Система и способ для измерения температуры

СИСТЕМА И СПОСОБ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ Предусмотрена система для измерения с помощью одного или нескольких датчиков, содержащая по меньшей мере один проводник (11) сигнала и по меньшей мере один измерительный модуль(20), причем измерительный модуль содержит средство (22, 23, 24, 25 и 26) для изменения рассогласования импеданса под воздействием окружающей среды. Область техники Настоящее изобретение относится, в целом, к измерительной системе и, в частности, к системе для измерения с помощью одного или нескольких датчиков. Предшествующий уровень техники Существует необходимость измерять температуры на больших площадях, в частности температуры в областях, где проложен нагревательный кабель. Хотя средняя температура находится в приемлемых диапазонах, могут возникать локальные области с опасной температурой. Это обычно может происходить, когда одежда или толстые ковры располагаются на полу, подогреваемом нагревательными кабелями. Типичными формами повреждений являются повреждения нагревательного кабеля или повреждения материала полового покрытия. Из уровня техники известен нагревательный кабель с отрицательным термическим коэффициентом,т.е. нагревательные кабели, сопротивление которых изменяется в соответствии с температурой нагревательного кабеля таким образом, что повышение температуры нагревательного кабеля приводит к снижению мощности нагревательного кабеля. Эта система функционирует при равномерном распределении температуры, однако небольшие локальные области повышенной температуры не компенсируются в достаточной степени, что является проблемой, которая возникает, например, на полу ванной, когда толстое полотенце находится на полу. Температура может возрастать, приводя к повреждению нагревательного кабеля или к сокращению срока службы кабеля. Также известны распределенные системы, в которых небольшие датчики, присоединенные к нагревательному кабелю, измеряют температуру и осуществляют связь по сети передачи данных, обычно в виде последовательной связи. Это позволяет решить вышеозначенные проблемы; с другой стороны, это решение отличается сложностью и высокой стоимостью. Прежде всего, это означает, что в каждой отдельной точке измерения необходима электроника, и также для связи необходимы по меньшей мере 2 проводника, обычно для заземления, и сигнальный проводник, кроме провода питания, для каждой точки измерения. Если одна точка измерения утрачивает работоспособность, возникает опасность частичной или полной потери связи между датчиками. В случае повреждения разъема заземления или разъема сигнала, все точки измерения могут перестать работать. Поэтому необходим продукт, позволяющий решить вышеозначенные проблемы. Краткое изложение сущности изобретения Задача изобретения состоит в обеспечении системы и способа для измерения температуры с помощью одного или нескольких датчиков, обычно применительно к нагревательным кабелям. Желательно,чтобы датчики были просты в производстве и надежны в эксплуатации. Согласно настоящему изобретению предусмотрена система для измерения температуры с помощью одного или нескольких датчиков, причем система для измерения с помощью одного или нескольких датчиков содержит по меньшей мере один проводник сигнала и по меньшей мере один измерительный модуль, причем измерительный модуль содержит средство для изменения рассогласования импедансов вследствие воздействия окружающей среды. Полезные и предпочтительные варианты осуществления изобретения раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения. Согласно настоящему изобретению один или несколько измерительных модулей обеспечены проводником, обычно нагревательным кабелем, или предпочтительно вокруг него. Каждый измерительный модуль содержит изолятор, ближайший к проводнику, причем предпочтительно, чтобы изолятор имел высокий коэффициент теплового расширения. Вне изолятора на другой стороне проводника предусмотрен электропроводящий материал, именуемый отражателем. Настоящее изобретение решает поставленные выше задачи с использованием системы для измерения температуры, где применяется один или несколько датчиков согласно п.1. В частности, задача решается путем обеспечения системы, содержащей по меньшей мере один проводник сигнала и по меньшей мере один измерительный модуль, содержащий изолятор и средство для изменения рассогласования импедансов, изменяющегося