Динамические характеристики датчика температуры

Разработка исследование методов и аппаратуры для определения динамических характеристик средств измерений переменной температуры водных потоков диссертация по приборостроению, метрологии информационно-измерительным приборам и системам, скачайте бесплатно автореферат диссертации на тему 'Приборы и методы измерения по видам измерений' автореферат диссертации по приборостроению, метрологии информационно-измерительным приборам и системам, 05. Физические принципы и средства контактных измерений переменной температуры водных потоков. Нормируемые динамические характеристики и оценка погрешности преобразования переменной температуры контактными датчиками. Методы и средства обеспечения единства измерений переменной температуры водных потоков. Метод повышения точности определения ДХ эталонных датчиков на ГСЭ НТ 2. Эталонные гидродинамические установки для определения динамических характеристик малоинерционных электротермометров. Разработка метода и аппаратуры для определения динамических характеристик датчиков переменной температуры с использованием случайного испытательного сигнала 3. Предпосылки разработки и алгоритм метода определения параметров комплексных частотных характеристик быстродействующих датчиков температуры в затопленной струе 3. Эталонная гидродинамическая установка «Затопленная струя» и эксперимент по исследованию характеристик случайного испытательного сигнала. Экспериментальное определение динамических характеристик быстродействующих рабочих датчиков переменной температуры на установке «Затопленная струя». Метод аппаратной и программной коррекции динамических характеристик датчиков переменной температуры. В фиксированной точке водного потока температура изменяется во времени случайным образом. Это означает, что измерения температуры водных и воздушных потоков, имеющих турбулентную природу, относятся к динамическим измерениям, - измерениям физической величины, изменяющейся во времени. В данном случае терминологический элемент «динамическое измерение» относится к измерению изменяющейся во времени температуре. Измерения переменной температуры турбулентных водных потоков, представляющей собой ее случайные по форме и амплитуде колебания пульсации на фоне медленно меняющихся значений температуры, выполняются: - в океанологии и гидрометеорологии - при исследованиях теплообмена на границе атмосфера-океан в целях прогнозирования эволюции физических параметров состояния окружающей среды; - в навигации - при исследованиях параметров состояния морской воды на различных глубинах для обеспечения безопасного подводного мореплавания, а также при изучении естественных и техногенных аномалий в толще воды морей и океанов, подводных гейзеров, вулканов, при обследованиях аварий на морских буровых платформах и других подводных объектах; - в судостроении - при проектировании исследовании гидродинамических характеристик корпусов судов их подводных элементов. Измерения переменных температур составляют сравнительно небольшую часть объема рабочих температурных измерений, выполняемых в отечественной промышленности и обороне в целом. Однако научная и практическая ценность результатов этих измерений, позволяющих количественно оценивать изменчивость физических свойств объектов и явлений в процессе их развития, с одной стороны, и принципиальная невозможность применения для этих целей обычных, даже особо точных, но работающих только в статическом режиме средств измерения, с другой стороны, определяют актуальность работ в области метрологического обеспечения динамических измерений температуры. Актуальность исследований в области метрологического обеспечения динамических измерений гидрофизических параметров, в частности измерений переменных температур водных потоков, подчеркнута в Решении Конференции «Проблемы метрологии гидрофизических измерений», состоявшейся еще в 1990 г. Однако за прошедшее десятилетие указанной проблеме по различным причинам не уделялось должного внимания. Наметившийся в последние годы резкий подъем интереса к проблемам мониторинга окружающей среды, а также постановка задачи метрологического обеспечения измерений, выполняемых в процессе освоения пространств и ресурсов Мирового океана Федеральная целевая программа «Мировой океан», 1997 г. Номенклатура и количество рабочих средств измерений, используемых при динамических измерениях и по своим метрологическим характеристикам удовлетворяющих условиям применения и требованиям нормативных документов в этой области измерений, непрерывно увеличиваются. Только в системах Россудпрома, Росгидромета, Минатома и Минобороны насчитывается СКСЛО 2 тысяч электронных термометров и термометрических