Устройство для дистанционного измерения температуры Советский патент 1983 года по МПК G01K11/22 

Изобретение относитсй к измерительной технике, а именно к устройствам для дистанционного измерения температуры. Оно может найти применение в системах точного измерения и автоматического регулирования температуры на труднодоступных, удаленных и находящихся в тяжелых условиях эксплуатации объектах. V Известно устройство для измерения температуры, содержащее термочувствительный элемент пА основе поверхностных акустических волн, : .включенным в цепь генератора радиочастотного диапазона, установленного на объекте измерения .

Недостатком такого устройства является ограниченный диапазон йзмеряекшх температур, определяемой используеьслми в схеме генератора полупроводниковыми элементами.

Наиболее близким по технической сущности и достигаеквзму результату к изобретению является устройство для измерения температуры, содержащее пассивный переизл учатель с линией задержки на поверхностных акустических волнах в качестве термочувствительного элемента, передатчик и приемник оадиоимпульсов и регистратор L 2.

Недостатком такого устройства является невысокая точность измере-. ния и невозможность непосрдественного использования для автоматического регулирования температуры объектов. Последнее связано с монотонным характером зависимости времени

10 задержки линии на поверхностных акустических волнах от температуры.

Цель изобретения - повышение точности измерения температуры и расширение функциснальных возможностей

15 устройства.

Поставленная цель достигается тем,-ЧТО в устройстве для дистанционного измерения температурга, содержащем пассивный переизлучатель

20 с линией задер у.ки на поверхностных акустических волнах в качестве тер- . мочувствительного элемента, передатчик и приемник радиоимпульсов и. регистратор, в состав пассивного пе25реизлучателя введена, дополнительная линия зсщержки на поверхностшлх акустических волнах, причем обе линии задержки включены параллельно и имеют противоположные по знаку .