под влиянием окружающей среды, обычно температуры. Это средство обычно представляет собой изолятор с высоким положительным или отрицательным коэффициентом теплового расширения, однако возможны и другие средства, например структуры, используемые в термостатах в виде биметаллической пластинки. Краткое описание чертежей В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых фиг. 1 изображает вид типичного варианта осуществления изобретения; фиг. 2 а изображает структуру измерительного модуля в предпочтительном варианте осуществления; фиг. 2b изображает структуру измерительного модуля в альтернативном варианте осуществления,где биметаллическая пластинка изменяет амплитуду отраженного сигнала; фиг. 2 с изображает структуру измерительного модуля в альтернативном варианте осуществления,где биметаллическая пластинка изменяет фазу отраженного сигнала; фиг. 3 изображает путь сигнала согласно варианту осуществления, где совокупность измеритель-1 024587 ных модулей используется на одном нагревательном кабеле; фиг. 4 изображает путь сигнала согласно варианту осуществления с совокупностью измерительных модулей на двух соединенных нагревательных кабелях. Описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения Отраженный сигнал первого порядка - это сигнал, который отражается от одного измерительного модуля, на который поступает излученный сигнал. Отраженный сигнал второго порядка - это сигнал, который отражается от измерительного модуля,на который поступает отраженный сигнал первого порядка. Основной принцип изобретения состоит в том, что проводящий объект вблизи проводника сигнала локально изменяет импеданс проводника сигнала. Когда проводник сигнала на остальном своем протяжении однороден, локально измененный импеданс приводит к фактическому рассогласованию импедансов, которое, в свою очередь, обуславливает отражение сигнала, проходящего по проводнику сигнала. Степень отражения зависит от рассогласования импедансов, которое, в свою очередь, зависит от размера проводящего объекта и расстояния между проводящим объектом и проводником сигнала. Автор изобретения обнаружил, что благодаря обеспечению измерительного модуля в виде проводящего устройства, обычно в виде корпуса, отделенного изолятором, предпочтительно с большим коэффициентом теплового расширения, от проводника сигнала, измерение отражений сигналов, излученных в проводник сигнала, дает индикацию температуры в области, примыкающей к корпусу и изолятору. Поскольку расстояние между передатчиком и приемником сигналов с одной стороны и измерительным модулем с другой стороны определяется как половина скорости сигнала в проводнике сигнала, умноженная на задержку по времени между излучением и приемом сигнала, это означает, что можно обеспечить совокупность точек измерения вдоль проводника сигнала и отделить отражения от разных точек измерения друг от друга. Это можно преимущественно объединять с нагревательным кабелем в качестве проводника сигнала, где точки измерения будут способны предупреждать о слишком высокой температуре вдоль кабеля. Изобретение будет подробно раскрыто со ссылкой на чертежи, где показано несколько вариантов осуществления. На фиг. 1 схематически изображен вид типичного варианта осуществления изобретения, в котором измерительная система 10 содержит нагревательный кабель 11, присоединенный по меньшей мере к одному измерительному модулю 20. Блок управления 30 подключен к нагревательному кабелю 11 и подает на него питание для нагрева. Блок управления также излучает импульсные или высокочастотные сигналы и измеряет отражения от по меньшей мере одного измерительного модуля 20 для мониторинга температуры по меньшей мере одного измерительного модуля и снижения оказываемого влияния, если температура превышает заданную наивысшую температуру. Нагревательный кабель, таким образом, также действует как проводник сигнала. На фиг. 2 а схематически показана структура измерительного модуля 20 в предпочтительном варианте осуществления, содержащая сквозной канал 21 для проводника сигнала, обычно в виде нагревательного кабеля 11. Вне сквозного канала 21 предусмотрен изолятор 22. Преимущество состоит в том, что изолятор 22 располагается вблизи и равномерно распределен вокруг нагревательного кабеля 11 таким образом, что отражение происходит в интервале, общем для всех измерительных модулей, что позволяет добиться хорошего разрешения для общего усиления отражений. Преимущество