Устройство для измерения температуры Советский патент 1992 года по МПК G01K7/32 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к средствам измерения температуры, в которых в качестве чувствительного элемента используется термочувствительный кварцевый резонатор, и предназначено для измерения температуры жидкости и газа в трубопроводах гидрогазодинамических систем.

Известно устройство для измерения температуры, содержащее термочувствительный пьезорезонатор, включенный в цепь измерительного автогенератора, имеющего частотно-управляющий элемент, устройство формирования разностной частоты, опорный автогенератор, регистратор, дифференциальный усилитель, ко входу которого подключены электроды пьезорезонатора, а выход соединен с частотно-управляющим элементом.

Недостатком известного устройства является невысокая точность измерения.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для измерения температуры, содержащее термочувствительный пьезорезонатор, помещенный в защитную капсулу и включенный в частотно-задающую цепь измерительного автогенератора, подключенного к первому входу блока формирования разностной частоты, второй вход которого соединен с выходом опорного автогенератора, а выход подключен к регистратору, мостовую схему с двумя пленочными терморезисторами, один из которых размещен на поверхности термочувствительного пьезорезонатора вне зоны активных колебаний, а другой - на наружной поверхности защитной капсулы, причем пленочные терморезисторы подключены в смежные плечи мостовой схемы, измерительная диагональ которой подключена ко входам дифференциального усилителя.

Недостатками известного устройства для измерения температуры являются сравнительно невысокая точность из-за нестабильности работы частотно-управляющего элемента, а также невысокая надежность, обусловленная размещением одного изтер- морезисторов на наружной поверхности защитной капсулы, подвергающейся воздействию высокоскоростных потоков контролируемой среды.

Цель изобретения - повышение точности измерения при одновременном увеличении надежности устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения температуры, содержащее термочувствительный пьезорезонатор, помещенный в защитную капсулу и включенный в частотно-задающую цепь измерительного автогенератора, подключенного к первому входу блока формирования разностной частоты, второй вход которого соединен с выходом опорного автогенератора, а выход подключен к регистратору, мостовую схему с двумя терморезисторами, включенными в ее смежные плечи и дифференциальный усилитель постоя иного тока, входы которого подключены к измерительной диагонали мостовой схемы, введена дополнительная защитная капсула, в центре полости которой размещен первый терморезистор, а на ее внутренней поверхности закреплен второй терморезистор, при этом геометрические размеры защмтных капсул выбраны из соотношения

РД°1 Kl . К2 Zl , тдоп гпк

где Рдоп, гпдоп, FK, глк соответственно площади внутренней поверхности и массы дополнительной защитной капсулы и капсулы термочувствительного пьезорезонатора;

Кч - коэффициент, учитывающий тепло- физические и геометрические параметры

термочувствительного пьезорезонатора и первого терморезистора;

Ка - коэффициент, учитывающий тепло- физические параметры защитных капсул, а опорный автогенератор снабжен частотно-управляющим элементом, соединенным с выходом дифференциального усилителя.

На чертеже представлена схема устройства для измерения температуры.

Устройство содержит термочувствительный пьезорезонатор 1, помещенный в защитную капсулу 2 и включенный в частотно-задающую цепь измерительного автогенератора 3, подключенного к первому входу блока 4 формирования разностной частоты,

второй вход которого соединен с выходом опорного автогенератора 5, а выход подключен к регистратору 6, мостовую схему 7 с двумя терморезисторами 8 и 9, включенными в ее смежные плечи, дифференциальный усилитель 10 постоянного тока, входы которого подключены к измерительной диагонали АБ мостовой схемы 7, и дополнительную защитную капсулу 11.

В центре полости дополнительной защитной капсулы 11, выполненной из материала с высокой теплопроводностью, размещен первый, терморезистор 8, а на ее внутренней поверхности закреплен с помощью теплопроводящего клея 12 второй

терморезистор 9.

Опорный автогенератор 5 снабжен частотно-управляющим элементом 13, соединенным с выходом дифференциального усилителя 10.

Терморезисторы 8 и 9, мостовая схема 7, дифференциальный усилитель 10 и частотно-управляющий элемент 13, включенный в схему опорного автогенератора 5, образуют цепь температурной коррекции опорного автогенератора 5.

