Способ определения температуры среды

 

Сущность изобретения: на объекте размещают крутильный осциллятор и выдерживают его в течение заданного времени до установления стационарного режима. Возбуждают колебания осциллятора, измеряют его собственную частоту. Затем подсчитывают число превышений квадрата огибающей амплитуды флуктуации осциллятора относительно заданного уровня и по измеренным величинам определяют температуру среды 2 ил.

(19) (11) СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (s1)s 6 01 к 11/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ "1 г.,"„г) 4

;V Ю

0, О )> (21) 4704401/10 (22) 13.06.89 (46) 07.10.92. Бюл. М 37 (71) Всесоюзный научно-исследовательский центр по изучению свойств поверхности и вакуума (72) Н.И.Колосницын и Е.А,Патругин (56) 1. Новицкий П.В. Цифровые приборы с частотными датчиками. Л.: Энергия, 1970, с.112 — 117.

А.Пиппард. Физика колебаний, M. Высшая школа, 1985, c,171 — 175, Изобретение относится к области термометрии и может быть использовано для измерения температуры сред в широком диапазоне — от долей кельвина до 2000-3000К.

Наиболее перспективная область применения изобретения — измерение низких (1 К) и высоких (1000 К) температур, Известны многочисленные способы измерения температуры с использованием газовых термометров, термомет р ов сопротивления, теплового излучения тел, температурной зависимости магнитйых свойств вещества и т.д;

Аналогами предлагаемого изобретения являются способы измерения температуры с использованием маятниковых резонаторв или резонаторов, основанных на йзгибных колебаниях механических систем (1). Эти способы измеряют относительные йзменения температуры, т.е. являются относительными. Данные о возможности их применения для измерения низких и высоких температур в литературе отсутствуЮТ.

В качестве прототипа выбран способ определения температуры посредством ре(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ СРЕДЫ (57) Сущность изобретения: на объекте размещают крутильный осциллятор и выдерживают его в течение заданного времени до установления стационарного режима. Возбуждают колебания осциллятора, измеряют его собственную частоту. Затем подсчитывают число превышений квадрата огибающей амплитуды флуктуаций осциллятора относительно заданного уровня и по измеренным величинам определяют температуру среды. 2 ил. гистрации флуктуаций механического осциллятора, находящегося в тепловом равновесии со средой. Температура среды выражается через среднеквадратическую величину флуктуаций. амплитуды осциллятора и его параметры (2).

Выражение температуры в прототипе непосредственно через средний квадрат флуктуаций приводит к значительной погрешности определения температуры йз-за случайных помех и случайных выбрсов измерительйой аппаратуры. В прототипе не приводится способ калибровки измерений, что не дает оснований считать измерения температуры абсолютными. Регистрация флуктуаций проводилась при средних температурах и обоснование применимости прототипа для измерения низких и высоких температур отсутствует.

Цель изобретения — повышение точности измерения абсолютной температуры.

Эта цель достигается тем, что возбуждают собственные колебания осциллятора, определяют частоту колебаний и при необходимости проводят калибровку сме1767360

15

55 щений осциллятора, а после установления теплового равновесия со средой находят эмпирическое распределение превышений квадрата огибающей амплитуды флуктуаций осциллятора заданного уровня, представляют это распределение в логарифмической шкале и методом наименьших квадратов аппроксимиируют начальный участок распределения прямой линией.

Изобретение позволяет с большой точностью определить собствейную частоту осциллятора, которая exopk в расчетную формулу для температуры. При регистрации флуктуаций емкостным способом одновременно проводится калибровка смещений осциллятороа в единицах длины. Кроме того, изобретение позволяет исключить случайные помехи и выбросы измерительной аппаратуры, что повышает точность определения углового коэффициента эмпирического распределения квадрата огибающей; кроме того, остаточная дисперсия дает оценку погрешности определения углового коэффициента, входящего в расчетную формулу для температуры.