также состоит в том, что изолятор имеет достаточную механическую устойчивость, благодаря чему параметры не изменяются со временем,или когда нагревательный кабель проложен, например, в бетоне под полом ванны. В то же время, преимущество состоит в выборе изолятора с высоким коэффициентом теплового расширения, положительным или отрицательным, так что изменения импеданса оказываются достаточно большими, чтобы обеспечить возможность измерения импеданса. Вне изолятора 22 предусмотрен отражатель 23, проводящий объект, обуславливающий рассогласование импедансов в проводнике сигнала. Отражатель должен быть достаточно пластичным, чтобы оставаться в контакте с изолятором при расширении последнего. Этого можно добиться, используя мягкий материал, в частности материал, нарезанный таким образом, чтобы действовать как пружина. Вне отражателя 23 предусмотрен корпус 24, предназначенный для защиты измерительного модуля от непредвиденных механических напряжений, а также для предотвращения проникновения влаги, которая может вызвать значительное поглощение и, таким образом, ослабление сигнала, а также отраженного сигнала. Поэтому при изготовлении преимущество состоит в том, что кабель производится с возможностью защиты измерительных модулей от случайного проникновения влаги. На фиг. 3 показан путь сигнала согласно варианту осуществления, где на одном нагревательном кабеле обеспечена совокупность измерительных модулей. Генератор 32 сигнала излучает сигнал в кабель,причем сигнал накладывается на подаваемую мощность. В измерительном модуле 20 происходит отражение сигнала, и отраженный сигнал излучается из измерительного модуля в противоположном направлении сигнала. Ослабленный сигнал распространяется дальше, и в следующем измерительном модуле происходит новое отражение. Для каждого излученного сигнала возникает набор отраженных сигналов,-2 024587 которые поступают на модуль измерения отраженного сигнала через соединительный модуль 34, обычно в виде модуля связи управления сигнала, известного в радиотехнике. Желательно, чтобы отраженный сигнал был мал по сравнению с сигналом, поступающим в измерительный модуль. В дальнейшем, для простоты, предполагается, что коэффициент отражения составляет 1% и что поглощением можно пренебречь. Прежде всего это означает, что излученный сигнал распространяется вдоль проводника сигнала с малыми потерями. В первый измерительный модуль поступает 100% излученного сигнала, тогда как в следующий измерительный модуль поступает сигнал, соответствующий 99% исходного сигнала. Это также означает, что первый сигнал, полученный отражением отраженного сигнала, полученного отражением излученного сигнала, именуемый здесь отраженным сигналом второго порядка, составляет 1% от процента. Это соответствует 1-2 битам в 8-битовом аналого-цифровом преобразователе, именуемом здесь АЦП, причем полный динамический диапазон соответствует сигналу, первый раз отраженному от первого измерительного модуля. Если пренебречь отраженным сигналом второго порядка и, тем более,отраженными сигналами более высоких порядков по сравнению с сигналом, полученным отражением излученного сигнала, то сигнал, поступающий на измерительный модуль, можно упрощенно выразить в видеSp = S0(1-r)p где Sp - сигнал, поступающий на измерительный модуль номер p, если считать от генератора сигнала, где p=0 соответствует первому измерительному модулю;S0 - сигнал, излучаемый из генератора сигнала и поступающий на измерительный модуль 0, который является первым измерительным модулем;r - коэффициент отражения, заданный здесь равным 1%; р - индекс измерительного модуля, где р=С соответствует первому измерительному модулю, т.е. первому измерительному модулю после генератора сигнала. Предположение, что r=1%, означает, что сигнал S100, принятый на измерительном модуле 100, составляет примерно 36%, т.е. отраженный сигнал составляет примерно 36% сигнала, отраженного от первого измерительного модуля. Этот отраженный сигнал претерпевает ослабление по пути обратно к модулю измерения отраженного сигнала, составляющее квадрат этой величины, т.