УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ Российский патент 1994 года по МПК G01K11/26 

Изобретение относится к технике измерения температуры и может быть использовано в машиностроении, авиации, космонавтике, теплотехнике, метеорологии и других отраслях, где требуется дистанционное измерение температуры.

В теплотехнике широкое распространение получили терморезисторные, манометрические, термоэлектрические, радиоэлектронные и другие преобразователи температуры [1].

Например, терморезисторный датчик температуры содержит терморезистор в виде платиновой спирали из тонкой проволоки, размещенной в керамической арматуре, помещаемой в измеряемой среде.

Принцип действия термопреобразователя сопротивлений основан на пропорциональном измерении его электрического сопротивления от температуры, которое измеряется электронным устройством измерения температуры логометрического или мостового типа. Каждый из них представляет собой сложное устройство.

В качестве прототипа принято устройство для измерения температуры вращающихся объектов [2] с помощью объемного сверхвысокочастотного (СВЧ) резонатора, включающее контролируемый объект, объемный резонатор, передающую антенну, СВЧ-генератор, приемную антенну, усилитель, устройство сравнения частот, регистратор.

Чувствительным элементом устройства служит объемный СВЧ-резонатор, изготовленный из материала с большим коэффициентом теплового расширения, например алюминия. Резонатор помещен на контролируемом объекте. При измерении температуры объекта и резонатора изменяются линейные размеры последнего и, следовательно, его резонансная частота Δ f:
Δ f = f α t (1 - α t), где α - коэффициент линейного расширения материала резонатора.

Так, для алюминия α= 2,7 ^. 10^-5, тогда при частоте f = 10 ГГц изменение Δ f резонансной частоты на 1^о изменения температуры резонатора составит 2,7 ^. 10⁵ Гц. Это позволяет с требуемой точностью определять температуру по измерению резонансной частоты СВЧ-резонатора.

Дистанционное возбуждение колебаний в СВЧ-резонаторе осуществляется с помощью передающей антенны от СВЧ-генератора частотно-модулированных колебаний (частоты изменяются в диапазоне нескольких ГГц). Переизлученные СВЧ-резонатором электромагнитные волны на его резонансной частоте воспринимаются приемной антенной, усиливаются усилителем и затем поступают на устройство сравнения частот, куда подаются также колебания с СВЧ-генератора. Выход устройства сравнения подключен к регистрирующему прибору. Данное устройство может быть применено для измерения температуры таких вращающихся объектов, как роторы генераторов, якори тяговых двигателей и др.

Основным недостатком прототипа является функциональная сложность схемы измерения температуры за счет наличия устройства сравнения частот, генератора зондирующего сигнала и передающей антенны. Кроме того, он обеспечивает относительно небольшую дальность измерения (единицы м).

Увеличение дальности термоизмерений наталкивается на необходимость использования в труднодоступных условиях измерений линий связи, что в свою очередь еще более усложняет и удорожает схему, так как при этом требуется устройство преобразования значения о температуре в вид, удобный для передачи в линиях связи.

Цель изобретения - упрощение устройства для дистанционного измерения температуры за счет исключения сложных устройств сопряжения термопреобразователя с линией связи.

Предлагаемое устройство для дистанционного измерения температуры содержит объемный СВЧ-резонатор, линию связи и частотомер. Оно снабжено фильтром и усилителем СВЧ с диодом, установленным в полости объемного СВЧ-резонатора на расстоянии от одного из его торцов, равном четверти длины волны объемного СВЧ-резонатора, при этом фильтр связан с анодом диода СВЧ-усилителя и входом линии связи, частотомер подключен к выходу линии связи, а фильтр выполнен в соответствии с формулой
Ω_t = 1/ τ_t. где Ω_t - частота колебаний, выделяемых фильтром;
τ_t - величина задержки объемного СВЧ-резонатора.

Сочетание отличительных признаков и свойств предлагаемого изобретения из литературы не известны, поэтому оно соответствует критериям новизны и изобретательского уровня.

На фиг. 1 приведена схема устройства; на фиг. 2 - схема генератора с задержанной обратной связью (ЗОС); на фиг. 3 приведены результаты экспериментальных исследований характеристик макета генератора с ЗОС.

Предлагаемое устройство основано на следующих положениях.

