Устройство для измерения температуры и механических усилий Советский патент 1986 года по МПК G01K7/32 G01L1/16 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и предназначено для одновременного измерения температуры и силового воздействия с помощью пьезокварцевых преобразователей.

Целью изобретения является повышение чувствительности путем увеличения крутизны преобразования.

На чертеже представлена функциональная схема устройства.

Устройство содержит упругий элемент 1 с пьезокварцевыми резонаторами 2 и 3, подключенными к автогенераторам 4 и 5, четыре линии 6-9 задержки и три автогенераторных фазо- частотных преобразователя (ФЧП) 1.0-12. ,

Первьй ФЧП 10 состоит из четырех смесителей 13.1-16.1 и усилителя 17.1, второй ФЧП 11 - из смесителей 13;2-16.2 и усилителя 17.2, третий ФЧП 12 - из смесителей 13.3-16.3 и усилителя 17.3.

Пьезокварцевые резонаторы 2 и 3 установлены на упругом элементе 1 таким образом, что они подвергаются точечному .нагружению. Резонаторы 2 и 3 обладают одинаковьми коэффициентами преобразования к температуре К (коэффициентами температурной чувствительности) и коэффициентами К и К2. преобразования по силе (коэффициентами силовой чувствительности), имеющими противоположные знаки, что характерно для дифференциальных устройств. В качестве пьезокварцевых резонаторов могут быть использованы пьезорезонаторы Ь С среза, имеющие большие значения коэффициентов преоб разования по силе и температуре и нeoбxoди Я)Ie знаки коэффициентов.

Смесители в ФЧП вьтолнены одно- полосными - на их выходах выделяют колебания суммарной либо разностной частоты путем использования в них фильтровых или фазокомпенсационных узлов подавления нежелательных колебаний .

Если К К,, то смесители 13.1, 13.3, 15.1, 15.2 и 15.3 должны быть суммирующими, а смесители 13.2, 14. 14.2, 14.3, 16.1 , 16.2 и 16.3 - вычитающими.

Если К, Kj, то смесители 13.1 13.2, 13.3, 15.1, 15.2, 15.3 и 16.2 должны быть суммирующими, а смеси1247684 i2

тели 15.2, 14.1, 14.2, 14.3, 16.1 и 16.3 - вычитающими.

Время задержки сигнала 1 в первой линии 6 задержки должно быть рав- 5 но времени задержки сигнала во второй линии 7 задержки, а время задержки S сигнала в четвертой линии 9 задержки должно быть равным

10

, , . (I)

где

.. и

У5

- время запаздывания сигнала в усилителях 17.1 и 17.2 первого и второго ФЧП соответственно;время запаздывания сигнала в третьей линии задержки.

Устройство работает следующим образом.

Упругий элемент 1 находится под действием силы и температурного поля в точке измерения. Пьезокварцевые резонаторы 2 и 3, прикрепленные к поверхности упругого элемента, испытывают точечное силовое нагруже- ние и воздействие температурного поля. Одновременное воздействие силового и температурного полей определяет в стационарном режиме значение частот пьезокварцевых резонаторов 2 и 3, следовательно, частот генерации f. и fj автогенераторов 4 и 5 в соответствии с формулами:

- 40

f, f,+ Kf - K;F; fj f Kt + ,

(2)

45

где t и F - значения воздействующей температуры и силы соответственно. На первые входы ФЧП 10 и 11 поступает сигнал с частотой f и начальной фазой f0 , на вторые входы - сигналы с частотой f, и фазовым сдви- 50 гом 2ЙТв,г, +2fi (Kt - , на третьи входы - сигнал с частотой fj и фазовым, сдвигом f , а на чет- вертые - сигнал с частотой f и фазовым сдвигом („. +2 лТ„.„ +2/(Kt + 5S+K,F).

В результате прохождения сигналов через последовательно включенные смесители 13.1, 14.1, 15.1 и 16.1

колебание на выходе четвертого смесителя 16.1 сдвинуто по фазе по отношению к сигналу на входе смесителя 13.1 на величину

MKiV .. (3)

В то же время цепочка этих смесите- лей поедставляет- собой цепь обрат. . .(f,,-1,4f,(кUt,t,(кЛ-кЛlF ,,

а, 21Г,

где m 1,3,5,.

yi

ченных блоков 13.1- 17.1.

ледовательно вклю- 15

ченных блоков 13.1- Во втором ФЧП 11 при К f К 17.1 и ж 2,4,6,... лебание на выходе четвертого смесителя 16.2 сдвинуто по фазе по отношению к колебанию на первом входе последовательно вклю- 20 смесителя 13.2 на величину

.- v- oitO-2 U- -Vl 4b2 {K,F.K,ft,.y (5).