е. примерно 13% сигнала,отраженного от первого измерительного модуля. Его уровень все еще достаточно велик по сравнению с шумом от отраженных сигналов второго порядка. Кроме того, низкий коэффициент отражения означает, что отраженные сигналы первого порядка распространяются с незначительными потерями и что отраженными сигналами второго и более высоких порядков, которые являются шумом по отношению к измерению, можно пренебречь. Поскольку S0 значительно больше, чем отражение от S1, желательно разделять сигналы таким образом, чтобы генератор 32 сигнала не перегружал модуль 33 измерения отраженного сигнала. Для этого предпочтительно применять модуль связи управления. Таким образом, модуль измерения отраженного сигнала избыточно измеряет отраженный сигнал первого порядка от каждого измерительного модуля, временное разделение сигналов связано с пространственным разделением вдоль проводника сигнала. В ходе калибровки, когда все измерительные модули поддерживаются при известной температуре, модуль измерения отраженного сигнала измеряет отражение от измерительных модулей. Если один отраженный сигнал выше или ниже данного порога, влияние,оказываемое на силовой кабель, будет снижаться для защиты от перегрева. Сигнал, подаваемый на проводник сигнала, может представлять собой дискретные импульсы, а также сигнал радиочастоты. Дискретные импульсы технически проще формировать, а также измерять,хотя их недостатком является ограниченная энергия сигнала. Используя вместо этого сигнал качающейся радиочастоты и смешивая подаваемый сигнал с принятым отраженным сигналом, получаем несколько пиков на радиочастотной диаграмме, причем каждый пик соответствует измерительному модулю. Несмотря на значительное усложнение, обеспечивается увеличенная энергия для усовершенствованного способа обработки сигнала, известного специалистам по обработке сигнала, а также формы для преобразования Фурье и усреднения. Проводник сигнала может быть снабжен заглушкой во избежание сильных отражений от конца проводника сигнала. Это можно делать наподобие того, как делается в высокоскоростных шинах данных,например SCSI (интерфейс малых компьютерных систем). Можно предложить различные разновидности вышеописанного варианта осуществления, отвечающие основным принципам изобретения. В предпочтительном варианте осуществления используется изолятор с заданным коэффициентом теплового расширения для изменения рассогласования импедансов. Можно представить себе, что этот изолятор заменен биметаллической пластинкой 25, которая используется в термостатах, где расстояние от крайней точки 26 пластинки до проводника сигнала изменяется в зависимости от температуры пластинки, как показано на фиг. 2b. Пластинку также можно обеспечить с использованием неметаллических деталей, например пластмассовых, с разными коэффициентами теплового расширения. Альтернативно,крайняя точка 26 пластинки 25 может перемещаться вдоль проводника сигнала и, таким образом, моду-3 024587 лировать фазу вместо амплитуды отраженного сигнала, как показано на фиг. 2 с. Несмотря на усложнение, это позволяет добиться большого изменения отраженного сигнала. Биметаллическую структуру можно обеспечить в виде микроэлектромеханической системы(MEMS), изготовленной с использованием типичных процессов полупроводника-проводника, например в кремнии. Вариант осуществления на основе MEMS дает дополнительные возможности интеграции фильтра, позволяющего измерительному модулю давать отклик в заранее определенном частотном диапазоне. Такую систему можно присоединять к нагревательному кабелю с использованием прямого электрического соединения, которое часто называют вампирным разъемом. Это позволяет достичь высокого единообразия при производстве, простого подключения при производстве и, по причине малых расстояний, также позволяет добиться высокой чувствительности по причине больших изменений коэффициента отражения вследствие изменения температуры. Хотя изолятор, используемый в предпочтительном варианте осуществления, основан на коэффициенте теплового расширения, можно предложить использовать материал, испытывающий фазовый переход в наблюдаемом интервале температур. Преимущество также может обеспечивать снабжение измерительного модуля, именуемого приемником, материалом, имеющим коэффициент теплового расширения противоположного знака по отношению к изолятору 22, что позволяет поддерживать объем измерительного модуля 20 почти постоянным. Также можно предположить, что изолятор изменяет свои свойства в зависимости от температуры, а не от давления, деформации или химического действия, например влажности. Химический эффект можно сделать чувствительным в том отношении, что сквозной канал 21 проницаем для определенного химического вещества и что изолятор 22, например, расширяется