) выигрыш по точности измерения в сравнении с другими контактными методами. При этом данный метод, также, и значительно проще в реализации.
Однако при очевидных достоинствах применения параметрических измерительных преобразователей на базе ТС терморезистивный метод имеет существенное ограничение по применению, связанное с термической инерцией ТС. Термическая инерция ТС вызвана не мгновенным процессом распространения тепла в термопреобразователе и проявляется в отставании во времени его выходного сигнала (электрического сопротивления) от изменения температуры объекта исследования. Данное свойство ТС вносит особенно существенное ограничение по использованию параметрических измерительных преобразователей при измерении цикли ческих температур, а также в областях науки и техники, требующих проведение «быстрого» измерения.
Исходя из указанного недостатка возникает задача повышения быстродействия температурных измерений, основанных на применении параметрических термопреобразователей.
Попытки решить данную задачу предпринимались учеными и инженерами достаточно длительное время и до начала 70-х годов XX столетия сводились к уменьшению термической инерции термопреобразователей путем совершенствования их физических и конструктивных параметров с целью получения наиболее оптимальных значений. Однако такой подход к решению задачи со временем достиг своего естественного предела. Это и положило начало развитию методов повышения быстродействия температурных измерений, основанных на использовании соответствующей обработки сигналов измерительных преобразователей. Важнейшую роль в разработке данных методов сыграла теория регулярного режима, основанная Г. М. Кондратьевым [5 — 7] и получившая дальнейшее развитие в работах H.A. Ярышева [8 -10].
Разработке и исследованию методов повышения быстродействия температурных измерений, основанных на обработке сигналов терморе-зистивных измерительных преобразователей, посвящен целый ряд работ [1, 12 — 15, 23 — 36], наиболее перспективными из которых, на наш взгляд, являются [1, 12 — 15]. Однако недостатки, присущие предлагаемым в данных работах методам измерения, приводят к существенному ограничению в областях применения как самих этих методов, так и терморезистивных преобразователей в целом.
Поэтому актуальность разработки методов измерения, позволяющих расширить область использования терморезистивных измерительных преобразователей для исследования самых различных физических процессов, не вызывает сомнения. о.
Цель работы: разработка и исследование Методов повышения быстродействия измерений терморезистивными измерительными преобразователями для наиболее распространенных случаев поведения температуры среды, т. е. при простом нагревании или охлаждении термопреобразователя и при изменении температуры среды по синусоидальному закону. Разработка структур приборов и алгоритмов, реализующих методы повышения быстродействия измерений терморезистивными измерительными преобразователями. Наиболее перспективным путем решения этой задачи является применение экстраполяционных методов измерения, основанных на использовании основных положений теории регулярного режима.
Задачи исследований:
— анализ возможностей повышения быстродействия температурных измерений терморезистивными измерительными преобразователями;
— разработка экстраполяционных методов повышения быстродействия температурных измерений при простом нагревании или охлаждении термопреобразователя;
— разработка экстраполяционных методов повышения быстродействия температурных измерений при изменении температуры среды по синусоидальному закону;
— исследование методов повышения быстродействия измерений терморезистивными измерительными преобразователями на точность и время проводимых измерений;
— разработка и исследование метода измерения синусоидально изменяющейся температуры в средах, состав и характеристики которых заранее не известны;
— разработка структур и алгоритмов работы приборов, реализующих методы повышения быстродействия измерений терморезистивными измерительными преобразователями;
— разработка и внедрение экспериментальных и опытных образцов у быстродействующих измерителей температуры.
Методы исследования. Для теоретических исследований применялись математические методы функционального анализа, положения теории регулярного теплового режима, экстраполяционные методы измерения, теория колебаний тепловых процессов, аналитическое моделирование на ЭВМ с использованием пакетов математической обработки, «Mathcad PLUS — 6.0м и «TableCurve 3D v2». Экспериментальные исследования проводились на базе разработанной аппаратуры по стандартным методикам технических испытаний путем сличения с показаниями образцовых средств измерения.
Научная новизна работы заключается в следующем:
— разработан новый метод повышения быстродействия температурных измерений для случая простого нагревания или охлаждения терморе-зистивного ИПТ, не критичный к свойствам и составу исследуемой среды, позволяющий значительно снизить время измерения по сравнению с традиционно используемыми методами без ухудшения метрологических характеристик приборов и систем на его основе;
— разработаны новые методы повышения быстродействия температурных измерений для случая изменения температуры среды по синусоидальному закону, основанные на применении одного или двух терморе-зистивных ИПТ, позволяющие снизить время измерения до 1,5 — 2,5 периодов температурного сигнала ИПТ и значительно повысить точность проводимых измерений, независимо от состава и свойств исследуемой среды;
— предложен и исследован метод измерения синусоидально изменяющейся температуры, основанный на применении двух ИПТ, не повышающий быстродействия, но позволяющий проводить температурные измерения в средах состав и характеристики которых не известны;
— разработан ряд методов измерения показателя тепловой инерции.
