Датчик температуры Советский патент 1986 года по МПК G01K11/24 

f

Изобретение относится к измерительной технике, может быть использовано для измерения температуры окружающей среды и параметров вибраций объекта, на котором установлен предлагаемь1й датчик, и является до- полнителнь1М к изобретению по авт. св. № 939968.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей датчика температуры.

На чертеже представлена функцио- Нальная схема предлагаемого датчика температуры.

Датчик содержит линию задержки I на поверхностньпс акустических волнах с передающим 2 и приемным 3 встреч- но-штьфевыми преобразователями на звукопроводе. На этом же звукопрово- де симметрично относительно первых двух преобразователей выполнен встречно-штыревой преобразователь А. Между приемным и передающим встречно-штыревыми преобразователями линии задержки включен первый усилитель 5, причем передакидий встречно-штыревой преобразователь подключен к одному из входов первого фазового детектора 6 а приемньвй встречно-штыревой преобразователь через второй усилитель 7 связан с одним из входов второго фазового детектора 8. Вторые входы обоих фазов.ых детекторов через третий усилитель 9 связаны с дополнительным встречно-штыревым преобразователем, вьпсод первого фазового детектора подключен к первому входу сумматора Ю через инвертор 1I, а выход второго фазового детектора подключен k второму входу сумматора непосредственно,

Предлагае 1ый датчик температуры работает следующим образом.

Поскольку передающий 2 и приемный 3 встречно-штыревые преобразователи ультразвуковой линии задержки (ЛЗ) I на поверхностных акустических вол ных (ПАВ) подключены к выходу и входу усилителя 5 соответственно, то образуется автогенератрр, частота генерируемого сигнала которого f, обратно пропорциональна суммарному времени прохождения поверхностной акустической волны по поверхности звукопррвода линии задержки I и сигнала по электронной цепи

п/( 1„ +ГР ),

(1)

где

9 линии задержки Г н время распроt(j и ig - время прохождения ПАВ

7312

странения сигнала через усилитель 5

соответственно; п - постоянная величина, характеризующая тип возбу;(дае- мых акустических колебаний.

Как правило, время задержки t более чем на 3 порядка превьшает время задержки сигнала в электронных цепях Тg , поэтому задержками сигналов в усилителях 5, 7 и 9 можно пренебречь. В результате для частоты генерируемого автогенератором нала получают

,. nv

f, «J-

(2)

5

0

0

5

5

гДё V - скорость распространения ПАВ по поверхности звукопровода;

f - путь, проходимый волной меж-. ду передакнцим 2 и приемным 3 встреч- ,но-штыревыми преобразователями.

Поскольку величины I и v с измене нием контролируемой температуры Т также изменяются,то и величина Q 1/V и значение f оказываются функ-. циями температуры Т, причем для боль- 5 шинства материалов, используемых в качестве звукопроводов J13 на ПАВ, такая зависимость оказывается линей НОЙ.

При упругой деформации консольно закрепленного звукопровода Л31, вызг- ванной воздействующей на него одновременно с температурой вибрацией, подвергаются деформации поверхности звукопровода, примем одна из широких граней звукопровода удлиняется на некоторую величину, а другая укорачивается на ту же величину, что соответственно изменяет и время прохождения ПАВ по каждой из граней (i и7 соответственно). Однако суммарное время прохождения ПАВ от пере-, л дающего 2 до приемного 3 преобразователя (t -t , L ) и,значит, равное ему время задержки (.а) , опре- делякмцее частоту автогенератора при Т const и наличии вибрации, остается постоянным, т.е.

с 3)

a тvconsi r 2 .

, де t,- время прохождения ПАВ по первой грани звукопровода;

. время прохождения ПАВ по второй грани звукопровода.

Таким образом, при одновременном воздействии температуры и вибрации в предлагаемом датчике температуры, как и в известном, частота сигнала f, получаемая на выходе усилителя 5, т.е. на первом выходе предложенного датчика, является функцией лишь измеряемой температуры Т и не зави- сит от воздействующей на датчик одновременно с температурой вибрации

ti

f, г- f

с..

