Устройство для измерения неравномерности амплитудно- частотной характеристики термопреобразователей в диапазоне инфразвуковых частот

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

oii993157

Союз Советскик

Соцналист ические

Республик (61) Дополнительное к авт. свид-sy(22) Заявлено 10Я781 (21) 3315139у18-21 (5g) М Кп з сприсоединениемзаявки HоG 01 R 27/28

Государственный комитет

СССР но делам изобретений и открытий (23) Приоритет

1Щ УДК 621 . 31 7,,/.757 (088.8)

Опубликовано 300133.Бюллетень Мо 4

Дата опубликования описания 30,01ЯЗ .t (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ НЕРАВНОМЕРНОСТИ

АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ

ТЕРМОПРЕОВРАЗОВАТЕЛЕЙ В ДИАПАЗОНЕ

ИНФРАЗВУКОВЫХ ЧАСТОТ

Изобретение относится к технике измерений и может быть использовано.. для измерения, неравномерности амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) термопреобразователей в инфра-, звуковом диапазоне частот. известно устройство для измерения амплитудно-частотных характеристик, которое может быть применено для измерения неравномерности амплитудночастотной характеристики термопреобразователей (1 ).

Недостатком устройства является частотная нестабильность выходного уровня напряжения перестраиваемого генератора, входящего в состав устройства.

Нестабильность генератора должна быть меььше неравномерности амплитудно-частотной характеристики термопреобразователя. Обеспечение же высокой частотной стабильности, равномер ности) уровня выходного напряжения перестраиваемого генератора в диапазоне инфракрасных частот является сложной задачей ° Если даже требуемой стабильности удается достичь, то она не может быть проконтролирована вви- ду отсутстьия прецизионной аппаратуры .для измерения тока в диапазоне инфразвуковых частот.

Наиболее близким к предлагаемому техническим решением является устройство для измерения низкочастотной погрешности и перехода термопреобра-. зователя, содержащее ипфраэвуковой генератор,.к выходу которого последовательно подключены входы исследуемого термопреобразователя и электродинамического компаратора. Выход исследуемого термопреобразователя и выход образцовой катушки электродинамического компаратора через низкочастотные фильтры соединены с потенциометром Постоянного тока. Регулируя выход .генератора, показания электродинамического компаратора поддерживают постоянными,о чем свидетельст-, вует постоянство падения напряжения на образцовой катушке компаратора, контролируемое потенциометром постоянного тока. Постоянство показаний электродинамического компаратора свидетельствует о постоянстве уровня переменного тока, протекающего через исследуемый термопребразователь.

Частотную погрешность перехода термопреобразователя определяют по отно30 сительному изменению термоэлектродви993157 жущей силы, измеряемой тоже с помощью потенциометра постоянного тока, при изменении частоты генератора C2 ), Недостатком известного устройства является низкая разрешающая способ-: ность и точность определения неравномерности амплитудно-частотной характеристики из-за частотной неравномерности поддержания уровня тока, протекающего через исследуемый термопреобразователь, что является следствием частотной неравномерности электродинамического компаратора.

Пель изобретения — повыщение разре- шающей способности и точности измерений: 15

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения::, неравномерности амплитудно-частотной характеристики термопреобразователей в диапазоне инфразвуковых частот, -О содержащее перестраиваемый генератор и фильтр нижних частот, входом соединенный с одной из входных клемм устройства, введены два измерительных термопреобразователя, два потен- циала, два потенциометра, резистор, нуль-индикатор, генератор испытательного сигнала и сумматор, при этом выход перестраиваемого генератора соединен с одним из входбв сумматора и с первым входным выводом первого измерительного термопреобразователя, второй входной вывод которого соеди нен с корпусом устройства„ выход гене ратора испытательного сигнала соединен с вторым входом сумматора и с : 35 первым входным выводом второго измерительного термопреобразователя, второй входной вывод которого. подключен к корпусу устройства и к одному из.

его выходных выводов, а второй выход-4О ной вывод упомянутого.термопреобразователя подключен к первому выходному выводу первого измерительного термопреобразователя, второй выходной вывод которого через первый потенциометр подключен к корпусу устройства, а подвижный вывод последнего соединен с одним из входов нуль-индикатора, второй вход которого соединен с подвижным выводом второго потенцио- ° о метра, первый вывод которого подключен к выходу фильтра нижних частот, а второй вывод через резистор соединен с корпусом устройства, выход сумматора соединен с второй входной клеммой устройства.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства; на фиг. 2 временные диаграммы напряжений, поясняющие работу устройства.

