Устройство для измерения температуры Советский патент 1983 года по МПК G01K5/18 

1100 Изобретение относится к термометрии, а именно к жидкостным капиллярным термометрам расширения с цифровой индикацией уровня -термометрической жидкости, и может быть использовано для дистанционного измерения температуры. Известен жидкостной термометр, содержащий ртутную термометрическую трубку, на внутренней поверхности которой нанесено тонкоплечное металлическое покрытие с высоким удельным электричесКИМ сопротивлением С. Такая конструкция термометра обес- печивает не только визуальный, но и дистанционный контроль температуры, который осуществляется по,, измененю сопротивления датчика. Однако низкая чувствительность датчика и нестабильность параметров электрической цепи не позволяют достичь высокой точности измерения темпера туры.. Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является устройство для измерения температуры, содержащее жидкостную термометрическую трубку и блок цифровой регистрации 2.}. Однако при достаточно высокой точности измерения, компактности и наличии цифрового выхода в известном устройстее диапазон измеряемых температур ограничен температурным диапазоном используемых электропроводных жидкостейртути и ее сплавов. Так, например, устройство не может работать в диапазоне температур, который охватывают спиртовые термометрические трубки. Кроме того, известное устройство имеет низкую помехоустойчивость в условиях воздействия электромагнитных по- . лей, статического электричества и радиоактивного излучения, Целью изобретения является расщирение диапазона измеряемых температур и повышение помехоустойчивости устройства. Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее жидкостную термометрическую трубку и блок цифровой регистрации, введен генератор зондирующих электрических импульсов, а жидкост- 50 ная термометрическая трубка выполнена в виде звукопровода и снабжена приемопередающим встречно-штыревым преобразователем поверхностных акустических волн, размещенным на внутренней поверх-55 ности трубки выше уровня жидкости, а также тем, что между встречно-щтыревым преобразователем и пустотсглым кон12 цом термометрической трубки установлен звукопоглоти тель. Конструкция предложенного устройства поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведена термометрическая трубка, общий вид; на фиг. 2 - вид Б на фиг. 1 (звукопоглотитель не показан); на фиг. 3 сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 4 и 5 граница отражения- импульса поверхностной акустической волны от жидкости, не смачивающей и смачивающей внутреннюю поверхность трубки соответственно; на фиг, 6 - схема подключения термометрической трубки к блоку цифровой регистраиии. Устройство содержит жидкостную термометрическую трубку 1 и блок 2 цифровой регистрации с генератором 3 зондирующих импульсов. Нижняя часть трубки 1 заполнена термометрической жидкостью 4, например ртутью, спиртом и др. Выше уровня жидкости 4 в трубке 1 размещен возбудитель поверхностных акустических волн - приемо-передающий встречно-штыревой пре- . образователь 5 с электрическими : ьшодами , выходящими из трубки 1 наружу (фиг. 1 и 2). Между встречно-штыревым преобразователем 5 и пустотелым кон трубки 1 помещен звукопоглотитель 7, вьшолненный из материала, поглотаю-, щего поверхностные акустические волны. Выводы 6 встречно-штыревого преобразователя 5 подключены к блоку 2 цифровой регистрации, в состав которого кроме генератора 3 зондирующих импульсов входят формирующе-переключающее устройство 8, усилитель 9 и цифровое вычислительное устройство 10. Для визуального измерения температуры (как в обычном жидкостном термометре) на внешнюю поверхность трубки 1 нанесена температурная щкала (фиг.1). Жидкостная термометрическая трубка |1 выполнена из плавленого кварца. Вы- сокая пластичность кварца в нагретом состоянии обеспечивает возможность формирования трубки в широком диапазоне длин и диаметров при высокой точности, чистоте поверхности и оптической прозрачностй. Электроды встречно-щтыревого преобразователя выполнены из окиси цинка или сернистого кадмия и нанесены непосредственно на внутреннюю поверхность кварцевой трубки 1, например меч тодом фотолитографии в виде пленки толщиной около 10ОО А. Звукопроводом для поверхностных акустических волн в данном случае является непосредственно сама внутренняя поверхность кварцевой трубки 1, так как рассеивйние акустичес ких волн в объеме кварца не происходит из-за поверхностного характера их распространения. При использовании стеклянной термометрической трубки 1 звукопро- вод формируется на ее внутренней поверх ности путем нанесения покрытия из материала, проводящего поверхностные акусти ческие волны. Звукопоглотитель 7 в зависимости от диапазона рабочих температур может быт выполнен, например, из стекловаты, пробки И-других материалов, поглощающих поверхностные акустические волны. Для упрощения процесса нанесения электродов встречно-штыревого преобразователя 5 на внутреннюю поверхность трубки 1 последняя в месте их располо- жения может быть выполнена плоской (не показано). Для защиты от внешних механических воздействий трубка 1 может быть помещена в жесткий оптически прозрачный корпус цилиндрической формы выполненный, например, из стекла (не показан). Выводы 6, выполненные, например, из платины или ее сплавов, подсоединены че рез формирующе-переключаюшее устройство 8 к выходу генератора 3 зондирующих электрических импульсов. Вьисод тактовых импульсов Г4 формирующе-переключайще- го устройства 8 подключен к блоку ГО памяти цифрового вычислительного устрой ства. Выход зондирующих импульсов 8 через усилитель 9 подключен к команд ному блоку 10 цифрового вычислительного устройства, осуществляющему операции контрольного считывания зондирующих импульсов, операцию запуска -(остановки) генератора 3 и операцию вьщачи информации об измеряемой температуре J(.