Устройство для измерения температуры Советский патент 1986 года по МПК G01K11/28 G01K7/32 

1

Изобретение относится к технике измерения температуры жидких и газообразных сред, в частности морской воды, и может быть использовано в

океанографии и различных областях на- родного хозяйства.

Целью изобретения является расширение диапазона и:змеряемых температур и повьшение точности измерений.

На фиг.1 приведена структурная йхема предлагаемого устройства; на фиг.2 - график фазотемпературной характеристики; rta фиг.З и 4 - один из возможных вариантов выполнения первичного измерительного преобразо- рателя.Устройство для измерения температуры содержит (фиг.1) первичный измерительный преобразователь 1, генератор 2 опорной частоты, делитель 3 частоты первый усилитель 4, блок 5 возбуждения колебаний струны, преобразовател 6 колебаний струны, второй усилитель 7, блок 8 сравнения фаз, регистратор 9.

Генератор 2 опорной частоты подключен к делителю 3 частоты, один из выходов которого соединен с входом первого усилителя 4. Выход усилителя 4 подан на вход блока 5 возбуждения колебаний струны. Выход преобразователя 6 колебаний струны подключен к . входу второго усипителя 7, выход котрого подан на первый вход блока 8 сравнения фаз. Второй вход блока 8 сравнения фаз соединен с выходом де

лителя 3 частоты, а выход блока 8 подключен к регистратору 9.

ПервичньЕй измерительный преобразователь выполнен в виде струны 10, натянутой на базе крепления 11, и установлен в корпусе 12, заполненном жидкостью 13.

Струна 10 может быть вьшолнена из упругого материала, например рессор- но-пружинной стали, диаметром d 0,05-0,2 мм и длиной Z 20-200 мм. Рекомендуется выдержать соотношение Z/d 300, в этом случае поперечной жесткостью струны можно пренебречь.

Корпус 12 служит для герметизации рабочего объема и крепления узлов. Он может быть вьтолнен из материала с высокой теплопроводностью для повышения быстродействия первичного преобразователя, например из латуни и Т.д. Если корпус является базой крепления струны, то он изготавливается из того же материала, что и струна.

5

1223059

Струна 10 может быть закреплена в корпусе, например, так, как показано на фиг.З. Корпус 12 выполнен в виде стакана 14, имеющего кольцевой выступ 15. Корпус имеет подвижную втулку 16 и закрыт с торцов неподвижной втулкой 17 и крышкой 18. На выступе 15 и втулке 17 закреплены порожки 19 в виде планок, которые образуют базу струны 10. Для исключения возможных деформаций струны в точках соприкосновения с порожками 19 последние изготавливают из более мягкого материала. Концы струны 10 прикреплены к втулкам 16 и 17. Натяг струны 10 можно регулировать, перемещая вдоль корпуса подвижную втулку 16, посредством трех винтов 20 (под углом 120 друг к другу).

пропущенных через крышку 18.

Вблизи струны 10 установлены блок 5 возбуждения колебаний струны и преобразователь 6 колебаний струны с помощью кронштейна 21, прикрепленного к выступу 15. Расстояние между блоком 5 и преобразователем 6 и базой крепления струны зависит от конкретных размеров первичного преобразователя и выбирается из условия получения максимально возможной чувстви- тельности и линейности характеристи- ки преобразования.

Втулки 16 и 17 снабжены элементами герметизации рабочей полости корпуса, втулка 16 имеет технологичес- кое отверстие 22 для заполнения рабочей полости жидкостью 13. В качестве рабочей жидкости 13 может быть использована дастиллированная вода. При заполнении в корпусе оставляют воздушный пузырек для компенсации температурного расширения жидкости. Струна 10 крепится с помощью элементов. 23-25 (фиг.З).

Блок 5 -возбуждения колебаний струны 10 предназначен для возбуждения вынужденных периодических колебаний струны. Это может быть любой малогабаритный электромагнит с напряжением питания 5-15 В и частотой возбуждения несколько килогерц. Преобразователь 6 служит для преобразования механических колебаний струны 10 в электрический сигнал. Он может быть пьезоэлектрическим, электромагнитным, можно использовать готовые звукосниматели например .

Генератор 2 опорной частоты служит для питания блока 5 возбуждения

3

колебаний струны через дилитель 3 частоты. Основное требование к его выбору - высокая стабильность частоты. Может быть использован любой генератор с кварцевой стабилизацией частоты, например генератор частоты декадный прецезионный Г5-35 на 1 мГц

Введение в электрическую схему делителя 3 частоты вызвано тем, что высокостабильные кварцевые генераторы имеют высокую выходную частоту, обычно на несколько порядков превышающую собственную резонансную частоту струны. В качестве блока 3 может использоваться делитель ча1стоты, встроенный в генератор опорной частоты, либо отдельный стандартный делитель с выходной частотой несколько килогерц.

Первый усилитель 4 служит для усиления по мощности напряжения с выхода делителя 3 частоты. Коэффициент усиления его выбирается в зависимости от конструкции блока 5 возбуждения колебаний струны. Усилитель 4 может быть выполнен на базе операционного усилителя, например К140 УД8, совместно с транзистором большой мощности КТ 805, либо используют готовый усилитель мощности У7-3.

Второй усилитель 7 предназначен щя усиления по амплитуде сигнала, снимаемого с преобразователя 6 (для обеспечения надежной работы блока 8 сравнения фаз), и может быть выполнен на операционном усилителе К140 УД8. Блок 8 сравнения фаз служит для выделения электрического сигнала, пропорционального разности фаз колебаний струны 10 (с преобразователя 6) и частоты вынуждающих колебаний (с делителя 3 частоты). В качестве блока 8 можно использовать фазометр Ф2-16.

