Устройство для измерения температуры

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советскик

Социалистических

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИ ЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. сеид-ву (22) Заявлено 030480 (21) 2902697/18-10 с присоединением заявки Ж (23) Приоритет . Опубликовано 232L81. Бюллетень Но 43

Дата опубликоваиияописания 231).81 (53)М. Кл.з

G 01 К 5/56

Государствеиимй комитет

СССР по делам изобретеиий и открытий (53) УДК 5 36 . 5 16 (088.8) (72) Авторы изобретения

В.A. Краснов и В.И. Андрианов т

).

I (71) Заявитель

Военный инженерный Краснознаменный институт им. A.Ô. Можайского (54) - УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

Изобретение относится к технике измерения температуры.

Известен датчик температуры, со- держащий дилатометрический чувствительный элемент и резонансную систе5 му, выполненную в виде натянутой струны. Работа датчика основана на измерении частоты свободных колебаний. резонансной системы, зависящей от состояния дилатометрического чувствительного элемента, определяемого температурой (1).

Однако подобные датчики обладают низкой чувствительностью, малым диапазоном измерения параметров и большой инерционностью.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является устройство. для измерения температуры, содержа.щее генератор опорной частоты, последовательно включенные блок деления частоты, усилитель, выход которого соединен с входом блока возбуждения резонансиой системы, выполненной в виде натянутой струны, датчик колебаний струны, выход которого соединен с последовательно включенными усилителем, блоком умножения и блоком сравнения фаз, второй вход ко- ЗО торого подключен к одному.иэ выходов опорной частоты (21.

Однако известное устройство обладает малым диапазоном измерения.

Отличие АЧ фазы вынужденных колебаний струны от фазы возбуждающих колебаний при изменении температуры окружающей среды определяется соотношением

Ьf 1 1, 6 оп ()

f 2 2 с Е где Ы — температурный коэффициент расширения;

Ы вЂ” температурный коэффициент модуля упругости;

Š— модуль нормальной упругости;

Q o - допустимое напряжение материала струны.

Для струны, выполненной из углеродистой струнной стали, коэффициенты, входящие в формулу (1) равны.

d.Å вЂ” l2 -l0 1/рад

oLg =-300.10 1/ д;

-6

20 104н/мм боои=. 800 н/ -. (2) При этом относительная нестабильность частоты вынужденных колебаний струны зависит от изменения темпера883669 туры окружающей среды и определяется соотношением — 6,6 10 а для разности фаз справедлива мула фор5

4О () где N = 512 коэффициент умножения.

Следовательно, погрешность измерения известного устройства, обусловленная ошибками фазометра равна: д,т — — 3 ° 10 (град).

512 6,6 10

Таким образом, известное устройство позволяет измерять температуру окружающей среды в диапазоне 2 С и погрешностью {k T = 3 10 - (град) .

Из этого следует, что увеличение точности измерения температуры окружающей среды невозможно без умень. шения диапазона измерения. И наоборот, увеличение диапазона измерения окружающей температуры сопровождается уменьшением точности измерения (поскольку должен быть снижен коэффициент умножения N) .

Цель изобретения - расширение ди апазона измеряемых температур при сохранении высокой точности измерения.

Ъ1-2 Q (4) где Q — - добротность резонатора (струны) ° Резонатор, выполненный из углеt родистой струнной стали имеет добротность порядка Q = 200-700. Для резонансной системы, использованной в известном устройстве, положим добротность Q = 500. Тогда по формуле (4) имеем

Ь = 6,6 ° 10 ЪТ (радиан);

ЬЧ= 0,376 hT (градусов);

nVjaT= 0,376 (- — j

После усиления и умножения в

512 раз сигнал на частоте 1 мГц поступает на блок сравнения фаз, причем фаза вынужденных колебаний отличается от фазы вынуждающих колебаний на ЬЧ = 192,512.bT (градусов), что эквивалентно крутизне,преобразования всего устройства — Т

Из формулы (6) видно, что изменение температуры окружающей среды более чем на 2 С приводит к изменению фазы вынужденных колебаний более чем на 276.

Положим абсолютную ошибку измерения разности фаз равной Д =10 ЬЧ.

Погрешность измерения температуры окружающей среды определяется по формуле

Поставленная цель достигается тем, что в известное устройство для измерения температуры дополнительно введены последовательно соединенные второй и третий блоки деления частоты, второй и третий блоки умножения частоты, второй и третий блоки сравнения фаз и блок преобразования.