Длина волноводного резонатора l_t при измерении температуры от t_о до t и известной первоначальной длиной l_o при t вычисляется по формуле
l_t - l_o(1 + α_t Δ t), где Δ t = t - t_o - перепад температур;
α_t - коэффициент температурного расширения металла резонатора.

При этом, чем длиннее резонатор, тем на большую величину при увеличении Δt изменяется l_t, которую можно трактовать как электрическую длину (величину задержки Δt) резонатора.

Величина задержки волноводного резонатора τ_t определяется по формуле τ_t= ;;
v_гр = C_o= C, где V_гр - групповая скорость волны в волноводе;
а - ширина волновода (волна Н_1о), отсюда
τ_t= Как показано на фиг. 1, в качестве термопреобразователя предлагается генератор СВЧ, включающий длинный волноводный объемный СВЧ-резонатор 1 с закоротками 2 на торцах, внутри которого на удалении от закоротки 2 установлен усилитель СВЧ отражательного типа 3, выполненный на лавинопролетном диоде (ЛПД) либо диоде Ганна.

Реально выбор длины резонатора 1 осуществляется компромиссом между величиной потерь в резонаторе 1 и усилением усилителя 3 так, чтобы обеспечивалось превышение усиления над потерями.

К анодной цепи диода усилителя 3 последовательно подключены низкочастотный фильтр 4, линия 5 связи и низкочастотный частотомер 6.

Длинный резонатор СВЧ 1 с усилителем 3 представляет собой автогенератор с задержанной обратной связью (ЗОС), схема которого представлена на фиг. 2.

Подобные автогенераторы обладают амплитудно-частотной характеристикой гребенчатого типа, т.е. их автогенерация может осуществляться на ряде собственных частот, эквидистантно расположенных через частотные интервалы Ω_t= (фиг. 3).

Как показали экспериментальные исследования подобного автогенератора в диапазоне 10 ГГц с длинным резонатором (l = =0,43 м), он генерирует периодическую последовательность очень коротких радиоимпульсов (0,8 нс) с периодом повторения, равным τ_t = 3,6 нс.

Устройство работает следующим образом.

Термопреобразователь (в составе резонатора: 1, 2, 3) помещают в измеряемую среду.

Длины резонатора 1 l_o под действием температуры изменяется до величины l_t, соответствующей температуре окружающей среды. В резонаторе 1 возбуждается последовательность коротких радиоимпульсов, которая детектируется диодом 3 в последовательность радиоимпульсов более низкой частоты, из которой фильтром 4 выделяется гармоническая составляющая (в описываемом эксперименте Ω_t = 278,3 МГц), которая передается по линии 5 связи, и затем с помощью частотомера 6 определяется ее частота.

По измеренному значению Ω_t и известным значениям t_o, l_o, α, a обратным пересчетом последовательно рассчитываются τ_t, l_t и окружающая температура t.

Указанная последовательность пересчета может быть реализована путем однократной градуировки шкалы частотомера непосредственно в значениях температуры.

Предлагаемое устройство для дистанционного измерения температуры по сравнению с прототипом имеет более простую схему дистанционного измерения за счет исключения сложных устройств сопряжения сигнала с сигналом канала связи.

Сущность изобретения: устройство содержит объемный СВЧ-резонатор, в полости которого на расстоянии от торца, равном 1/4 длины волны, установлен СВЧ-усилитель с диодом. К анодной цепи диода усилителя подключены низкочастотный фильтр, частотомер. Фильтр выполнен в соответствии с формулой, приведенной в описании. 3 ил.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ, содержащее объемный СВЧ-резонатор, линию связи и частотомер, отличающееся тем, что, с целью упрощения конструкции, оно снабжено фильтром и СВЧ-усилителем с диодом, установленным в полости объемного СВЧ-резонатора на расстоянии от одного из его торцов, равном четверти длины волны объемного СВЧ-резонатора, при этом фильтр связан с анодом диода СВЧ-усилителя и входом линии связи, частотомер подключен к выходу линии связи, а фильтр выполнен в соответствии с формулой
Ω _t = 1 / τ_t ,
где Ω _t - частота колебаний, выделяемых фильтром;
τ_t - величина задержки объемного СВЧ-резонатора.