1 V терморезистивных ИПТ для случая циклического изменения температуры среды, применение которых в предложенных методах повышения быстродействия температурных измерений позволило существенно повысить их точность;
— разработаны экстраполяционные методы определения постоянной составляющейся, содержащейся в температурном сигнале для случая циклического изменения температуры среды, обладающие значительно более высокой точностью в сравнении с существующими;
— предложены аналитические зависимости и рекомендации по практическому использованию для каждого разработанного метода повышения быстродействия измерений.
Практическая ценность работы определяется тем, что:
— предложены структуры приборов для «быстрого» измерения постоянных и циклически изменяющихся температур, позволяющие реализовать устройства с наиболее оптимальными для конкретной задачи параметрами;
— разработаны алгоритмы реализации методов повышения быстродействия температурных измерений, на основании которых представляется возможность создания оптимального программного обеспечения для выбранной структуры;
— разработаны и внедрены на предприятиях Заказчиков опытные образцы приборов и систем для «быстрого» измерения постоянных и циклически изменяющихся температур;
— результаты теоретических и экспериментальных исследований в виде формул и графиков пригодны для инженерного расчета основных узлов, выбора элементной базы и разработки конкретизированных под заданные условия применения алгоритмов работы приборов и систем для измерения постоянных и циклически изменяющихся температур.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы.
1 1 использованы при создании образцов быстродействующих измерителей постоянных и синусоидально изменяющихся температур.
На кафедре судебной медицины Омской государственной медицинской академии, а также в Омском городском бюро судмедэкспертизы для реализации методики оперативного определения давности наступления смерти применены быстродействующие измерители температуры, обладающие следующими основными метрологическими характеристиками: диапазон измерения ±40 °Спогрешность измерения в диапазоне измерения не более 0,1 °Свремя установления показаний не более 0,5 с.
В акционерном обществе «Омский каучук» в системе контроля параметров технологического процесса производства каучука применен быстродействующий измеритель постоянных и синусоидально изменяющихся температур, имеющий следующие основные метрологические характеристики: диапазон измерения для синусоидально изменяющихся температур (200 — 400) °С, для постоянных температур (200 — 600) °Спогрешность измерения в диапазонах измерения 1 °C для постоянных температур и 0,5 °С для синусоидально изменяющихся температурвремя установления показаний не более 0,2 с для постоянных температур и не более 1,5 периода температурного сигнала (в диапазоне частот (5 — 50) Гц) для синусоидально изменяющихся температур.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Для повышения быстродействия температурных измерений необходимо производить обработку сигналов терморезистивных ИПТ с применением экстраполяционных методов определения температуры среды на стадии регулярного режима ИПТ.
2. Методы повышения быстродействия измерений терморезистивны-ми ИПТ при простом нагревании или охлаждении ИПТ и при синусоидальном изменении температуры среды, позволяющие значительно снизить время измерения в сравнении с традиционными методами.
3. Результаты исследований методов повышения быстродействия измерений терморезистивными измерительными преобразователями на быстродействие и точность, доказывающие высокие потенциальные возможности и перспективность использования данных методов.
4. Технические решения устройств для измерения температуры, реализующих разработанные методы повышения быстродействия измерений.
Апробация работы. Материалы работы докладывались и обсуждались на: Всесоюзной конференции «Непериодические быстропроте-кающие процессы в окружающей среде» (Томск, 1991), Всероссийских НТК: «Методы и средства измерения физических величин» (Н. Новгород, 1998), «Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве» (Н. Новгород, 1998), Международной НТК «Динамика систем, механизмов и машин» (Омск, 1997).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 2 депонированных рукописи, 1 статья в журнале «Омский научный вестник», 5 тезисов докладов на НТК.
Структура работы. Материалы работы изложены в четырех главах.
В первой главе проведен анализ возможностей повышения быстродействия измерений терморезистивными измерительными преобразователями, рассмотрены и проанализированы существующие методы решения данной задачи, выбрано и обосновано направление для разработки новых экстраполяционных методов повышения быстродействия температурных измерений.
Во второй главе разработан метод повышения быстродействия измерений постоянных температур. Разработаны методы повышения быстродействия измерений синусоидально изменяющихся температур, основанные на использовании одного или двух терморезистивных ИПТ. Разработан ряд методов определения постоянной составляющей, содержащейся в температурном сигнале для синусоидально изменяющихся температур.
Разработаны методы измерения показателя тепловой инерции терморезис-тивных ИПТ для синусоидально изменяющихся температур. Разработан метод измерения циклически изменяющейся температуры, основанный на использовании двух ИПТ, не предусматривающий повышения быстродействия измерений, но дающий возможность производить измерения температуры в средах, состав и характеристики которых заранее не известны.
В третьей главе проведено исследование разработанных методов на быстродействие и точность проводимых измерений. Показано, что в отношении точности и быстродействия предложенные методы повышения быстродействия температурных измерений значительно превосходят традиционно используемые как в случае измерения постоянных температур среды, так и в случае измерения синусоидально изменяющихся температур.
