Цифровий вимірювач розподілу теплових характеристик

Цифровий вимірювач розподілу теплових характеристик, що містить послідовно включені перетворювачі теплових потоків та температур, комутатор, на додаткові входи якого підключені три масштабні перетворювачі, диференційний підсилювач, аналого-цифровий перетворювач, блок сполучення та комп'ютер, а також блок керування та генератор змінного струму, вихід та вхід якого підключено, ВІДПОВІДНО, до другого входу диференційного підсилювача і третього масштабного перетворювача та другого виходу блока керування, п'ятий та перший вихід якого підключено до керуючого входу комутатора і другого входу аналого-цифрового перетворювача ВІДПОВІДНО, а перший та другий входи блока керування підключено ВІДПОВІДНО до блока сполучення і аналого-цифрового перетворювача, який відрізняється тим, що до виходу комутатора підключені два введені ключі, при цьому перший ключ підключено до загальної шини, а його управляючий вхід - до шостого виходу блока керування, в той же час управляючий вхід другого ключа підключено до виходу введеного інвертуючого суматора, входи якого підключено до управляючого входу першого ключа і до входу керування комутатора ВІДПОВІДНО, а також введені послідовно з'єднані керовані джерело живлення і електронагрівач, при цьому вхід джерела живлення підключено до третього виходу блока керування, а електронагрівач оснащено місцями закріплення всіх перетворювачів теплових потоків та температур, крім того, введено цифро-аналоговий перетворювач, входи та вихід якого підключено ВІДПОВІДНО до блока сполучення, четвертого виходу блока керування і другого масштабного перетворювача Винахід належить до вимірювальної техніки, зокрема до цифрових засобів вимірювання розподілу температури та теплових потоків і призначений для використання технічної та медикобюлопчної діагностики по розподілу теплових характеристик ВІДОМІ цифрові вимірювачі розподілу теплових характеристик, що містять перетворювачі, генератор, аналого-цифровий перетворювач (див, наприклад, а с СССР №953471 по кл G01K7/2 за 1982р БИ №31, пат ФРН №1529923 по кл G01K13/00 3a1980p) Принцип дії відомих вимірювачів заснований на перетворенні значень розподілу теплових потоків в напруги сталого струму і температур в значення опорів з подальшим аналого-цифровим перетворенням проміжних параметрів (напруг сталого струму і опорів) в коди та з представленням розподілу поля теплових потоків та температур в графічному та чисельному зображенні на моніторі комп'ютера Однак отримуєма точність вимірювання роз поділу теплових потоків та температур не є задовільною Це пояснюється впливом на вимірювач декількох факторів По-перше, самі перетворювачі мають розкид власних параметрів і, крім того, ці параметри змінюються під впливом температури та часу По-друге, багатоканальний комутатор, яким підключаються перетворювачі до подальших блоків вимірювання, створює динамічні завади, виникаючі зокрема від переносу заряду з каналу в канал своєю вихідною ємністю, а також від переносу заряду управляючого комутатором сигналу через перехідну ємність По-третє, на шинах зв'язку між перетворювачами та комутатором індукується напруга від промислової електромагнітної завади живлячої мережі з частотою 50Гц Як прототип, вибраний вимірювач, який містить послідовно включені перетворювачі теплових потоків та температур, комутатор, на додаткові входи якого підключені три масштабні перетворювачі, диференційний підсилювач, аналогоцифровий перетворювач, блок сполучення та комп'ютер, а також блок керування та генератор змін 1 ю ^о ю 50457 ного струму, вихід та вхід якого підключено, ВІДПОВІДНО, до другого входу диференційного підсилювача і третього масштабного перетворювача та другого виходу блоку керування, п'ятий та перший вихід якого підключено до керуючого входу комутатора і другого входу аналого-цифрового перетворювача ВІДПОВІДНО, а перший та другий входи блока керування підключено ВІДПОВІДНО ДО блоку сполучення і аналого-цифрового перетворювача (див Рис 1 в роботі Ю Бобков, В Ціделко, А Яремчук, Н Тарабан, Д Лященко "Информационно-измерительная система "Поток" для исследования распределения теплових потоков и температур"/ Арсенал XXI века, №1, 2000, с 66) Принцип дій прототипу заставаний на перетворенні значень розподілу