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

во 7 формирования разностной частоты, регистратор 8, дифференциальньш усилитель 9. Для достижения цели устройство снабжено электродом 10, расположенным вне зоны активных колебаний

Изобретение относится к температурным измерениям, а именно к устройствам для измерения температуры с термочувствительным пьезорезонатором в качестве термопреобразователя.

Цель изобретения - повышение быстродействия и надежности при обеспечении высокой т очности измерений.

На чертеже приведена схема устройства для измерения температуры.

Устройство содержит измерительный автогенератор 1, в качестве которого может быть использована любая типовая схема управляемого напряжением квар- цевого автогенератора, например с варикапом в качестве частотно-управляющего элемента 2, термочувствительный пьезорезонатор 3, включенный своими основными электродами 4 и 5 в частотно-задающую цепь измерительного автогенератора, опорный кварцевый генера- тор 6, устройство 7 формирования разностной частоты, к выходу которого подключен регистратор 8, дифференци- альный усилитель 9, один из входов которого соединен с основньн электродом 5 пьезорезонатора, подключенным к корпусу автогенератора, а другой соединен с дополнительным электродом 10, расположенным центросимметрично относительно оси максимальной силовой чувствительности этого пьезорезонатора вне активной зоны колебаний.

В качестве дифференциального усилителя может быть использован неин- вертирукяций усилитель на операционном усилителе, обеспечивающий высокое входное сопротивление, что позволяет наилучшим образом согласовать пьезоэлектрический чувствительный элемент и управляющий элемент 7 автогенератора 1 и одновременно усилить информационный сигнал, получаемый в виде раз

центросимметрично относительно оси максимальной силовой чувствительности ТП,, а в частотно-задающую цепь измерительного автогенератора 1 введен частотно-управляющий элемент 2.1 ил.

ности потенциалов между электродами 5 и 10 пьезорезонатора.

Режим работы варикапа 2 подбирается таким образом, чтобы при напряжении одного знака частота автогенератора увеличивалась, а при напряжении другого знака - уменьшалась.

Устройство работает следующим образом.

Собственные частоты термочувствительного пьезорезонатора 3 и термостабильного пьезорезонатора, входящего в состав опорного автогенератора, отличаются на несколько десятков килогерц, поэтому при постоянной температуре (Г con6 t) на выходе устройства 7 формирования разностной частоты получаем сигнал, мгновенное значение которого записывается в виде

р рт

Co5((3pt+q)p),

(О

где Upm амплитуда сигнала;

WP - разностная частота сигнала; определяемая как разность частот сигналов измерительного автогенератора 1 сОц и опорного автогенератора и , т, е. ш р «1, - Wo ;

Cf р - начальная фаза сигнала разностной частоты.

При измерениях температуры Т отно - сительно ее реперного (исходного) значения Т измеряется собственная резонансная частота термочувствительного пьезорезонатора 3, а значит, и частюта сигнала ш измерительного автогенератора 1. В результате разностная частота оЗр сигнала на выходе устройства 7 формирования разностной частоты является функцией, воздействующей только на пьезорезонатор 3 температуры Т

СОр М -СОДт). (2)

Причем в случае равномерного по всему объему прогрева пьезорезонатора (т.е. при медленных изменениях измеряемой температуры Т) и при использовании в качестве материала последнего пьезокварца LC -среза, обладающего линейными температурно-частотными характеристиками, зависимость (2) с высокой степенью точности можно представить линейной функцией вида

,4K(T-T«)l,

где частота сигнала измерительного автогенератора 1 при Т Т,

Ку - интегральный частотный коэффициент температурной чувствительности термочувствительного пьезорезонатора 3.