В четвертой главе предлагаются и описываются структуры приборов и систем для практической реализации предложенных методов повышения быстродействия измерений. Указываются минимальные аппаратные ресурсы для построения измерителей температуры. Приводятся алгоритмы работы измерителей температуры при реализации каждого из разработанных методов.
В приложение вынесены акты о внедрении результатов диссертационной работы в организациях Заказчиков.
I ч.
1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.
Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:
1. На основе анализа возможных путей повышения быстродействия температурных измерений было установлено, что снижение времени установления показаний измерителей температуры на основе параметрических измерительных преобразователей путем уменьшения показателя тепловой инерции ИПТ имеет естественный предел, обусловленный уменьшением коэффициента Кондратьева. Вследствие этого было показано, что для повышения быстродействия температурных измерений необходимо производить обработку сигналов параметрических измерительных преобразователей с применением экстраполяционных методов определения температуры среды на стадии регулярного режима ИПТ.
2. Разработан метод обработки сигналов ИПТ для повышения быстродействия температурных измерений в случае простого нагревания или охлаждения термопреобразователя, в основу которого положено определение показателя тепловой инерции ИПТ непосредственно на его переходной характеристике (в области регулярного режима) и экстраполяция значений температуры ИПТ на участке переходной характеристики в значение температуры среды. Предложенный метод позволяет производить измерение температуры за время, значительно меньшее (для ближайшего аналога — в 60−80 раз), чем достигнуто для известных приборов аналогичного назначения.
Проведенный анализ точности разработанного метода показал, что относительная погрешность измерения прибора на его основе описывается простой двучленной формулой (по ГОСТ 22 261–82) и определяется лишь точностными характеристиками аппаратной части измерителя температуры. Показано, что погрешность измерения прибора, реализующего предложенный метод, значительно меньше (для ближайшего аналога — в 11,11 раза), чем достигнуто для известных приборов аналогичного назначения.
Установлено, что изменение показателя тепловой инерции ИПТ даже в широких пределах не оказывает влияние на быстродействие и точность проводимых с использованием разработанного метода измерений.
3. Для реализации данного метода предложена структурная схема прибора, разработаны алгоритмы его работы, проведены экспериментальные исследования опытного образца прибора.
4. Разработан ряд методов повышения быстродействия температурных измерений для случая изменения температуры среды по циклическому закону. Предложенные методы позволяют производить измерение температуры за время, равное 1,5 — 2,5 периода температурного сигнала в диапазоне частот 0,1 — 20 Гц. При этом зависимость показателя тепловой инерции ИПТ от свойств среды и самого ИПТ не оказывает влияния на результат измерения. Для реализации предложенных методов разработаны и исследованы соответствующие методы измерения показателя тепловой инерции на стадии регулярного режима ИПТ, а также методы измерения постоянной составляющей температурного сигнала для измерения циклически изменяющихся температур, основанные на использовании двух или одного ИПТ.
5. Разработаны рекомендации по применению термометров, предназначенных для измерения циклически изменяющихся температур и использующих методы повышения быстродействия температурных измерений, при измерении температуры в установившемся режиме.
6. Предложен и исследован метод измерения циклически изменяющейся температуры, основанный на использовании двух ИПТ, не предусматривающий повышения быстродействия измерений, но дающий возможность производить измерения температуры в средах, состав и характеристики которых заранее не известны.
7. Получены и исследованы зависимости относительной погрешности измерения циклически изменяющейся температуры для предложенных методов повышения быстродействия температурных измерений. Данные зависимости показывают, что для любого метода определения постоянной составляющей, содержащейся в температурном сигнале, кроме 2-го метода одного ИПТ, и любого метода измерения показателя тепловой инерции, относительная погрешность измерения прямо пропорциональна мультипликативной составляющей погрешности аппаратной части с коэффициентом пропорциональности, равным единице. Установлено, что в отношении точности любой из предложенных методов повышения быстродействия температурных измерений для циклического изменения температуры среды превосходит традиционно используемые.
8. Получены и исследованы зависимости относительной погрешности измерения циклически изменяющейся температуры при использовании метода двух ИПТ в установившемся режиме. Полученные зависимости могут быть использованы в инженерной практике для предъявления обоснованных требований к аппаратной части практических измерителей температуры и к соотношению показателей тепловой инерции применяемых ИПТ.
9. Для реализации разработанных методов предложены структурные схемы приборов и систем, разработаны алгоритмы их работы, проведены экспериментальные исследования опытных образцов приборов.
10. Полученные экспериментальные и теоретические данные подтверждают выводы о высоких потенциальных возможностях предложенных в диссертационной работе методов обработки сигналов параметрических измерительных преобразователей.
Акты о внедрении результатов диссертационной работы приводятся в приложении.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
В работе рассмотрены вопросы, связанные с разработкой и исследованием методов обработки сигналов параметрических измерительных преобразователей для повышения быстродействия температурных измерений.