Устройство для измерения неравномерности амплитудно-частотной характеристики термопреобразователей в диапазоне инфразвуковых частот Советский патент 1983 года по МПК G01R27/28 

жущей силы, измеряемой тоже с помощью потенциометра постоянного тока при изменении частоты генератора 2 Недостатком известного устройства является низкая разрешающая способность и точность определения неравномерности амплитудно-частотной характеристики из-за частотной неравномерности поддержания уровня тока, протекающего через исследуемый термо преобразователь, что является ,следствием частотной неравномерности электродинамического компаратора. Цель изобретения - повьзшение разр шающей способности и точности измере ний ., Поставленная цель достигается ч тем, что в устройство для измерения, неравномерности амплитудно.частотной характеристики термопреобразователей в диапазоне инфразвуковых частот, содержащее перестраиваемый генератор и фильтр нижних частот, входом соединенный с одной из входных клемм устройства, введены два измерительных термопреобразователя, два потенциапа, два потенциометра, резистор, нуль-индикатор, генератор испытатель ного сигнала и сумматор, при этом выход перестраиваемого генератора соединен с одним из входбв сумматор и с первым входным выводом первого ; измерительного термопреобразрвател второй входной вывод которого соеди ней с корпусом устройства, выход ген ратора испытательного сигнала соединен с вторым входом сумматора не : первым входным выводом второго измерительного термопреобразователя, вто рой входной вывод которого - подключен к корпусу устройства и к одномуиз. , его выходных выводов, а второй выход ной вывод упомянутоготермопреобразо вателя подключен к первому выходному выводу первого измерительного термопреобразователя, второй выходной вывод которого через первый потенциометр подключен к корпусу устройства, а подвижный вывод последнего соединен с одним из входов нуль-индикатора, второй вход которого соединен с подвижным выводом второго потенциометра, первый вывод которого подключен к выходу фильтра нижних частот, а второй вывод через резистор соединен с корпусом устройства, выход сумматора соединен с второй входной клеммой устройства. На фиг. 1 представлена структурная схема устройства; на фиг. 2 временные диаграммы напряжений,поясняющие работу устройства. На чертеже приняты следующие обозначени напряжения: U и Uj на выходах перестраиваемого -генератора 1 и генератора испытательного сигнала 2; напряжение Ид на выходе сумматора 5; напряжение Ц ттсна выходе йсследуемого термопреобразователя 10, вызванное входным напряжением , напряжение и инфразвуковой частоты, на которой определяется отклонение амплитудно-частотной характеристики; напряжение UTTTJI на выходе исследуемого терм преобрвзователя 10, которое имело бы место, если бы на его входе действовало напряжение U. Устройство содержит перестраиваемый генератор 1, г,енератор 2 испытательного сигнала, измерительные термопреобразователи 3 и 4, сумматор 5, выполненный по схеме масштабного усилителя на.операционном усилителе б и резисторах 7 - 9, исследуемый термопреобразователь 10, фильтр 11 нижних частот, потенциометры 12 и 13, резистор 14, нуль-индикатор 15 .