Устройство для измерения температуры Советский патент 1992 года по МПК G01K11/20 

Изобретение относится к области измерения температуры, в частности к термометрам, действие которых основано на эффекте флуоресценции, и может быть использовано в биомедицинских измерениях.

Известен волоконно-оптический температурный датчик 1, содержащий излучающий светодиод, флуоресцирующий элемент, фотоприемник, времязадающую цепь и усилитель, образующие автогенератор. Частота самовозбуждения данного автогенератора является функцией температуры, так как флуоресцирующий элемент, создающий вторичное излучеипе флуоресценции и установленный в цепи обратной связи генератора, увеличивает фазовую задержку сигнала за счет конечной величины времени спада флуоресценции, являющейся функцией температуры.

Основным недостатком вышеуказанного устройства является невысокая точность измерения температуры, связанная с наличием составляющей погрешности, обусловленной неконтролируемым изменением

фазовой задержки в элементах устройства (фотоприемник, времязадаюшзя цепь, усилитель) при изменении температуры окружающей среды и зз счешет зрения эг-ек- трорадиозлементоз.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является волоконно-оптический термометр 2, содержащий задающий генератор з базе кварцевого генератора, счетчика и фильтра нижних частот (ФНЧ), светодиод со светофильтром для пропускания зепеного света, флуоресцирующий чувствительный элемент на основе кристалла рубина, детек тор, узкополосный светофильтр для пропускания красного света, усилитель, фазовый детектор на базе логического элемента И С КЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и регистратор на базе микропроцессорной системы.

Основным недостатком устройства- прототипа является невысокая точность измерения температуры из-за напичия неконтролируемой составпрющой погрешности, связанной с изменением фазовоГ заС

XI

держки в элементах устройства (ФНЧ, детектор, усилитель) при изменении температуры окружающей среды и за счетс -мрения электрорадиоэлементов.

Целью изобретения является повышение точности измерения.

Цель достигается тем, что в устройство для измерения температуры, содержащее флуорес цеитный термочувствительный элемент, с которым оптически связаны первый источник излучения и фотоприемник, через усилитель подключенный к первому входу фазового детектора,, к второму входу которого подключен выход генератора, и регистратор, введены второй источник излучения, идентичный первому, дихроичное зеркало, установленное под углом 45° к оси, на которой по обе стороны от него размещены источники излучения, при этом флуоресцентный термочувствительный элемент и фотоприемник установлены по обе стороны дихрсичнс- го зеркала на другой оси, перпендикулярной первой, коммутатор, подключенный выходами к источникам излучения, таймер, запоминающее устройство и блок вычитания, выходом подключенный к регистратору, причем выход фазового детектора подключен к первым входам блока вычитания и запоминающего устройства, выходом соединенного с вторым входом блока вычитания, выход таймера подключен к второму входу запоминающего устройства и перво. -iy входу коммутатора, а его вход - к выходу генератора, подключенному к второму входу коммутатора.

На чертеже представлена структурная схема устройства для измерения температуры.

Устройство для измерения температуры содержит последовательно установленные по ходу излучения флуоресцентный термочувствительный элемент (ФТЭ) 1, .выполненный, например, из рубина, дихроичное зеркало 2 и фотоприемник 3, подключенный через усилитель 4 к фазовому детектору 5, выход которого через блок 6 вычитания, выполненный на базе операционного усилителя, подключен к регистратору 7. Первый источник 8 излучения на основе светодиода зеленого света оптически связан через дихроичное зеркало 2 с ФТЭ1, второй источник 9 излучения, аналогичный первому, оптически связан через дихроичное зеркало 2 с фотоприемником 3, причем дихроичиое зеркало отражает зеленый свет и пропускает красный свет. Кроме того, устройство содержит задающий генератор 10, подключенный к второму входу фазового детектора 5, а также к входам таймера 11, выполненного, например, в виде

счетчика с дешифратором, и коммутатора 12, первый и второй выходы которого подключены соответственно к первому и второму источникам 8 и 9 излучения. Выход

таймера 11 соединен с управляющими входами коммутатора 12 и запоминающего устройства 13, вход которого соединен с выходом фазового детектора 5, а выход подключен к второму входа блока 6 вычитания.

0 Дихроичное зеркало 2 установлено под углом 45° к двум взаимно перпендикулярным осям, на которых попарно установлены С&ТЭ1 и фотоприемник 3 и соответственно оба источника 8, 9 излучения.

5Устройство для измерения температуры

работает в двух режимах: рабочем и калибровочном. Оба режима периодически следуют друг за другом, причем период следования и длительность каждого из них

0 задаются с помощью таймера 11, формирующего временные интергэль из опорной частоты задающего генератора 10,

В режиме калибровки таймер 11 вырабатывает управляющий импульс, поступаю5 щий на управляющие входы коммутатора 12 и запоминающего устройства 13. Коммутатор 12 подключает второй источник 9 излучения : задающему генератору 10, при этом источник 9 излучения формирует излучение

0 на длине волны зеленого света с интенсивностью, модулированной на частоте задающего генератора 10.

