Способ измерения температурного профиля жидких и газообразных сред и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к измерению температуры и может быть использовано в океанологических и рыбопоисковых системах. Цель изобретения - снижение трудоемкости аппаратурной реализации способа измерения и расширение диапазона измерений. Для этого зондирование проводят гармоническим сигналом, дискретно изменяющимся по частоте, осуществляют (Л tc 01 4; со

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУ БЛИН

„.SU 1254314 A 1 (51)4 G 01 К 3/02

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Ц ь

H А BTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3840673/24-10 (22) 04.01.85 (46) 30.08.86. Бюл. У 32 (71) Специальное конструкторско-технологическое бюро Морского гидрофиэического института АН УССР (72) Б.С. Коган, А.С. Светличный и Ю.Б. Гимпилевич (53) 536.53(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 821946, кл. G Îi К 3/04, 1979.

Патент США 3938385, кл. G 01 К 3/00, опублик. 1976. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО

ПРОФИЛЯ ЖИДКИХ И ГАЗООБРАЗНЫХ СРЕД

И УСТРОЙСТВО ДЛЯ. ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к измерению температуры и может быть использовано в океанологических и рыбопоисковых системах. Цель изобретения — снижение трудоемкости аппаратурной реализации способа измерения и расширение диапазона измерений.

Для этого зондирование проводят гармоническим сигналом, дискретно из" меняющимся по частоте, осуществляют

1 поочередное отражение сигнала от введенных в коаксиальный кабель частотно-зависимых неоднороднсстей

5, определяют затухание неотраженных сигналов, по величине которых судят о температурном профиле среды

Устройство содержит СВЧ-генератор 1 датчик 2 падающей волны, датчик 3 отраженной волны, согласованную нагрузку 6, блок 7 дискретной перестройки частоты, блок 8 обработки и запоминания и регистратор 9. Введение новых элементов и образование новых связей позволяет упростить конструкцию и технологию изготовления термообразователя и расширить динамический диапазон измерений.

Для этого осуществляют градуировку показаний регистратора 9 во всем рабочем диапазоне температур с требуемой дискретностью, а температура среды, в которую помещен кабель 4, изменяется и фиксируется через требуемые интервалы с помощью образцового термометра, которым эта температура измеряется. 2 с.п. ф-лы. 3 ил.

Изобретение относится к технике измерения температуры жидких и. га.— зообразных сред и может быть использовано, в частности, при океанологических и рыбопоисковых исследованиях, например, для измерения пространственного распределения по температурному профилю морской воды.

Цель изобретения — снижение трудоемкости аппаратурной реализации способа измерения температурного профиля среды и расширение динамического диапазона измерений.

Предложенный способ измерения температурного профиля жидких и гаэообразных сред заключается в зондировании электрическим сигналом термопреобраэователя, выполненного в виде коаксиального кабеля и помешенного в исследуемую среду, приеме отраженных сигналов и определении но ним температурного профиля среды.

При этом зондирование производят гармоническим сигналом, дискретно изменяющимся по частоте, осуществляют поочередное отражен е сигна.ла от введенных в коаксиальный кабель частотно-зависимых неоднородностей„ определяют затухание отраженных сигналов и но ним судят о температурном профиле среды.

На фиг. 1 изображена структурная схема предлагаемого устройства, на фиг. 2 — возможная структурная схема блока обработки сигналов и запоминания, на фиг. 3 — структурная схема одного иэ возможных вариантов выполнения блока дискретной перестройки частоты.

Устройство для измерения температурного профиля содержит (фиг. 1)

СВЧ-генератор 1, датчик 2 падающей волны, датчик 3 отраженной волны, коаксиальный кабель 4 с неоднород— костями 5, согласованную нагрузку 6, блок 7 дискретной перестройки часто10 ты, блок 8 обработки и запоминания, регистратор 9.

СВЧ-генератор 1 через датчики падающей 2 и отраженной 3 волн соединен с входом термообразователя— коаксиального кабеля 4, нагруженного на согласованную нагрузку 6. В коаксиальный кабель 4 в различных его сечениях включены неоднородности в виде короткозамкнутых шлейфов 5.