потоків в напруги сталого струму за рахунок, наприклад, використання батареї диференційних термопар, а також температури в значення опорів за рахунок, наприклад, використання терморезисторів, підключених паралельно перетворювачам теплових потоків Отримуємі значення опорів в подальшому також перетворюються в напругу з подальшим перетворюванням всіх напруг в коди з подальшим передаванням цих кодів через блок сполучення в комп'ютер, за допомогою якого відбувається представлення розподілу поля теплових потоків та температур в графічному та чисельному зображенні на моніторі комп'ютера До недоліків прототипу слід віднести незадовільну точність вимірювання розподілу теплових потоків та температур, яка ґрунтується на розкиді власних параметрів перетворювачів і їх ЗМІНІ ПІД впливом температури та часу, на динамічних завадах в комутаторі, які виникають від переносу заряду з каналу в канал власною вихідною ємністю комутатора, від переносу заряду управляючого сигналу через перехідну ємність комутатора, а також індукованою від промислової завади напруги на шинах зв'язку між перетворювачами та комутатором В основу винаходу поставлено задачу удосконалити вимірювач шляхом виконання автоматичної калібровки кожного каналу вимірювання теплових характеристик, придушення переносу зарядів в багатоканальному комутаторі, а також придушення промислової завади за допомогою інтегрування вимірювальних значень параметрів за період промислової завади, що забезпечує підвищення точності вимірювання розподілу теплових потоків та температур Поставлена задача вирішується тим, що в цифровому вимірювачі розподілу теплових характеристик, який містить послідовно включені перетворювачі теплових потоків та температур, комутатор, на додаткові входи якого підключені три масштабні перетворювачі, диференційний підсилювач, аналого-цифровий перетворювач, блок сполучення та комп'ютер, а також блок керування та генератор змінного струму, вихід та вхід якого підключено, ВІДПОВІДНО, до другого входу диференційного підсилювача і третього масштабного перетворювача та другого виходу блока, керування, п'ятий та перший вихід якого підключено до керуючого входу комутатора і другого входу аналого-цифрового перетворювача ВІДПОВІДНО, а перший та другий входи блока керування підключено ВІДПОВІДНО ДО блока сполучення і аналого-цифрового перетворювача, новим є те, що до виходу комутатора підключені два введені ключі, при цьому перший ключ підключено до загальної шини, а його управляючий вхід - до шостого виходу блока керування, в той же час управляючий вхід другого ключа підключено до виходу введеного інвертуючого суматора, входи якого підключено до управляючого входу першого ключа і до входу керування комутатора ВІДПОВІДНО, а також введені послідовно з'єднані керовані джерело живлення і електронагрівач, при цьому вхід джерела живлення підключено до третього виходу блока керування, а електронагрівач облаштовано місцями закріплення всіх перетворювачів теплових потоків та температур, крім того, введено цифро-аналоговий перетворювач, входи та вихід якого підключено ВІДПОВІДНО ДО блока сполучення, четвертого виходу блока керування і другого масштабного перетворювача Суть винаходу пояснюється кресленнями, де на фіг 1 показана структурна схема цифрового вимірювача розподілу теплових характеристик, а на фіг 2 - приклад облаштування електронагрівача місцями закріплення всіх перетворювачів теплових потоків та температур Цифровий вимірювач розподілу теплових характеристик (фиг 1) містить електронагрівач 1 з облаштованими місцями закріплення перетворювачів F10 - Fno який підключено до керуємого джерела живлення 2, а також з'єднані перетворювачі теплових потоків та температур 3 - 4, що перетворюють в свої ВИХІДНІ параметри теплові потоки F1 - Fn та температури Т1 — Тп і три масштабних перетворювача 5 - 7 з комутатором 8, вихід якого підключено до першого ключа 9, другого ключа 10, управляючий вхід якого з'єднано з виходом інвертуючого суматора 11, та до диференційного підсилювача 12, крім того - генератор змінного струму 13, комп'ютер 14, аналого-кодовий перетворювач 15, цифро-аналоговий перетворювач 16, блок сполучення 17 і блок керування 18, що має вхід 19 синхронізації напруги промислової мережі живлення Uc Електронагрівач (фіг 2), наприклад, містить