Устройство для измерения температуры и энергии электромагнитного излучения Советский патент 1987 года по МПК G01K7/00 G01L1/00 G01J5/20 

ройством. По истечении времени, необходимого для фиксации максимального значения производной температуры, затвор закрывается и термопреобразова- тель охлаждается до температуры среды. При .измерении усилия тепловой экран 3 перемещается по ТПС 4, увеличивая тем самым тепловое сопротивле1

Изобретение относится к измерительной технике, предназначено для оновременного измерения трех неэлектрических величин: температуры, механических усилий и электромагнитного излучения, например, светового потока, и может найти применение для контроля указанных величин и вьщачи сигнала аварийной ситуации на объектах, где к измерительным приборам предъявляется прежде всего требование обеспечения минимальных габаритов и веса.

Целью изобретения является расширение информативных возможностей за счет дополнительного измерения механических усилий и повьшения точ- ности измерения температуры и энергии электромагнитного излучения.

На фиг.1 представлен чувствительный элемент - датчик температуры, механических- усилий и энергии электромагнитного излучения, фрагмент раз- реза} на фиг.2 - структурная схема устройства.

Датчик содержит (фиг.1) упругую мембрану 1, в центре которой расположен электрооптический затвор 2, тепловой экран 3, жестко закрепленный на мембране 1, термопреобразователь, выполненный в виде цилиндрического термопреобразователя 4 сопротивления, который покрыт с открытого торца слоем вещества, поглощающего энергию электромагнитного излучения, и установлен на дне корпуса 6, к которому жестко прикреплена мембрана 1. Устройство содержит (фиг.2) измерительный преобразователь 7, преобразующий сопротивление термопреобразователя 4 в напряжение, выполненный например, в виде мостовой схемы, в одно из плеч которой включен термоние на пути потока. ТПС 4 с открытого торца покршт поглощающим электромагнитное излучение веществом. В электрическую схему устройства введены два нормирующих усилителя, два коммутатора, цифровой индикатор и аналого - цифровой преобразователь 2 ил.

5

0

5

0

5

0

.преобразователь 4, а в другое - переменный резистор для уравновешивания мостовой схемы (резистор не показан), и усилителя постоянного тока, включенного в измерительную диагональ мостовой схемы (на фиг.2 усилитель не показан), первый-третий коммутаторы 8-10, источник 11 напряжения, блок 12 выделения максимального значения производной, состоящий, например, из дифференцирующего усилителя 13, запоминающего устройства 14 и электронного ключа 15, нормирующие усилители 16 и 17, блок 18 управления, аналого-цифровой преобразователь 19 и цифровой индикатор 20. Дифференцирующий усилитель 13 блока вьще- ления максимального значения производной состоит из операционного усилителя 21, конденсатора 22 и резистора 23, а запоминающее устройство состоит из диода 24 и конденсатора 25.

Устррйство работает следующим образом.

В первый такт работы по команде с блока 18 управления измерительный . преобразователь 7 устанавливается в положение, необходимое для проведения измерения температуры, т.е. если измерительный преобразователь 7 выполнен в виде мостовой схемы, то путем регулирования сопротивления, включенного в противоположное плечо схемы, мост уравновешивается таким , образом, чтобы при О С его выходной сигнал равнялся нулю. Уравновешивание мостовой схемы может быть осуществлено как ручным способом, так и путем использования специальных устройств, позволяющих осуществить указанную операцию автоматически, без участия оператора.

Электрооптический затвор в пер- вом такте закрыт и он не пропускает электромагнитного излучения.

При температуре измеряемого объекта, отличной от нуля, сигнал рас- согласования, несущий информацию о температуре, с выхода измерительного преобразователя 7 через второй коммут.атор 9 (по команде с блока 18 управления) поступает на вход пер вого нормирующего усилителя 16, где нормируется в соответствии с принятой температурной шкалой и поступает через третий коммутатор 10 на вход аналогоцифрового преобразователя (АЦП) 19. Значение температуры отображается на цифровом индикаторе 20.