Устройство для измерения температуры работает следующим образом.

В установившемся тепловом режиме температуры контролируемой среды и температура термочувствительного пьезо- резонатора 1 равны. Температура терморезисторов 8 и 9 также равны температуре среды, а мостовая схема 7 сбалансирована и управляющее напряжение на выходе диф- ференциального усилителя 10 соответствует частоте опорного автогенератора 5, равной f0.

В этом случае частота пьезорезонатора 1 и, следовательно, измерительного автоге- нератора 3 определяется термочастотной характеристикой пьезорезонатора.

В результате частота F сигнала на выходе блока формирования разностной частоты 4 является функцией контролируемой тем- пературы Т.

F fo-fu(T).(1)

где fo - значение частоты опорного генератора;.

fu(T) - текущее значение частоты изме- рительного автогенератора, определяемое ТХЧ термочувствительного генератора.

При использовании в качестве резонатора пьезокварца LC среза, обладающего практически линейной ТХЧ, и при медлен- ных изменениях Т, когда ее изменение не превышает 3 Тп ( Тп - постоянная времени термочувствительного пьезорезонатора в защитной капсуле), зависимость (1) можно представить уравнением

F f0- f40+Kn(T-To)(2)

где Т0 - 0°С;

fuo - частота сигнала измерительного генератора при

Кп - крутизна характеристики термочув- ствительного пьезорезонатора.

При ступенчатом изменении температуры контролируемой среды, изменение частоты измерительного автогенератора должно проходить по экспоненциальной за- висимости ( в соответствии с изменением частоты чувствительного элемента):

(1-ef,(3)

где fny - установившиеся значения частоты измерительного автогенератора.

При этом температура второго терморезистора 9, расположенного на внутренней поверхности дополнительной защитной капсулы 10, будет иметь значение, равное

температуре контролируемой среды, благодаря наличию хорошего теплового контакта, высокой теплопроводности материала и малой массы капсулы.

Температура же первого терморезистора 8 и соответственно его сопротивление будут изменяться также по экспоненциальной зависимости

(T)e,(4)

где Ry(T) - установившееся значение сопротивления терморезистора 8, определяемое его теплофизическими параметрами;

ту- постоянная времени терморезистора 8 в дополнительной защитной капсуле.

Так как температуры терморезисторов 8 и 9 будут отличаться, то разность их сопротивлений вызовет разбаланс мостовой схемы 7 и на входах дифференциального усилителя 10 появится перепад напряжений, при котором на его выходе формируется управляющее напряжение, пропорциональное перепаду температур. Это приведет к соответствующему измене1 нию частоты опорного автогенератора 5 и ее значение будет определяться выражением

fo foo±H(T2-Tl),(5)

где foo - значение частоты опорного автогенератора в установившемся режиме;

крутизна характеристики цепи температурной коррекции частоты опорного автогенератора;

T2Ti - перепад температур между терморезисторами 8 и 9. Знак второго слагаемого в выражении (5) определяется знаком градиента температур между терморезисторами 8 и 9.

В общем случае частота на выходе блока и формирования разностной частоты будет определяться выражением:

F foo ±K (T2-TiHfuo+Kn(T-T0);|. (6) Составляющая Кп(Т-То) определяет изменение информационной частоты F, обусловленное изменением температуры термочувствительного пьезорезонатора 1, а составляющая Кт (T2-Ti) учитывает наличие градиента температур между терморезисторами 8 и 9, величина которого зависит от амплитуды изменения контролируемой температуры и времени, прошедшего после ее изменения.

Постоянная времени цепи температурной коррекции частоты опорного автогенератора 5 целиком и полностью определяется постоянной времени терморезистора 9. Подбирая соответствующим образом коэффициент Кт, можно с высокой точностью и высоким быстродействием получить информацию о контролируемой температуре. При этом инерционность всего устройства будет сравнима с инерционностью терморезистора 9.

В предлагаемом устройстве для измерения температуры точность температурной коррекции частоты опорного автогенератора 5 обеспечивается за счет условий теплопередачи для терморезистора 8, размещенного внутри дополнительной защитной капсулы 1.1, условиям теплопередачи для термочувствительного пьезоре- зонатора 1, помещенного в защитную капсулу 2.