и входные клеммы 16 и. 17 устройства, Устройство работает следукАдим образом. Равные по величине выходные синусоидальные напряжения U,-и U генераторов 1 и 2 подаются соответственно на входы измерительных термопреоёразователей 3 и 4. Поскольку напряжения UjjH Uj выбираются в пределах звукового диапазона, то на выходе каждого из термопреобразователей , 3 и 4. действует постоянное напряжение, пропорциональное., квадрату действующего зйачения входного напряжения, т.е. из Кз и U4. К. и I где и - постоянные напряжения на выходах термопреобf разователей 3 и 4; Kg и К - коэффициенты преобразования термопреобразователей 3 и 4. Сумма постоянных напряжений и с последовательно и согласно включенных выходов термопреобразователей 3 и 4 подается на вход потенциометра 12. При идентичности характеристик термопреобразователей 3 и 4 . В этом случае на входе потенциометра 12 действует постоянное напряжение, равное и $), (.3) из -ь U4 где и - суммарное постоянное напряжение на последовательно включенных выходах термопреобразователей 3 и 4 f Ко- коэффициент преобразования термопреобразователей 3 и 4, .Часть указанного напряжения Ид подается на один из входов нуль-индикатора 15. Аналоговый сумматор 5 служит для суммирования подаваемых на его входы напряже.ний 1) и Uj. Выходное напряжение IJj-i ансшогового .сумматора 5 поступает на вход исследуемого термо преобразователя 10. Выходное напряжение термопреобраэователя 10 через фильтр 11 нижних частот подается на последовательное соединение потенциометра 13 и резистора 14. Постоянное напряжение, снимаемое со среднего потенциометра 13, поступает на второй вход нуль индикатора 15. Напряжения инфразвуковой частоты на которой измеряется отклонение АЧХ .формируется из суммы двух равных по амплитуде гармонических напряжений с частотами, отличающимися на удвоенное значение инфразвуковой частоты Ори подаче на вход термопреобразователя 10 суммарного напряжения Uj- и sin uj t UwnSin Ы2 t, где Um Uffln- амплитуды напряжений; to и jrt2 частоты напряжений U соответственно. Дифференциальное уравнение теплового состояния нагревателя термопреобразователя имеет вид; «- I sinAu tJ R : где ) t + IwnSinM a El --мгновенное значение тока, пропорционалЁного напряжению Ujj; . ( мгновенное з.начение токов, пропорцион1альные составляющим напряжения Uj-.; ©jj - температура перегрева нагр вателя при пропускании через него тока R - сопротивление нагревателя; Н - коэффициент теплоотдачи ;m - масса нагревателя; с - удельная теплоемкость материала нагревателя; сЛ- - частота, на которой измеряется АЧХ. Для установившегося теплового , режима решение уравнения (4j имеет вид: (г) (ш.-со ) 1-Х - ( 2). .5in(u,,.u,2)i.-;j.±-.Cos(u,,u,.Jt, (5) где 4i arctg J/Zui, у arctgl/Zu - ; - тепловая постоянная времени нагревателя. С учетом оговоренного вкгае условия 2Я , а также введя эанюну ) , „ , , ш.-юд, 2и1ся(. ), тригонометрических преобразований Уравнение (5J принимает вид: 2 „ 2 5«п(2ц,+Ч; Stn(2u i-Kf2J+ m-i-mo « 1+. «sin(2u;cpt44) / (ь) ГДЭ ц arctg Т/ЗюсрТ .. Поскольку частоты U) и uig выбираются в звуковом диапазоне, а постоянная впэмени i термопреобразователя составляет от десятых долей до единиц секунд, то легко обеспечить такой выбор частот w и uj г при котором выполняются условия , uigt, (7J С учетом выполнения условий (7) уравнение (6) упрощается и принимает вид-, -, „ Э„ 3 R .М зМ+-рЗ % 5ш(2Я1+ФГ ElvcT V l З/ fWl+4§t42 . , (. ., (о) Из (8) ВИДНО, что температура нагреIвателя, а следовательно, и термоэлектродвижущая сила на выходе термопЬеобразователя содержит постоянную и переменную составлякщие, т.е.