,0-Л (Т -TJ,

(А)

10

IS

20

25

30

где f- - частота сигнала, получаемого на пер вом выходе устройства (выход усилителя 5);

д - значение частоты сигнала на первом выходе устройства при Т Т„ ,

V коэффициент чувствительности, характеризующий влияние температуры на время задержки ПАВ 7 , и,значит, на генерируемую автогенератором, содержащем ультразвуковую Л31, частоту f 2 .

Величина dj тщательно.измерена и протабулирована для большинства материалов, в которых возможно распространение ПАВ, поэтому, зная материал, из которого изготовлен зву- копровод ЛЗ, и значение f , характеристику преобразования предлагаемого датчика по температуре можно считать известной с высокой точностью.

Для выделения информации о параметрах, воздействующей на датчик механической вибрации, можно воспользоваться тем фактом, что время прохождения ПАВ по каждой из граней звукопроЕода - 1, и Т, соответственно (3) - в отличие от времени про- хождения ПАВ между приемным и пере- дакяцим преобразователями является функцией не только контролируемой температуры Т, но и зависит от параметров воздействующей на датчик вибрации, а именно

г, ц, (Т) - k,Aj:os9t;

.ч,„(Т) - k,A Cos5lt, (5) где t,o (Т) (Т) - величины вре- мёни прохождения ПАВ по граням звуко- провода ЛЗ.при отсутствии вибраций; 45 R, - коэффициент пропорциональности, определяемый упругими свойствами кон- сольно закрепленного звукопровода; .Af - амплитуда механических вибраций; Я - частота вибраций. 50

Информацию об изменениях величин t, и Т можно получить, если выделить сигналы, пропорциональные разностям, фаз ь ч и ь ч частотных сигналов, снимаемых соответственно 55 с встречно-штыревых преобразователей 2 и 4, а также 4 и 3.Сигналы, снимаемые с преобразователей 2, 4 и 3

35

40

соответственно ражениями

и, (Ць+У„ );

Ug (, ); 5 Uj U CosU t-t-4 , ).

10

IS

20

5

0

5 0

5

0

, МОЖНО записать вы(6)

где и, (j а„ амплитуда сигналов, снимаемых с преобразователей 2,4 и 3 соответственно; uJ - генерируемая автогенератором частота;

Ч о,,,Ч, начальные фазы сигналов, снимаемых с преобразователей 2, 4 и 3 соответственно.

Поскольку разности фаз сигналов и,, и, и и, Uj определяются величинами времени прохождения ПАВ (V и I j между соответствующими преобразователями, то для величин ач t

Л Ч - г воспользовав -,-Ч,

и

шись выражением (5), можно записать

йЧ , k, ;;, ) - k AjcosStt)

4, k,a,(T) +

+ k,A; Cos9t),(7)

где k - коэффициент, определяе14лй акустическими свойствами материала звукопровода ЛЗ.

Так как сигналы U, , U и U,, U, попарно поступают на входы фазовых детекторов 6 и 8, то, пренебрегая дополнительными сдвигами, фаз в усилителях 7 и 9, которые предназначены для компенсации ослабления сигналов Uj и и в звукопроводе Л31, для сигналов на выходах фазовых детекторов 6 и 8 сор тветственно из вьфажения (7) получают

. Кл,т,, flvf, К

Ь6 ЛМ-

A Cos5t);

VVDS ft,s К + k, ) ,

.(Т)())

где , ч рв величины крутизны характеристик фазовых детекторов 6 и 8 соответственно.

