Устройство для измерения температуры

 

Изобретение относится к области температурных измерений. Цель изобретения - повышение быстродействия и надежности пьезокварцевого преобразователя температуры при обеспечении высокой точности измерений. Устройство содержит измерительный автогенератор 1, термочувствительный пьезорезонатор (ТП) 3, электроды 4 и 5, опорно-кварцевый генератор 6, устройст (Л С

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (51) 4 С 01 К 7/32

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ, з., „,,„,,=

Н А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ с (21) 3761412/24-10 (22) 26.06.84 (46) 07.05.86. Вюл. № 17 (71) Харьковский ордена Ленина авиационный институт им. Н.Е.Жуковского (72) В.Я.Баржин, Е.А. Милькевич и А.Е.Сычев (53) 536.53(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР №- 495556, кл. G 01 К 7/32, 1973.

Авторское свидетельство СССР № 527608, кл. С 01 К 7/32, 1975.

„.SU„„1229603 А 1 (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ (57) Изобретение относится к области температурных измерений. Цель изобретения — повышение быстродействия и надежности пьезокварцевого преобразователя температуры при обеспечении высокой точности измерений. Устройство содержит измерительный автогенератор 1, термочувствительный пьезорезонатор (ТП) 3, электроды 4 и 5, опорно-кварцевый генератор 6, устройст1229603

Яр ю - Я„(т), во 7 формирования разностной частоты, регистратор 8, дифференциальный усилитель 9. Для достижения цели устройство снабжено электродом 10, расположенным вне эоны активных колебаний

Изобретение относится к температурным измерениям, а именно к устройствам для измерения температуры с термочувствительным пьезорезонатором в качестве термопреобразователя. . 5

Цель изобретения — повышение быстродействия и надежности при обеспечении высокой т очности измерений.

На чертеже приведена схема устройства для измерения температуры.

1О

Устройство содержит измерительный автогенератор 1, в качестве которого может быть использована любая типовая схема управляемого напряжением кварцевого автогенератора, например с варикапом в качестве частотно-управляющего элемента 2, термочувствительный пьезорезонатор 3, включенный своими основными электродами 4 и 5 в частот- о но-задающую цепь измерительного автогенератора, опорный кварцевый генератор 6, устройство 7 формирования разностной частоты, к выходу которого подключен регистратор 8, дифференциальный усилитель 9, один иэ входов которого соединен с основным электродом 5 пьеэореэонатора, подключенным к корпусу автогенератора, а другой соединен с дополнительным электродом 10, расположенным центросимметрично отно«ительно оси максимальной силовой чувствительности этого пьеэорезонато.ра вне активной зоны копебаний.

В качестве дифференциального уси35 лителя может быть использован неинвертирующий усилитель на операционном усилителе, обеспечивающий высокое входное сопротивление, что позволяет

40 наилучшим образом согласовать пьезоэлектрический чувствительный элемент и управляющий элемент 7 автогенератора 1 и одновременно усилить информационный сигнал, получаемый в виде разцентросимметрично относительно оси максимальной силовой чувствительности ТП, а в частотно-задающую цепь измерительного автогенератора 1 введен частотно-управляющий элемент 2. 1 ил, ности потенциалов между электродами 5 и 10 пьезорезонатора.

Режим работы варикапа 2 подбирается таким образом, чтобы при напряжении одного знака частота автогенератора увеличивалась, а при напряжении другого знака — уменьшалась.

Устройство работает следующим образом.

Собственные частоты термочувствительного пьезорезонатора 3 и термостабильного пьезорезонатора, входящего в состав опорного автогенератора, отличаются на несколько десятков килогерц, поэтому при постоянной температуре (Т = со и б i ) на выходе устройства 7 формирования разностной частоты получаем сигнал„ мгновенное значение которого записывается в виде где 0 р — амплитуда сигнала;

При измерениях температуры Т отно сительно ее реперного (исходного) значения Т измеряется собственная резонансная частота термочувствительного пьезорезонатора 3, а значит, и частота сигнала ы„ измерительного автогенератора i. В результате разностная частота са сигнала на выходе устройства 7 формирования разностной частоты является функцией, воздействующей только на пьезорезонатор 3 температуры Т з 1229

Причем в случае равномерного по всему объему прогрева пьезорезонатора (т.е. при медленных изменениях измеряемой температуры Т) и при использовании в качестве материала последнего пьезокварца LC -среза, обладающего линейными температурно-частотными характеристиками, зависимость (2) с высокой степенью точности можно представить линейной функцией вида 10 ь1 у,— („. K> (T To)) где Q — частота сигнала измерительио ного автогенератора 1 при Т = Т !

5 к — интегральный частотный коэффициент температурной чувствительности термочувствительного пьезорезонатора 3.