Для реализации этих требований необходимо выполнение условий

Ткв Ттр/-yj

Тк - Тдоп

где гкв - постоянная времени термочувствительного пьезорезонатора 1;

гтр- постоянная времени терморезистора 8;

Ik - постоянная времени защитной капсулы 2 термочувствительного пьезорезонатора 1;

Тдоп - постоянная времени дополнительной защитной капсулы 11.

В предлагаемом устройстве для измерения температуры это достигается выбором геометрических размеров защитных капсул 2 и 11 из соотношения:

Рдоп

ГПдоп

Ki

где Рдоп. ппдоп. FK, тк-соответственно площади внутренней поверхности и массы дополнительной защитной капсулы и капсулы термочувствительного пьезорезонатора;

Скв О-тр П1кв гтр

Кт

коэффициСтр ОГкв ГПтр FKB

ент, учитывающий теплофизические и геометрические параметры термочувствительного пьезорезонатора 1 и первого терморезистора 8;

Сдоп &к

К2

- коэффициент, учитываСк &доп

ющий теплофизические параметры защитных капсул 2 и 11;

Скв, Стр. Сдоп, Ск - соответственно удельная теплоемкость термочувствительного пьезорезонатора, первого терморезистора, дополнительной защитной капсулы и капсулы термочувствительного пьезорезонатора;

«кв , 2Тр , Одоп , «к- соответственно коэффициент теплопередачи термочувствительного пьезорезонатора, первого терморезистора, дополнительной защитной капсулы и капсулы термочувствительного пьезорезонатора;

0

5

0

5

0

5

0

5

0

FKB, гпкв, Ртр, Штр соответственно площади активной поверхности и массы термочувствительного пьезорезонатора и первого терморезистора.

Предлагаемое устройство для измерения температуры позволяет повысить точность за счет устранения влияния окружающей среды на параметры частотно- управляющего элемента, включенного в схему опорного автогенератора и входящего в состав цепи температурной коррекции частоты опорного автогенератора, при одновременном увеличении надежности за счет размещения второго терморезистора внутри дополнительной защитной капсулы, что уменьшает воздействие на него потока контролируемой среды.

Ф о р м у л а и з о 5 р е т е н и я

Устройство для измерения температуры, содержащее термочувствительный пье- зорезонатор, помещенный в защитную капсулу и включенный в частотозадающую цепь измерительного автогенератора, подключенного к первому входу блока формирования разностной частоты, второй вход которого соединен с выходом опорного автогенератора, а выход подключен к регистратору, мостовую схему с двумя терморезисторами,, включенными в ее смежные плечи, и дифференциальный усилитель постоянного тока, входы которого подключены к измерительной диагонали мостовой схемы, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения при одновременном увеличении надежности устройства, в него введена дополнительная защитная капсула, в центре полости которой размещен первый терморезистор, а на ее внутренней поверхности закреплен второй терморезистор, при этом геометрические размеры защитных капсул выбраны из соотношения

Рдоп „. . „ FK

5

Ki

КаГПКFK, ГПк ГПдоп

где Рдоп, япдоп, , тк - соответственно площади внутренней поверхности и массы дополнительной защитной капсулы и капсулы термочувствительного пьезорезонатора;

Ki - коэффициент учитывающий тепло- физические и геометрические параметры термочувствительного пьезорезонатора и первого терморезистора;

К2 - коэффициент, учитывающий тепло- физические параметры защитных капсул, а опорный автогенератор снабжен частотно-управляющим элементом, соединенным с выходом дифференциального усилителя.

Изобретение относится к термометрии и позволяет повысить точность измерения температуры. В установившемся тепловом режиме температура контролируемой среды и температура термочувствительного пьезорезонатора 1 равны. Температура терморезисторов 8 и 9 равна температуре среды, электрический мост 7 сбалансирован, а управляющее напряжение на выходе дифференциального усилителя 12 соответствует частоте опорного автогенератора 5. При изменении температуры среды разность сопротивлений терморезисторов 8 и 9 вызывает разбаланс электрического моста 7, а на выходе дифференциального усилителя 12 появляется сигнал, пропорциональный величине изменения температуры среды. 1 ил.