перетворювач електричногоструму 20, теплоізолятори 21 та 22 В верхньому теплоізоляторі 21 до перетворювача 20 зроблено запони, в які вставляються перетворювачі 4 теплових потоків та температур, що шинами 23 підключено до подальших блоків вимірювача Вимірювання розподілу теплових характеристик (теплових потоків та температур) відбувається слідуючим чином Перетворювачі теплових потоків та температур 3 - 4 встановлюються та закріпляються за допомогою, наприклад, рідкої тканини на об'єкті досліджень Теплові потоки об'єкта в цих перетворювачах призводять до появи на їх виходах сталих напруг, які пропорційні цим потокам В той же час температура об'єкта перетворюється в зміну внутрішнього електричного опору цих суміщених перетворювачів, які електричне є двохполюсниками Для вимірювання теплових потоків перетворювачі 3 - 4 послідовно підключаються комутатором 8 до входу диференційного підсилювача 12, ВИХІДНІ сигнали якого перетворюються в 50457 коди аналого-цифровим перетворювачем (АЦП) 15, які через блок сполучення 17 подаються в комп'ютер 14, де вони запам'ятовуються з подальшим відображенням на екрані монітора у вигляді розподілу на площині На другий вихід диференційного підсилювача 12 підключено вихід генератора змінного струму 13, який в цьому режимі не відтворює змінний струм, але його вихідний сигнал містить зміщення нуля Для зменшення впливу цього зміщення на результати вимірювання вихід генератора 13 в цьому режимі через масштабний перетворювач 7 та відкритий канал комутатора 8 підключено до першого входу диференційного підсилювача 12 як додаток до сигналів інших перетворювачів 3 - 4 Коефіцієнт передавання масштабного перетворювача 7 вибрано таким чином, щоб сигнали зміщення нуля генератора 13 подавалися на входи диференційного підсилювача 12 приблизно рівними для подавления цієї похибки зміщення Інша похибка зміщення - зміщення нуля диференційного підсилювача 12 подавлюється шляхом віднімання в комп'ютері з кода виміру поточного значення коду попереднього виміряного зміщення нуля Для цього перед кожним вимірювальним циклом масштабний перетворювач 5, що має сталі характеристики середнього опору перетворювачів З - 4, підключається комутатором 8 до першого входу диференційного підсилювача 12 і відбувається вимірювання зміщення нуля підсилювача 12 за допомогою АЦП 15 з подальшою передачею коду зміщення нуля через блок сполучення 17 в комп'ютер 14 Під час вимірювання вихідних напруг перетворювачів 3-4 можливі випадки достатньо високої їх різниці між каналами Це відповідає можливому досліджуємому розподілу на площині теплових характеристик об'єкта В той же час комутатор 8 має певні вхідну та прохідну електричні ємності На ВХІДНІЙ ємності комутатора 8 накопичується заряд від вимірювання напруги попереднього каналу, а через прохідну ємність на вихід комутатора передається частина управляючого сигналу Обидві ці завади можуть бути досить значними при малому рівні напруги в поточному каналі На відміну від прототипу ці завади в винаході придушуються Для придушення завади від передавання заряду з каналу в канал вхідною ємністю комутатора 8 в вимірювач введено додатковий перший ключ 9, який відкривається на певний час при переключенні каналів комутатора 8 і шунтує на загальну шину вхідну ємність комутатора 8 При відкритому ключі 9 аналого-цифровий перетворювач 15 заблоковано і процес вимірювання не відбувається Після розряду вхідної ємності комутатора 8 через перший ключ 9 цей ключ - закривається і починається вимірювання Для придушення завади від передачі частину управляючого сигналу через прохідну ємність комутатора 8 в вимірювач введено додатковий другий ключ 10 та інвертуючий суматор 11 Інвертуючий суматор формує протифазний сигнал керування порівняно з сигналами керування комутатора 8 та першого ключа 9 Цей протифазний сигнал подається через прохідну ємність ключа 10 на вихід комутатора 8 і компенсує заряд від передачі частини управляючого сиг налу через прохідну ємність комутатора Для повної компенсації рівень сигналів управління комутатором 8, ключем 9 та рівень вихідного сигналу суматора 11 вибрані рівними, а другий ключ 10 вибрано з прохідною ємністю, що відповідає прохідній ємності комутатора 8 За рахунок придушення двох завад підвищується точність вимірювання розподілу