Устройство для измерения температуры Советский патент 1981 года по МПК G01K5/56 

1

Изобретение относится к технике измерения температуры, .

Известен датчик температуры, содержащий дилатометрический чувствительный элемент и резонансную систему, выполненную в виде натянутой струны. Работа датчика основана на измерении частоты свободных колебаний, резонансной системы, зависящей от состояния дилатометрического чувствительного злемента, определяемо-, го температурой 1.

Однако подобные датчики обладают низкой чувствительностью, малым диапазоном измерения параметров и большой инерционностью.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является устройство, для измерения температуры, содержа.щее генератор опорной частоты,последовательно включенные блок деления частоты,усилитель,выход которого соединён с входом блока возбуждения резонансной системы, выполненной в виде натянутой струны, датчик колебаний струны, выход которого соединен с последовательно включенными усилителем, блоком умножения и блоком сравнения фаз, второй вход которого подключен к одному, из выходов опорной частоты 2.

Однако известное устройство обладает малым диапазоном измерения. Отличие ЛЧ фазы вынужденных колебаний струны от фазы возбуждающих колебаний при изменении температуры окружающей среды определяется соотношением

-iaie. (

Af где 0 - температурный коэффициент

расширения; - температурный козффициент

модуля упругости; Е - модуль нормальной упругости; бдоп допустимое напряжение материала струны..

Для струны, выполненной из углеродистой струнной стали, козффициенты, входящие в формулу (1) равны.

о1е 12 10- 1/град; oL -300-10 1/гтаад; Е 20 . бд.01т 800 .

(2)

При зтом относительная нестабильность частоты вынужденных колебаний 30 струны зависит от изменения температуры окружающей среды и определяется с оо т н оше н нем

Af

6,6-10 ,

(3)

f

а для разности фаз справедлива формула

Q , (4)

где Q - добротность резонатора (струны) , Резонатор, выполненный из углеродистой струнной стали имеет добротность порядка Q 200-700. Для резонансной системы, использованной в известном устройстве, положим добротность Q 500. Тогда по формуле (4) имеем 7,

6,6-10 Л.Т (радиан);

ДЧ 0, (градусов);

(5)

0,376 gg

После усиления и умножения в. 512 раз сигнал на частоте 1 мГц поступает на блок сравнения фаз, причем фаза вынужденных колебаний отличается от фазы вынуждающих колебаний на ДЧ 192, 5 12-ДТ (градусов), что эквивалентно крутизне,преобразования всего устройства

-- 192,512 -

(6)

йТ иград J

Из формулы (6) видно, что изменение температуры окружшощей среды более чем на приводит к изменению фазы вынужденных колебаний более чем на 27Г.

Положим абсолютную ошибку из рения разности фаз равной сГЧ 10 Л.. Погрешность измерения температуры окружающей среды определяется по формуле

ft

cfuJ- t

U.M N

(Tr)

где N 512 коэффициент умножения. Следовательно, погрешность измерения известного устройства, обусловленная ошибками фазометра равна:

ioii

3 -10 град

512-6,6.Ю

Таким образом, известное устройство позволяет измерять температуру окружающей среды в диапа.зоне 2°С и погрешностью ОДТ 3 10 Сград . . Из этого следует, что увеличение точности измерения температуры окружающей среды невозможно без уменьшения диапазона измерения. И наоборот, увеличение диапазона измерения окружающей температуры сопровождается уменьшением точности измерения (поскольку должен быть снижен коэффициент умножения N).

Цель изобретения - расширение ди апазона измеряемых температур при сохранении высокой .точности измерения.

Поставленная цель достигается тем что в известное устройство для измерения температуры дополнительно введены последовательно соединенные второй и третий блоки деления частоты, второй и третий блоки умножения частоты, второй и третий блоки сравнения фаз и блок преобразования. При этом второй выход генератора опорной частоты соединен со входом третьего блока деления частоты, выход которого соединен со входом второго блока деления частоты и одним из входов второго блока сравнения фаз, выход второго блока деления частоты соединен со входом первого блок (деления частоты и одним из. входов .третьего блока сравнения фаз, а выход третьего блока умножения частоты соединен с вторым входом третьего блока сравнения фаэи входом второго блока умножения частоты, выход которого соединен с входом первого блока умножения Частоты и -вторым входом второго блока сравнения, причем выходы блоков сравнения фаз подключены к соответствующим входам блока преобразования.