-t°) из блока Ю памяти цифрового вычислительного устройства. В зависимости от требуемой точности измерения, темпа выдачи информации из блока 10 памяти цифрового вычислительного устройства и конструктивных параметров трубки 1 частота следования импульсов г генератора 3 выбирается в пределах 10 -Ю Гц. С увеличением тре буемой точности .измерения и темпа выда чи информации, а также с уменьшением рабочей длины трубки 1 и расстояния от электродов встречно-штыревого преобразователя 5 до верхнего предельно допусти мого уровня жидкости в трубке 1, величина частоты j- генератора 3 должна также повышаться. Устройство работает следующим образом. С цифрового вычислительного устройства Ю на вход генератора 3 подается запускающий импульс, вызывающий на выходе генератора 3 появление электрических импульсов, поступакнцих через формирующе-переключающее устройство 8 в блок 1О памяти цифрового вычислительного устройства в виде тактовых импульсов Ki и одновременно на выводы 6 встречно-штьфевого преобразователя 5 как зондирующие датчик электрические импульсы. Зондирующий электрический импульс, попадая на элекгрЬды встречно-штыревого преобразователя 5, возбуждает на поверхности звукопровода (внутренней поверхности кварцевой трубки 1) импульс поверхностной акустической волны, распространяющийся от электродов встречноштыревого преобразователя 5 к нижнему концу трубки 1, заполненному термометрической жидкостью 4, с постоянной скоростью V в поверхностном слое звукопровода, не превышающем по тояшкне нескольких десятков ангстрем. Скорость распространения акустического импульса в кварце V является высокостабильной величиной. Кварц является одним из наиболее стабильных к температурному воздействию материалов, его температурный коэффициент uL составляет крайне малую величину порядка град.. Такимобразом, на скорость распространения акустического импульса практически не влияет ни температура, ни давление окружающей среды, ни источники эле тромагнитного излучения. Достигнув жидкости 4, акустический . импульс отражается от периферийных границ мениска жидкости и совершает обратное движение к электродам встречно-штыревого преобразователя 5, где преобразуется обратно в электрический импульс отраженного сигнала, который поступает на формирующе-переключающее устройство 8, где выдается, разрешение на запуск нового зондирующего импульса, и далее через усилитель 9 - в командный блок цифрового вычислительного устройства Ю. Далее процесс повторяется снова, аналргично описанному, ряз где VI - заданное число зондирующих импульсов, которое закладывается в формирующе переключакшее устройство 8 или в. цифровое вычислительное устрой ство 10 и определяется, исходя из требуемого темпа выдачи информации, требуемой точности измерения и скорости изменения контролируемой температуры. После поступления в командный блок 10 цифрового вычислительного устройства yi отраженных импульсов командный блок прекращает поступление в блок 1О памяти цифрового вычислительного устро ства тактовых импульсов N и выдает информацию об измеренной температуре из блока памяти в виде последовательности тактовых импульсов, запомненных за время прохождения через звукопровод заданного заранее количества зондирующих импульсов, При этом количество так товых импульсов М -Ь ) поступивших в блок памяти, определяется из соотношен Ke-t) (1) где IT, - частота поступления импульсов в блок памяти цифрового вычислительного устройства с генератора зондирующих импульсов. В то же время частота определяется выражением где 1) - длина рабочей частоты термометрической трубки; Ь- (.t) высота столба жидкости в труб ке (по линии ), зависящая от темпера ауры Из (1) с учетом (2) следует Via)-frH с,) Таким образся, по количеству М -t,) тактовых импульсов на выходе блока па- мяти производится измерение температуры контролируемого объекта. Результаты измерения можно получить и в графической форме, подключив к цифровому вычислительному устройству 1О графопостроитель. Для плавленного кварца скорость распространения поверхностных акустических волн 3000 м/с. Современные генераторы импульсов обеспечивают частоту до 1О Гц. Темп выдачи информации с устройства обычно выбирается в пределах 1-1О измерений в секунду. Рабочая гиина термометрической трубки выбирается из диапазона контролируемых температур и находится как правило в пределах 505ОО мм. Высокая точность измерения температуры предложенным устройством и хорошая помехоустойчивость обеспечивается высокой стабильностью частоты ,- тактовых импульсов, поступающих с генератора 3, высокой стабильностью конструктивных параметров термометрической трубки 1, выполненной из плавленого кварца и высокой стабильностью скорости распространения поверхностных акустических волн. Так, предложенное устройство с жидкостной термометрической трубкой длиной 25О мм в температурном диапазоне O C-lOCf С при частоте тактовых импульсов , количество зондирующих импульсов и, 3 в одну секунду, при темпе выдачи информации 1 раз в секунду обеспечивает точность измерения температуры не менее 0,О1 С (при визуальном контроле до 0,2 С). Предложенное устройство в отличие от известного работает с любым типом термометрической жидкости, что значительно расщиряет диапазон измеряемых температур.

Мб

Фиг. :

А-А

Фиг,3

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ, содержащее жидкостную термометрическую трубку и блок цифровой регистрации, отличающееся тем, что, с цепью расщирения диапазона измеряемых температур и повышения помехоустойчивости устройства, в него введен генератор зондирующих электрических импульсов, а жидкостная термомет| 1ческая трубка выпсянена в виде звукопровода и снабжена приемно-передавшим встречно-штыревым преобразователем поверхностных акустических волн, размещенным на внутренней поверхности трубки выше уровня жидкости, причём между встречно-щтыревым преобразователем и пустотелым концом термометрической трубки установлен звукопоглотитепь. (Л О) хо со

Фиг.

Фиг.5