Квадрупольный ядерный термометр Советский патент 1982 года по МПК G01K7/32 

(5t) КВАДРУПОЛЬНЫЙ ЯДЕРНЫЙ ТЕРМОМЕТР

1 Изобретение относится к области

температурных измерений.

Известен квадрупольный ядерный термометр, содержащий резонансный контур с термочувствительным элементом, детектор, синхронные детекторы первой и второй производной, генератор, умножитель частоты сумматор, запоминающие устройства, пороговые устройства С 1 .

В этом термометре привязка к ре- . зонансной частоте ядерного квадрупольного резонанса (ЯКР) осуществляется с помощью сигнала первой производной от резонансной линии ЯКР, получаемой методом частотной модуляции при прохождении через линию ЯКР. Точность ривязки к резонансной частоте ЯКР, а следовательно, и точность измерения температуры в значительной степени ухудшается из-за наличия паразитного сигнала, сопровождающего частотную модуляцию. Компенсация паразитного .сигнала

производится автоматической подстройкой резонансных контуров в полосе рабочих частот.

Однако полностью подавить паразитный сигнал таким способом не удается.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является квадрупольный ядерный термометр, содержащий резонансный контур с термочувствительным элементом и двумя варикапами, подключенный к входу детектора, выход которого соединен с входами сиКхроннь1х детекторов первой и второй производной, счетчик с

15 индикатором, яоги еское устройство, включающее в себя пороговое устройство, цепь обратной связи, сумматор, запоминающие устройства и ключ. При этом уменьшение паразитной амплитуд20ной модуляции производится путем запоминания и вычитания уровня паразитного сигнала из суммарного сигнала, содержащего сигналы ядерного резонанса и сигнал паразитной модуляции С 2 J.

Наиболее существенным недостатком данного термометра является неточность определения и компенсации паразитного сигнала при его существенной неравномерности в частотной области, так как в принципе работы устройства предполагается, что паразитная модуляция изменяется линейно при перестройке в диапазоне частот, что не всегда справедливо. Кроме этого погрешность измерения температуры увеличивается при измерении нестационарных температур из-за сравнительно большой инерционности устройства измерения паразитной модуляции, которая изменяется во времени.

Целью изобретения является повышение точности измерения, а также повышение быстродействия термометра.

Поставленная цель достигается т. в квадрупольный ядерный термОметр, содержащий резонансный контур с термочувствительным элементом и двумя варикапами, подключенный к. входу детектора, выход которого соединён с частотомером и входами синхронных детекторов первой и второй производных с пороговым устройством, выход которого подключен к управляющему входу первого ключа, мостовую схему с термопреобразователем сопротивления, сумматор, к входам которого подключены два конденсатора, а выход через первый ключ и четырехполюсник обратной связи соединен с выходом мостовой схемы и первым варикапом, введены три ключа и синтезатор модуляционных сигналов, первый выход которого соединен с вторым варикапом.и управляющим входом синхронного детектора первой производной , выход которого через второй и третий ключи соединен с входами сумматора, причем второй выход синтезатора модуляционных сигналов соединен с управляющими входами второго ключа и синхронного детектора второй производной, третий выход - с управляющим входом третьего ключа, а четвертый выход соединен с вторым варикапом через четвертый ключ, управляющий вход которого соединен, с выходом порогового устройства.

На фиг. 1 изобрах ена блок-схема термометра; на фиг. 2 - временные диаграммы выходных напряжений синтезатора модуляционных сигналов; на

фиг. 3 линия ЯКР, выходные напряжения синхронного детектора первой производной на входах сумматора для двух частот модуляции (160 Гц и

2560 Гц), выходной результирующий сигнал сумматора и выходной сигнал на выходе синхронного детектора второй производной.

Термометр содержит резонансный

контур 1 с термочувствительным элементом, два варикапа 2 и 3, детектор k, выполненный в виде айтодинного генератора, частотомер 5i синхронные детекторы первой производной 6

и второй, производной 7 ключи 8-11, конденсаторы 12 и 13, сумматор Ц, пороговое устройство 15, четырехполюсник обратной связи 16,,синтезатор модуляционных сигналов 17,

мостовую схему 18 и термопреобразователь сопротивления 19.

Синтезатор модуляционных сигналов формирует следующие сигналы: по первому выходу - сигнал в виде импульсных .посылок с частотой заполнения 160 Гц и 25бО Гц, по второму и третьему выходам - сигналы, соответствующие огибающим сигналам низшей и высшей частот соответственно, а по

четвертому выходу - сигнал в виде медленно меняющегося напряжения.

На фиг. 2 кривые 20-23 изображают диаграммы выходных напряжений на I, II, III, IY выходах синтезатора модуляционных сигналов.

На фиг. 3 кривая 2 изображает линию ядерного квадрупольного резонанса, кривые 25 и 2б - выходные напряжения синхронного детектора первой производной на входах сумматора для двух частот модуляции (1бО Гц и 2560 Гц), кривая 27 - выходной результирующий сигнал сумматора, кривая 28 - выходной сигнал на выходе синхронного детектора второй производной .

Квадрупольный ядерный термометр работает следующим образом.

