Устройство для дистанционного измерения температуры

 

ОП ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТС)РСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик рц 1 000789. Ф (61) Дополнительное к авт. свид-ву—

)и) м.кк

G 01 К 11/22 (22) Заявлено 06.1180 (21) 3003837/18-10

1 с присоединением заявки ¹â€”

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий (23) Приоритет

Опубликовано 280283. Бюллетень №8 (S3) УДК 536. 53 (088.8) Дата опубликования описания 2602,83

:3 1

Л.И. Захарьящев и B.Д..СеменчМок сс

/ >Рязанский радиотехнический институт .,„

" а (72) Авторы изобретения (71) Заявитель (54) устРойство для дистАнционного

ИЗМЕРЕНИИ ТЕМПЕРАТУРЫ

Изобретение oTHQcHTca к измерительной технике, а именно к устройствам для дистанционного измерения температуры. Оно может найти: применение в системах точного измерения и автоматического регулирования -температуры на труднодоступных, удаленных и находящихся в тяжелых условиях эксплуатации объектах.

Известно устройство для измерения температуры, содержащее термочувствительный элемент на основе поверхностных акустических волн, .включенным в цепь генератора радиочастотного диапазона, установленного на объекте измерения 11 ).

Недостатком такого устройства является ограниченный диапазон йзмеряеьих температур, определяемый испольэуеьими в схеме генератора полупроводниковыми элементами.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является устройство для измерения температуры, содержащее пассивный переиэдучатель с линией задержки на поверхностных акустических волнах в качестве термочувствительного элемента, передатчик и приемник оадиоимпульсов и регистратор (.2).

Недостатком такого устройства является невысокая точность измере-, ния и невозможность непосрдественного использования для автоматического регулирования температуры объектов. Последнее связано с монотонным характером зависимости времени задержки линии на поверхностных акустических волнах от температуры.

Цель изобретения — повышение точности измерения температуры и расширение функциснальных возможностей устройства.

Поставленная цель достигается тем,.что в устройстве для дистанционного измерения температуры, содержащем пассивный переизлучатель с линией задер.". .ки на поверхностных акустических волнах в качестве термочувствительного элемента, передат.чик и приемник радиоимпульсов и.ре-гистратор, в состав пассивного пе25 реиэлучат я введена дополнительная линия задержки на поверхностных акустических волнах, причем обе линии задержки включены параллельно и имеют противоположные по знаку температурные коэффициенты задержки, 1000789 а приемник радиоимпульсон содержит синхронный детектор и фильтр низких частот, подключенные последовательно к нходу регистратора.

Регистратор выполнен н ниде счетчика полупериодов огибающей амплитуд принимаемых радиоимпульсон.

На чертеже приведена электрическая схема устройства.

Устройство содержит пассивный переизлучатель, установленный на объекте 1 измерения и включающий н себя термочунстнительный элемент 2 и антенну 3, передатчик 4 и прием ник 5, работающие на одну общую антенну б, регистратор 7. 15

Термочувствительный элемент 2 представляет собой подложку из пьезоэлектрика (например, ниобата лития, кварца), на поверхности которой сформированы две линии задержки поверхностных акустических волн. Каж" дая из линий задержки образована двумя преобразователями поверхностных волн встречно-штыревого типа (8 и 9 для первой линии задержки; 10 и 11 для второй) и эвукопроводом в виде поверхностного слоя подложки между преобразователями (12 для первой линии задержки и 13 — для второй). Преобразователи 8 и 9, 10 и 11 ориентированы на поверхности подложки так, что поверхностные акустические нолны н первой и второй линиях задержки распространяются вдоль осей Х и

X „ соответствующих противоположным значениям температурных коэффициентов задержки, равным по величине и противоположным по знаку. Преобразователи 8-11 электрически соединены параллельно и подключены к антенне 3.

Передатчик 4 содержит стабильный 40 генератор 14 высокой частоты, импусльный генератор 15, линию 16 задержки, модулятор 17 и ждущий мультивибратор 18. Приемник 5 содержит электронный коммутатор 19,синхрон - 45 ный детектор 20, фильтр 21 низких частот, фазовращатель 22.