При этом минимальная погрешность измерений температуры Т может достигать 10 . При быстрых изменениях температуры Т имеет место неравномерный прогрев термочувствительного пьезорезонатора 3 и появляется температурный градиент между наименее прогретой центральной частью пьезорезонатора и наиболее быстро прогревающимися его периферийными областями. Как показывают расчеты, при перепаде (скачке) температуры 1°С для линзового пьезорезонатора градиент Т может достигать величины 1,4-10 С/см, что соответствует уходу частоты на 10Гц для пьезорезонатора с i 5 --10 Гц. В таком случае достоверную высокоточную информацию об измеряемой температуре Т, определяемую посредством выражения (3), можно получить только после полного прогрева пьезорезонатора 3 и, следовательно, после устранения градиента температур в теле этого пьезореэонатора, что снижает быстродействие .

Для устранения этого недостатка в устройстве используется имеющий мес- то при неравномерном нагреве пьезокварца эффект наведения пьезоэлектрических зарядов различных величин на участках пьезорезонатора, температура которых отличается.

В данном случае в термочувствительном пьезорезонаторе 3 такими участками являются центральная часть, совпадающая с зоной активных колебаний, и периферийная часть этого пьезорезонатора, свободная .от колебаний и наиболее быстро воспринимающая воздействие изменяющейся температуры Т,

j1й

20

25

5 Отем более, что в случае линзовых пье- зорезонаторов периферийная часть пьезорезонатора гораздо тоньше центральной. В результате наличия в периферийной части термочувствительного пьезорезонатора 3 (свободной от активных колебаний, за счет чего обеспечивается минимум влияния на качественные характеристики пьезорезонатора) дополнительного электрода 10 при быстрых изменениях измеряемой температуры Т за счет возникновения температурного градиента между периферийной и центральной частями пьезор езо- натора 3 на основных электродах 4 и 5 и дополнительном электроде 10 последнего наводятся электрические заряды различных величин, причем величина этих зарядов оказывается пропорциональной площади электрода и средней температуре под соответствующим электродом. Это, в свою очередь, приводит к возникновению между электродами 5 и 10 разности потенциалов, которая оказывается пропорциональной температурному градиенту j-rad Т (Т - Т, ), где Т, - среднее значение температуры пьезорезонатора 3 под основными электродами 4 и 5J Т - температура пьезорезонатора 3 под областью дополнительного электрода 10. В этом случае для разности потенциалов uq между электродами 5 и 10 пьезорезонатора 3 нетрудно получить простейшее соотношение

ьч-(т,-тО,

(4)

где к коэффициент пропорциональноти, численно равный разности потенциалов между электродами 5 и 10 при разности температур л Т между их геометрическими центрами 1 С, который может достигать значений . 0,014 Е/°С.

При температурных градиентных явлениях в пьезокварце величина коэффициента К .|1 определяется прямым эффектом пьезополяризации, а также возникновением пространственной неоднородности упругих свойств пьезокрис- таллов, следствием которой также является пьезополяризация. Причем последний эффект непосредственно связан с силовой чувствительностью пьезоре- зонаторов, знак и величина коэффициента Кр которой зависят от ориентации относительно кристаллографически

осей этих резонаторов воздействующих усилий.

Знак коэффициента К является положительным в секторе, составляющем ± 60 С относительно оси максимальной силовой чувствительности пьезорезо- натора. Поэтому для достижения -максимальной величины коэффициента К , а значит, и максимальной градиентной разности потенциалов A(f , пропорциональной arad Т - , дополнительный электрод 10 термочу;вствительного пьезорезонатора 3 должен быть выполнен вдоль края (периметра) этого пье зорезонатора центросимметрично относительно оси максимальной силовой чувствительности пьезорезонатора 3 в секторе +60° относительно этой оси причем для обеспечения максимальных значений Т и максимального быстродействия ширина этого дополнительного электрода 10 должна быть минимальной и составлять не более 2-3 толщины кварцевого пьезорезона- тора. Это обусловлено тем, что при малой ширине электрода 10 при быстрых изменениях температуры Т температура подэлектродной области электрода 10 с высокой степенью точности должна соответствовать измеряемой температуре. Именно этим фактом и определяется быстродействие предлагаемого устройства, поэтому объем пье- зоэлектрика в подэлектродной области дополнительного электрода 10 должен быть небольшим.