Зто излучение, отразившись от дих- роичного зеркала 2, принимается и пра5 образуется в электрический сигнал фотоприемником 3, усиливается усилителем 4 и подается на вход фазового детектора Ј, на второй вход которого поступает опорный сигнал с задающего генератора 10.

0 На выходе фазового детектора 5 формируется электрический сигнал, пропорциональный разности фаз или, другими словами, пропорциональный суммарной фазовой (временной) задержке в цепях коммутатора

5 12, источника 9 излучения, фотоприемника 3 и усилителя 4. Под действием управляющего сигнала с таймера 11 значение фазовой задержки записывается в запоминающее устройство 13.

0В рабочем режиме управляющий сигнал на выходе таймера 11 меняет свое значение, в результате чего запоминающее устройство 13 переходит в режим хранения, а коммутатор 12 подключает к задзю5 щему генератору 10 источник 8 излучения, который аналогичен источнику 9.

Промодулирозанное излучение зеленого света, отразившись от рабочей поверхности дихпоичного зеркала 2, поступает па ФТЭ1. О ТЭ является оптическим датчиком температуры, принцип деистрмя iccro- рого основан на использован °и темперг- турном зависимости времени Еысвечирзния флуоресценции рубина 2 Время высвечивания флуоресценции оуоипа является кс- кечной величиной и приводит v временной (фазовой) задержке распространен MOAV- гировзнного излучения в предлагаемом ус- тройсюе, т.е. вторичное излучен1-е оубгнч (красный свет) является сдвинутым во вре- мени относительно восбуждаюшего излучения (зеленый свет).

Вторичное промодулированчое изнуче- ние (красный свет) через ;-,пхроччное зеркало 2 направляется на фоголоиемкик 3 Часть отраженного от ФТЭ I nepi тчного получения (зеленый CRPT) поступившая во взаимодействие ТЭ1 будет отражена

ДИУрОИЧНЫМ ЗерЧе ЮМ -. О CTOpOHV ИС/ГО - НПка 8 излучения и не поступит -о фотсприем- ник 3.

Электрический сигнал, соотзе сгву.-о- щий вторичному излучению ФТЭ i, с выхода фотоприемника 3 через ycv-л тель 4 поступает на вход фазового детектора F, на вт- рой вход которого поступав г опорный сип,ал с задающею генератор 10 На выходе фагового детектора 5 формируется электрический сигнал, пропорциональные сумме фазовых задержек инструментал - ной фазовой задержки сигнала в мелях коммутатора 2, источника 8 излучения фотоприемника 3 и усилителя 4, а такхе рабочей фазовой задержки ФТЭ1 (времени ВИСВОЧИРЗНИЯ флуоресценции рубина) Ука- занный сигнал поступает на первый вход блока 6 вычитания, на второй вход которого подается сигнал, пропорциональный инструментальной фазовой задержке, полученный в рехиме калибровки и хранящийся в запоминающем устройстве 13

В результате вычитания на выходе блока 6 вычитания формируется сигнал, пропорциональный рабочей фазовой задержке, которая, в свою очередь является функцией температуры Ф1 Э1. Мазанный сигнал фиксируется на регистраторе 7, шкала котооого проградуирозана в иях температуры.

Таким образом, за счет введения в устройство дня измерения температуры второго источника излучения, дихрои«ного зяркалз, коммутатора, блокг вычитания, запоминающего устройства и таймерл, п гем периодически проводимой автокзлибров и термометра но второму (опорному) очни- ку излучения производится астсмат 11 еская компенсации той составляющей инструментальной погрешности устпойства, которая зависит от изменения фазовой задержки в LISHPX коммутатора, источника чзлучечич, фотоприепника, усилителя при изменении температура окружающей среды и старении элементов, что приводит к повышению точности измерения.

Формула изобретения Устройство дня измерения температуры, содержащее Флуоресцентный термочувствительный элемент, с которым оптически связаны первый источник излучения и фотоприемник, через усилитель подключенный к первому входу фазового детектора, к второму входу которого подключен выход генера- тооа, и регистратор, отличающееся тем что, с целью повышения точности измерения, в него введены второй источник излучения, идентичный первому, дихооичное зеркало, установленное под углом 45° к оси, на которой по обе стороны от него размещены источники излучения, при этом флуоресцентный термочувствительный элемент и фотоприемник усыновлены по обе стороны дихро очного зеркала на оси, перпендикулярной оси, на которой размещены источники излучения, коммутатор, подключенный своими выходами к источникам излучения, таймер, запоминающее устройство и блок вычитания, выходом подключенный к регистратору, причем выход фазового детектора подключен к первым входам блока вычитания и запоминающего ст ройства. выходом соединенного с вторым входом блока вычитания, выход таймера подключен к второму входу запоминающего устройства и первому входу коммутатора, а его вход - к выходу генератора, подключенного к второму входу коммутатора

$

i.

tx

k/

« -

-a

f

AT

rr -J

/4

Использование: термометрия. Сущность изобретения: устройство содеожит флуоресцентный термочувствительный элемент 1, дихроичное зеркало 2, фотоприемник 3, усилитель 4, фазовый детектор 5, блок 6 вычитания, регистратор 7, источники 8,9 излучения, задающий генератор 10, таймер 11, коммутатор 12, запоминающее устройство 13. 1 ил