На чертеже представлено устройство для измерения температуры.

Устройство содержит опорный генератор 1 частоты,блоки 2, 3 и 4 деления частоты, усилители 5 и 6, Слок 7 возбуждения резонансной системы, резонансную систему В, струну, датчик 9 колебаний струны, блоки 10, 11 и 12 ух-лножения частоты, блоки 13,14 и 15 сравнения фаз, блок 16 преобразования.

Устройство работает следующим образом.

С опорного.генератора 1 сигнал поступает на первый блок 15 сравнения и третий блок 2 деления частоты на N, понижающий частоту колебаний опорного генератора в N раз, которая поступает на второй блок 14 сравнения фаз и второй блок 3 деления частты на Р , понижающий-частоту в Р раз которая поступает на третий блок 13 сравнения фаз и первый блок 4 деления частоты на q, понижающий частоту в q раз до значения, равного средней резонансной частоте резонансной системы. С выхода первого блока 4 деления частоты сигнал поступает на вход усилителя 5 и на блок 7 возбуждения резонансной системы, который возбуждает вынужденные колебания в резонансной системе 8. Фаза вынужденных колебаний резонансной системы 8 отличается от фазы вынужденных колебаний в блоке 7 возбуждения на величину дЧ, пропорциональную разности среднего и действительного значения резонансной частоты резонансной системы:

йЧ - К (Fpea. действ Рреэ.ср)Между резонансной частотой колебательной системы и температурой окружающей среды существует однознаная зависимость. При изменении температуры окружающей среды происходи изменение резонансной частоты колебательной системы. Вынужденные колебания резонансной системы, снимаемы датчиком 9, сдвигаются по фазе на величину Д относительно фазы вынуждающих колебаний. Блок 10 умножения частоты производит умножение частоты и фазы вынужденных колебаний в q раз. Колебания с выхода блока умножения частоты поступают на вход третьего блока 13 сравнения фазы и на вход второго блока 11 умножения частоты, который производит умножение частоты и фазы в Р раз, колебания его поступают на вход второго блока 14 сравнения фазы и на вход первого блока 12 частоты, который производит умножение частоты и фазы в N раз. Колебания с его выхода поступают на вход первоЪо блока 15 сравнения, на второй вход которого поступают колебания от опорного генратора 1 .-. Сигналы с выходов блоков сравнения фаз (сигнал-с выхода блока 13 сравнения фаз пропорционален умноженному сдвигу фаз ),сигнал с выхода блока 14 сравнения фаз пропорционален умноженному сдвигу фаз q-PAVf сигнал с выхода блока 15 сравнения фаз пропорционален умноженному сдвигу фаз q- Р- N uif/ поступают на блок 16 преобразования, где происходит преобразование сигнала к виду, удобному для регистрации.

Полученные фазовые сдвиги q., , позволяют в преобразующем блоке 16 ссздать систему шкал для однозначного отсчета температуры в большом диапазоне ее изменения

Опорный генератор генерирует стабильные колебания на частоте 5 мГц. Блок 2 деления понижает частоту колебаний в 40 раз, до частоты .125 кГц. Блок 3 деления понижает частоту колебаний в 40 раз, до частты 3,125 кГц. Блок 4 деления понижает частоту колебаний в 9 раз, до частоты 347,2 Гц. После усиления в усилителе 5 колебания, равные частоте 347,2 Гц, поступают на блок 7 возбуждения резонансной системы, создающий переменное магнитное поле возбуждающее вынужденные колебания в резонансной системе в виде струны 8. Колебания струны воспринимаются пьезокерамическим датчиком 9 и поступают на усилитель 6 частоты. С выхода усилителя 6 колебания поступают на умножитель 10 частоты с коэффициентом умножения 9. Сигнал с выхода умножителя 10 колебания на частоте 3,125 кГц поступает на блок 13 сравнения фаз и на блок 11 умножения частоты, с его выхода колебания на частоте 125 кГц поступают на вход второго блока 14 сравнения фаз и на блок 12 умножения частоты, с его выхода колебания на частоте 5 МГц поступают на блок 15 сравнения фаз. С изменением температуры окружающей среды изменяется собственая частота резонансной системы, выполненной в виде струны, вынужденные колебания которой отличаются по фазе на ДЧ от возбуждающих колебаний, при этом на блоках сравнения имеется разность фаз, равная следующим значениям:

а)блок 13 сравнения фаз вьщает сигнал, пропорциональный величине .