При этом минимальная погрешность измерений температуры Т может дости20

-4 гать 10 . При быстрых изменениях температуры Т имеет место неравномерный прогрев термочувствительного пьезорезонатора 3 и появляется темпе25 ратурный градиент между наименее прогретой центральной частью пьезорезонатора и наиболее быстро прогревающимися его периферийными областями. Как показывают расчеты, при перепаде о (скачке) температуры 1 С для линзового пьезорезонатора градиент Т может достигать величины 1,4 .10 С/см, что соответствует уходу частоты на 10 Гц

6 для пьезорезонатора с 1, = 5 -10 Гц.

В таком случае достоверную высокоточ-35 ную информацию об измеряемой температуре Т, определяемую посредством выражения (3), можно получить только после полного прогрева пьезорезонатора 3 и, следовательно, после устране-40 ния градиента температур в теле этого пьезорезонатора, что снижает быстродействие.

Для устранения этого недостатка в устройстве используется имеющий мес — 4> то при неравномерном нагреве пьезокварца эффект наведения пьезоэлектрических зарядов различных величин на участках пьезорезонатора, температура которых отличается. 50

В данном случае в термочувствительном пьезорезонаторе 3 такими участками являются центральная часть, совпадающая с зоной активных колебаний, и периферийная часть этого пьезорезо-5 натора, свободная .от колебаний и наиболее быстро воспринимающая воздействие изменяющейся температуры Т, 603 4 тем более, что в случае линзовых пьезорезонаторов периферийная часть пьезорезонатора гораздо тоньше центральной. В результате наличия в периферийной части термочувствительного пьезорезонатора 3 (свободной от активных колебаний, за счет чего обеспечивается минимум влияния на качественные характеристики пьезорезонатора) дополнительного электрода 10 при быстрых изменениях измеряемой температуры Т за счет возникновения температурного градиента между периферийной и центральной частями пьеэорезонатора 3 на основных электродах 4 и

5 и дополни".ельном электроде 10 последнего наводятся электрические заряды различных величин, причем величина этих зарядов оказывается пропорциональной площади электрода и средней температуре под соответствующим электродом. Это, в свою очередь, приводит к возникновению между электродами 5 и 10 разности потенциалов, которая оказывается пропорциональной температурному градиенту grad T- (Т г

T ), где T — среднее значение температуры пьезорезонатора 3 под основными электродами 4 и 5 T — температура пьезорезонатора 3 под областью дополнительного электрода 10. В этом случае для разности потенциалов a(p между электродами 5 и 10 пьезорезонатора 3 нетрудно получить простейшее соотношение

ЬЦ = V (T,-т„1, (4) где К вЂ” коэффициент пропорциональносг ти, численно равный разности потенциалов между электродами 5 и 10 при разности температур ь Т между их о геометрическими центрами 1 С, который может достигать значений 0,014 В/ С.

При температурных градиентных явлениях в пьезокварце величина коэффициента К определяется прямым эффектом пьезополяризации, а также возникновением пространственной неоднородности упругих свойств пьезокристаллов, следствием которой также является пьезополяризация. Причем последний эффект непосредственно связан с силовой чувствительностью пьезорезонаторов, знак и величина коэффициента К которой зависят от ориентации относительно кристаллографических

1229603

40 р = о L иo т iT ТоЯ (7) осей этих резонаторов воздействующих усилий.

Знак коэффициента К является положительным в секторе, составляющем

+ 60 С относительно оси максимальной силовой чувствительности пьезорезонатора. Поэтому для достижения максимальной величины коэффициента К а значит, и максимальной градиентной разности потенциалов aq пропорциональной rad Т - hT Т;Т„ дополнительный электрод 10 термочувствительного пьезорезонатора 3 должен быть выполнен вдоль края (периметра) этого пье- 1 зорезонатора центросимметрично относительно оси максимальной силовой чувствительности пьезорезонатора 3 в секторе + 60 относительно этой оси, причем для обеспечения максимальных значений grad T и максимального быстродействия ширина этого дополнительного электрода 10 должна быть минимальной и составлять не более

2-3 толщины кварцевого пьеэорезона- 25 тора. Это обусловлено тем, что при малой ширине электрода 10 при быстрых изменениях температуры Т температура подэлектродной области электрода 10 с высокой степенью точности должна соответствовать измеряемой температуре. Именно этим фактом и определяется быстродействие предлагаемого устройства, поэтому объем пьеэоэлектрика в подзлектродной области дополнительного электрода 10 должен быть небольшим.