30 температурные коэффициенты задержки, а приемник радиоимпульсов содержит синхронный детектор и фильтр низких частот, подключенные последовательно к входу регистратора. Регистратор выполнен в виде счет чика полупериодов огибающей амплитуд принимаемых радТюимпульсов. На чертеже приведена электрическая схема устройства. Устройство содержит пассивный : пёреиэлучатель, установленный на объекте 1 измерения и включающий в себя термочувствительный элемент 2 антенну 3, передатчик 4 и приемник 5, работающие на одну общую антенну б, регистратор 7. Термочувствительный элемент 2 представляет собой подложку из пьезоэлектрика (например, ниобата лития, кварца), на поверхности кото рой сформированы две линии задержки поверхностных акустических волн. Ка дан из ЛИНИЙ задержки образована дв мя преобразователями поверхностных волн встречно-штыревого типа (8 и 9 для первой линии задержки; 10 и 11 для второй) и звукопроводом в виде поверхностного слоя подложки между преобразователями (12 для первой ли нии задержки и 13 - для второй). Пр образователи 8 и 9, 10 и 11 ориенти рованы на поверхности подложки так, что поверхностные акустические волны в первой и второй линиях задержки распространяются вдоль осей Х и соответствующих противоположным значениям температурных коэффициентов задержки, равным по величине и противоположным по знаку. Преобра зователи 8-11 электрическ соединен параллельно и подключены к антенне Передатчик 4 содержит стабильный генератор 14 высокой частоты, импусльный генератор 15, линию 16 задержки, модулятор 17 и ждущий мультивибратор 18. Приемник 5 .содержит электронный коммутатор 19,синхронный детектор 20, фильтр 21 низких частот, фазовращатель 22. Устройство работает следующим об разом. Высокочастотные радиоимпульсы, вырабатываемые передатчиком 4, имеющие период повторения tT и длитель .ность Тц, , излучаются антенной б в направлении антенны 3 пассивного переизлучателя и затем принимаются антенной 3, трансформируются преобpaзoвaтeля ш 8-11 в поверхностные акустические волны (акустические импульсы) и распространяются в звукопроводах 12 и 13 первой и второй линий задержки по двум парам встреч ных направлений (волнистые стрелки) Задержанные в звукопроводах 12 к 13 поверхностные акустические волны трансформируются преобразователями 8-11 в радиоимпульсы, которые сук;мируются в фазовых соотношениях, зависящих от температуры подложки или находящегося с ней в тепловом контакте объекта измерения. Суммарные импульсные радиосигналы переизлучаются антенной 3 в направлении антенны б, принимаются антенной б и поступают в приемник 5. Комплексные коэффициенты передачи первой и второй линий задержки в случае линейной зависимости их времен задержки от температуры, равных по величине и противоположных по знаку температурных коэффициентов задержки и равных вносимых потерь , можно представить в виде i(,--KoexpH2-icfToti-fol.r(t-t;); (d) Ч- ое рН2Гс т„ 1-(Г-1о) (2) где К - модуль коэффициента переда° чи линий задержки; j - мнимая единица; f г частота, Гц; - время задержки линий при соответсттемпературе L, вующей равенству времен задержки первой и второй линий, как функций температуры, с; с(.-р - абсолютная величина температурного коэффициента задержки линий, о текущая температура, с. На основе принципа суперпозиции комплексный коэффициент передачи термочувствительного элемента 2 с точностью до постоянного мно кителя, зависящего от условий согласования термочувствительного элемента с антенной 3, с учетом (1) и (2) может боть представлен в виде --Koco5i:iirfTofll-rCt°-t;)JexpC-J2-fE{To). а) Для получения наложения откликов первой и второй линий задержки их длительность должна быть существенно больше максимального изменения времени задержки линий в измеряемом диапазоне температур Д В этом случае амплитуда переизлучаемых антенной 3 радиоимпульсов зависит от температуры по закону косинуса, как это следует из выражения (3). Нулевое значение амплитуды переизлучаемых рад иоимпульсов соответствует противофазному значению коэффициентов передачи первой и второй линий задержки. Интервал температуры &t между ее лв;мя соседними ypoBHHNM t и ., соответствущими нулевому знгзченик - амплитуды переизлучаемых радиоимпульсов, определяется из выражения (З): где количество акустических длин волн, уклащывакядахся в звукопроводе первой или второй линии задержки при температуре t. Величина п в линиях задержки на поверхностных акустических волна может достигать при приемлемых потерях не более 40 дБ/10 -10, а вел чина для наиболее термочувствител ных материалов, например ниобата лития, достигает Отсюда на основе формулы (k) следует, что величина t йожет быть получена О,1-1,.Тогда точность измере ния малого отклонения температуры от уровней, соотретствуняцих нулевому значению амйлитуда переизлучен ных радиоимпульсов, может достигать 0,01-0,. Радиоимпульсы передатчика формируются путем модуляции высокочасто ного сигнала генератора 14, задержанными в линии 16 задержки на вре мя Т) импульсами генератора 15. Она осуществляется в модуляторе 17. За держка Т необходима для недсжного запирания приемника паред началом каждого импульса передатчика. Запирание приемника осуществляется с помощью электронного коммутатора 19, срабатывающего от импульсов жд щего мультивибратора 18, которые п рекрывают во времени импульсы передатчика. Запуск ждущего мультивибратора осуществляется передним фронтом каждого импульса генератора 15. Принимаекые антенной 6 радиоимпульсы, проходя через электронный коммутатор, поступают на один из входов синхронного детектора 20. Н другой вход синхронного детектора через фазовращатель 22 поступает сигнал генератора 14. Фазовращател необходим для компенсации рассогла сования фаз высокочастотного запол нения принимаемых радиоимпульсов и сигнала генератора 14, которые поступают на входы синхронного детектора 20. Несущая частота рсщиоимпульсов может выбираться в диапазоне 10 1000 МГц, в котором могут использо ваться линии задержки поверхностны акустических волн. Выбор определяется особенностями радиоканала, его длиной, требованиями к констру ции и габаритам антенн 3 и 6. Из спектра выходного сигнала синхронного детектора 20 с помощью фильтра низких 21 частот выделяется огибающая амплитуд принимаемых радиоимпульсов, которая несет информацию о температуре объекта 1 измерения и подается на регистратор 7. Для измерения температуры, изменяющейся в широких пределах (в отличие от ее малого изменения от одного из уровней), или определения номера уровня регистратор 7 может быть выполнен в виде счетчика, фиксирующего количество периодов или полупериодов ошбающей амплитуд принимаемых радиоимпульсов, которое пропорционально температуре объекта или номеру уровня. Термочувствительный элемент должен быть защищен от действия агрессивных сред путем помещения его в вакуумированный корпус (не показан). Тепловой контакт с объектом измерения может осуществляться через стенку корпуса или через инфракрасное излучение объекта. В последнем случае корпус должен быть прозрачным (например, из кварцевого стекла). Конструкция термочувствительного элемента может отличаться от вышеописанной. Первая и вторая линии .задержки могут изготавливаться на двух подложках из разных пьезоэлектриков. Подложка может быть и непьезоэлектрической, например, из плавленного кварца. При этом линии задержки выполняются на основе пвезоэлектрических пленок, например нитрида алюминия, способного работать при температурах до 1000°. Передатчик 4 может содержать усилитель мощности, включаег-Флй на выходе модулятора 17, а приемник - уси- литель постоянного тока на выходе фильтра 21 низких частот. В приемник 5 могут также быть введены входная цепь.и усилитель высокой часто- ты между коммутатором 19 и синхронным детектором 20. При- высоком уровне помех и большом затухании радиосигналов и термочувствительном элементе 2 наличие этих устройств в приемо-передающей части становится необходимым. Используя устройство, можно измерять температуры объектов от криогенной, где- параметры устройств на поверхностных акустических волнах даже выше, чем при нормальной. (20 С), до нескольких сотен градусов при ис пользовании таких распространенных пьезоэлектриков, как ниобат лития и кварц. Верхний предел может быть увеличен, если применить более термостойкие пьезоэлектрики. Предлагаемое устройство обеспечивает высокую точность дистанционного измерения и регулирования температуры. Оно легко поддается миниатюризации, технологично и имеет высокую воспроизводимость параметров, характерную для приборов, использующих поверхностные акустические волны.

Формула изобретения 1, Устройство для дистанционного измерения температуры, содержащее пассивный переизлучатель с линией задержки на поверхностных акустических волнах в качестве термочувствительного элемента, передатчик и приемник радиоимпульсов, и регистратор, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения температуры и расширения функциональных возможностей, . в состав пассивного переизлучателя введена дополнительная линия задержки на поверхностных акустических волнах, причем обе линии задержки включены параллельно и имеют противоположные по знаку температурные коэффициенты задержки, а приемник радиоимпульсов содержит синхронный детектор и фильтр низких частот, подключенны последовательно к входу регистратора,

2. Устройство по nil, отличающееся тем, что регистратор выполнен в виде счетчика числа полупериодов огибающей амплитуд принимаемых радиоимпульсов.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Патент Франции 2423762,

кл. G 01 К 11/22, опублик. 20.04.78.

2.Авторское свидетельство СССР №923263, кл. G 01 К 11/22, 16.10.80 (прототип).