Устройство для дистанционного измерения температуры

 

Изобретение предназначено для дистанционного измерения температуры различных объектов в диапазоне от -60 до +60°С. Может применяться в различных областях науки и техники, где использование традиционных измерителей температуры встречает затруднения. Устройство для дистанционного измерения температуры содержит генератор, передающую и приемную антенны, постоянные магниты для создания подмагничивающего поля и частотомер. Генератор является СВЧ-генератором. Он содержит полый резонатор и диод Ганна. Внутри полого резонатора закреплен гиромагнитный резонатор из монокристалла FeBO₃. Такое выполнение устройства позволяет увеличить расстояние бесконтактной передачи сигнала, упростить конструкцию и повысить надежность измерений. 2 ил.

Устройство предназначено для дистанционного измерения температуры различных объектов в диапазоне от -60^oC до +60^oC. Прибор может применяться в различных областях науки техники, где использование традиционных измерителей температуры встречает определенные затруднения, например при измерении температуры атмосферы с использованием метеорологических зондов.

Известно устройство дистанционного измерения температуры [1], принцип работы которого заключается в возбуждении колебаний в измерительной схеме, выполненной в виде генератора и включающей в себя термочувствительный пьезорезонатор. Пьезорезонатор и задает частоту генератора. Температуру определяют по частоте электромагнитных колебаний, излучаемых измерительной схемой. Недостатком способа является наличие электронной измерительной схемы - генератора с излучающей антенной, что значительно усложняет измерительный блок прибора, увеличивает его габариты. Изменение температуры влияет и на параметры элементов измерительной схемы, что сказывается на диапазоне измеряемых температур и приводит к снижению точности измерений.

Известно устройство для измерения температуры, содержащее термозависимый пьезорезонатор в качестве датчика температуры, включенный в частотно-задающую цепь измерительного преобразователя, радиоприемник с регистратором, генератор накачки для возбуждения измерительного преобразователя. Измерительный преобразователь выполнен в виде двухконтурного параметрического генератора с некратными частотами. Это устройство выбрано в качестве прототипа [2] .

Недостатками этого устройства являются незначительные расстояния, на которых можно проводить дистанционное измерение температуры и наличие возбуждающего генератора, расположенного отдельно от измерительной схемы, что значительно усложняет схему прибора.

Технический результат изобретения заключается в увеличении расстояния, на которое возможна бесконтактная передача сигнала от измерительного преобразователя температуры к регистрирующему устройству, в упрощении конструкции прибора и повышении надежности измерений.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для дистанционного измерения температуры, содержащем генератор, передающую и приемную антенны новым является то, что генератор является СВЧ-генератором, содержащим полый резонатор и диод Ганна, причем внутри полого резонатора закреплен гиромагнитный резонатор из монокристалла FeBO₃, устройство также содержит постоянные магниты для создания подмагничивающего поля на гиромагнитном резонаторе и частотомер, подключенный к выходу приемной антенны.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается тем, что используется СВЧ-генератор, содержащий полый резонатор и диод Ганна, причем внутри полого резонатора закреплен гиромагнитный резонатор из монокристалла FeBO₃, устройство также содержит постоянные магниты для создания подмагничивающего поля на гиромагнитном резонаторе и частотомер, подключенный к выходу приемной антенны. Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию изобретения "новизна". При изучении других известных технических решений в данной области техники признаки, отличающие заявляемое изобретение от прототипа, не были выявлены и потому они обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 приведена температурная зависимость резонансной частоты ω для ГР из монокристалла FeBO₃, величина внешнего магнитного поля H = 2 кЭ.

На фиг. 2 приведена принципиальная конструкция предлагаемого устройства для дистанционного измерения температуры.

Устройство содержит гиромагнитный резонатор из монокристалла FeBO₃ 2, полый резонатор 3 с короткозамыкающим поршнем 4, генераторный СВЧ-диод 5, постоянный магнит 6, передающую антенну 7, приемную антенну 8, частотомер 9.

Работает прибор следующим образом. Измерительная головка (ИГ) прибора крепится к объекту 1, температуру которого необходимо контролировать. ГР 2 из монокристалла FeBO₃ крепится внутри полого резонатора СВЧ-генератора 3 на короткозамыкающем поршне 4. Короткозамыкающий поршень изготавливается из материала с высокой теплопроводностью, например из меди, поэтому температура ГР совпадает с температурой объекта 1. При фиксированной температуре T₁ частота излучения СВЧ-генератора определяется типом генераторного СВЧ-диода 5, геометрическими размерами полого резонатора и величиной внешнего подмагничивающего поля на ГР, которое создается малогабаритными постоянными магнитами 6. Излучение генератора через передающую антенну 7 поступает в окружающее пространство. Приемное устройство (ПУ) представляет собой приемную антенну 8, к выходу которой подключен частотомер, фиксирующий частоту выходного сигнала СВЧ-генератора f₁, а следовательно, и температуру T₁. Изменение температуры объекта 1 до T₂ приведет к изменению частоты генератора, частотомер зафиксирует новое значение f₂, соответствующее температуре T₂.

Зависимость частоты СВЧ-генератора f от температуры T является однозначной. Для практических целей удобнее и проще построить градуировочную экспериментальную кривую зависимости частоты генератора от температуры f(T). Современная элементная база позволяет без труда прокалибровать частотомер так, чтобы его показания показывали температуру измеряемого объекта в градусах.

Использование известного СВЧ-генератора в устройстве для дистанционного измерения температуры в диапазоне от -60^oC до +60^oC обеспечивает его малогабаритность, технологическую простоту и надежность. Устройство позволяет контролировать изменение температуры на значительных расстояниях, включая верхние слои атмосферы и ближний космос.

Приведем некоторые конструктивные параметры предлагаемого устройства. При разумных габаритах частота СВЧ-генератора может находиться в пределах f≈10-40 ГГц. С одной стороны увеличение f позволит уменьшить габариты полого резонатора и излучающей антенны, но при этом возрастут габариты и масса постоянных магнитов. Исходя из расстояния, на котором будет происходить контроль температуры, и чувствительности приемной аппаратуры, выбирается мощность, которую способен генерировать диод-Ганна. Для большинства приложений можно применять микромощные диоды Ганна, для питание которых достаточно обычных батареек. Таким образом, нужно выбирать некоторый компромисс исходя из конкретных условий применения устройства. Так, в частотном диапазоне ≈35 ГГц реальные габариты ИГ могут быть 1х2х3 см³. При изменении температуры от -60^oC до +60^oC выходная частота генератора изменяется, при условии оптимальной настройки, от f₁≈37 до f₂≈35 ГГц. В этом случае на 1^oC приходится изменение частоты генератора Δ f≈16 МГц. Современные методы измерения частоты СВЧ-излучения позволят без труда обеспечить высокую чувствительность прибора во всем диапазоне измеряемых температур, не хуже 0,5^oC.

Источники информации 1. Новицкий П.В., Кнорринг В.Г. и Гутников В.С. Цифровые приборы с частотными датчиками. Л.: Энергия, 1970, с. 118-119.

2. Авторское свидетельство СССР N 864027, МКИ G 01 K 7/32, 1981 (прототип).

Формула изобретения

Устройство для дистанционного измерения температуры, содержащее генератор, передающую и приемную антенны, отличающееся тем, что генератор является СВЧ-генератором, содержащим полый резонатор и диод Ганна, причем внутри полого резонатора закреплен гиромагнитный резонатор из монокристалла FeBO₃, устройство также содержит постоянные магниты для создания подмагничивающего поля на гиромагнитном резонаторе и частотомер, подключенный к выходу приемной антенны.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2