Способ компенсации температурной погрешности измерительной системы

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для компенсации температурной погрешности в технике и научных исследованиях в ядерной, тепловой энергетике для измерения различных физических величин. Технический результат - расширение функциональных возможностей. Для этого в процессе эксперимента определяют изменение сопротивления соединительных линий. Устанавливают частоту источника питания индуктивного первичного преобразователя перемещения такой, при которой в процессе нагревания индуктивного дифференциального первичного преобразователя перемещения и определенном изменении сопротивления соединительных линий температурная погрешность индуктивного дифференциального преобразователя перемещения равна нулю. Подключают данный источник к индуктивному дифференциальному преобразователю перемещения и измеряют разность падений напряжений на обмотках индуктивного дифференциального первичного преобразователя перемещения. 4 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в технике и научных исследованиях в ядерной, тепловой энергетике для измерения различных физических величин (например, перемещение, давление и др.) в средах с высокими температурами с помощью измерительных систем (ИС), состоящих из индуктивных первичных преобразователей (ИПП), вторичных преобразователей (ВП) и линий связи, их соединяющих.

Техническими результатами являются: улучшение метрологических характеристик ИС, содержащих индуктивные первичные преобразователи, линии связи и расширение области применения этих ИС.

Широкое распространение в технике и научных исследованиях в ядерной и тепловой энергетике получили измерительные системы (ИС), состоящие из индуктивных первичных преобразователей (ИПП), вторичных преобразователей (ВЦ) и линий связи, их соединяющих.

Важной технической характеристикой таких ИС является мультипликативная погрешность, изменение чувствительности ИС. Основные источники этих погрешностей - высокие температуры рабочей среды, окружающей ИПП и линии связи. Величина этой погрешности может быть значительной при больших диапазонах изменения температуры среды.

Существует несколько способов, уменьшающих эти погрешности.

Так, известен способ (KARA. A Differential Transformer with Temperature and Exitation - Independent Output. IEEE TRANSACTIONS ON INSTRUMENTATION AND MESUREMENT, Vol.IM-21, №3, p.249-255 august 1972), состоящий в компенсации влияния температуры на характеристики ИС путем формирования выходного сигнала в виде отношения разности падений напряжений на вторичных обмотках ИПП к их сумме. Питание ИПП осуществляется от источника напряжения или от источника тока, находящихся в ВП, посредством линий связи.

Способ основан на допущениях, что вторичные обмотки ИПП полностью идентичны по своим геометрическим и электрическим параметрам; относительное перемещение сердечника много меньше единицы; изменения магнитной проницаемости сердечника с температурой незначительны; температурные изменения геометрии преобразователя пренебрежимо малы. В этом случае напряжения на вторичных обмотках U1 и U2 можно представить в виде двух независимых функций Н(Т, f, I) и F(x) таким образом,

;

,

где x - перемещение плунжера от центра первичной обмотки;

f - частота питания первичной обмотки;

I - сипа тока в первичной обмотке;

Т - температура окружающей среды

К - коэффициент, зависящий от конструкций преобразователя.

Тогда сформированный сигнал

После произведенных алгебраических преобразований видно, что Uвых - функция только перемещения сердечниках и не зависит от температуры.

Недостаток этого способа в том, что при высоких температурах и при различных частотах питания, когда допущения, приведенные выше, становятся некорректными, появляется зависимость чувствительности ИПП от температуры. Кроме того, данный способ не уменьшает погрешности ИС, обусловленные изменением сопротивления линий связи в результате их разогрева при работе ИПП в средах с высокими температурами.

Известен способ компенсации температурной погрешности чувствительности дифференциально-трансформаторного преобразователя перемещения, входящего в ИС [патент РФ №2144259, БИ №34, 1999 г.].

В этом способе результат достигается тем, что:

- выбирают любую необходимую из условий эксперимента или получения максимальной чувствительности частоту питания первичной обмотки ИПП в диапазоне от нуля до fопт;

- подбирают внутреннее сопротивление источника питания первичной обмотки ИПП таким, при котором на выбранной частоте питания температурная погрешность чувствительности ИПП будет равна нулю;

- питают первичную обмотку ИПП источником питания с выбранной частотой питания и подобранным внутренним сопротивлением;

- измеряют разность падений напряжений на вторичных обмотках.