Учитывая, что во всем температурном диапазоне „о (Т) 20 (Т), а величинь крутизны характеристик фазовых детекторов нетрудно обеспечить равными друг другу (, , К ) , и что сигнал Иср перед подачей его на один из входов сумматора 10 инвертируется инвертором II, для результирующего сигнала на выходе сумматора 10, являющегося вто- . рым выходом предлагаемого датчика, из выражения (8) получают

выхг .qt. (9)

Из вьфажеиия (9) видно, что амплитуда сигнала, получаемого на втором выходе предпагаемого датчика температуры : пропор щояальна амплитуде воэдействуицих на датчнк вибрацийл

-. 2 К.) а частота, этого сигнала является

частотой вибраций, при этом параметры сигнала не зависят от конт- ролируемой температуры Тt

Таким образом подключая к вто- рому входу предлагаемого датчика вольтметр и частотомер (не показаны) в случае узковолосного вибрационйо- го воздейстзмя можно получить информацию об амплитуде и частоте воздей- ствукичей на дйтчик вибрации.

В том случае, если спектр воз- fiS Acvsyieaiax вибраций немонохроматя- ческий и содериит целый ряд дйскрет пп, t

с ампли- соответ

ньк частот S1 , 51,4,.. , 9,

tf, .. У

ствзяр1 ми щлитудами вибра онныя:

частот , Ami А к Рторо- му шдкоду предщагаемрго датчика вмето вольтметра и частотомера необхр- да1мо iOAKJW4HTb анализатор спектра (не показан). При этой можно с вы- еокснй точностью оценить аммитуду и частоту каждой частотной состав- лвмщей вибрационного спектра:.

смешанном спектре когда л имеетсц и шумовая (случайная) и дисретные соетавляюдае вибраций, с пометь же анализатора спектра можи0оце1шть частотный диапазон эан таеьв| вибрационным спектром,

Редактор Л Йовхан

Составитель Ю, Андриянов Техред Л.Сердюкова

2977/46 Тираж 77S

ВНШШИ Государственного СССР

.по делам изобретений и открытий M303S Москва Ж-г35 Раушская наб., д. 4/5

Ко Под

.П)роизводСтвенно полйграфИческое предприятие, г. УжгрроД:, ул. Проектная, 4

и

|

i

5

6

5

а также энергетическое распределение интенсивности вибрахдай в занимаемом ими частотном диапазоне.

Ф о р м у л а изобретения

Датшк температуры по авт. св. № 939968 отличающийся тем, что с целью расширения функ- возможностей, в йем зву- копровод линии задержки снабжен до- полнитёльш)1м встречно-штьфеилм преобразователем размещенным симметрично относительно приемного и пере- даювдаго преобразователей, а схема регистрации выполнена в виде двух фазовых детекторов, первого второго и третьего усилителей, инвертора и сумматора, при этом один из входов первого фазового детектора подключен к передающему встречно-штыревому преобразователю, приемный встречно- атыревой преобразователь через вто-. рой усилитель подключен к одному из входов второго фазового детектора, третий встречно-штыревой преобразователь через третий усилитель подключен к входам фазовг х детекторов, выход первого фазового детектора через инвертор подключен к первому входу сумматора, вькод втог рого фазового детектора подключен К второ му входу сумматора, а вход и выкод первого усилителя подключены соответственно к приемному и передакадему преобразователям.

Корректор В. Бутяга Подписное

Изобретение относится к измерительной технике ; может быть использовано для измерения температуры окружающей среды и параметров вибI J I I Т Д: раций объекта, на котором установлен датчик тe mepaтypы. Цель изобретения - расширение функциональшхпс возможностей устройства. Устройство содержит линию задержки на поверхностных акустических волнах с пере- даняцим 2 и приемным 3 встречно-штыревыми преобразователями, встречно- штыревой преобразователь 4, усилители 5 , 7 и 9, детектор 8, cyt taTop. 10 и инвертор п. Введение новых элементов и образование новых свяэей между элeмeнтa a устройства позволяет оцените частотный диапазон, за- нимаеиай вибрационным спектром, а также энергетическое распределешю интенсивности вибраций в эанимае -юм или частотном диапазоне. I ил. tf с // / Ю ьо оо ( со S 3 м