Способ измерения температуры и устройство для его осуществления Советский патент 1985 года по МПК G01K7/32 

2. Устройство для измерения температуры, содержащее резонансный контур с термочувствительным элементом и двумя варикапами, включенный в частотно-задающую цепь генераторадетектора, частотомер, подключенный к одному из двух выходов генераторадетектора, пороговый блок, блок обратной связи, два фазовых детектора выходы которых подключены к входам порогового блока, два электронных ключа, один из которых включен между выходом первого фазового детектора и входом блока обратной связи и соединен своим управляющим входом с выходом порогового блока,термо метр сопротивления, включенный в мостовую схему, выход которой совместно с выходом блока обратной связи подключен к одному из варикапов.

генератор прямоугольных импульсов, выход которого соединен с другим варикапом, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены ждущий мультивибратор и линия задержки, при этом линия задержки включена между выходом генератора прямоугольных импульсов и управляющим входом первого фазового детектора, выход которого соединен с входом второго фазового детектора, к управляющему входу которого и входу ждущего мультивибратора подключен выход генератора прямоугольньгх импульсов, а выход ждущего мультивибратора соединен с управляющим входом второго электронного ключа, включенного между вторым выходом генератора-детектора и входом первого фазового детектора

1. Способ измерения температуры, заключающийся в вьщелении сигнала поглощения ядерного резонанса в термочувствительном элементе путем частотной модуляции прямоугольными импульсами с последующим фазовым детектированием и определе НИИ температуры по изменению резонансной частоты, отличающийс я тем, что, с целью повышения точности измерения, выделение сигнала поглощения ядерного резонанса .осуществляют при частоте модуляции, равной или большей полуширины линии поглощения, а фазовое детектирование прерьшают на время о протекания переходных процессов в сигнале поглощения и осуществляют теми же прямоугольными импульсами, задержанными на время (Т/4 ), где Т - период повторения импульсов.

Изобретение относится к температурным измерениям. Известен способ измерения температуры, основанный на принципе изме нения частоты ядерного квадрупольного резонанса (ЯКР) в зависимости о температуры, включающий регистрацию сигналов поглощения ЯКР посредс вом частотной модуляции, синхронизацию генератора-детектора по линии поглощения Я1СР с помощью цепи обрат ной связи для привязки его резонанс ной частоты к центру линии поглощения lj . Наиболее близким к предлагаемом является способ измерения температуры, основанньй на температурной зависимости резонансной частоты пог лощения чувствительного к ядерному магнитному или ядерному квадрупольному резонансу материала, включающий детектирование сигнала поглощения в вышеуказанном материале с помощью генератора-детектора путем ча тотной модуляции напряжения его резонансного контура при подаче на варикап резонансного контура прямоугольных импульсов напряжения, вьще ление с помощью фазового детектора основной компоненты сигнала поглощения, подачу последнего в цепь обратной связи для привязки частоты генератора-детектора к резонансной частоте поглощения. Способ реализуется устройством, содержащим резонансный контур с термочувствительным элементом, два варикапа, генератор-детектор, частотомер, два фазовых детектора, четыре ключа, два конденсатора, сумматор, пороговое устройство, блок обратной связи, синтезатор модуляционных сигналов, генератор импульсов, мостовую схему с термг- реобразователем сопротивления 2j . Существенным недостатком известного способа является наличие неполностью скомпенсированного паразитного сигнала, в результате чего возникает погрешность измерения температуры. К тому же при увеличении ширины резонансной линии применяемых чувствительных материалов резко падает точность способа. Это связано, во-первых, с ростом паразитного сигнала пропорционально росту ширины линии, так