за счет поглощения или реакции с химическим эффектом. Также можно использовать измерительные модули разных видов в одной и той же системе. Систему также можно использовать с совокупностью соединенных проводников сигнала, в каковом случае преимущество состоит в том, что измерительные модули располагаются таким образом, что отраженные сигналы первого порядка не перекрываются до такой степени, чтобы их нельзя было разделить. Это показано на фиг. 4, где используется 2 соединенных проводника сигнала. Путь сигнала в верхнем проводнике 11 сигнала указан сплошными стрелками, а путь сигнала в нижнем проводнике 11 сигнала указан заштрихованными стрелками. Как показано, размещение проводников 11 сигнала со смещением приводит к тому, что отраженные сигналы, обозначенные стрелками, указывающими влево, легко разделяются по времени, что позволяет установить, какой отраженный сигнал принадлежит какому проводнику сигнала. Используя измерительные модули с разными частотными характеристиками, можно использовать еще больше соединенных проводников сигнала без перекрытия отраженных сигналов первого порядка. Промышленная применимость Изобретение полезно для распределенных измерительных систем, позволяющих производить измерения в совокупности локальных областей. Настоящее изобретение обеспечивает ряд преимуществ над уровнем техники: простоту структуры, изготовления и размещения измерительных модулей; измерительные модули не требуют локального источника питания, используя энергию сигнала,распространяющегося в проводнике сигнала, что избавляет от необходимости в дополнительном проводнике сигнала; дефект одного измерительного модуля не приводит к неизбежному нарушению измерений от других измерительных модулей ни до, ни после генератора 32 сигнала; пропуск или неверное размещение измерительных модулей не нарушает функциональных возможностей системы, помимо того, что не позволяет получать результат измерения из области, где должен был располагаться измерительный модуль. Таким образом, система полезна в областях, где требуется высокая надежность. В чертежах используются следующие условные обозначения и знаки: 10 - измерительная система; 11 - нагревательный кабель; 20 - измерительный модуль; 21 - сквозной канал; 22 - изолятор; 23 - отражатель; 24 - корпус; 25 - биметаллическая пластинка; 26 - крайняя точка биметаллической пластинки; 27 - приемник; 30 - блок управления; 31 - блок управления мощностью; 32 - генератор сигнала; 33 - модуль измерения отраженного сигнала; 34 - соединительный модуль. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Распределенная система для измерения температуры, содержащая по меньшей мере один проводник (11) сигнала; множество измерительных модулей (20), размещенных по отдельности вдоль по меньшей мере одного проводника сигнала, и каждый указанный модуль является независимым от других модулей,при этом каждый из модулей содержит средство, выполненное с возможностью изменения рассогласования импеданса под воздействием изменения температуры окружающей среды, причем средство содержит отражатель сигнала и изолятор сигнала с высоким коэффициентом теплового расширения,причем средство выполнено так, что при изменении температуры окружающей среды изолятора изменяется его размер, который, в свою очередь, изменяет размер отражателя и/или расстояние между отражателем и по меньшей мере одним проводником сигнала, обуславливая изменение рассогласования импеданса, что, в свою очередь, изменяет степень отражения сигнала. 2. Система по п.1, в которой отражатель размещен вне изолятора. 3. Система по п.1, в которой изолятор средства, выполненного с возможностью изменения рассогласования импеданса, выполнен в виде биметаллической пластинки (25), содержащей оконечность (26),на которой расположен отражатель,причем изменение температуры обеспечивает перемещение оконечности относительно проводника сигнала. 4. Способ измерения температуры с помощью системы по пп.1-3, в котором подают сигнал из генератора (32) сигнала на проводник (11) сигнала указанной системы; принимают с помощью модуля (33) измерения отраженного сигнала сигналы первого порядка от каждого измерительного модуля (20) указанной системы, которые представляют собой сигнал генератора, дошедший до модуля и отраженный от него; по значению принятого сигнала, отраженного от отдельного измерительного модуля, судят о температуре окружающей среды вблизи указанного модуля.