Выходы датчиков мощности 2 и 3 соединены с информационными входами блока 8 обработки и запоминания, выход которого соединен с входом регистратора 9. Управляемые входы генератора 1 и блока 8 обработки и запоминания соединены с выходами блока

7 дискретной перестройки частоты.

- Датчики падающей 2 и отраженной

3 волн предназначены для получения напряжений, пропорциональных мощностям падающей и отраженных волн. Датчики 2 и 3 могут быть реализованы, например, на широкополосных направленных ответвлениях, нагруженных на детекторные секции.

В качестве термопреобразователя

4 может быть использован коаксиаль1254314

L,= r A; l, где 1; — длина волны, соответствую- . щая 1 -й дискретной часто- 20 те генератора 1 гп=1, 2...

1= 1, 2, 3... .

Блок 8 обработки и запоминания выполняет функции преобразования сигналов с выходов датчиков 2 и 3 прямой и отраженной волн в код запоминания этих кодов, вычисления температуры и вывода информации на регистратор 9 (блок 8 может быть вы- ЗО полнен по схеме, приведенной на фиг. 2) .

Блок 8 содержит микро-3ВМ 10, коммутатор 11, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 12. Первый и второй входы коммутатора 11 соединены с выходами датчиков прямой 2 и отраженной 3 волн, выход коммутатора 11 включен на информационный вход . 4О

АЦП 12, выход которого соединен с информационным входом микро-3ВМ 10.

Первый и второй управляющие выходы микро-3ВИ 10 включены на управляющие входы коммутатора 11 и AIQI 12. 45

Второй информационный вход микро3ЕМ i0 соединен с информационным выходом блока 7 дискретной перестройки частоты, а выход подключен к регистратору 9.

Блок 7 дискретной перестройки частоты предназначен для формирования ступенчатого напряжения, обеспечивающего дискретную перестройку

СВЧ-генератор 1. В состав блока 7 входит (фиг. 3) генератор тактовых импульсов 13, счетчик импульсов 14, цифроаналоговый преобразователь

50 ный кабель, например, с волновым сопротивлением 50 или 75 Ом (РК50, PK75).

Короткозамкнутые шлейфы 5 ббеспечивают короткое замыкание в кабе- 5 ле 4 для длин волн, соответствующих дискретным .частотам генератора 1.

Короткозамкнутые шлейфы 5 выполнены из отрезков того же коаксиального кабеля 4 и включены между центральной жилой кабеля К и его экранирующей оплеткой. Шлейфы 5 включены на расстоянии L. от входа кабеля

4, а их длина L, выбирается по соотношению >5 (ЦАП) 15. Выход генератора тактовых импульсов 13 соединен с входом счетчика 14, а выход счетчика 14 соединен с вхЬдами ЦАП 15 и блока 8 обработки и запоминания.

Регистратор 9 может быть выполнен на индикаторах панорамного типа, в которых развертка по горизонтали соответствует расстоянию вдоль кабеля

4, а по вертикали — температуре. Для этой цели можно использовать, например, осциллографические индикаторы типа Я2Р-67.

Устройство для измерения температурного профиля работает следующим образом.

СВЧ-генератор 1 (фиг. 1) вырабатывает сигнал мощностью Р„ (мощность падающей волны), который через датчики подающей 2 и отраженной 3 волн поступает на вход коаксиального кабеля 4, нагруженного на согласованную нагрузку 5 и помещенного в исследуемую среду, и одновременно на первый вход блока 8 обработки и запоминания, где преобразуется в код и запоминается (u„ ) При этом длина п волны 1 генератора 1 устанавливаf ется блоком дискретной перестройки частоты 7 и может принимать последовательный дискретный ряд значений

Я;(= 1, 2,... ).

Генератор тактовых импульсов 13 формирует прямоугольные импульсы, поступающие на вход счетчика 14, число разрядов которого равно числу шлейфов (aj . Коды со счетчика 14 поступают на вход цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 15. С приходом каждого последующего импульса с генератора 13 состояние счетчика 14 увеличивается на единицу, что соответствует некоторбму приращению напряжения ЦАП 15. Таким образом формируется ступенчатое нарастающее напряжение на выходе ЦАП 15, обеспечивающее дискретную перестройку СВЧ-генератора 1. Код с выхода счетчика 14 поступает в блок 8 обработки, где он используется для синхронизации обработки информации.