каналов в составе судовых, стационарных и научно-исследовательских информационно-измерительных систем, предназначенных для измерения переменных температур водных и воздушных потоков. Особую значимость имеют измерения переменных температур при проектировании систем охлаждения атомных реакторов, при определении физических параметров и прогнозировании изменчивости Мирового океана при научных исследованиях, при поиске и локализации подводных естественных и антропогенных аномалий. Измерения температуры в этих случаях невозможны без применения специально сконструированных высокоточных приборов - океанских глубоководных зондов, дрейфующих многофункциональных комплексов дрифтеровизмерительной аппаратуры подводных обитаемых и автономных аппаратов, имеющих в своем составе малоинерционные термометры измерительные каналы с заданными известными динамическими характеристиками. При измерениях переменной температуры водной среды широкое применение получили контактные методы, в которых чувствительные элементы датчиков - термопары, термометры сопротивления, термисторы - находятся в непосредственном механическом и тепловом контакте с исследуемой средой водного потока. При контактном методе измерения датчик температуры, установленный внутри потока, в зависимости от своей конфигурации и размеров, в той или иной степени искажает температурное поле водной среды. На каком бы принципе ни было основано действие контактного датчика, его выходной сигнал соответствует температуре собственного чувствительного т~ч и элемента. В связи с этим, при измерении пульсирующей температуры водной среды проявляются и приобретают особую значимость факторы, определяемые тепловой инерцией используемых датчиков и ограниченностью быстродействия вторичных измерительных преобразователей. Кроме того, обработка и форма представления результатов измерения переменной, нестационарной, температуры принципиально отличается от алгоритмов обработки и формы представления результатов измерений статических, стационарных температур. В отличие от статических измерений, выбор средства измерения и представление результата измерения изменяющейся во времени температуры например - пульсирующей температуры водного потока в рубашке атомного реакторатак же как и способы определения и учета инструментальной составляющей погрешности термометра, работающего в динамическом режиме имеющего переменный выходной сигнал- определяются его динамической погрешностью, проявляющейся только в динамических режимах работы. Без знания динамической характеристики невозможно правильно выбрать рабочее средство измерения и оценить погрешность полученных результатов измерения. Конечная цель обеспечения единства динамических измерений температуры, как и задача метрологического обеспечения в целом, остается неизменной - достижение единства измерений при возможном для современной науки и техники уровне точности. Однако при этом технические средства и методы решения задач обеспечения единства динамических измерений, в частности динамических измерений температуры, принципиально отличаются от средств и методов, применяемых для решения аналогичных задач метрологического обеспечения статических измерений температуры. Это связано, прежде всего, с необходимостью воспроизведения и подачи на вход исследуемого термометра переменного испытательного температурного сигнала с известными амплитудными и временными частотными параметрами, или синхронного сличения с эталонным термометром, инерционные характеристики быстродействие которого заранее известны и заведомо превышают аналогичные характеристики исследуемого термометра. Реализация таких испытательных сигналов в водном потоке может быть обеспечена только с помощью гидродинамических эталонных установок - генераторов специальных сигналов, которые по своей конструкции и принципам действия существенно отличаются от аналогичных средств и методов, используемых при измерениях, проводимых в статическом режиме например, термостатов или ампул для воспроизведения реперных точек термодинамической шкалы. Однако, высокая стоимость эталонного оборудования стационарные гидродинамические установки являются энергоемкими и крупногабаритными конструкциями и несовершенство нормативной и методической базы в этой области динамических измерений, приводят к тому, что отечественные иностранные производители рабочих СИ часто не указывают динамические характеристики в эксплуатационной документации и не включают их в число нормируемых, тем самым ограничивая применение этих приборов в качестве СИ переменных температур. Сложность эталонных установок и методов оценки динамических характеристик термометров, специальные требования к методам и средствам