V

/

Sin(2uJ,,)

гн

T

вгч ©.-.+ e,

(9)

Еср

OVCT Де ед - (1. 1)

ПО)

-среднее значение температурил нагревателя Спостоянная составляющая);

вг, Imp Intg sin(2 t-K|). (П) нУ1-ь4«2г:гi-j I J

-переменная составляющая температуры на1Т)евателя.

Как видно из выражения (10), постоянная составляющая температур нгсгревателя термопреобразователя при подключении к нему напряжений U и Uj эквивалентна подключению источни ка напряжения с параметрами, равными т + I 2 гпу ° т mg -. f, и ГП -П m Оценка динамического режима термо преобразователя 10 для случаев подкл чения к нему напряжения Uj може быть произведена по величине отношения переменной составляющей температур з1 нагревателя к ее среднему значению. Для случая подключения к термопре образователю 10 напряжения из выраже .ний C10J. и (11) следует ( + Ф) .JJ / f C-J«-il/C +-tfni L-- t . ./ i , (,4JF Посжольку-значения Т пйПри созДании напряжения выставляются одинаковыми, то даже с учетом возможной относительной амплитудной нестабильности генератора 1 и 2 можно записат следующее приближенное равенство: l2 + i2 m -1 1 ПП2 m-1 mg Например, при отличии величин I и Irni 3% указанное равенство обеспечи вается с погрешностью не более 0,05% Поэтому с учетом (15) выражение 14) принимает вид sin (252 t+ Ф) (16) С Ср 1( 1 + ч- SC t Из выражения (16) видно, что дина мический режим термопреобразователя 10 одинаков как для случая подачи на него суммы напряжений разных частот UE , так и для случая подачи на термопреобразователь одного напряжения инфразвуковой частоты (1). В выходном напряжении исследуемого термопреобразователя 10 в зависимости от разности частот uj генераторов 1 и 2 может содержаться переменная составляющая (.выражение (11)), что соответствует случаю, когда частота 57 принадлежит к инфра звуковому диапазону или переменная составляющая может отсутствовать,есл частота и находится в пределах звукового диапазона (выражение 10). Случай, при котором Я. находится в пределах звукового диапазона, т.е. биения/ возникающие при протекании токов частот ы и ujj через нагреватель исследуемого термопреобразователя 10, происходит со звуковой частотой Гтеомопреобразователь 10 приэтом работает в статическом режиме), используется при калибровке предлагаемого устройства. Для калибровки устройства предварительно отградуированный в относительных единицах потенциометр 13 (.выражение (2)J. устанавливают в лоложение, которое условно принято за нулевое. Это положение соответствует нулевому отклонению амплитудно-частотной характеристики, т.е. -соответствует коэффициенту преобразования термопреобразователя 10 на выбЕзанной в качествеопорной частоте Slg . Устанавливают рааность частот, исходя из условия . «о « Ш2 , которое обеспечивает биения частот uj и u)2 генераторов 1 и 2 в звуковом диапазоне, т.е. обеспечивает .статический режим работы термопреобразователя 10. После этого с помощью потенциометра 12 добиваются нулевого показания нуль-индикатора 15. Для измерения отклонения амплитудно-частотной характеристики иссле;5уемого термопреобразователя на инфразвуковой частоте с помощью перестраи-i ваемого генератора 1 выставляют частоту 5 , удовлетворяющую условию (jo - Ш2 251 . При этом в случае наличия разбаланса нуль-индикатора 15, что свидетельствует об амплитудночастотной неравномерности коэффициента преобразования термопреобразова--теля 10, с помощью потенциометра 13 устанавливают нулевое показание нульиндикатора 16. Отклонение коэффициента преобразователя 10 на частоте 52 по отношению -к его коэффициенту передали на опорной частоте Яр определяют по положению движка потенциометра 13, который отградуирован в относительных единицах (например, в процентах) . Регистрируя с помощью нульиндикатора 15 равенство постоянных напряжений на выходах потенциометрах 12 и 13 можно представить выражение (3) в виде (U t U) K,(U,Uj). . R -Гх R + rv где коэффициент передачи потенциометра 12 ; KK - кoэффициe т преобразования исследуемого термопреобразо вателя 10; (Ux,+U2 )-среднее значение напряжения на выходе исследуемого термопреобразователя 10, выделенное фильтром 11 нижних частот ;

К,Г - сопротивление резистора 14 и потенциометра 13, соответственно г « R ГУ - сопротивление между средним и нижним положениями потенциометра 13.

Для простоты коэффициент передачи сумматора 5 и фильтра 11 нижних частот приняты равными единице.

Так как синусоидальные напряжения и/,и и2 отличны по частоте, то величина ( U2J представляет co6ojft сумму квадратов их действующих значений, т.е.