Сигнал падающей волны, поступивший на вход коаксиального кабеля 4, распространяется в направлении согласованной нагрузки 6.

В 1 -м сечении на расстояниях от. входа коаксиального кабеля

4 происходит эффективное отражение (2) модуль коэффициента отражения 1 -ой неоднородности по напряжению, коэффициент передачи по мощности отрезка коаксиального кабеля 4 от его входа до i -го сечения. где сигнала в направлении датчика 3.

Отраженный сигнал с выхода датчика отраженной волны 3 поступает в блок

8 обработки и запоминания, где преобразуется в код и запоминается (f i«1

Блок 8 обработки и запоминания производит вычисление затухания отраженной волны по отношению сигналов lJ . .и V . Значение затухания

oi И1 запоминается в соответствующей (-й ячейке памяти устройства обработки и запоминания 8, работа которого синхронизируется блоком дискретной перестройки частоты 7. Блок дискретной перестройки частоты 7 устанавливает частоту СВЧ-генератора 1, соответствующую 1-му шлейфу. После этого блок дискретной перестройки частоты 7 выдает код номера частоты в микро-ЭВМ 10.С приходом этого сигнала микро-3BN 10 включает коммутатор 11 в положение, соответствующее датчику 2 падающей волны. АЦП 12 преобразует это напряжение с выхода датчика 2 падающей волны в код, поступающий в микро-3ВМ 10. Затем коммутатор 11 посредством управляющего сигнала с микро-3ВМ 10 переводится в положение, соответствующее датчику 3 отраженной волны, и опять производятся операции аналого-цифрового преобразования. Затем блок

? дискретной перестройки частоты устанавливает (i+f) значение частоты, и процесс повторяется.

Вычисленные на микро-3ВМ 10 значения затухания выводятся на регистратор 9. По временному распределе-нию затухания судят о температурном профиле исследуемой среды.

Отражение сигнала от t -ых сечений кабеля 4 происходит с коэффициентом отражения, близким к единице.

Мощность отражения волны Р, в 1 -ом сечении равна

1254314 ние, . Мощность отраженной волны на входе коаксиального кабеля 4 (в месте включения датчика 3 отраженной волны) равна

При изменении средней температуры среды на участке, изменяется сопротивление жилы и проводимости изоляции коаксиального кабеля 4, что приводит к изменению коэффициента передачи кабеля ; (изменение затухания участка, ) и, как следствие, (, изменению отраженной мощности Р; ..

В режиме калибровки устройства коаксиальный кабель 4 помещают в среду с температурой, контролируемой по образцовому термометру. Напряже20 ..ия на выходах датчиков падающей 2 и отраженной 3 волн в соответствии с формулой (3) равны

25 (5) где К; — коэффициент передачи датчиков падающей 2 и отражен30 ной 3 волн на частоте f

1 (датчики 2 и 3 идентичны), индекс К в обозначениях величин относится к режиму калибровки. к К

Напряжения () „и U, поступают на информационные входы блока 8 обработки и запоминания.

В блоке 8 обработки и запоминания определяется затухание отраженной

40 волны

К дь foe< -20 t, ; . (6

При этом результат измерения не зависит от абсолютного уровня мощности падающей волны, неравномерности мощности генератора f и коэффициентов передачи k, датчиков 2 и 3 в полосе частот.

В режиме измерения термообразователь 4 помещают в исследуемую среду и на начальной стадии повторяют те же операции, что и при калибровке.

Для каждого значения 1 определяется затухание отраженной волны

Отраженный сигнал проходит в обратном направлении такое же расстоя(7) 7 1

Индекс И в обозначениях величин относится к режиму измерения.