обработки измерительной информации, необходимость соблюдения многочисленных условий эксперимента по исследованию динамических характеристик СИ - все это относит задачу метрологического обеспечения переменных температур к сложным вопросам метрологии теп-лофизических измерений. В соответствии с Рекомендацией РМГ 29-99 «Метрология. Основные термины и определения» здесь, и далее по тексту диссертации вместо термина образцовое средство измерений используется термин рабочий эталон, соответственно, вместо термина образцовый датчик используется термин эталонный датчик, вместо образцовой установки - эталонная установка эталонное оборудование. Основное отличие эталонных установок и методов воспроизведения и передачи размера единицы термометрам, предназначенным для измерения переменной температуры заключается в том, что принцип действия этих СИ, как правило, не позволяет передавать им размер единицы градуировать в обычном статическом режиме, как это, в частности, предусмотрено при градуировке калибровке методом воспроизведения реперных значений температурных шкал или методами сличений с эталонными термометрами в термостатах. Указанное обстоятельство, а также необходимость централизованного воспроизведения и передачи размера единицы температуры средствам измерений, работающим в динамическом режиме, поставили задачу создания специального эталона и соответствующей поверочной схемы, обеспечивающих воспроизведение и передачу единицы температуры в специальных условиях - в водном потоке и в динамическом режиме. Начиная с 1968 г. Менделеева во главе с профессорами Тар-беевым в лаборатории аэрогидрофизических измерений ВНИИМ были созданы уникальные эталонные установки измерительные системы, обеспечившие единство гидрофизических измерений в интересах промышленности и обороны СССР и России. В создании отечественных средств и методов метрологического обеспечения гидрофизических измерений в разное время принимали участие Суворов, автор работы ВНИИМA. Зеликсон ВНИИФТРИВ. Овчинников ЦНИИ ГранитИ. Чеплюков Донецкий Государственный университет, Украина и. Значительный вклад в теорию и практику динамических измерений, разработку действующих нормативных документов внесли так же труды Созданный в 1978 г. Менделеева Государственный специальный эталон единицы температуры водной среды ГСЭ ПТ в диапазоне частот пульсаций температуры 0,5-100 Гц ГОСТ 8. Однако особенностью эталонной установки ГСЭ ПТ, воспроизводящей последовательность ступенчатых, близких к прямоугольным, импульсов температуры в водном потоке, является невозможность ее применения для определения ДХ большой номенклатуры термометрической аппаратуры с быстродействующими датчиками, которые по конструкции, габаритам и присоединительным размерам отличаются от эталонных датчиков, имеющих строго определенную конфигурацию см. Указанные обстоятельства приводят к тому, что в настоящее время определение и периодический контроль ДХ таких СИ с применением имеющихся установок сопровождается значительными погрешностями, не поддающимися учету исключению, а в большинстве случаев просто невозможен. В связи с этим основной целью диссертационной работы являлась разработка нового метода и создание эталонной установки, обеспечивающих определение динамических характеристик аппаратуры для измерения температуры термометров турбулентных водных потоков с быстродействующими датчиками различной конфигурации, имеющих неразборную конструкцию и значительные габариты, исследование метрологических характеристик которых невозможно с помощью существующих методов и установок. Для достижения этой цели на базе большого гидродинамического бассейна ГДБ в Ломоносовском отделении ВНИИМ под руководством автора и при его непосредственном участии создана гидродинамическая эталонная установка, позволяющая выполнять исследования метрологических характеристик, в том числе, - поверку, калибровку испытания СИ переменных температур различных конфигураций, габаритов и широкой номенклатуры типов. Разработанные автором метод и установка обеспечивают воспроизведение и передачу размера единицы температуры в динамическом режиме быст-родействуюш;им малоинерционным измерителям переменной температуры различных конструкций и габаритов, в том числе - океанским зондам, дрифтерам, измерительным каналам аппаратуры для исследования микроструктуры температурных полей морской воды в условиях, максимально соответствующим условиям их применения. Особенностью разработанного метода, доведенного до уровня рабочей методики, является использование в качестве испытательного сигнала случайных турбулентных пульсаций температуры относящихся к классу нехарактеристических сигналов. Испытательный 1 U С» U U сигнал