В этом случае при изменениях измеряемой температуры Т достаточно быстро изменяется и температура части пьезорезонатора 3, находящейся под электродом 10, т.е. между областью электрода 10 и центральной частью пьезорезонатора 3 быстро устанавливается градиент температур , вызывающий между электродами 10 и 5 пьезорезойа ора 3 разность потенциалов utf . Эта разность потенциалов усиливается дифференциальным усилителем 9 постоянного тока с большим входным сопротивлением и через управляющий элемент, варикап 2, воздействует на управляющий вход измерительного автогенератора 1. В результате для частоты выходного сигнала измерительного автогенератора 1 получаем

Со

И-,о+К(т-Т„))-Ку.5(Т,-Т,),

(5)

где со,.,- значение частоты сигнала

О

измерительного автогенератора 1 при т Т„ , О,

Ку - коэффициент передачи усилителя 9 постоянного тока;

5 - коэффициент крутизны, Гц/В, управляющего элемента 2.

Подставляя выражение (5) во (2), получаем выражение для частоты разностного сигнала, формируемого посредством устройства 7 формирования разностной частоты, которая поступает на вход регистратора 8

р с- о„о+к,.:т-т„..5(т,-то

(6)

Как видно из выражения (6), частота информационного разностного сигнала содержит две составляющих, определяемых изменениями измеряемой температуры .

Первая составляющая k(Т -Т), содержащая интегральный частотный коэффициент температурной чувствительности К-г определяет изменения информационной разностной частоты «„ обусловленные интегральным равномерным прогревом термочувствительного пьезорезонатора 3, а вторая составляющая k,j 5 (т -1,1 , содержащая коэффициент градиентной температурной чувствительности к , учитывает наличие градиента температур вдоль радиуса термочувствительного пьезорезонатора в его, теле. Причем этот градиент температур всегда пропорционален измеряемой температуре Т окружающей пьезорезонатор 3 среды, поэтому, подбирая соответствующим образом коэффициенты k ц и S , можно с высокой точностью и высоким быстродействием получить информацию об истинном значении измеряемой температуры Т.

В случае, когда измеряемая температура Т изменяется медленно и температурная постоянная времени такого измерения равна или больше температурной постоянной времени термочувствительного пьезорезонатора 3, последний успевает равномерно прогреваться, величина 2 О и информационная разностная частота

Ог

-То).

(7)

функциойальнб1х узлов согласно выражению (10) уже для времен измерения

где

- температурная

контролируемой среды, постоянная времени которого гораздо меньше температурной постоянной времени t пьезо- резонатора 3, но соизмерима с темпе- s постоянная времени подэлектродной об- ратурной постоянной времени под- ласти дополнительного электрода 10 электродной области дополнительного электрода 10, то за время

интегральный прогрев пьезорезонатопьезорезонатора 3, на выходе устройства 7 формирования разностной частоты будем иметь частотный сигнал (6), ра 3 будет мизерным, т.е. составляю- Ю с высокой степенью точности соответ- щая примет максимальное значение, ствующий .значению измеряемой темпера- причем в этом случа е k,(T-T,l О, Т- Величина температурной пос- зато градиентная разность лТ; - Тг -Т, T,TO -,12 Т, где Т - измеря ёмая температура. В результате для ин- . формационной разностной частоты .

тоянной времени б подэлектродной области дополнительного электрода 10 15 пьезорезонатора 3 на много порядков может быть меньше температурной постоянной времени t пьезорезонатора 3

получим

а),- Ч„4х -К;,-с(т-т„1.