При включении термометра сигнал с выхода мостовой схемы 18 поступает на варикап 2 и устанавливает частоту автодинного детектора Ц вблизи центральной линии 2k ЯКР с точностью i.15 кГц, что соответствует температурному эквиваленту t 3 К (за счет

погрешности, обусловленной мостовым измерителем). Одновременно частота Настройки детектора медленно изменяется в пределах 125 кГц сигналом с четвертого выхода синтезатора 17 со скоростью порядка 1 кГц/с. При отсутствии сигнала ЯКР ключ 10, разомкнут, а ключ 11 замкнут. Как только частота несущей автодина детектора 4 попадает в полосу резонан ной линии ЯКР, на выходе синхронног детектора 7 появляется напряжение, вызывающее срабатывание порогового устройства 15, по сигналу котдрого ключ 10 замыкается, а ключ 11 размыкается. При этом с выхода суммато ра Ц через четырехполюсник 16 на варикап 3 поступает сигн-ал, обеспечивающий привязку центральной часто ты детектора к центру резонансной . линии ЯКР. Центральная частота ЯКР, пропорциональная измеряемой температуре, фиксируется частотомером 5. Принцип подавления у паразитной ам плитудной модуляции в выходном си(- нале сумматора основан на периодическом уширении резонансной линии за счет подачи в определенные промежутки времени 12 напряжения моду ляции частотой Fj 2560 Гц (кривая 20), что приводит к нарушению условий квазистационарности для ядер ной системы, резкому уширению линии и уменьшению наклона синхронной характеристики 26 для центра линии ЯКР не менее чем в 100 раз посравнению с синхронной характеристикой 25 для частоты F-, 1бО Гц при неизменной паразитной амплитудной модуляции. Несущая частота автодина детектора k модулируется двумя частотами Р и Т ,, которые разделены во времени и периодически повторяются, при этом на выходе детектора первой производной 6 получается сигнал, который раз деляется периодически ключами 8 и 9 Ключ 8 открывается на время t си|- налом с второго выхода синтезатора 17, когда несущая промодулирована частотой Р.,. При этом выходное напряжение синхронного детектора 6 фильтруется и запоминается на конденсаторе 12 неинвентирующего входа сумматора 1. Ключ 9 открывается сигналом с третьего выхода синтезатора 17 на время t, когда несущая промодулирована частотой р2. При этом выходное напряжение синхронного детектора 6 фильтруется и запоминает ся на конденсаторе 13.инвертирующего бхода сумматора I. В сумматоре l синхронная характеристика 26 для частоты модуляции Р, .содержащая полезный сигнал и паразитную модуляцию, вычитается из синхронной характеристики 25 для Е,, содержащей полезный сигнал и ту же самую паразитную модуляцию, что при модуляции частотой Fj. В результате на выходе сумматора получается сигнал 27, в котором отсутствует сигнал паразитной амплитудной модуляции. Переходы через нули 29 и 30 (кривая 27) не играют роли в этом термометре, поскольку разрешение на привязку к линии ЯКР производится с помощью сигнала второй производной 28 в более узком частотном диапазоне. Выбор низшей частоты модуляции Р величиной 1бО Гц обусловлен тем, что при такой частоте не наблюдается заметного уширения линии ЯКР и сравнительно низкий уровень шума вида 1/f. Высшая частота модуляции выбрана величиной р2 2560 Гц, поскольку при максимальном уширении резонансной линии период таких колебаний значительно больше времени установления частоты в автодине детектора 4, что обеспечивает неизменный уровень па-, разитной модуляции (как и при Р)« Соотношение величин следования частот Р и Р выбрано равным четырем (фиг. 2) с целью уравнения шумов вида 1/f при выборках сигнала ЯКР, поскольку для частоты Р уровень шумов вида 1/f в несколько раз больше, чем для Р (соответственно и время интегрирования при выборках для больших шумов выбрано больше). Фаза напряжения 20 Через каждый период чередования Р и р2 (равный t + t) изменяется на противоположную. Это сделано с целью симметрирования переходных процессов (при подходе к центру линии ЯКР со стороны положительных и отрицательных растроек), которые дают вклад в выходное напряжение сумматора. Иначе линия 27 будет иметь несколько смещенный переход через нуль относительно центра линии ЯКР, Введение в термометр новых- элементов - синтезатора модуляционных сигналов, ключей и новых связей между элементами термометра позволяет существенно повысить точность измерения стационарных и нестационарных температур, а также сократить вре мя, затрачиваемое на одно измерение температуры. формула изобретения Квадрупольный ядерный термометр, содержащий ре;зонансный контур с термочувствительным элементом и двумя варикапами, подключенный к входу детектора, выход которого соединен с частотомером и входами синхронных детекторов первой и второй производных с пороговым устройством, выход которого подключен к управляющему входу первого ключа, мостовую схему с термопреобразователем сопротивления, сумматор, к входам которого подключены два конденсатора, а выход через первый ключ и четырехполюсник обратной связи соединен с выходом мостовой схемы и первым варикапом, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены три ключа и синтезатор модуляционных сигналов, первый выход которого соединен с вторым 9

. / 68 варикапом и упраляющим входом синхронного детектора первой производтретии ключи соединен с входами сумматора, причем второй выход синтезатора модуляционных сигналов соединен с управляющими входами второго ключа и синхронного детектора второй производной, третий выход - с управляющим входом третьего ключа, а четвертый выход соединен с вторым варикапом через четвертый ключ, управляющий вход которого соединен с выходом порогового устройства. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Лабри Эктфант и Ванье. ЯКР-термометр. - Приборы для научных иссле1371, W 1, с. 26. дований 2.Патент Японии № в-УОЗЗ, кл. G 01 К 7/32, опублик. 1979 Гпрототип).

-r

l/i.

gtfgj

I

e

I

/жЖ

Фег.2