как для достижения максимальной крутизны сигнала основной компоненты частотная модуляция осуществляется на глубину, равную значению полуширины линии поглощения. Во-вторых, при повышенной частоте модуляции период ее становится сора мерным с длительностью переходных процессов в генераторе-детекторе, что приводит к резкому увеличению погрешности определения паразитного сигнала. Недостатком, устройства является также низкая скорость поиска сигнала ядерного резонанса вследствие применения низкой основной частоты модуляции, так как скорость поиска прямо зависит от максимального быст родействия фазового детектора, кото рое ограничивается частотой модуляции. Целью изобретения - повышение то ности измерения температуры. Поставленная цель достигается тем, что согласно способу измерения температуры, заключающемуся в выделений сигнала поглощения ядерного резонанса в термочувствительном элементе путем частотной модуляции прямоугольными импульсами с последующим фазовым детектированием и определении температуры по изменению резонансной частоты, выделение сигнала поглощения ядерного резонан са осуществляют при частоте модуляции, равной или большей полуширины линии поглощения, а фазовое детекти рование прерывают на время с протекания переходных процессов в сигнал поглощения и осуществляют теми же прямоугольными импульсами, задержан ными на время (Т/4 + ), где Т . период повторения импульсов. Устройство для осуществления спо сбба измерения температуры содержит резонансный контур с термочувствительным элементом и двумя варикапами, включенный в частотно-задающую цепь генератора-детектора, частотомер, подключенньй к одному из двух выходов генератора-детектора, пороговый блок, блок обратной связи, два фазовьк детекторд, выходы которых подключены к входам порогового блока, два электронных ключа, один из которых включен между выходом первого фазового детектора и входом блока обратной связи и соединен сво управляющим входом с выходом порого вого блока, термометр сопротивления включенный в мостовую схему, выход которой совместно с выходом блока обратной связи подключен к одному из варикапов, генератор прямоугольных импульсов, выход которого соединен с другим варикапом, введены ждущий мультивибратор и линия задержки, при этом линия задержки включена между выходом генератора прямоугольных импульсов и управляющим входом первого фазового детектора, выход которого соединен с входом второго фазового детектора, к управляющему входу которого и входу ждущего мультивибратора подключен выход генератора прямоугольных импульсов, а выход ждущего мультивибратора соединен с управляющим входом второго электронного ключа, включенного между выходом генератора-детектора и входом первого фазового детектора. В отличие от известных способов . измерения температуры, в которых модуляция и синхронизация фазового детектора осуществляется одним и тем же напряжением, что приводит к появлению паразитного сигнала, в предлагаемом способе в результате вьфезания переходных процессов и синхронизации фазового детектора напряжением, опаздывающим по отношению к напряжению модуляции на время Т/4 + + /2, подавляется паразитная амплитудная модуляция и не возникает паразитный сигнал. В качестве сигнала основной компоненты используется отстающая на IT /2 по фазе по отношению к напряжению модуляции составлящая полезного сигнала генератора-детектора, которая имеет максимальную величину при частоте модуляции, рав ной или большей значения полуширины линии поглощения. Величина этого сигнала приблизительно равна величине сигнала основной компоненты в известных способах, но первый существует в более благоприятных для измерения условиях (oтcyfcтвиe паразитного сигнала, меньшее влияние шумов, непрерывность существования и т.