После отображения информации об измеряемой температуре на цифровом индикаторе сигналами с выходов бяо- ка 18 управления, поступающими на установочный вход АЦП 19 и управляющий вход ключа 15,- АЦП 19 устанавли- вается в исходное состояние, а ключ 15 замыкается . При этом с конденса- тора 25 запоминающего устройства 14 снимается остаточное напряжение с предьщущего цикла работы всего устройства. I

Во второй такт работы устройства измерительный преобразователь 7 по командам с блока управления уравно- вещивается при конкретной температур объекта измерения, т.е. на выходе из мерительного преобразователя 7 устанавливается нулевой сигнал. Электронный ключ 15 блока 12 устанавливается в положение Разомкнуто. Затем блок 18 управления через первый ком- мутатор 8 подает напряжение на выводы 26 и 27 электрооптического затвора 2 и открьтает его.

Световой поток или другое электромагнитное излучение проходит через . открытый затвор и разогревает термо- прёобразователь 4. Баланс измерительного преобразователя 7 нарушается, этот сигнал с выхода измерительного преобразователя 7 через второй комму татор 9 поступает на вход дифферен- ,цирующего усилителя 13 блока 12. Максимальное значение производной этого сигнала фиксируется на диодно-ем- костном запоминающем устройстве 14. Этот сигнал пропорционален мощности воздействующего сигнала.

Уравнение теплового баланса для термопреобразователя в случае, если

термопреобразователь и поглотитель излучения имеют одинаковую температуру по объему чувствительного элемента, можно представить следующим образом.

dT С-- .T W,

(1)

где С - теплоемкость; Т - температура; - полная теплопередача; W - мощность теплового источника, t - время. Решение уравнения (1) следующее:

W

Т(1-€ ),

(2)

где С/Л - постоянная времени.

Тогда, дифференцируя выражение (2) |(эту операцию осуществляет блок вьще- ления максимального значения производной) , получаем:

- . , (3)

i.«. :s « f

dt С

получаем

dT

dt

W С

(4)

По истечении времени, необходимог для фиксации максимального значения производной, блок 18 управления снимает с электрооптического затвора 2 напряжение, последний закрывается и термопреобразователь сопротивления охлаждается до температуры среды.

Напряжение с конденсатора 25 запоминающего устройства 14 блока 12 выделения максимального значения производной через третий коммутатор 10 поступает на вход АЦП 19 и отображается на цифровом индикаторе 20. Затем блок управления устанавливает АЦП 19 в исходное состояние.

В третий такт работы по команде блока 18 управления через первый коммутатор 8 на вьгеоды 28 и 29 подается напряжение, вызывакмцее нагрев термопреобразователя до определенной температуры, при которой суммарный тепло отвод в точности уравновешивает вьзде- ляемую в термопреобразователе мощность. Эта температура должна быть такой, чтобы не возникали радиационные потери. Затем измерительный преобразователь 7 уравновешивается таким образом, чтобы его выходной сигнал был равен нулю при отсутствии механических усилий, а следовательно, и перемещения теплового экрана 3. Значение параметра уравновешивания изме1283545 6

состояние. На этом цикл работы всего устройства заканчивается.

Электрооптический затвор может быть выполнен в форме линзы, которительного преобразователя 7 подбира- 5 фокусирует световой или иной

ется расчетным или эксаериментальньм путем при проведении градуировки устройства. Под воздействием усилия тепловой экран 3 перемещается вдоль термометра 4. Так как тепловой экран расположен на пути теплового потока рассеивания термопреобразователя 4, то его роль при измерении усилия заключается в увеличении теплового сопротивления на пути потока. Перемещение теплового экрана 3 вызывает до- полнительньй нагрев термопреобразователя 4 и сигнал рассогласования, несущий информацию об измеряемом уси

ЛИИ, с выхода измерительного преоб- разователя 7 поступает через второй коммутатор 9 (по команде блока 18 управления) на вход второго нормирующего усилителя 17, где нормируется в соответствии с принятыми единицами измерения усилия или давления, и через третий коммутатор 10 поступает на вход АЦП 19, значение усилия атображается на цифровом индикато-- ре 20.