Регистрация флуктуаций лазерным интерферометром позволяет выразить смещения осциллятора в длинах световой волны лазера, т.е. в единицах длины и калибровка смещений в этом случае не требуется. Таким образом, предлагаемый способ позволяет проводить абсолютные измерения температуры в широком диапазоне- от долей Кельвина до 2000 — 3000К. При измерении высоких температур в конструкции температурного датчика должны быть применены жаропрочные материалы, На фиг. показано эмпирическое распределение числа N превышений квадрата огибающей заданного уровня х = r и апп роксимирующая это распределение прямая линия с угловым коэффициентом в; на фиг.2 изображено устройство, с помощью которого можно реализовать предлагаемый способ йзмерения абсолютной температуры.

Внутри жесткого корпуса 1 на виброзащитной подвеске (на фиг. не показано) размещают крутильны и маятник 2 с собственной частотй а . На коромысле крутильного маятника 3 устанавливают зеркала (на фиг. не показано) при интерферометрическом способе измерений или металлические пластины 4 и 5 при емкостном измерении, В первом случае в корпусе должны быть предусмотрены окна для прохождения света, а во втором напротив подвижных пластин устанавливают две неподвижные пластины 6 и 7. Одна из них, например 6, с сопряженной ей подвижной пластиной 4 образует датчик смещений, а другая пара пластин 5 и 7 служит для калибровки этого датчика. С пластинами 5 и 7 связан блок 8 формирования калибровочного сигнала. Выход с емкостных датчиков 4 и

6 или фотодетекторов (на фиг. не показаны) при интерферометрической системе измерения связан с входом усилителя 9, выход которого связан с входом блока 10 выделения огибающей. Выход блока выделения огибающей связан с входом ЭВМ 11. Выход

ЭВМ связан с входом индикатора 12.

Определейие абсолютной температуры проводят следующим образом

Устройство помещают в среду, температуру которой следует измерить. По истечении времени релаксации и установления стационарного режима приступают к калибровке: на пластины 5 и 7 подают калибровочный сигнал заданной формы, величины и длительности, Амплитуда этого сигнала записывается в памяти ЭВМ, Определяюттакже собственную частоту механических колебаний маятника и его добротность. Эти данные заносятся в память ЭВМ, В память

ЭВМ заранее также заносятся постоянные

Больцмана и значение конструкционного параметра. Далее с помощью емкостного датчика с пластинами 4 и 6 измеряется текущее значение амплитуды колебаний крутильного маятника. После усиления в блоке

9 сигнал поступает в блок выделения квадрата огибающей. Значение квадрата огибающей записываются в память ЭВМ через равные промежутки времени, которые больше нескольких периодов собственных колебаний маятника, но значительно меньше времени релаксации крутильных колебаний. ЭВМ анализирует накопленный массив данных по максимальному значению измеренной амплитуды и заданному числу уровней(п =100,1000,...), определяет расстояние между уровнями и сами уровни, подсчитывает число превышений каждого уровня и формирует новый массив данных, выражающий зависимость числа превышений уровней от величины уровней. Затем совершается переход к логарифму (натуральному) числа уровней в зависимости от их величины. Методом наименьших квадратов ЭВМ выделяет коэффициент при линейной части этой зависимости, С помощью хранящегося в памяти калибровочного сигнала значение этого коэффициента выражается через единицу длины (метр, сантиметр), По значению углового коэффициента известным значениям конструкционного параметра собственной частоты, постоянная

1167360

Больцмана ЭВМ рассчитывает абсолютное значением темг ературы.

Формула изобретения

Составитель Н.Колосницын

Техред М.Моргентал Корректор М.Петрова

Редактор

Заказ 3542 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101

Способ определения температуры среды, заключающийся в размещении в ней крутильного осциллятора, выдержке его в течение заданного времени до установления стационарного режима и измерении выраженных в единицах длины флуктуаций амплитуды осциллятора, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения точности, перед измерением флуктуаций амплитуды осциллятора возбуждают его колебания и

5 измеряют их собственную частоту, подсчитывают число превышений квадрата огибающей амплитуды флуктуаций осциллятора оносительно заданного уровня и по измеренным величинам определяют температу10 ру среды.