д.). Введенный ждущий мультивибратор вырабатывает сигнал, необходимый для прерывания с помощью ключа фазового дет,ектирования на время продолжительности процессов t в сигнале поглощения, а линия задержки вырабатывает сигнал, необходимый для осуществления фазового детектирования прямоугольными импульсами, задержанными на время Т/4 + с/а по отношению к импульсам, которыми осуществляется модуляция. Два последовательно соединенных фазовых детектора, синхронизированные управляющими напряжениями с час тотой модуляции, сдвинутыми между собой на угол приблизительно равной , выполняют ту же операцию, что один фазовый детектор, синхронизированный управляющим напряжением удвоенной частоты модуляции. В результате из выходного сигнала генератора-детектора выделяется сигнал удвоенной компоненты. Применение повышенной частоты мо дуляции повысило быстродействие поиска сигнала ядерного резонанса. Максимальная величина скорости по иска зависит от быстродействия фазового детектора, которое ограничивается управляющей частотой (т.е частотой модуляции). На фиг, 1 изображена зависимость Приведенной величины сигнала основ2й,с ,. при 1%-ной ной компоненты I {(, -0,0 обобщенной расстройке ( от частоты модуляции t- , приведенной к значению полуширины линии пог лощения фиг, 2 - временные диаграммы напряжений: напряжение модуляции Ч Moji, , напряжение паразитной амплитудной модуляции на выходе генератора-детектора bgj,,j, „ на входе фазового детектора UBX.OO. тг и на его выходе Од,, , уп, равляющие напряжения ключа U дпр. и фазового детектора U(jnp,po нз фиг. 3 - блок-схема устройстваi на фиг. 4 - линия поглощения ядерного резонанса а - U ре , б - сигнал ос новной компоненты и в - сигнал удвоенной компоненты U на выходах фазовых детекторов. Устройство содержит резонансный контур 1 с термочувствительным зле ментом, два варикапа 2 и 3, генера тор-детектор 4, генератор 5 прямоугольных импульсов, ждущий мультивибратор 6, линию 7 задержки, ключ 8 и 9, фазовые детекторы 10 и 11, частотомер 12, пороговый блок 13, блок 14 обратной связи, мостовую схему 15 и термометр 16 сопротивле ния. Генератор 5 прямоугольных импул сов формирует прямоугольные импуль сы и цод скважностью 2 и частотой 5 -6 которыми осуществляется модуля ция. Ждущий мультивибратор 6 срабатывает на положительные и отрицательные напряжения llMofj. и формирует напряжение коротких прямоугольных импульсов ирр.к длительностью и частотой повторения 2Fj, . Выходное напряжение линии задержки Uunp.OD опаздьшает по отношению к ее входному напряясению OMO/S, время Т/4 (фиг. 2). Устройство работает в двух режимах: режиме поиска сигнала ядерного резонанса и режиме измерения температуры. В соответствии с этим два режима работы имеет блок 14 обратной связи, который представляет собой интегратор в сочетании с пороговым, гистерезисным компаратором. При разорванном входе (режиме поиска) выходное напряжение блока 14 обратной связи медленно изменяется по пилообразному закону. При замкнутом входе (режиме измерения) блок 14 обратной связи работает как регулятор интегрального типа. В режиме поиска сигнал с выхода мостовой схемы 15 поступает на варикап 2 и устанавливает частоту генегратора-детектора 4 вблизи линии поглощения термочувствительного --элемента, например на основе хлората калия КСЮд с точностью + 20 кГц, что соответствует температурному эквиваленту j 4 К. Блок 14 обратной связи при отсутствии сигнала на его входе (ключ 9 разомкнут), медленно изменяет свое выходное напряжение, что приводит к изменениям напряжения смещения на варикапе 2. При этом частота настройки генератора-детекора 4 медленно развертывается в пределах 30 кГц, перекрывая погрешность мостового измерителя. Частотная модуляция осуществляется с помощью варикапа 3 при подаче на него напряжения модуляции частотой 320 Гц с выхода генератора 5 прямоугольных импульсов. На протяжении развертки частоты генератора-детектора 4 выход фазового детектора 10 контролируется пороговым блоком 13, в котором переменная составляющая выходного напряжения фазового детектора 10 фильтруется с постоянной времени 0,003 с. Величина напряжеНИН срабатывания порогового блока 13 выбрана вьте уровня шумов. На выходе фазового детектора 10 полярность напряжения срабатывания зависит от направления развертки частоты. Это воспрепятствует срабатыванию блока 13 при i IQ и г 5 (фиг. 46), которые являются неустойчивыми для слежения. Как только частота генератора-детектора 4 попадет в полосу резонанса, на выходе фазового детектора 10 появляется сигнал, превышающий уровень срабабывания порогового блока 13. По сигналу порогового блока 13 ключ 9 подключает выход фазового детектора 10 к блоку 14 обратной связи, который переходит в режим регулятора. Тогда сигнал на выходе фагового детектора 11 проверяется пороговьм блоком 13 через второй вход с большой постоянной времени (около 1 с). Отношение. сигнал-шум для U{с малое из-за сравнительно малой постоянной времени (0,003 с) и иногда вьщеляются фальши вые сигналы. В этих случаях выходной сигнал схемы 11 не дает разрешение на прекращение развертки.- После того, как подтверждено сигналом с выхода фазового детектора 11, что он превьЕпает уровень Срабатывания второго входа блока 13, на выходе последнего формируется сигнал, вызывающий срабатывание ключа 9. В режиме измерения выход фазового детектора 10 через блок 14 обратной связи подается к варикапу 2, что обеспечивает привязку частоты ген ратора-детекТора к резонансной частоте поглощения (к центру сигнала поглощения). С помощью частотомера 12 измеряется частота ядерного резонатора, по которой в дальнейшем определяется измеряемая температура Подавление сигнала паразитной амплитудной модуляции осуществляетс следующим образом. I Напряжение паразитной модуляции совпадает по форме с напряжением мо дуляции за исключением только облас тей, в которых протекают переходны процессы. Переходные процессы в сиг нале Qftbix. г,д. па вырезаются на вре 0 (20-50 мкс мя их продолжительности ключом 8, который управляется напряжением с выхода ж/(ущего мультивиб ратора 6. Сигнал J в х. (p.D. t;ap выделяется с помощью фазового детектора Ш, которьй синхронизируется управляющим напряжением с линии 7 задерж ки отстающим по отношению к напряжению модуляции на время Т/4 + /2. В фазовом детекторе 10 перемножаются входные сигналы i 6«.-). пар В результате перемножения разнополярные импульсы напряжения (J д, „ . делятся на равные временные части а так как напряжение в;(, CPD. пар изменяется (переход.ные процессы вырезаны), то будут равны и площади разделенных импульсов, в результирующем сигнале ij .) i,,p Переменная составляющая выходного напряжения фазового детектора 10 при подаче в цепь обратной связи фильтруется . Постоянная составлякщая этого напряжения равна нулю так как среднее значение одинаковых по площади разнополярных импульсов равно нулю. Это означает, что паразитный сигнап на выходе фазового детектора 10 отсутствует и вьщеляется только полезный сигнал основнойскомпонен- ты Uic . , При применении в качестве чувств.ительного к ЯКР элемента на основе закиси меди отпадает необходимость в мостовой схеме с термометром сопротивления, так как при частоте модуляции 2,5 кГц скорость поиска почти на порядок больше скорости поиска при частоте модуляции 320 Гц ( в случае бертолетовой соли) и составляет около 50 К/с. Поиск в диапазоне 500 К осуществляется за 10 с. При этом выходное напряжение блока обратной связи медленно изменяется в пределах pa6o4iix напряжений варикапа 2, чем достигается развертка частоты генератора-детектора во.всем диапазоне измеряемых частот (температур) . Максимальная ширина линии используемых материалов, для которой эффективен способ, составляет около 10 + 20 кГц. При этом уже из-за влияния переходньк процессов утрачивается приблизительно 20-40% сигнала основной компоненты. Использование предлагаемого способа измерения температуры обеспечивает по сравнению с известными- способами существенное повышение точности (до 6 раз) вследствие отсутствия паразитного сигнала, применение повьшенной частоты модуляции уменьшает влияние низкочастотных шумов вида 1/, Расширяется класс применяемых чувствительных материалов шириной линии поглощения 2-20 кГц, для которых существующие способы малопригодны или вовсе непригодны. Использование предлагаемого устройства для реализации способа увеличивает быстродействие поиска сигнала ядерного резонанса.