(. и) и + и

L19J

.г

,С учетом (19) выражение (В) приво,дится к виду

„ K«.KMR г)

120)

R гх

Зависимость относительного отклонения коэффициента преобразования на заданной частоте S2 nq отношению к коэффициенту . преобразования на опорной частоте 5г от изменения сопротивления потенциометра 13 определяется из выражения (20) и имеет вид; Й1 Ж ТГы ) R+r, 0 где -р - относительное отклонение коэффициента преобразования термопреобразователя 10 на частоте Я. по отношению к коэффициенту преобразования на частоте SZ иг - изменение сопротивления между средним и нижним крайним выводами потенцио метра 13,соответствующее относительному отклонению коэффициента преобразования ЛКу/Kxj г - сопротивление между средним и нижним крайним выводами потенциометра 13, соответствующее коэффициенту преобразования на частоте .5. Коэффициент преобразования K( К измерительных термопреобразователей в выражении (iJO) представляет собой постоянную величину. Это объяс няется тем, что для получения требуе млх значений И диапазон перестройки .генератора 1 составляет единицы . процентов (выражение (17)). .В таком узком диапазоне частот коэфф.ициент преобразования термопреобразователя 3 практически постоянный.Постоянный также коэффициент преобразования термопреобразователя 4, поскол ку он работает на фиксированной частоте u)2 . Как видно из выражения (21), градуировочная характеристика устройства практически линейна, что позволяет обеспечить высокую точность отсчета измеряемой величины непосредственно по положению движка отградуированного потенциометра 13. Поскольку низкочастотная неравномерность исследуеь«лхтермопреобразователей на практике не превышает единиц процентов, сопротивление потенциометра 13 выбирается не менее чем на порядок

меньше сопротивления резистора 14. Этим обеспечивается малоезатухание выходного сигнала исследуемого термопреобразователя и малая погреш.ность отсчета измеряемой величины.

Из выражений (20) и (21) видно, что измеряемое относительное отклонение коэффициента преобразования исследуемого термопреобразователя на заданной частоте не зависит QT.

коэффициента преобразования на опорной звуковой частоте не зависит от величины напряжения генератора,что обеспечивает высокую разрешающую способность в определении неравномерности -амплитудно-частотной характеристики термопреобразователей в диапазоне инфразвуковых частот. Формула изобретения Устройство для измерения неравномерности амплитудно-частотной характеристики термопреобразователей в диапазоне инфразвуковых частот, содержащее перёстраиваемый генератор и фильтр нижних частот, входом соединенный с одной из входных клемм устройства, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений, в него введены два измерительных термопреобразователя, два потенциометра, резистор, нуль-индикатор, генератор испытательного сигнала и сумматор,при этом выход перестраиваемого генератора соединен с одним из входов сумматора и с первым входным выводом первого измерительного термопреобразователя , второй входной вывод которого соединен с корпусом устройства, выход генератора испытательного сигнала соединен с вторым входом сумматора и с первым входным выводом второго измерительного термопреобразователя, второй входной вывод которого подключен к корпусу устройства и к одному из его выходных выводов, а второй выходной вывод упомянутого термопреобразователя подключен к первому выходному выводу первого измерительного термопреобразователя, второй выходной вывод которого через первый потенциометр подключен к корпусу устройства, а подвижный вывод последнего соединен с одним из входов нуль-индикатора, второй вход которого соединен С подвижным выводом второго потенциометра.

первый вывод которого подключен к вы,ходу фильтра нижних частот, а второй вывод через резистор соединен с корпусом устройства, выход сумматора соединен свторой входной клеммой устройства.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Измерительная техника, 1963, № 2, с. 34.

2.Безникович А.Я. и Гравин О.Н.Исследование возд тиных многоэлементных термопреобразователей, - Труды институтов Госкомитета, вып. 82(142j, М-Л., ста«дартов, 1965,с.112, СпрототипУ.

/ I Vb/

«

/:

7/7X у чу