Недостатком этого способа является невысокая точность измерений.

Недостаток этого способа обусловлен следующими причинами.

Так как температура окружающей ИПП среды достигает 300 и более градусов Цельсия, вторичный преобразователь, содержащий источник питания первичной обмотки ИПП и измеритель разности падений напряжений на вторичных обмотках, расположен на достаточном удалении от ИПП и соединен с ИПП линиями связи. В случае если сопротивление линий связи сравнимо или больше сопротивления обмоток ИПП, мультипликативная погрешность ИС существенно возрастает из-за изменения сопротивления линий связи, вызванного увеличением температуры окружающей среды, в течение эксперимента.

Из-за этого узка область их применения.

Задача улучшения метрологических характеристик измерительных систем (ИС), состоящих из индуктивных первичных преобразователей, это могут быть индуктивные дифференциальные первичные преобразователи или индуктивные дифференциально-трансформаторные первичные преобразователи, вторичных преобразователей (ВП) и линий связи, их соединяющих - важнейшая в технике изменений. Успешное ее решение позволяет расширить и сферу применения таких ИС.

Способ расширяет область применения измерительных систем (ИС), состоящих из индуктивных первичных преобразователей (ИПП), вторичных преобразователей (ВЦ) и линий связи, их соединяющих, за счет возможности работы ИПП, сопротивление обмоток которого равно или меньше сопротивления линий связи, в жестких температурных условиях и при разогреве линий связи, пропорционально температуре ИПП. Причем эти технические результаты достигаются без увеличения габаритных размеров первичных преобразователей и без введения в них дополнительных элементов, что является важным фактором при размещении преобразователя во внутриреакторных устройствах.

Для этого в способе компенсации температурной погрешности измерительной системы, состоящей из индуктивного первичного преобразователя перемещения, вторичного преобразователя и линий связи, их соединяющих, определяют изменение сопротивления соединительных линий в процессе эксперимента, подбирают частоту питания источника питания индуктивного первичного преобразователя перемещения такой, при которой при нагревании индуктивного дифференциального первичного преобразователя перемещения и определенном изменении сопротивления соединительных линий в процессе эксперимента температурная погрешность индуктивного дифференциального преобразователя перемещения равна нулю, питают индуктивный дифференциальный преобразователь перемещения источником питания с подобранной частотой и измеряют разность падений напряжений на обмотках индуктивного дифференциального первичного преобразователя перемещения.

Ужесточение (возрастание) требований к метрологическим характеристикам (MX) вновь разрабатываемых ИПП для оснащения экспериментальных устройств ядерных реакторов, рабочие температуры до 600°С, ресурс десятки тысяч часов, миниатюризация требует применения более термостойких обмоточных проводов, изоляционных и конструкционных материалов, что в конечном итоге приводит к значительному уменьшению общего сопротивления обмоток ДТП, которое становится сравнимым и даже намного меньше сопротивления линий связи ИС. В таком случае влияние температурного изменения сопротивления линий связи приводит к значительному увеличению температурной погрешности ИС при использовании вышеупомянутых аналога и прототипа. Так, например, при экспериментальных исследованиях установлено, что ИС с ИПП, имеющим при комнатной температуре полное сопротивление каждой из обмоток 3 Ом, общее сопротивление медных линий связи, питающих ИПП 11 Ом, и настроенную на оптимальную частоту fопт.=6 кГц, имеет мультипликативную погрешность 1,5% при нагревании ИПП от 20 до 300°С при постоянной температуре линий связи, питающих ИПП 20°С. Если этот ДТП нагревается вместе с линиями связи, питающими ИПП, от 20 до 300°С, причем температура по длине линий связи питающих ИПП, меняется от 300 до 20°С, мультипликативная погрешность ИС возрастает до 7%. Линии связи из доступных материалов с близким к нулю температурным коэффициентом сопротивления (копель) имеют высокое удельное сопротивление. Поэтому их использование в данном случае, т.е. включение последовательно между источником переменного напряжения, питающем первичную обмотку ИПП, и первичной обмоткой, превращает источник переменного напряжения совместно с линиями связи в источник тока по отношению первичной обмотки ИПП. При таком режиме питания fопт не существует, что не дает возможности использовать способ, описанный в прототипе. График зависимости чувствительности ИС, при сопротивлении линий связи первичной обмотки 220 Ом, самой обмотки 3 Ом от частоты питания и температуры ИПП представлен на фиг.1.