Регистратор 9 служит для визуального наблюдения или регистрации выходного сигнала блока 8 сравнения фаз (фазового сдвига) на любом носителе информации. Это может быть рамо- писец, магнитное записывающее устройство, устройство оперативного контроля типа дисплей.

Переход от электрического сигнала к значениям измеряемой температуры производится с помощью градуировочных характеристик оператором либо посредством ЭВМ. Градуировка осуществляется при аттестациях устройства.

Устройство для измерения температуры работает следующим образом.

23059

Корпус 12, содержащий первичный измерительный преобразователь, блок возбуждения колебаний струны и преобразователь колебаний струны, помещают

5 в среду, температура которой подлежит контролю. При подаче питания сигнал с генератора 2 опорной частоты через делитель 3 частоты и усилитель 4 поступает на блок 5 и возбуждает вбли10 зи струны 10 электромагнитное поле с частотой порядка нескольких килогерц.

С одного из выходов делителя 3 частоты опорный сигнал поступает на первый вход блока 8 сравнения фаз.

t5 Воздействие электромагнитного поля на струну 10 вызьшает ее колебания с той же частотой.

В преобразователе 6, связанном со струной 10 электромагнитным полем,

20 механические колебания струны преобразуются в электрический сигнал.

При измерении температуры среды изменяется температура рабочей жидкости благодаря высокой теплопровод25 ности материала корпуса, измё няются вязкость жидкости и фаза сигнала вынужденных колебаний струны на выходе преобразователя 6. Этот сигнал поступает через усилитель 7 на второй

3Q вход блока 8 сравнения фаз. Так как фаза вынужденного сигнала на выходе преобразователя 6 отличается от фазы вынуждающих колебаний (с делителя 3 частоты), на выходе блока 8 появляется сигнал у. Фазовый сдвиг связан с температурой (фиг.2). По регистратору 9, используя зависимость м f(t), судят о температуре среды.

Помещение первичного измерительного преобразователя в жидкость с высоким температурным коэффициентом вязкости позволяет построить изме- ритель температуры, принцип действия которого основан на изменении фазы вынужденных колебаний струны от вязкости окружающей среды, зависящей в свою очередь от температуры.

Как известно, например для дистиллированной воды при изменении температуры от О до 20 С вязкость уменьшается примерно в 2 раза; для глицерина вязкость изменяется в 60 раз при изменении температуры от 100 до 200 С.

5 Изменение фазы вынужденных колебаний струны в жидкости происходит за счет наличия сил вязкости трения, .пропорциональных вязкости среды.

5

40

5

0

Диапазон измерений известного устройства равен 2°.

В предложенном устройстве отказ от дилатометрического принципа действия первичного измерительного преобразователя позволяет выполнить струну и базу ее крепления из материалов с одинаковыми коэффициентами теплового расширения и тем самым свести к минимуму погрешности изме-. рениЙ5 вызванные временной нестабильностью натяжения струны и ее собственной частоты, поскольку натяжение не зависит от температуры.

В предложенном устройстве фазовый сдвиг f обусловливается вязким трением, которое является функцией температуры.

Что касается изменения сдвига фазы за счет эффектов теплового расширения струны и базы крепления, то в данном случае им можно пренебречь, поскольку струна и база крепления выполняются из одного и того же материала либо из разных материалов, но имеющих близкие значения коэффициентов теплового расширения. При этом натяжение струны не изменяется при изменении температуры, и тем

самым исключаются явления упругого последействия и ползучести, что приводит к существенному повышению временной стабильности струны.

Формула изобретения

Устройство для измерения темпера- туры, содержащее струну, закрепленную на базе, последовательно соединенные генератор опорной частоты, делитель частоты, первьй усилитель и блок возбуждения колебаний струны, преобразователь колебаний струны, подключенный к входу второго усилителя, и блок сравнения фаз, отличающееся тем, что, с целью расширения диапазона измеряемых температур, в нем струна и база вьтол- нены из материалов с одинаковыми ко- эффициентами теплового расширения и вместе с блоком возбуждения колебаний струны и преобразователем колебаний

струны помещены в герметичный корпус, заполненный жидкостью с высоким температурным коэффициентом вязкости, при этом выход второго усилителя и выход делителя частоты подключены к входу

блока сравнения фаз.

Изобретение относится к технике измерения температуры (Т) жидких и газообразных сред, в частности морской воды, и может быть использовано в океанографии и различных областях I народного хозяйства. Цель изобрете- тения - расширение диапазона измеря- . емых Т и повьтшние точности измере11 1Z 5 Ю III I ник. Герметичный корпус 12, содержащий первичный измерительный преобразователь 1, блок 5 возбуждения колебаний струны и преобразователь 6 колебаний струны, помещают в среду, Т которой подлежит контролю. При изменении Т среды изменяется Т рабочей жидкости благодаря высокой теплопроводности материала корпуса, изменяются вязкость жидкости и фаза сигнала колебаний струны на выходе преобразователя 6, который затем поступает через усилитель 7 на блок 8 сравнения фаз. Фазовый сдвиг обусловливается вязким трением, которое является функцией температуры. Струна и база крепления вьтолнены из материалов с близкими значениями коэффициентов теплового расширения, тем самым сведена к минимуму погрешность измерений, вызываемая временной нестабильностью натяжения струны и ее собственной частоты, поскольку натяжение не зависит от Т. 4 ил. /J / б I/ в S (Л |С to 00 о ел со

t°C

Фиг. 2

/v

Iff

17

23

/v

/v

пЛ

Фиг.З

Составитель Ю.Андриянов .Редактор О.Юрковецкая Техред И.ГайдошКорректор И.Эрдейи

Заказ 1702/43Тираж 778

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ШШ Патент, г.Ужгород, ул.Проектная, 4

Фт.

Подписное