формируется перегретой свободной затопленной струей в толще гидродинамического бассейна. Кроме этого, в диссертации решена задача исключения влияния неидеальности испытательного сигнала, воспроизводимого Государственным специальным эталоном единицы переменной температуры ГСЭ ПТчто позволило значительно повысить точность передачи размера единицы эталонным малоинерционным термометрам, используемым при поверке и калибровке рабочих СИ переменной температуры водных потоков. Для решения этой задачи автором разработан и аппаратно реализован алгоритм обработки измерительной информации, позволяющий автоматически исключать погрешность воспроизведения, возникающую из-за неидеальности испытательного сигнала. В диссертации одновременно поставлена и решена задача значительного расширения диапазона частот измеряемых пульсаций эталонным датчиком, входящим в состав ГСЭ ПТ. Для этого автором разработан новый широкополосный комбинированный датчик, который совместно с измерительным усилителем с коррекцией АЧХ штатного электронного термометра, позволяет измерять пульсации температуры водного потока в диапазоне частот от О до 120 Гц. Разработанные в диссертации методы определения динамических характеристик базируются на математической теории идентификации динамических систем, являющейся универсальной по отношению к динамическим измерениям любых физических величин, в том числе скорости, давления и удельной электрической проводимости водных потоков и поэтому могут использоваться для исследования метрологических характеристик СИ соответствующих физических величин. В первой главе диссертации изложен обзор основных физико-математических моделей взаимодействия датчиков температуры при контактных измерениях переменной температуры водных потоков. Описаны принципы нормирования и оценки погрешности СИ переменной температуры водных потоков. Приведено описание и принципы действия быстродействующих эталонных и рабочих СИ. Показано, что выбор математической модели датчика и модели погрешности измерения мгновенных значений температуры определяются конструкцией, размерами, теплофизическими свойствами и условиями теплообмена датчика со средой. Во второй главе сформулирована задача и подчеркнуты особенности обеспечения единства динамических измерений температуры. Изложены принципы действия Государственного эталона единицы переменной температуры, эталонных датчиков и существующих эталонных установок, используемых при передаче размера единицы быстродействующим рабочим датчикам температуры. Приведен разработанный автором метод и математический алгоритм определения параметров полных динамических характеристик быстродействующих датчиков переменной температуры, автоматически исключающий влияние неидеальности прямоугольного испытательного сигнала, воспроизводимого ГСЭ ПТ, на погрешность определения показателей тепловой инерции датчиков. В третьей главе приведен разработанный автором метод, дано его обоснование и описана гидродинамическая установка «Затопленная струя», обеспечивающая определение полных динамических характеристик быстродействующих датчиков температуры с использованием случайного испытательного сигнала, генерируемого свободной затопленной струей. С писан принцип действия и конструкция разработанного автором нового широкополосного эталонного датчика пульсаций температуры. Представлены результаты экспериментов по определению динамических характеристик разнотипных датчиков турбулентных пульсаций температуры с помощью разработанного метода и гидродинамической установки. В этой же главе показана иерархическая схема передачи размера единицы температуры средствам измерения турбулентных пульсаций температуры водных потоков. Тема диссертации связана с выполнением ряда научно-технических проектов, входящих в Государственные научно-технические программы ГНТПФедеральные целевые программы ФЦПпрограммы метрологических работ ПМР «ВНИИМ. Менделеева», а также НИР и СКР, выполняемых под руководством и с участием автора, в частности: - 1996 - 2002 г. Программа метрологических работ ГНЦ РФ «ВНИИМ. Менделеева», «Совершенствование Государственного эталона единицы переменной температуры водной среды», руководитель - ученый хранитель ГСЭ Кочарян ГНТП Миннауки РФ «Экология и рациональное природопользование». Программа ГНЦ РФ «ВНИИМ. НИР «Разработка путей создания системы метрологического обеспечения гидрофизических и гидрометеорологических измерений для освоения ресурсов и пространств Мирового океана и реализации Федеральной целевой программы ФЦП «Мировой океан», научный рук. Кочарян; - 2000-2003 г. Программа метрологических работ ГНЦ РФ «ВНИИМ. Менделеева», раздел 3, ПМР «Разработка многоканальной автоматизированной системы