Затем в блоке 8 обработки и запоминания определяется разность затуханий отраженной волны на 1 -м участке кабеля 4 в режимах калибровЭ ки и измерения, которая в соответствии с (6) и (7) равна

К, . =N . N,." 2ОЕ

254314 8

О мые интервалы с помощью образцового термометра, которым эта температура измеряется. При каждом значении температуры блоком 8 проводится -определение 4й;и 44; и выдача этих параметров в регистратор 9. При этом показания регистратора 9 градуируют непосредственно в значениях температуры среды.

Формула

При этом исключается зависимость результата измерения ьй; от коэффициента отражения <-й неоднородности Г;

Формула (8) несет информацию об изменении средней температуры слоя среды, примыкающего к -му отрезку кабеля 4. Если эта температура соответствует температуре калибровK u ки, то затухание N. =N. и дМ. =О.

Если средняя температура увеличится, то затухание в этом режиме измерения возрастет (по модулю), т.е ° 25 д" ) > N. 1, при этом 6N; > О. Ect 1 .ли же средняя температура слоя уменьшится, то iN . 1(tNк! и йИ (О.

Если требуется определить среднюю температуру слоя среды на участ- ЗО ке между 1 -й и (i +1)-й неоднородностями, то в устройстве обработки и запоминания 8 определяется разность приращений затухания на (i +1)-м и 1 -м участках

К лtt к л +

1 (g)

40 где — номер участка, заключенного между -й и (i+1)-й неоднородностями.

Далее результаты определения ь М. по формуле (8) либо аб„по формуле (9) поступают из блока 8 обработки

45 и запоминания на вход регистратора 9.

Для того, чтобы по Ай,либо по

1 (h5 восстановить температурный проJ филь, необходимо точно знать, каким значениям температуры соответствуют конкретные значения ЬМ, и аЬ„.

Для этого осуществляют градуировку показаний регистратора 9 во всем рабочем диапазоне температур с требуемой дискретностью. При этом в режиме градуировки температура среды, в которую помещен кабель 4, изменяется и фиксируется через требуе1. Способ измерения температурного профиля жидких и газообразных сред, заключающийся в зондировании электрическим сигналом термообразователя, выполненного в виде коаксиального кабеля и помещенного в исследуемую среду, приеме отраженных сигналов и определении по ним температурного профиля среды, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью снижения трудоемкости аппаратурной реализации способа и расширения динамического диапазона измерений,,зондирование проводят гармоническим сигналом, дискретно изменяющимся по, частоте, осуществляют поочередное отражение сигнала от введенных в коаксиальный кабель частотно-зависимых неоднородностей, определяют затухание отраженных сигналов, по величине которых судят о температурном профиле среды.

2. Устройство для измерения температурного профиля жидких и газообразных сред, содержащее генератор

t сигналов, термообразователь,выполненный в виде коаксиального кабеля, подсоединенную к нему согласованную нагрузку, регистратор, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью упрощения конструкции и технологии изготовления термообразователя и расширения динамического диапазона измерений; в различные сечения коаксиального кабеля дополнительно включены частотно-зависимые неоднородности в виде короткозамкнутых шлейфов, в устройство введены блок дискретной перестройки частоты, датчики мощности падающей и отраженной волн, блок обработки и запоминания, при этом датчики мощности падающей и отраженной волн включены последовательно между генератором сигналов и входом коаксиального кабеля, выходы блока дискретной перестройки частоты соединены с управляющими входами гене9 1254314 1О ратора сигналов и блока обработки ков мощности падающей и отраженной и запоминания, информационные входы волн, а выход соединен с входом рекоторого подключены к выходам датчи- гистратора.

0а0атЦЧКа ПО- П/77 даЛУЧиКИЛ,Мбоацео Мпны2 жениаи Звань! Л

Составитель В.Голубев

Техред И.Ходанкч

Корректор И. Самборская

Тираж 778 Подписное

ВНИИ И Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Иосква, iK 35, Раушская наб,, д, 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул.Проектная, 4

Редактор А.Гулько

Заказ 4710/44

Ин93ОРМОЦУОниьи

Ьиеб(к5лсиу вброд и7/ю,/

РОЗ. Ю

Ваяющий

Ф(к СЮ9фдй7®У)