Последующие экспериментальные проводились с ИПП №83, все обмотки которого намотаны проводом ПСДКТ. Омическое сопротивление каждой из обмоток (Rоб) равнялось 1,5 Ом. Величина сопротивления линий связи (Rпр) при комнатной температуре была выбрана 10 Ом. Это значение соответствует омическому сопротивлению, при комнатной температуре, реального 10 метрового кабеля с медными жилами, используемого в экспериментах на ядерных реакторах ГНЦ НИИАР.

Результаты экспериментов показали, что оптимальная частота питания (Fопт) ИПП №83 равняется 6 кГц (см. фиг.2). На этой частоте, при нагревании ИПП №83 до 248°С, при постоянной величине Rпр мультипликативная погрешность ИС менее 1%.

При нагревании ИПП до 248°С и увеличении Rпр пропорционально температуре ИПП Fопт сдвигается в область высоких частот. На фиг.3 представлен график зависимости чувствительности ИС с ИПП от частоты питания и температуры ИПП. При этом Rпр увеличивалось пропорционально температуре ИПП. Максимальное значение Rпр при температуре 248°С составило 12 Ом, т.е. Rпр увеличилось на 2 Ома. На представленных чертежах видно, что в данном случае Fопт возросла и равна 10,3 кГц.

На фиг.4 представлена такая же зависимость, как на фиг.3, но при этом увеличение Rпр в диапазоне температур 24°С-248°С составило 4 Ома. В данном случае Fопт сместилась в область еще более высоких частот и стала равной 16 кГц.

Таким образом, если Rпр в процессе эксперимента изменяется пропорционально температуре ИПП и определена величина этого изменения, тогда при градуировке ИС перед экспериментом можно определить частоту питания ИПП Fопт, на которой мультипликативная погрешность ИС будет минимальна (менее 2%) в диапазоне температур 20÷300°С. Эта частота Fопт будет больше оптимальной частоты питания для ИПП, у которого сопротивление обмоток намного меньше сопротивления линий связи, а также в случае, если это соотношение не выполняется, но не происходит изменение сопротивления линий связи в процессе эксперимента.

В результате поставленная задача и получаемые технические результаты достигаются за счет определения увеличения сопротивления линий связи при нагревании ИПП в процессе эксперимента, определения Fопт с учетом этого увеличения и питания индуктивного первичного преобразователя от источника с частотой Fопт.

Способ компенсации температурной погрешности чувствительности измерительной системы, состоящей из индуктивного первичного преобразователя перемещения, вторичного преобразователя и линий связи, их соединяющих, заключающийся в том, что определяют изменение сопротивления соединительных линий в процессе эксперимента, подбирают частоту питания источника питания индуктивного первичного преобразователя перемещения такой, при которой при нагревании индуктивного дифференциального первичного преобразователя перемещения и определенном изменении сопротивления соединительных линий в процессе эксперимента температурная погрешность индуктивного дифференциального преобразователя перемещения равна нулю, питают индуктивный дифференциальный преобразователь перемещения источником питания с подобранной частотой и измеряют разность падений напряжений на обмотках индуктивного дифференциального первичного преобразователя перемещения.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение при исследованиях в ядерной и тепловой энергетике. .

Ваттметр // 1626172
Изобретение относится к ичмерительной технике и может быть использовано в цифровых и аналоговых приборах с автоматическим выбором пределов измерения мощности. .
Наверх