При этом второй выход генератора опорной частоты соединен со входом третьего блока деления частоты, выход которого соединен со входом второго блока деления частоты и одним из входов второго блока сравнения фаэ, выход второго блока деления частоты соединен со входом первого блока деления частоты и одним из входов третьего блока сравнения фаз, а выход третьего блока умножения частоты соединен с вторым входом третьего блока сравнения фаз и входом второго блока умножения частоты, выход которого соединен с входом первого блока умножения частоты и вторым входом второго блока сравнения, причем выходы блоков сравнения фаз подключены к соответствующим входам блока преобразования.

На чертеже представлено устройство для измерения температуры.

Устройство содержит опорный генератор 1 частоты, блоки 2, 3 и 4 деления частоты, усилители 5 и 6, =лок 7 возбуждения резонансной системы, резонансную систему 8, струну, датчик 9 колебаний струны, блоки 10, ll и 12 умножения частоты, блоки 13,14 и 15 сравнения фаз, блок 16 преобразования.

Устройство работает следующим образом.

С опорного. генератора 1 сигнал поступает на первый блок 15 сравнения и третий блок 2 деления частоты на N, понижающий частоту колебаний опорного генератора в N раэ, которая поступает на второй блок 14 сравнения фаз и второй блок 3 деления частоты на Р, понижающий частоту в Р раз, которая поступает на третий блок 13 сравнения фаз и первый блок 4 деления частоты на q понижающий частоту в q раз до значения, равного средней резонансной частоте резонансной системы..С выхода первого блока 4 деления частоты сигнал поступает на вход усилителя 5 и на блок 7 возбуждения резонансной системы, который возбуждает вынужденные колебания в резонансной системе 8. Фаза вынужденных колебаний резонансной системы

8 отличается от фазы вынужденных колебаний в блоке 7 возбуждения на величину ) 9, пропорциональную разности среднего и действительного значения резонансной частоты резонансной системы: = < Рреэ.действ резср) 883669

Д ьТ„е2У,/() д дТ„(6,84О (грсас).

40 (9) (10) 55

Для однозначного измерения на грубой шкале необходимо, чтобы коэф60 фициент умножения был меньше 9,5.

Выбираем N = 9. С целью повышения точности измерения температуры, необходимо ввести вторую шкалу отсчета по Д 2. При этом погрешность.

65 измерения по грубой шкале с И„д„д не

Между резонансной частотой колебательной системы и температурой окружающей среды существует однозначная зависимость. При изменении температуры окружающей среды происходит изменение резонансной частоты колебательной системы. Вынужденные колебания резонансной системы, снимаемые датчиком 9, сдвигаются по фазе на величину b((относительно фазы вынуждающих колебаний. Блок 10 умножения частоты производит умножение частоты и фазы вынужденных колебаний в

q раз. Колебания с выхода блока умножения частоты поступают на вход третьего блока 13 сравнения фазы и на вход второго блока 11 умножения частоты, который производит умножение частоты и фазы в P раэ, колебания его поступают на вход второго блока 14 сравнения фазы и на вход первого блока 12 частоты, который производит умножение частоты и фазы в N раз. Колебания с его выхода поступают на вход перво1о блока 15 сравнения, на второй вход которого поступают колебания от опорного генератора 1;. Сигналы с выходов блоков сравнения фаэ (сигнал с выхода блока 13 сравнения фаэ пропорционален умноженному сдвигу фаз q ду,сигнал с выхода блока 14 сравнения фаз пропорционален умноженному сдвигу фаз q ° Р Д, сигнал с выхода блока

15 сравнения фаз пропорционален умноженному сдвигу фаз q P N dg) поступают на блок 16 преобразования, где происходит преобразование сигнала к виду, удобному для регистрации.

Полученные фазовые сдвиги q-bY, с1РД9, qPNbg позволяют в преобразующем блоке 16 создать систему шкал для однозначного отсчета температуры в большом диапазоне ее изменения.

Опорный генератор генерирует стабильные колебания на частоте 5 мГц.

Блок 2 деления понижает частоту колебаний в 40 раз, до частоты .125 кГц. Блок 3 деления понижает частоту колебаний в 40 раз, до частоты 3,125 кГц. Блок 4 деления понижает частоту колебаний в 9 раэ, до частоты 347,2 Гц. После усиления в усилителе 5 колебания, равные частоте 347,2 Гц, поступают на блок 7 возбуждения резонансной системы, создающий переменное магнитное поле, возбуждающее вынужденные колебания в резонансной системе в виде струны 8. Колебания струны воспринимаются пьезокерамическим датчиком 9 и поступают на усилитель б частоты.