(8)

При правильном выборе коэффициентов Ку и 5 значения информационной частоты Ыр , полученные по выражению (7) для случая медленного измене-.5 площадь подэлектродной ния температуры и по выражению (8) области дополнительного электрода 10; для быстрых изменений температуры при одинаковых величинах перепадов температур- дТ, йТг должны быть равны Ыр, Ир . Отсюда, можно полугде 6р - общая площадь пьезорезонаVP и Vg - объемы пьезокварца в с ответствующих областях. Это утверзвде- ние не противоречит также и усло ВИЮ (10), однозначно определяющему

чить условие,п озволяющёе л ёгко параметров Kj, и 5 , так как

считать необходимые значения коэффи-интегральный частотный коэффициент

циентов k и 5 , а именно: если зна-температурной чувствительности К

чение лТ. ля медленного изменения ° на много порядков больше

перепада температур равно значениюкоэффициента чувствительности k ,

лТ, для быстрого перепада темпера- 35а этот коэ ффициент, как и постоянная

тур, то QP, по выражению (7) равновремени f , пропорционален площа- СОр, вычисленному по выражению (8), а значит, условием для расчета вели- . будет вы1 жение

чин Км и 5

К, Ку.5.

времени i

ди 5д подэлектродной области дополнительного электрода 10 пьезорезонатора 3. При таком соотношении коэф- 40 фициентов К справедливость

соотношения (10) для предлагаемого (9) устройства обеспечивается, как правило, за счет выбора соответствующего дифференциального усилителя постоянПоскольку градиентный и интеграль-45 ного тока с требуемым входным сопро- ный частотные коэффициенты чувствительности пьезорезонатора ЗК и К соответственно определяются выбором конкретного среза пьезокварцевого материала для термочувствительного пье-50 зорезонатора 3 и для каждой конкретной конструкции пьезодатчика определяются экспериментально, то выражение (9) лучше представить в виде

а

тивлением и коэффициентом передачи К (современные усилители постоянного Гока обеспечивают kjj до 10 -10 при Rg, (2-3) 10 Ом).

образом, видно, что быстродействие предлагаемого устройства соизмеримо с температурной постоянной времени о и на много порядков превышает быстродействие известного уст- 55 ройства, соизмеримое с температурной постоянной времени пьезорезонатора 3 и с постоянной времени с механического звена этого устройства.

г

(10)

функциойальнб1х узлов согласно выражению (10) уже для времен измерения

постоянная времени подэлектродной об- ласти дополнительного электрода 10

где

- температурная

времени подэлектродной о нительного электрода 10

пьезорезонатора 3, на выходе устройства 7 формирования разностной частоты будем иметь частотный сигнал (6), с высокой степенью точности соответ- ствующий .значению измеряемой темпера- Т- Величина температурной пос-

тоянной времени б подэлектродной области дополнительного электрода 10 пьезорезонатора 3 на много порядков может быть меньше температурной постоянной времени t пьезорезонатора 3

в целом

20

f

(11)

1э 5

площадь подэлектродной области дополнительного электрода 10

где 6р - общая площадь пьезорезона площадь подэлектродной бласти дополнительного электрода 10;

VP и Vg - объемы пьезокварца в с отного тока с требуемым входным сопро-

а

тивлением и коэффициентом передачи К (современные усилители постоянного Гока обеспечивают kjj до 10 -10 при Rg, (2-3) 10 Ом).

образом, видно, что быстродействие предлагаемого устройства соизмеримо с температурной постоянной времени о и на много порядков превышает быстродействие известного уст- ройства, соизмеримое с температурной постоянной времени пьезорезонатора 3 и с постоянной времени с механического звена этого устройства.