В этом случае при изменениях измеряемой температуры Т достаточно быстро изменяется и температура части пьезорезонатора 3, находящейся под электродом 10, т.е. между областью электрода 10 и центральной частью пьезореэонатора 3 быстро устанавливается градиент температур pre J T,, вызывающий между электродами 10 и

5 пьезорезойатора 3 разность потенциалов ь(у . Эта разность потенциалов усиливается дифференциальным усилителем 9 постоянного тока с большим входным сопротивлением и через управляющий элемент, варикап 2, воздействует на управляющий вход измерительного автогенератора 1. В результате для частоты выходного сигнала измерительного автогенератора 1 получаем (и- ио+Кт(" Т.1+", Kg (T2 Tt) ® где ц — значение частоты сигнала ио измерительного автогенератора 1 при

Т=Т иТ вЂ” Т,=0;

К вЂ” коэффициент передачи усилителя 9 постоянного тока

5 — коэффициент крутизны, Гц/В, управляющего элемента 2.

Подставляя выражение (5) во (2), получаем выражение для частоты разностного сигнала, формируемого посредством устройства 7 формирования разностной частоты, которая поступает на вход регистратора 8

Как видно из выражения (6), частота информационного разностного сигнала содержит две составляющих, определяемых изменениями измеряемой температуры.

Первая составляющая К (à — Т ), содержащая интегральный частотный коэффициент температурной чувствительности Кт, определяет изменения информационной разностной частоты И обусловленные интегральным равномерным прогревом термочувствительного пьезорезонатора 3, а вторая составляющая g g, Q (T - T,), содержащая коэффициент градиентной температурной чувствительности К, учитывает наличие градиента температур вдоль радиуса термочувствительного пьезорезонатора в его теле. Причем этот градиент температур всегда пропорционален измеряемой температуре Т окружающей пьезорезонатор 3 среды, поэтому, подбирая соответствующим образом коэффициенты К и 5, можно с высокой точностью и высоким быстродействием получить информацию об истинном значении измеряемой температуры Т.

В случае, когда измеряемая температура Т изменяется медленно и температурная постоянная времени такого измерения равна или больше температурной постоянной времени .т, термочувствительного пьезорезонатора 3, последний успевает равномерно прогреваться, величина Т вЂ” Т, = 0 и информационная разностная частота

Ц «Ы„- и„,+К К„.Ц(Т-Т.11. ..4

При правильном выборе коэффициентов Кц и 5 значения информационной частоты ир, полученные по выражению (7) для случая медленного измене- 25 ния температуры и по выражению (8) для быстрых изменений температуры при одинаковых величинах перепадов температур аТ„ = ьТ должны быть равны ю = Qp . Отсюда можно полу2

30 чить условие, позволяющее легко рассчитать необходимые значения коэффициентов k5 и 5, а именно: если значение аТ1 для медленного изменения перепада температур равно значению дТ для быстрого перепада температур, то И, по выражению (7) равно у, вычисленному по выражению (8), а значит, условием для расчета вели- . чин k и 5 будет выражение

20

К «к к 5. т т

Поскольку градиентный и интеграль-45 ный частотные коэффициенты чувствительности пьезорезонатора 3 К, и соответственно определяются выбором конкретного среза пьезокварцевого материала для термочувствительного пье-50 зорезонатора 3 и для каждой конкретной конструкции пьезодатчика определяются экспериментально, то выражение (9) лучше представить в виде 55

Кт

К„5 т (i0) 7 1229

При быстром изменении температуры контролируемой среды, постоянная времени которого гораздо меньше температурной постоянной времени пьезорезонатора 3, но соизиерима с температурной постоянной времени 2 подэлектродной области дополнительного электрода 10, то за время 3 7 са с интегральный прогрев пьезорезонатора 3 будет мизерным, т.е. составляю- 10 щая примет максимальное значение, причем в этом случае k (Т-ТО1 = О, зато градиентная разность аТ; = Т -T, T = Т; Т "-Т, где Т вЂ” измеряемая о э 2 э

15 температура. В результате для ин. формационной разностной частоты получим

603

Таким образом,-при выборе параметров функциональных узлов согласно выражению (10) уже для времен измеренг

Гц > 3, где — температурная постоянная времени подэлектродной области дополнительного электрода 10 пьезорезонатора 3, на выгоде устройства 7 формирования разностной частоты будем иметь частотный сигнал (6), с высокой степенью точности соответствующий,значению измеряемой температуры Т. Величина температурной nocnl тоянной времени подэлектродной области дополнительного электрода 10 пьезорезонатора 3 на иного порядков может быть меньше температурной постоянной времени пьезорезонатора 3 в целом

<. э э (») где б — общая площадь пьезорезонатора 3; g — площадь подэлектродной

I области дополнительного электрода 10;

Ур и Уэ — объемы пьеэокварца в соответствующих областях. Это утверждение не противоречит также и условию (10), однозначно определяющему выбор параметров К и 6, так как интегральный частотный коэффициент температурной чувствительности может быть на много порядков больше коэффициента чувствительности а этот коэффициент, как и постоянная времени с, пропорционален площади 5 подэлектродной области дополнительного электрода 10 пьезорезонатора 3. При таком соотношении коэффициентов Кт и К справедливость соотношения (10) для предлагаемого устройства обеспечивается, как правило, за счет выбора соответствующего дифференциального усилителя постоянного тока с требуемым входным сопро.тивлением и коэффициентом передачи К (современные усилители постоянного тока обеспечивают k до 10 -10

4 при, „(2-3) 10 Ом) .