при инвентировании сигнала в цепи поспри неинвентирова- нии сигнала в цепи

При достаточно высоком коэффициен-вательно включенных блоков 13.2-17.2,

те усиления усилителя 17.2 выполня-существует автоколебание, частота

ется условие баланса амплитуд и в которого определяется из условия базамкнутой цепи, состоящей из последо-ланса фаз соотношением

J n1 2firUo, Vfort,b2 ir(Ktt,-Ktt,b3H-(K,.,)

,3,5,... при инвентировании сигнала в цепи после довательно включенных блоков-13.2-17.2 и ,4,6д... при неин- вентировании сигнала,

Так как линии 6 и 7 задержки имеют43 одинаковое время задержки t i. , то на выходе второго ФЧП существует колебание с частотой

f . (f,,fo,)1,,MK,-KOt,.F

которое поступает непосредственно на первый вход и через третью линию 8 задержки на второй вход третьего 50 12 ФЧП. При прохождении через третью

,.. 2().,f|K,-Kj.F д «, tj.

Я

Колебание с выхода .второго 11 ФЧП поступает с частотой f непосредственно на третий вход и через четвертую линию 9 заде вход третьего ФЧП прохождения через

ной связи усилителя 17.1. При достаточно высоком коэффициенте усиления усилителя 17.1 вьтолняется условие баланса амплитуд и в замкнутой цепи, состоящей из последовательно включенных блоков 13.1 - 17.1, су- . ществует автоколебание, частота которого определяется из условия баланса фаз

b2 ir(Ktt,-Ktt,b3H-(K,.,)

21. г

; (б)

У2

. it,2lt(,1,2(K,)f. , .

Jg Jtl/

,г

значение которой практически определяется только величиной силового воздействия F в силу того, что значение остальных параметров остается неизменным в процессе измерения. На выходе первого ФЧП 10 в этом случае (при t t ) существует колебание с частотой

(8)

линию 8 задержки сигнал запаздывает на время t и поэтому поступает на

вход ФЧП 12 с фазовым

второй сдвигом

(}

тую линию 9 задержки на четвертый вход третьего ФЧП 12. В процессе прохождения через четвертую линию 9

время и поэтому поступает на чет . 2 ;r(fo,-fo,г,,p л.

S1

В результате прохождения колебаний через цепочку последовательно включенных смесителей 13.3-16.3 колебание на выходе четвертого смесителя.

iP (b.fo,), (f,,-foi)t, ,,

%3 Sf4 t 3-

Ч , a2 41

При достаточно высоком коэффици-- енте усиления усилителя 17.3 выполняется условие баланса амплитуд и в замкнутой цепи, состЬящей из послеa((f(,, + .r l: lli«ill5il i t 3 Ь,

TFT

as

где ,3,5... при инвентир овании 25 рах 4 и 5, первой 6 и второй 7 ли- сигнала в цепи после- ниях задержки и в первом 10 ФЧП довательно включенных идентичны описанным вьше. блоков 13.3-17.3 и Во втором 11 ФЧП на выходе смеси- 2,4,6... при неин- теля 16.2 выделяется сигнал с фазо- вентировании сигнала; зо вым сдвигом „ +2 it(tg - ) - Lyj - время задержки сигнала в - 2«(К + . При этом на выходе

цепи усилителя 17.3. Значение частоты автоколебаний на выходе третьего ФЧП зависит практически только от температурного

усилителя 17.2 . существует колебание с частотой

35

f -2 t orfcir , a-(.Knt. нз)

tc.,- - zUty.,

воздействия, так как величины остальных параметров остаются неизменными в процессе измерений.

В случае, когда К К , преобразование сигналов в автогенератол,у. ({o,tf,l4 . f . , .,

°5 2tn.IrOC

/3

Измеряя частоты колебаний на выходе второго 11 и третьего .12 ФЧП, можно определить значения действующих на упругий элемент 1 устройства усилия F и температуры t соответственно.

В динамическом режиме изменение информационных параметров температуры и силового воздействия вызьшает изменение частот настройки пьезоре- зонаторов 2 и 3 и приводит, следовательно, к изменению частот на выходах автогенераторов 4 и 5 и фазовых сдвигов на выходах линий 6 и 7 засдвигом

(0}

16.3 оказывается сдвинутым по фазе по отношению к колебание на первом входе первого смесителя 13.3 на величину

довательно включенных блоков 13.3- 17.3, существует автоколебание, частота которого определяется из условия баланса фаз соотношением

, liMl±-it 10

s-irt 3

;ni,j,i-yj

рах 4 и 5, первой 6 и второй 7 ли- ниях задержки и в первом 10 ФЧП идентичны описанным вьше. Во втором 11 ФЧП на выходе смеси- теля 16.2 выделяется сигнал с фазо- вым сдвигом „ +2 it(tg - ) - - 2«(К + . При этом на выходе