теплових характеристик в цьому вимірювачі Для вимірювання розподілу температур спочатку виконується вимірювання опору перетворювачів 3 - 4, а потім в комп'ютері 14 виконується визначення температури кожного перетворювача по функціональному зв'язку між температурою перетворювача та його опором Наприклад, при використанні напівпровідникових терморезисторів для визначення використовується логарифмічний функціональний зв'язок Для зменшення впливу зворотного ефекту Пельт'є вимірювання опору перетворювачів виконується на змінному струмі Напруга цього змінного струму відтворюється генератором 13 Ця напруга прикладається до подільника опір перетворювача 7 та опір ключа комутатора 8 - опір перетворювача 3 або 4 та опір ВІДПОВІДНОГО ключа комутатора 8 При цьому на виході диференційного підсилювача з'являється напруга, яка, зокрема, пропорційна опору перетворювача 3 або 4 Амплітудні значення цієї напруги перетворюються в коди за допомогою АЦП 15 Ці КОДИ через блок сполучення поступають в комутатор 14, в якому надалі відбувається розрахунок температури по отриманим значенням кодів Для підвищення точності вимірювання розподілу теплових характеристик перед циклом вимірювань виконується автоматична калібровка кожного вимірювального каналу з подальшим використанням отриманих значень коефіцієнтів перетворення вимірювальних каналів для збільшення точності визначення досліджуємих розподілу теплових потоків та температур Для цього всі перетворювачі теплових потоків та температур (4 на фіг 2) встановлюються в місця закріплення Вимірювач вмикається в режим автоматичного калібрування і блок керування 18 від комп'ютера 14 отримує команду, яка включає напругу на виході керуємого джерела живлення 2 і починається прогрівання електронагрівачем 1 всіх встановлених на ньому перетворювачів Після виходу електронагрівача 1 на сталий тепловий режим блок керування 18 від комп'ютера 14 отримує команду на виконання вимірювання теплових потоків та температур всіма перетворювачами 3 - 4 Отримані значення теплових потоків та температур заносяться в запям'ятовуючий пристрій комп'ютера і використовуються надалі для автоматичної калібровки та діагностування кожного каналу вимірювача, що містить перетворювач 3-4 Для автоматичної калібровки після виконання вимірювання вихідного сигналу кожного перетворювача 3 - 4 в цифро-аналоговий перетворювач 16 з комп'ютера 14 через блок сполучення 17 подається код, отриманий раніш при калібровці цього перетворювача за допомогою нагрівача 1 Цей код перетворюється в напругу, яка з виходу цифро-аналового перетворювача подається на масштабний перетворювач 6, який ВІДПОВІДНИМ ключем 50457 комутатора 8 підключається через підсилювач 12 до входу АЦП 15 Відбувається перетворення сигналу, що подається з масштабного перетворювача 6 з подальшим використанням його як дільника для виконання операції калібровки Після виконання вимірювання вихідного сигналу кожного перетворювача 3-4 комп'ютер 14 зіставляє отриманий код з кодом, що отриманий при калібровці Якщо отриманий код починає суттєво перевищувати код цього каналу, то комп'ютер 14 видає повідомлення про наявність дефекту в вимірювальному каналі і процес вимірювання зупиняється Таким чином, в цьому вимірювачі передбачено виконання автоматичної калібровки каналів з перетворювачами теплових потоків та температур З - 4, що дає можливість істотно підвищити точність 8 вимірювання розподілу теплових характеристик Крім того, автоматичне діагностування стану каналів цього засобу покращує його експлуатаційні характеристики Для зменшення завади, індукованої промисловим магнітним полем на шинах зв'язку між перетворювачами 3 - 4 та комутатором 8, передбачається в вимірювачі виконати осереднення результатів вимірювань за період цієї завади Для підлагодження під цей період в блок керування 18 включено вхід синхронізації 19, який підключено до напруги мережі живлення Uc По завершенню кожного періоду Uc закінчується осереднення результатів вимірів, що виконані за цей період Uc, з подальшим їх відображенням на моніторі комп'ютера 14 23 20 чг 2 ДП «Український інститут промислової власності» (Укрпатент) вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119, Україна ( 0 4 4 ) 4 5 6 - 2 0 - 90 ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)216-32-71