Таким образом, видно, что быстродействие предлагаемого устройства соизмеримо с температурной постоянной и< времени и на много порядков превышает быстродействие известного устройства, соизмеримое с температурной постоянной времени, пьезорезонатора 3 и с постоянной времени с„ механического звена этого устройства.

1,".Л603

При этом для времени измерения 1 „> 3 7 сс ь величина измеряемой температуры Т пропорциональна значению информационной разностной частоты Ыр, которая измеряется регистрирующим устройством и полностью определяется выражением (6), одна из составляющих в правой части которого т(Т-Т ) пропорциональна скорости интегрального нагрева пьезорезонатора 3, а другая 10 (т K 5(Т -Т4) — Градиентной Разности температур между дополнительным электродом 10 и областью пьезорезонатора 3 под основными электродами.

Сумма этих двух составляющих в выражении (6) для величины (о для всех

Т„ 3 c. о с т а е т с я п о с т о я н» но и, а соотношение между их величинами в промежутке времени 3 P. 4 = ЗГ все время изменяется„ а именно: составляющая 1„ (Т-Т ) в процессе интегрального прогрева пьеэорезонатора 3 .Растет,а составляющая k, К„ 5(Т„-т„) по мере уменьшения разности (Т,- T, ) уменьшается и при полном прогреве термочувствительного пьезорезонатора 3, т.е . при T = сонь 1 сведется к нулю.

Как показывают расчеты, максималь-щ ное значение градиента температур, а значит, и максимальная крутизна цепи регулирования в предлагаемом устройстве достигается при использовании в качестве пьезокварцевого чув35 ствительного элемента линзового пье-зорезонатора. Однако возможно применение пьезореэонаторов другого типа, например плоскопараллельных. При использовании резонатора другой конструкции дополнительный электрод также должен располагаться вблизи кромки пьезоэлемента, однако в этом случае в подэлектродной области дополнительного электрода будет находиться гораздо большая часть материала пьезоэлемента, а это значительно снизит скорость достижения градиентом температур своего максимального значения.

Работа устройства при понижении температуры окружающей среды не отличается от работы при ее повышении за тем исключением, что градиент температур меняет свой знак. Однако при этом меняют свой знак и напряжения (силовые) в теле пьезоэлемента, Если

ВНИИПИ Заказ 2444/41

Произв. -nomrrp. пр-тие, г при повышении температуры они были растягивающими (для тела пьезоэлемента), то при снижении ее они становятся сжимающими. При этом меняется знак разности потенциалов Ар между электродами пьезоэлемента 3, а значит, и полярность напряжения на входе дифференциального усилителя 9. Это автоматически приводит к смене знака напряжения на выходе этого усилителя и к соответствующему изменению управляюиего напряжения на управляющем элементе 2 — варикапе. Так как рабочая точка варикапа путем подбора сопротивления резисторов 1, и 1 выбрана на середине его характеристики управления, то при повышении температуры окружающей среды и положительном напряжении на выходе усилителя получают подстройку собственной частоты пьезоэлемента f, положительного знака (т.е., увеличивается), а при снижении температуры и отрицательном напряжении на выходе усилителя — подстройку частоты 1 отрицательного зуака (т.е. f уменьшается).

Формула изо брет ения

Устройство для измерения температуры, содержащее термочувствительный пьезорезонатор, включенный основными электродами в частотно-задающую цепь измерительного автогенератора, выход которого подключен к первому входу устройства формирования разностной частоты„ второй вход которого соединен с выходом опорного автогенераТираж 778

Подписное

Ужгород, ул. Проектная, тора, а выход подключен к регистратору, дифференциальный усилитель постоянного тока, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что, с целью повышения быстродействия при обеспечении высокой точности измерения, термочувствительный пьезорезонатор снабжен дополнительным электродом, расположенным вне зоны активных колебаний центросимметрично относительно оси максимальной силовой чувствительности этого пьезорезонатора, а в частотно-задающую цепь измерительного автогенератора введен частотно-управляющий элемент, вход которого соединен с выходом дифференциального усилителя постоянного тока, входы которого подключены к одному из основных и дополнительному электроцам термочувствительного пьезорезонатора.