б)блок 14 сравнения фаз выдает сигнал, пропорциональный величине 360 Д1 ;

в)блок 15 сравнения фаз выдает сигнал, пропорциональный величине 14400 ЛЧ.

Блок 13 сравнения фаз создает гру,бую шкг1лу измерения температуры, обеспечивая однозначность отсчета, н не обеспечивает нужной точности, поскольку работа блока сравнения фаз сопровождается ошибками измерения. Положим, что на грубой шкале ошибка фазометра равна (f Ч . При этом, по показаниям фазометра, мы можем судить о значении температуры окружающей среды по следующей формуле

ач

&T4u,tcf,)/

(8)

Ошибка опреде 1ения истинного значения температуры окружающей среды не больше, чем

cf.T,2rf%/()

(9) Cf ЛТ г Y6,(rpaAC).

Пусть диапазон изменения окружающей температуры д Т ЮСРс, и необходимо измерить температуру от до +50.0. Определим значение коэффициента умножения на грубой шкале, позволяющей однозначно измерить температуру окружающей среды в заданном диапазоне:

ы : 2Гс

т о те-юо i (10)

dT

u/,. (11)

Для однозначного измерения на грубой шкале необходимо, чтобы коэффициент умножения был меньше 9,5. Выбираем N 9. С целью повышения точности измерения температуры, 1;еобходимо ввести вторую шкалу отсчета по Р этом погрешность измерения по грубой шкале сГф. I должна превосходить половины интервала измерения на второй шкале. Для ile.ro полагаем M2--2,.N2527i:. (12) dS nycib (((f ,гдеДТ - (13 жогда Koi 2, 2,5 .(0Выбираем N2 40. При этом,.полагая абсолютную ошиб ку второго фазометра равной о ft ,, ,М.,ДТ, определим погрешность измерения- температуры по формуле С ДТ2 сГФ2/(М,М2|)--4,2.10 (граде), (15-) Полагая для третьей шкалы (1, 10 дЧз где 4, - п , и проведя аналогичные рассуждения, получим и определим погрешность измерения температуры по формуле (ГлТ,, ((.N, 4S-) 1,04-rO (rpaAcV Приведенные расчеты показывают, что использование предлагаемого устройства позволяет при сохранении высокой точности измерений значительно увеличить диапазон измерения температуры окружающей среды.

Формула изобретения

Устройство для измерения температуры, содержащее генератор опорной

свидетельство СССР 01 К 5/56, 1972.

свидетельство СССР 01 К 5/56, 1977 частоты, последовательно включенные блок деления частоты, усилитель, выход которого соединен с входом блока возбуждения резонансной системы, выполненной в виде натянутой струны, датчик колебаний струны, выход которого соединен с последовательно включенными усилителем, блоком умножения и блоком сравнения фаз, второй вход которого подключен к одному из выходов генератора опорной частоты, отли чающееся тем, что, с целью расширения диапазона измеряемых температур -при сохранении точности измерений, в него дополнительно введены последовательно соединенные второй и третий блоки деления Частоты, второй и третий блоки умножения частоты, второй и третий блоки сравнения фаз и блок преобразования, при этом второй выход генератора опорной частоты соединен со входом третьего блока деления частоты, выход которого соединен со входом второго блока деления частоты и одним из входов второго блока сравнения фаз, выход второго блока деления частоты соединен со входом первого блока деления частоты и одним из входов третьего блока сравнения фаз, а выход третьего блока умножения частоты соединен с вторым входом третьего блока сравнения фаз и входом, второго блока умножения частоты, выход которого соединен с входом первого блока умножения частоты и вторым входом второго блока сравнения, причем выходы блоков сравнения фаз подключены к соответствующим входам блока преобразования. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

v y///////////////,