Для исключения влияния нагрева термопреобразователя 4 на процесс измерения приращения температуры, как функции перемещения теплового экрана

ное разделение канала нагрева нала измерения,т.е.

а, следовательно, и механического усилия, может быть применено частоти кав этом случае нагрев термопреобразователя 4 может быть произведен на переменном токе, а измерение приращения термопреобразователя 4 производится на постоянном токе. I

Тогда на выходе источника 11 напряжения, производящего нагрев термопреобразователя 4 (или в ином месте), должен быть установлен разделительный конденсатор (не показано) и Частота этого переменного напряжения должна подавляться в измерительном преобразователе 7. По исте- чении времени, необходимого для регистрации измеряемого ycиJfия, блок 18 управления через первый коммутатор .8 снимает напряжение нагрева с термопреобразователя 4. Последний охлаждается до температуры среды, АЦП 19 устанавливается в исходное

поток электромагнитного излучения на поверхность термопреобразователя.

Нормирующие усилители 16 и 17 могут выполнять и функцию линеаризации номинальной статической характеристики датчика, как по каналу измерения температуры, так и по каналу измерения механических усшгий.

Блок управления может быть выпол- нен в виде формирователя управляющих сигналов на основе генератора импульсов и электромагнитных реле, срабатывающих в определенной последовательности.

I

Формула изобретения

I

Устройство для измерения температуры и зН ергии электромагнитного излучения, содержащее чувствительньш элемент, выходы которого соединены соответственно с входами измерительного преобразователя и выходами первого коммутатора, входы которого соединены с источником напряжения, а управляющий вход подключен к первому выходу блока управления, о т- личающееся тем, что, с целью расширения информативных возможностей за счет дополнительного измерения механических усилий и повышения точности измерения температуры и энергии электромагнитного излучения, в него введены блок выделения максимального значения производной, два нормирующих усилителя, второй и третий коммутаторы, цифровой индикатор и аналого-цифровой преобразователь, выход которого соединен

с входом цифрового индикатора, вход соединен с выходом третьего коммутатора, а установочньй вход соединен с установочным входом блока выделения максимального значения производной и подключен к второму выходу блока управления, третий выход которого соединен с управляющим входом измерительного преобразователя, а четвертый выход соединен с управляющими входами третьего и второго коммутаторов, вход которого соединен с входом блока управления и выходом измерительного преобразователя, а выходы соответственно через блок выде-

iЛИНИЯ максимальной производной и нормирующие усилители подключены к вхо- , дам третьего коммутатора, причем чувствительный элемент выполнен в виде цилиндрического термопреобразователя сопротивления, закрепленного в центре цилиндрического теплопроводного корпуса, закрытого сверху жесткой, мембраной, снабженной электрооптичес.Редактор Н. Слободяник

Составитель В. Куликов

Техред Л.Сердюкова.Корректор С. Шекмар

Заказ 7427/37Тираж 776. Подписное

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;

ким затвором, расположенным в центре мембраны напротив термопреобразователя сопротивления, и цилиндрическим тепловым экраном,окружающим термопреобразователь сопротивления с возможностью перемещения относительно него, причем открытый торец термопреобразователя сопротивления покрыт поглощающим электромагнитное излучение веществом.

I Г

Изобретение относится к измерительной технике и позволяет расширить информативные возможности устройства за счет дополнительного измерения механических усилий и повьшения точности измерения. Чувствительный элемент устройства выполнен в виде ци- линдрического термопреобразов ателя 4 сопротивления (ТПС), установленного в центре теплопроводного корпуса 6 и окруженного цилиндрическим тепловым экраном 3. При подаче напряжения с блока управления на выводы 26 и 27 открывается оптический затвор 2, расположенный в центре мембраны 1. Нагретый прошедшим через затвор электромагнитным излучением ТПС 4 нарушает баланс измерительного преобразователя, что фиксируется запоминающим уст/ i (Л 27 Фиг.1