На чертеже приняты следующие обозначения напряжения: U è U> на выходах перестраиваемого -генератора 1 и генератора испытательного сигнала

2; напряжение П на выходе сумматора 5; напряжение П д на выходе иссле- 65

U3 KS U1

4 4 2

Г2) где U u U - постоянные напряжения

3 4на выходах термопреобразователей 3 и 4;

К и К4 — коэффициенты преобразования термопреобраэователей 3 и 4.

Сумма постоянных напряжений П3и

U4 с последовательно и согласно включенных выходов термопреобразователей

3 и 4 подается на вход потенциометра 12 °

При идентичности характеристик термопреобразователей 3 и 4 КЗ=К4=К .

В этом случае на входе потенциометрЛ

12 действует постоянное напряжение, равное

u = U +U4 = К (U +U,), З) где u — суммарное постоянное напря% жение на последовательно включенных выходах термопреобраэователей 3 и 4;

K — коэффициент преобразования термопреобраэователей 3 и 4. .Часть указанного напряжения Пд подается .на один иэ входов нуль-индикатора 15. дуемого термопреобразователя 10, выэванное входным напряжением 0, напряжение Ug инфразвуковой частоты, на которой определяется отклонение амплитудно-частотной характеристики; напряжение Uxnw на выходе исследуемого термопреобрезователя 10, которое имело бы место, если бы на его входе действовало напряжение Uz.

Устройство содержит перестраиваемый генератор -1, генератор 2 испытательного сигнала, измерительные термопреобразователи 3 и 4, сумматор 5, выполненный по схеме масштабного усилителя на.операционном усилителе 6 и резИсторах 7 — 9, исследуемый термопреобразователь 10, фильтр 11 нижних частот, потенциомет- ры 12 и 13, резистор 14, нуль-индикатор 15 .и входные клеммы 16 и 17 устройства.

Устройство работает следукФцим образом.

Равные по величине выходные синусоидальные напряжения U. и U< генераторов 1 и 2 подаются соответственно на входы измерительных термопреоб- раэователей 3 и 4. Поскольку напря- жения У,и 0 выбираются в пределах звукового диапазона, то на выходе каждого из термопреобразователей

3 и 4, действует постоянное напряжение, пропорциональное квадрату действующего эйачения входного напряжения, т.е. в

99З157 (9) 3 3 R(< -ш )7ь

1 н(1 (ю„-н 1вев) (" s (-

Аналоговый сумматор 5 служит ддя суммирования подаваемых на его входы п3 И2 1 2/ напряжений И и И . Выходное напря-..

1 2 ° и 2 жение IJ+ аналогового сумматора 5 ) н " .(.„...,,, : поступает на вход исследуемого термо- „Г. преобразователя 10. Выходное напра- 5 ((1 2) чаи tS s("4 ац 1 (Sf жение термопреобразователя 10 через

Фильтр 11 нижних частот подается íà re M< = arctg 1 /2 <; Ч arctg1/2öô ° последовательное соединение потен- Г = вс те циометра 13 и резистора 14. Постоянтепловая постоянная в емен нагревателя. ное напряжение, снимаемое со средне рО С учетом го потенциометра 13 поступает на учетом оговоренного жиае р М,- д = 2Я, а также вв второй вход нуль-индикатора 15. 1

-, а, же введя замену

Напряжения инфразвуковой частоты, Ш +ы = 2ац р(гдето = " c ) посл, на которой измеряется отклонение АЧХ, Р 2 .Форьяруется из суммы двух равных по )S tòðèãîíîìåòðè÷eñêèõ преобразований амплитуде гармонических напряжений ;уравнение (5) принимает вид: с частотами, отличающимися на удво- 32 и енное значение инфразвуковой частоты., g

3 R

При подаче на вход термопреобра- Е-уст 2Н Юп(2ш„1+ VP зователя 10 суммарного напряжения И

2Н 1+4в t

U = U < sinmqt + U sin wZt, где „= 0щ -. амплитуды Напряжений; ш.,и 3mR 3т Р

1 2 р - частоты напряжений Б„и Ц2 соот4 — —

sis(3q âí1 )i ветственно.

