Устройство для измерения температуры Советский патент 1992 года по МПК G01K5/56 G01K7/32 

Изобретение относится к термометрии и может быть использовано в различных областях науки и техники для измерения, контроля и регулировки температуры и различных теплофизических параметров.

Известны струнные датчики различных физических величин, используемые в технике статических измерений. Действие их основано на измерении частоты собственных колебаний струны при изменении ее натяжения. В струнных датчиках температуры натяжение струны, как правило, изменяется с температурой за счет неодинакового удлинения элементов конструкции, выполненных из разнородных материалов с различными температурными коэффициентами расширения.

Недостатками указанных датчиков являются невысокая чувствительность, низкая

точность измерения, большая инерционность.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является струнный термометр, содержащий корпус с натянутой внутри него струной из монокристаллического термоупругого сплава медь - алюминий - никель и магнитоэлектрическую систему, с помощью которой в струне возбуждают поперечные механические колебания. При изменении температуры частота колебаний струны изменяется как вследствие изменения ее натяжения из-за различия в коэффициентах теплового расширения материалов струны и элементов конструкции термометра, так и вследствие явления термоупругости. При этом основным параметром, определяющим чувствительность струнного термометра, является частота

2

Ч Ю

4

собственных колебаний струны, которая зависит от геометрических размеров струны, Чем меньше длина струны и ее диаметр, тем выше частота и тем больше динамический диапазон изменения частоты на заданный интервал температуры, т.е. тем выше чувствительность термометра.

Конструктивные особенности известного струнного термометра, связанные с заделкой концов струны в корпусе, и используемые методы возбуждения механических колебаний и преобразования их в электрический сигнал не позволяют использовать струны сколь угодно малых размеров, Следовательно, его чувствительность ограничена, Выскальзывание концов струн из узлов и дефорация участков струны вблизи мест заделки уменьшают точность термометра. Точность термометра уменьшается также вследствие релаксации напряжений в струне, созданных предварительным натяжением ее при сборке.

Из-за невозможности использования коротких струн размеры и масса термометра оказываются большими. Вследствие это- го инерционность термометра велика и он не может быть использован для измерений быстропротекающих процессов.

Цель изобретения - уменьшение инерционности.

Поставленная цель достигается тем, что в струнном термометре, содержащем корпус с размещенной в нем струной, закрепленной концами на основании, и блок возбуждения колебаний струны, подклю- ченный к ней через токоподводы и соединенный с измерителем частоты, струна выполнена из нитевидного полупроводникового тензочувствительмого монокристалла, а основание имеет форму пластины из материала с низким коэффициентов линейного расширения, поверхность которой, обращенная к струне, покрыта токопроводящей пленкой с подсоединенным к ней электрическим контактом, подключенным к блоку возбуждениия колебаний струны.

Изобретение обеспечивает уменьшение инерционности, габаритов и массы термометра,

Использование струны из нитевидного полупроводникового тензочувствительного монокристалла повышает чувствительность термометра, поскольку позволяет применять струны сколь угодно малых размеров. Это обусловливается возможностью прямого преобразования механических колебаний струны в электрический сигнал зэ счет внутренних тензорезистивных свойств кристалла, вследствие чего исключается необ-

ходимость в использовании возбуждающих и приемных элементов конструкции термометра, ограничивающих нижний предел размера струны.

Использование в качестве струны нитевидного монокристалла с практически идеальными механическими свойствами в отношении упругости и прочности повышает точность датчика температуры по сравне; нию с известными термометрами со струнами из традиционных материалов. Высокое качество крепления концов струны на основании с помощью стеклоприпоев обес- пеи лвает соединение материалов струны и основания на уровне химической связи и исключает изменение со временем исходного механического состояния струны (начального натяжения) вследствие выскальзывания из узлов крепления. Совершенство механических свойств нитзвидных кристаллов исключает релаксацию механических напряжений и обеспечивает повышение точности по сравнению с другими типами струн.

Использование основания из материала с нулевым коэффициентом теплового расширения снижает инерционность термометра до значений, характеризующих инерционность изолированной струны, Это определяется тем, что изменение температуры не приводит к расширению или сжатию основания термометра и, следовательно, не влияет на механическое состояние закрепленной на нем струны, которое может изменяться только вследствие ее теплового контакта с окружающей средой, Поскольку размеры струны (длина, диаметр) могут быть выбраны сколь угодно малыми, то инерционность термометра определяется исключительно этим элементом.

На чертеже представлен предлагаемый струнный термометр, общий вид.

Основание термометра 1 выполнено из материала с нулевым или близким к нулю значением температурного коэффициента линейного расширения (керамика, , ТЮа, ситалл марки СО-115М, плавленный кварц). На основании 1 располагают струну 2 с токоподводами 3, изготовленную из нитевидного тензочувствительного монокристалла, например кремния р-типа проводимости длиной около 1.5 мм и диаметром 7-10 мкм. Концы струны закреплены на основании в узлах 4. Поверхность основания под струной покрыта токопроводящей пленкой 5, на которой сформирован электрический контакт (возбуждающий электрод) 6. Защитный корпус 7 снабжен гермовыводами 8, посредством которых токоподводы кристалла и возбуждающий

электрод подключены к блоку 9 возбуждения колебаний струны, соединенному с блоком-регистратором 10,

Устройство работает следующим обра- зом.

При возбуждении автоколебаний частота определяется частотой собственных колебаний струны, зависящих от натяжения струны. При изменении температуры натя- жение струны изменяется за счет теплового расширения (сжатия) ее между фиксированными узлами крепления струны на основании. Это изменение частоты преобразуется блоком-регистратором в показания темпе- ратуры.

Использование изобретения позволяет создавать термометры для измерения температуры и других физических величин, изменение которых обусловлено тепловыми процессами. Возможность изготовления термометров весьма малых размеров, ограничиваемых лишь размерами струны, которые могут быть сколь угодно малыми, позволяет создать малогабаритный преци- зионный безынерционный термометр с минимальным дестабилизирующим влиянием на объекты измерений Испытания одного из вариантов таких термометров с размерами основания ,5 мм (длина струны 1,5

мм, диаметр 8 мкм) позволили оценить том ность изменения температуры величиной 0,01°С при инерционности не более 0.1 с.

Предлагаемый струнный термометр имеет по сравнению с известным значительно меньшие габариты и массу, что позволяет проводить измерения с минимальным влиянием на объект измерения Возможно его применение в качестве рабочих и образцовых средств измерения температуры

Формула изобретения Устройство для измерения температуры, содержащее корпус с размещенной в нем струной, закрепленной концами на основании, и блок возбуждения колебаний струны, подключенный к ней через токопод- воды и соединенный с измерителем частоты, отличающееся тем, что, с целью снижения инерционности, струна выполнена из нитевидного полупроводникового тен- зочувствительного монокристалла, а основание имеет форму пластины из мате- риалас низким коэффициентом линейного расширения, поверхность которой, обращенная к струне, покрыта токопроводящей пленкой с подсоединенным к ней электрическим контактом, подключенным к блоку возбуждения колебаний струны

Сущность изобретения: в корпусе размещены основание в виде пластины из ма- тбриала с низким коэффициентом линейного расширения и струна, закрепленная на нем своими концами. Поверхность пластины, обращенная к струне, покрыта токопроводящей пленкой. Струна выполнена из нитевидного полупроводникового тензочувствительного монокристалла. Автогенератор, подключенный к струне и через электрический контакт к токопроводящей пленке, возбуждает колебания струны. При изменении температуры частота собственных колебаний струны изменяется, что регистрирует измеритель частоты. 1 ил.

а