При этом для времени измерения :,,,,

3 с о величина измеряемой темпе ратуры Т пропорциональна значению ни формационрой разностной частоты (Ор, которая измеряется регистрирующим устройством и полностью определяется выражением (6), одна из составляющих в правой части которого Kj ( пропорциональна скорости интегрального нагрева пьезорезонатора 3, а другая К К;. 5(15-7,)- градиентной разности температур между дополнительным электродом 10 и областью пьезорезонатора 3 под основными электродами. Сумма этих двух составляющих в выражении (6) для величины (Ор для всех Т jS t остается постоянной, а соотношение между их величинами в промежутке времени 3 i j, ь ЗТ все время изменяется,, а именно: составляющая k (T-Tg) в процессе интег рального прогрева пьезорезонатора 3 .растет,а составляющая k К -5 (Т,-,) по мере уменьшения разности ( Т,;-т, ) уменьшается и при полном прогреве термочувствительного пьезорезошто- ра 3, т,е, при Т const сведется к нулю.

Как показывают расчеты, максимальное значение градиента температур, а значит, и максимальная крутизна цепи регулирования в предлагаемом устройстве достигается при использовании в качестве пьезокварцевого чувствительного элемента линзового пьезорезонатора. Однако возможно применение пьезорезонаторов другого типа, например плоскопараллельных. При использовании резонатора другой конструкции дополнительный электрод также должен располагаться вблизи кромки пьезоэлемента, однако в этом случае в подэлектродной области дополнительного электрода будет находиться гораздо большая часть материала пьезо- элемента, а это значительно снизит скорость достижения градиентом температур своего максимального значения.

Работа устройства при понижении температуры окружающей среды не отличается от работы при ее повьпиении за тем искл очением, что градиент температур меняет свой знак. Однако при этом меняют свой знак и напряжения (силовые) в теле пьезоэлемента,. Если

ВНИИПИ Заказ 2444/41

Произв.-полигро пр-тие,, г.

2960310

при повьш1ении температуры они были, растягивающими (для тела пьезоэлемента) , то при снижении ее они становятся сжимающими. При этом меняется 5 знак разности потенциалов itp между электродами пьезоэлемента 3, а значит, и полярность напряжения на входе дифференциального усилителя 9. Это автоматически приводит к смене знака

10 напряжения на выходе этого усилителя и к соответствующему изменению управ- ляюш.его напряжения на управляющем элементе 2 - варикапе. Так как рабочая точка варикапа путем подбора сопt5 ротивления резисторов R, и R выбрана на середине его характеристики управления, то при повышении температуры окружающей среды и положительном напряжении на выходе усилителя полу20 чают подстройку собственной частоты пьезоэлемента { положительного знака (т.е. ip увеличивается), а при снижении температуры и отрицательном напряжении на выходе усилителя - под5

0

5

0

5

0

5

г.

стройку частоты { отрицательного sjiaKa (т.е. i,, уменьшается).

Формула изобретения Устройство для измерения температуры, содержащее термочувствительньй пьезорезонатор, включенный основными электродами в частотно-задающую цепь измерительного автогенератора, выход которого подключен к первому входу устройства формирования разностной частоты, второй вход которого соединен с выходом опорного автогенератора, а выход подключен к регистратору, дифференциальный усилитель постоянного тока, отличающее- с я тем, что, с целью повышения быстродействия при обеспечении высокой точности измерения, термочувствительный пьезорезонатор снабжен дополни- тельн 11м электродом, расположенным вне зоны активных колебаний центросиммет- рично относительно оси максимальной силовой чувствительности этого пьезорезонатора, а в частотно-задающую цепь измерительного автогенератора введен частотно-управляющий элемент, вход которого соединен с выходом дифференциального усилителя постоянного тока, входы которого подключены к одному из основных и дополнительному электродам термочувствительного пьезорезонатора.

Тираж 778 Подписное

Ужгород, ул. Проектная, 4

Изобретение относится к области температурных измерений. Цель изобретения - повышение быстродействия и надежности пьезокварцевого преобразователя температуры при обеспечении высокой точности измерений. Устройство содержит измерительный автогенератор 1, термочувствительный пьезорезо- натор (ТП) 3, электроды 4 и 5, опорно-кварцевый генератор 6, устройст(Л С