С выхода усилителя б колебания поступают на умножитель 10 частоты с коэффициентом умножения 9. Сигнал с выхода умножителя 10 колебания на частоте 3,125 кГц поступает на блок

13 сравнения фаз и на блок 11 умножения частоты, с его выхода колеба-ния на частоте 125 кГц поступают на вход второго блока 14 сравнения фаз и на блок 12 умножения частоты, с его выхода колебания на частоте

5 мГц поступают на блок 1$ сравнения фаз. С изменением температуры окружающей среды изменяется собственная частота резонансной системы, выполненной в виде струны, вынуж. денные колебания которой отличаются по фазе на ЬЧ от возбуждающих колебаний, при этом на блоках сравнения имеется разность фаз, равная следующим значениям: а) блок 13 сравнения фаз выдает сигнал, пропорциональный величи15 не 9 "Ь91 б) блок 14 сравнения фаз выдает сигнал, пропорциональный величине 360 bY; в) блок 15 сравнения фаэ выдает

20 сигнал, пропорциональный величине 14400 ДЧ.

Блок 13 сравнения фаз создает гру" ,бую шкалу измерения температуры, обеспечивая однозначность отсчета, но не обеспечивает нужной точности, поскольку работа блока сравнения фаз сопровождается ошибками измерения.

Положим, что на грубой шкале ошибка фазометра равна f/< . При этом, по показаниям фазометра, мы можем судить о значении температуры окружающей среды по следующей формуле

Ошибка определения истинного значения температуры окружающей среды не больше, чем

Пусть диапазон изменения окружающей температуры.ЛТ = 100РС, и необходимо измерить температуру от -50 С до +50 .С. Определим значение коэффициента умножения на грубой шкале, позволяющей однозначно измерить температуру окружающей среды в заданном диапазоне: и 2.Г 21

=95

T c Y 033f4oo — ДТ пТ

ЯЧ

ДТ- bT + 2 883669

tQ (14) .1««2 E должна превосходить половины интервала измерения на второй шкале. Для

«fe ro полагаем

М2 2 СГЧ, «)

df

Пусть /(= )О Ъ д " ЙТ ЬТЙ«(13) .«

Выбираем N2 = 40. 15

При этом,.полагая абсолютную ошибку второго фазометра равной д У =

= 10 ЬЧ2. >e « = М М ат ач

2.. «."«Т " 2 определим погрешность измерения- тем- щ пературы по формуле

d ÜT2 (« « (N t«)ã )=4240 (г сдс) (15) дЧ

2S

Я.—

Полагая для третьей шкалы (f9 =.10 Q9y

d «( где Ч = NqN hlgbT, и проведя ана30 логичные рассуждения, получим 0 =40 и определим погрешность измерения температуры по формуле d T =d зt(N„N2.N3 — äТ )=" 04. о («Гс« 0) (3Ч -4 (16) Приведенные расчеты показывают, что использование предлагаемого устройства позволяет при сохранении высокой точности измерений значитель- 40 но увеличить диапазон измерения тем- пературы окружающей среды. формула изобретения

Устройство для измерения температуры, содержащее генератор опорной частоты, последовательно включенные блок деления частоты, усилитель, выход которого соединен с входом блока возбуждения резонансной системы, выполненной в виде натянутой струны, датчик колебаний струны, выход которого соединен с последовательно включенными усилителем, блоком умножения и блоком сравнения фаз, второй вход которого подключен к одному из выходов генератора опорной частоты, о т л и чающее с я тем, что, с целью расширения диапазона измеряемых температур .при сохранении точности измерений, в него дополнительно введены последовательно соединенные второй и третий блоки деления частоты, второй и третий блоки умножения частоты, второй и третий блоки сравнения фаз и блок преобразования, при этом второй выход генератора опорной частоты соединен со входом третьего блока деления частоты, выход которого соединен со входом второго блока деления частоты и одним из входов второго блока сравнения фаз, выход второго блока деления частоты соединен со входом первого блока деления частоты и одним из входов третьего блока сравнения фаз, а выход третьего блока умножения частоты соединен с вторым входом третьего блока сравнения фаз и входом второго блока умножения частоты, выход которого соединен с входом первого блока умножения частоты и вторым входом второго блока сравнения, причем выходы блоков сравнения фаэ подключены к соответствующим входам блока преобразования.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

Р 445856, кл. G 01 К 5/56, 1972.

2. Авторское свидетельство СССР

Р 662823, кл. G 01 К 5/56, 1977 (прототип) .

883669

Составитель Н. Горшкова

Техр ед A. Ач Корректор О. Билак, Редактор П ° Ортутай

Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4.

Заказ 10209/62 Тираж 910 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам .изобретений и открытий

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