усилителя 17.2 . существует колебание с частотой

f -2 t orfcir , a-(.Knt. нз)

tc.,- - zUty.,

в третьем 12 ФЧП на выходе усилителя существует колебание с частотой

(14)

держки соответственно. Изменение фазовых сдвигов на выходах первой 6 и второй 7 линий задержек обусловливает изменение частот автоколебаний на выходах первого 10 и второго 11 ФЧП, что приводит к изменению фазовых сдвигов на выходах третьей 8 и четвертой 9 линий задержек. Вследствие этого происходит изменение частоты автоколебаний на выходе третьего 12 ФЧП. Регистрируя изменение частот колебаний на выходах второго 11 и третьего 12 ФЧП, судят о величине изменения информационных параметров.

. Расчеты показывают, что в предлагаемом устройстве крутизны преобразования информационных параметров при соответствующем выборе величин задержек t -t,, tyj - tjij может быть на один-три порядка вьпие, чем в известном.

Формула и-з обретения

1. Устройство для измерения температуры и механических усилий, содержащее два пьезорезонатора, расположенных на упругом элементе и подключенных к двум автогенераторам отли.чающееся тем, что, целью повышения чувствительности путем увеличения крутизны преобразования, в него введены четыре линии задержки и три автогенераторных фа- зочастотных преобразователя, каждый ..из которых содержит усилитель и четре смесителя, первые входы которых соответственно соединены с первым, вторым, третьим и четвертым входами фазочастотного преобразователя, а вторые входы соответственно подключены к выходу фазочастотного преоб разователя, соединенному с выходом усилителя, вход которого соединен с выходом четвертого смесителя, к выходам первого, второго и третьего смесителей, при этом первые входы первого и второго фазочастотных преобразователей подключены к выхо- ду первого автогенератора, соединенному с входом,первой линии задержки вторые входы соединены с выходом первой линии задержки, третьи входы подключены к выходу второго автоге- нератора, соединенному с входом второй линии задержки, четвертые входы .соединены с выходом второй линии задержки, а выходы соответственно подключены к первому и треть

Редактор Л. Веселовская

Заказ 4113/39

Тираж 778 ВНИИПИ Государственного комитета СССР ,

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

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород,, ул. Проектная, 4

ему входам третьего фазочастотного преобразователя, соединенным соответственно через третью и четвертую линии задержки с его вторым и чет- вертым входами.

,2. Устройство по п. 1, о т л и- чающееся тем, что первые однополосные балансные смесители в фазочастотны.х преобраз.ователях выполнены суммирующими, а вторые - вычитающими, третьи однополосные баланс- ные смесители в первом и третьем фазочастотных преобразователях выполнены суммирующими, а четвертые -

вычитающими, третий однополосный балансный смеситель во втором фазо- чуствительном преобразователе выполнен вычитающим, а четвертый - суммирующим и время задержки сигна-

ла в четвертой линии задержки выбрано равным

/Ki - Kj/г .

К, + К„

33

при К

де К

231

коэффициенты ситювой чувствительности первого и второго автогенераторов соответственно; время запаздывания сигналов -в усилителях первого и второго фазочув- ствительных преобразователей соответственно; время запаздывания сигнала в третьей линии, задержки.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что первый, второй и четвертый однополосные балансные смесители во втором фазо- чувствительном преобразователе выполнены вычитающими, а третий - суммирующим при К t К .

Составитель В, Куликов Техред М.ХЬдани:ч

Корректор В. Синицкая

Подписное

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и позволяет повысить чувствительность устройства путем увелргчения крутизны пр-е.образования. Изменяя частоты колебаний на выходе фазочастотнь х преобразователей 11 и 12 (ФЧП), оп ределяют значения действующих на упругий элемент 1 устройства усилия и температуры соответственно. В динамическом режиме изменение информационных параметров температуры и силового воздействия вызывает изменение частоты настройки пьезорезо- наторов 2 и 3 и приводит к изменению частот на выходах автогенераторов 4 и 5, фазовых сдвигов на выходах линий задержки 6 и 7. Изменение фазовых сдвигов на выходах 6 и 7 линий задержек обусловливается изменением частот автоколебаний на выходах 10 и Л 1 ФЧП, что приводит к изменению фазовых сдвигов на выходах 8 и 9 линий зад,ержек. Вследствие этого происходит изменение частоты автоколебаний на выходе 12 ФЧП. Регистрируя изменение частот колебаний на выходе 11 и 12 ФЧП, судят о величине изменения информационных параметров. 2 з.п. ф-лы. 1 ил. к fQ