Устройство работает следующим образом.

50

Высокочастотные радиоимпульсы, вырабатываемые передатчиком 4, имеющие период повторения 7;и и длитель.ность Ун, излучаются антенной б в направлении антенны 3 пассивного переизлучателя и затем принимаются антенной 3, трансформируются преобразонателями 8-11 н поверхностные акустические волны (акустические импульсы) и распространяются в звукопроводах 12 и 13 первой и второй 60 линий задержки по двум парам встречных найранлений (нолнистые стрелки)

Задержанные н звукопроводах 12 и 13 поверхностные акустические волны трансформируются преобразователями у

8-11 н радиоимпульсы, которые суммируются в фазоных соотношениях, зависящих от температуры подложки или находящегося с ней н тепловом контакте объекта измерения. Суммарные импульсные радиосигналы переизлучаются антенной 3 в направлении антенны б, принимаются антенной б и поступают н приемник 5.

Комплексные коэффициенты передачи первой и второй линий задержки в случае линейной зависимости их времен задержки от температуры, равных по величине .и противоположных по знаку температурных коэффициентов задержки и равных вносимых потерь, можно представить в виде

К„=К 6Xp)-)2XjToP+dr(+ 1,Щ; (q )

К = Коехр -)2тЕтоГ -д- (-

j — мнимая единица;

f „- частота, Гц;

Т вЂ” время задержки линий при о температуре с о, соответствующей равенству времен задержки первой и второй линий, как функций температуры, с;, c(.T — абсолютная величина температурного коэФфициента задержки линий, о С ";

r. — текущая температура, С.

На основе принципа суперпозиции комплексный коэффициент передачи термочувствительного элемента 2 с точностью до постоянного множителя, зависящего ст условий согласования термочувствительного элемента с антенной 3, с учетом (I) и (2) может бать представлен в виде

К= Косое 2%.1Той (1;-С,))Ехр(-$2tt 5To). (ц

Для получения наложения откликов первой и второй линий задержки их длительность должна быть существенно больше максимального изменения времени задержки линий в измеряемом д апазоне температур Л(îìàkñ

В этом случае амплитуда переизлучаемых антенной 3 радиоимпульсон зависит от температуры по закону косинуса, как это следует из выражения (3). Нулевое значение амплитуды переизлучаемых рар1иоимпульсон соответствует протинофазному значению коэффициентов передачи первой и второй линий задержки. Интервал температуры дс„ между ее дв мя соседо

gpoBHfcwM t< H t„,, соотнетствуо ющими нулевому знеченш амплитуды

1000 789 переизлучаемых радиоимпульсов, определяется из выражения (3) : дс = =, (4)

g 1 1

2 о,(т 2na> 5

40

Из спектра выходного сигнала синхронного детектора 20 с помощью где n= f To — количество акустических длин волн, укладывающихся в звукопроводе первой или второй линии задержки при температуре t .

Величина и в линиях задержки на поверхностных акустических волнах может достигать при приемлемых потерях не более 40 дБ/104-106, а величинаЫ для наиболее термочувствитель-l5 ных материалОв, например нобата лития, достигает 10 -10 С . Отсю-.. да на основе формулы (4) .следует, что величина А1О может быть получе-: на 0,1-1,0 С. Тогда точность измере- 7П ния малого отклонеййя температуры от уровней, соответствующих нулевому значению амплитуды переизлученных радиоимпульсов, может достигать

0, 01-0, 00 1 С.

Радиоимпульсы передатчика формируются путем модуляции высокочастотного сигнала генератора 14, задержанными в линии 16 задержки на время Г импульсами генератора 15. Она осуществляется в модуляторе 17. Задержка Г необходима для недожного запирания приемника г.еред началом каждого импульса передатчика. Запирание приемника осуществляется с помощью электронного коммутатора

19, срабатывающего от импульсов ждущего мультивибратора 18, которые перекрывают во времени импульсы передатчика. Запуск ждущего мультивибратора осуществляется передним фронтом каждого импульса генератора 15.