обработки данных ГСЭ ПТ ГЭТ 116-78 и метода исследования метрологических характеристик малоинерционных измерителей турбулентных пульсаций температуры сличением в динамическом режиме в свободной затопленной струе», научный рук. Основные положения диссертационной работы и отдельные ее результаты докладывались и обсуждались: - на 2-й Международной конференции по морским интеллектуальным технологиям «Моринтех-98», Санкт-Петербург, 1998 г; - на 10-й международной конференции по структурам водных потоков "Fluxes and structures in fluids", Санкт-Петербург, 1999 г. Результаты исследования являются основой для пересмотра действующей с 1978 г. Практическая значимость результатов заключается в том, что: - созданные в рамках работы установка «Затопленная струя», не имеющая отечественных аналогов, а также система сбора и обработки данных и компьютерная программа, позволяют автоматически бездемонтажно определять полные динамические характеристики средств измерений переменной температуры с быстродействующими датчиками различных конфигураций, которые не могут быть исследованы на других установках; - разработанный метод и соответствующая компьютерная программа исключения влияния неидеальности прямоугольных испытательных сигналов снижает в четыре раза погрешность определения показателей тепловой инерции эталонных датчиков на Государственном специальном эталоне переменных температур; - результаты исследования полной иерархической схемы передачи размера единицы температуры от Государственного первичного эталона единицы температуры ГОСТ 8. На защиту выносятся следующие основные положения диссертации: 1. Теоретическое обоснование и экспериментальная проверка возможности использования случайных сигналов температуры, возникающих в локальной изотропной и однородной области подводной затопленной струи, в качестве генератора испытательного сигнала для определения динамических характеристик быстродействующих термометров водных потоков. Разработка и экспериментальная реализация метода определения полных динамических характеристик быстродействующих термометров турбулентных водных потоков с использованием случайного испытательного сигнала, генерируемого затопленной подводной струей в гидродинамическом бассейне. Теоретическая разработка и экспериментальная проверка метода исключения влияния неидеальности испытательных сигналов температуры водных потоков на погрешность определения динамических характеристик эталонных датчиков, основанного на теории идентификации динамических объектов. Непосредственно по теме диссертации опубликованы 11 научных статей, в том числе 4 - без соавторов, получено одно авторское свидетельство на изобретение. Диссертация содержит 173 страниц текста, 28 рисунков, 6 таблиц и Приложение. Заключение диссертация на тему "Разработка исследование методов и аппаратуры для определения динамических характеристик средств измерений переменной температуры водных потоков" Выводы по главе 3. Из трех соотношений 3. Эти выражения не содержат комплексных переменных и поэтому инвариантны к фазовым сдвигам. При этом гарантируются необходимые условия идентичности амплитудных спектров сигналов, воздейст-вуюш;их на сличаемые датчики. Суммарная погрешность определения АЧХ исследуемого датчика разработанным методом не превышает 10%. При этом однако, общий статический коэффициент усиления усилителя с корректирующим звеном необходимо увеличить на численное значение дроби 3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Теоретические и экспериментальные исследования, выполненные в рамках диссертации, содержат решения актуальных задач в области обеспечения единства измерений переменной температуры водных потоков, и в частности, измерений температуры турбулентных потоков, выполняемых в интересах тепловой энергетики, охраны окружаюш;ей природной среды, судостроения, исследований пространств и ресурсов Мирового океана. Для решения этих задач в диссертации использованы математические методы теории идентификации динамических объектов, которые являются универсальными по отношению к динамическим измерениям любых физических величин. Соответственно, научные результаты диссертационной работы могут использоваться в целях обеспечения единства динамических измерений не только температуры, но также скорости, давления, удельной электрической проводимости, а также других пульсирующих физических параметров водных и воздушных потоков. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность использования подводной затопленной струи в качестве генератора случайных испытательных сигналов температуры, возникающих в локальной изотропной и однородной области подводной затопленной струи. Разработан и доведен до компьютерной программы алгоритм определения динамических характеристик крупногабаритных термометров водных потоков методом их сличения с быстродействующим эталонным датчиком в подводной струе. Создана и экспериментально исследована гидродинамическая установка «Затопленная струя», обеспечивающая комплектное бездемонтажное определение полных динамических характеристик рабочих средств измерений с быстродействующими датчиками различных конфигураций с использованием случайного испытательного сигнала. Погрешность определения АЧХ быстродействующих датчиков с помощью установки «Затопленная струя не превышает 10%. Разработан и доведен до рабочей компьютерной программы математический метод исключения влияния неидеальности прямоугольных испытательных сигналов, в четыре раза до 5% уменьшающий погрешность передачи размера единицы температуры Государственным специальным эталоном переменных температур по ГОСТ 8. Проведен анализ иерархической схемы передачи размера единицы температуры от Государственного первичного эталона ГОСТ 8. Разработан, изготовлен исследован новый комбинированный датчик пульсаций температуры, амплитудно-частотная характеристика которого расширена в область инфранизких частот, вплоть до нуля частоты, обеспечивающий измерение температуры турбулентных водных потоков в диапазоне частот от О до 120 Гц. Предложен и аппаратно реализован математический алгоритм коррекции амплитудно-частотных характеристик электронных термометров с быстродействующими датчиками температуры водных потоков, в два раза расширяющий диапазон частот измеряемых частот пульсаций температуры. В диссертации сформулированы специальные требования к техническим и метрологическим характеристикам эталонных и рабочих СИ, а также требования к условиям эксперимента по определению динамических характеристик быстродействующих термометров различных типов. Основные положения и результаты диссертации обобщают многолетний опыт автора, принимавшего участие в создании большинства отечественных эталонных СИ и опробовании методов измерений переменных температур водных потоков в многочисленных морских экспедициях. Библиография Кочарян, Самвел Агасиевич, диссертация по теме Приборы и методы измерения по видам измерений 1. Средства измерений переменной температуры морской воды их метрологическое обеспечение. Турбулентность, ее механизм и теория. «Высшая школа», 1967, 600с. Теоретические основы измерения нестационарной температуры «Энергоатомиздат», 1990, 256. Динамические характеристики пленочных преобразователей. Связь между показателем тепловой инерции системы тел и воздействием на нее внешней среды. Нормирование использование метрологических характеристик средств измерений. Первичные измерительные преобразователи переменных температур водной среды. Всесоюзная конференция"Метрология гидрофизических измерений", Теоретические основы измерения физических полей океана. Исследование методов и разработка средств измерений температуры для вертикальных зондирований морской среды. Диссертация на соискание уч. Первичная обработка гидрологической информации. Rroebel Werner, Anordnung zur direkten hochprezisen Temperaturmessung durch extrem niederomige Messwiederstande. G01 R 1300, 18. Герметичный никелевый термометр сопротивления для измерения быстроменяющихся температур водной среды в диапазоне -10 +40 °С. Теплотехнические измерения и приборы. Харитонов Н,П, Кривцов В,А. Органосиликатные материалы в теплофи-зических исследованиях. Метрология, Основные термины и определения. Пути создания эталона пульсаций температуры жидкости. Метрология в гидродинамических измерениях. О динамической градуировке контактных измерителей температуры в потоке жидкости. Способ градуировки преобразователей турбулентньк преобразователей пульсаций скорости. Основы идентификации систем управления. Методы решения некорректных задач. Структура турбулентного потока с переносным сдвигом. Теория турбулентных струй и следов-М. Нормирование и определение динамических характеристик аналоговых средств измерений. Термины и определения, 35. Основные термины и определения. Государственная поверочная схема для средств измерений температуры. Основы метрологии стандартизации и контроля качества: Уч. М, Из-во стандартов, 1988. Измерение и анализ случайных процессов. Применения корреляционного и спектрального анализа. Некоторые закономерности осесимметрич-ной затопленной струи. Турбулентная затопленная струя в метрологии преобразователей гидрофизических полей. Современное состояние и перспективы обеспечения единства динамических измерений температуры турбулентных водных потоков. Обработка сигналов на основе упорядоченного выбора. Исследования в области тепловых измерений.