Принимаемые антенной 6 радиоимпульсы, проходя через электронный коммутатор, поступают на один иэ 45 входов синхронного детектора 20. На другой вход синхронного детектора через фаэовращатель 22 поступает сигнал генератора 14. Фазовращатель необходим для компенсации рассогла- 5О сования фаз высокочастотного заполнения принимаемых радиоимпульсов и сигнала генератора 14, которые поступают на входы синхронного детектора 20. 55

Несущая частота радиоимпульсов может выбираться в диапазоне 10

1000 ИГц, в котором могут использоваться линии задержки поверхностных акустических волн. Выбор определяется особенностями радиоканала, его длиной, требованиями к конструкции и габаритам антенн 3 и 6. фильтра низких 21 частот выделяет- ся огибающая амплитуд принимаемых радиоимпульсов, которая несет информацию о температуре объекта 1 измерения и подается на регистратор 7.

Для измерения температуры, изменяющейся в широких пределах (в отличие от ее малого изменения от одного иэ уровней), или определения номера уровня регистратор 7 может быть выполнен в виде счетчика, фиксирующего количество периодов или полупериодов огибающей амплитуд принимаемых радиоимнульсов, которое пропорционально температуре объекта или номеру уровня.

Термочувствительный элемент должен быть защищен от действия агрессивных сред путем помещения его в вакуумированный корпус (не показан).

Тепловой контакт с объектом измерения может осуществляться через стенку корпуса или через инфракрасное излучение объекта. В последнем случае корпус должен быть прозрачным

{например, из кварцевого стекла).

Конструкция термочувствительного элемента может отличаться от вышеописанной. Первая и вторая линии,задержки могут изготавливаться на двух подложках из разных пьезоэлектриков. Подложка может быть и непьезоэлектрической, например, яз плавленного кварца. При этом линии задержки выполняются на основе пьезоэлектрических пленок, например нитрида алюминия, способного работать при температурах до 1000

Передатчик 4 может содержать усилитель мощности, включаемый на выхо.де модулятора 17, а приемник — уси- . литель постоянного тока на выходе фильтра 21 низких частот. В приемник 5 могут также быть введены входная цепь и усилитель высокой частоты между коммутатором 19 и синхронным детектором 20. При-высоком уровне помех и большом затухании радиосигналов и термочувствительном элементе 2 наличие этих устройств в при,емо-передающей части становится не обходимым.

Используя устройство, можно измерять температуры объектов от криогенной, где-параметры устройств на поверхностных акустических волнах о даже выше, чем при нормальной {20 С), до нескольких сотен градусов при ис" пользовании таких распространенных пьезоэлектриков, как ниобат лития и кварц. Верхний предел может быть увеличен, если применить более термостойкие пьезоэлектрики.

Предлагаемое устройство обеспечивает высокую точность дистанционного измерения и регулирования температуры. Оно легко поддается миниа7 1000789

БНИИПИ Заказ 1361/40 Тираж 871 Подписное

Филиал ППП "Патент",r.ужгород,ул.Проектная,4 тюризации, технологично и имеет высокую воспроиэводимость параметров, характерную для приборов, использу ющих поверхностные акустические волны.

Формула изобретения

1. Устройство для дистанционного измерения температуры, содержащее пассивный переизлучатель с линией задержки на поверхностных акустических волнах в качестве термочувствительного элемента, передатчик и приемник радиоимпульсов, и регистратор, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения температуры и расширения функциональных возможностей, . в состав пассивного переиэлучателя введена дополнительная линия задержки на поверхностных акустических волнах, причем обе линии задержки включены параллельно и имеют противоположные по знаку температурные коэффициенты задержки, а приемник радиоимпульсов содержит синхронный детектор и фильтр низких частот, подключенные последовательно к входу регистратора.

2. Устройство по п.1, о т л и— ч а ю щ е е с -я тем, что регистратор выполнен в виде счетчика числа полупериодов огибающей амплитуд принимаемых радиоимпульсов.

Источники информации, 15 принятые во внймание при экспертизе

1. Патент Франции 9 2423762, кл. G 01. К 11/22, опублик. 20.04.78.

2. Авторское свидетельство СССР

Р 923263, кл. G 01 К 11/22,,16.10.80 (прототип).