ZH . 2

2Н 1+4ш " дифференциальное уравнение тепло- 25

2, вого состояния нагревателя термопре- 3 3 R 3 3 образователя имеет вид: + " z

+ М (2Я ф)(Im„sin wÄt + ?,„sinai>t)zR,= . 1м4 <

Н 1+.4и С 2

mc + H&E (4) 30 «s4 (2ì ++ ), где I „sin e„ t+I sine@>t мгnoBeнное aйачение тока - ПосколькУ частоты ы, и ш2 выби пропорционального напряже-,РаютсЯ в звУковом Диапазоне, а постони,) . . HHBGsi времени С термрпреобразоватеsinw t=i I sinw t = i2mz 2 ля составляет от десятых долей до

- мгновенное значение токов, единиц секунд, то легко обеспечить пропорциональные состав- такой выбор частот 041 и м)2, при ляющим напряжения U р. котором выполняются условия а

9 — температура перегрева нагре-41 m< вг )> 1 ° WP ее 1р Р >)1. (7) вателя при пропускании че-: рез него тока i, С учетом выполнения условий (7) сопротивление нагревателя; уравнение (6) упрощается и принимает

Н вЂ” коэффициент.теплоотдачир 3 3 Я

m - масса нагревателя; Й 7. 2 1 и с - удельная теплоемкость ма- S 8 - = (3 +3 /+ " р з "Ф ф

45 тернала нагревателя; . уст 1 1+4 Я. -а (2Н ю п1Я/ 2 Z

ch - частота, на которой измеряется АЧХ.

Из (б) видно, что температура нагред я установи егося теп ового . )вателя, а следовательно, и термоэлектрежима решение у равнения (4) имеет 50 РодвижУщаЯ сила на выхоце теРмопЬевид: образователя содержит постоянную и переменную составляющие, т.е.

32

6

","

1 в =в +e уст - ср Е

2Н

° » (2 <<+9,)+ 55 R 2 д уст ц< .4@ 2 2 t где8g = -7 — (I + Х ) Р Н 1 2 (10)

32 Р

- среднее значение температуры нагреЗш" 3 вателя (постоянная составляющая);

2 I щ Iä÷

2Н 2Н 1+4Р7 2 2 Е = " " sin(ãà t+ Ð). (11)

2 Н 1+4%1 с2 переменная составляющая температуры нагревателя.

Как -видно из выражения (10), 5 постоянная составляющая температур

993157 нагревателя термопреобразователя при подключении к нему напряжений U и

И 3 эквивалентна подключению источника напряжения с параметрами, равными 2 2 2% х () z) или

Оценка динамического режима термо- 10 преобразователя 10 для случаев подключениЯ к немУ напРЯжениЯ Ухи И2 может быть произведена по величине отношения переменной составляющей температуры нагревателя к ее среднему зна- 35 чению.

Для случая подключения к термопреобразователю 10 напряжения из выражений (10) и (11) следует (2Я +Ф) 23щ 3 з п

32,2

Н

8 — cp

Пос сольку. значения 1„„„и I при создании напряжения выставляются одинаковыми, то даже с учетом возможной относительной амплитудной нестабильности генератора 1 и 2 можно записать следующее приближенное равенство: щ (15) 21 „Т,„1„, + 1,„ 1 2 I п 2

Например, при отличии величин I „и

I > ЗЪ указанное равенство обеспечи- 3g вается с погрешностью не более 0,05Ъ.

Поэтому с учетом (15) выражение (14) принимает вид

sin (2Я t+ ф)

2 22

Из выражения (16) видно, что динамический режим термопреобразователя

10 одинаков как для случая подачи на него суммы напряжений разных частот

U так и для случая подачи на термопреобразователь одного напряжения инфразвуковой частоты (I).

В выходном напряжении исследуемого термопреобразователя 10 в зависимости от разности частот ы„— w< — — 2Я генераторов 1 и 2 может содержаться переменная составляющая (выражение (11)), что соответствует случаю, когда частота Я принадлежит к инфра- звуковому диапазону или переменная составляющая может отсутствовать, если частота Я находится в пределах звукового диапазона (выражение 10).

Случай, при котором Я находится в пределах звукового диапазона, т.е. биения," возникающие при протекании токов частот w и ы через нагреватель исследуемого термопреобразователя 10, происходит со звуковой частотой (теомопреобразователь 10 65 при этом работает в статическом режиме), используется при калибровке предлагаемого устройства. Для калибровки устройства предварительно отградуированный в относительных единицах потенциометр 13 (выражение (2)), устанавливают в положение, которое условно принято за нулевое. Это положение соответствует нулевому отклонению амплитудно-частотной характеристики, т.е. -соответствует коэффици- енту преобразования термопреобразователя 10 на выбранной в качествеопорной частоте,Я . Устанавливают разность частот, исходя из условия

Т «Яо«ш2 (17) которое обеспечивает биения частот

w и ы генераторов 1 и 2 в звуковом диапазоне, т.е. обеспечивает .статический режим работы термопреобразователя 10. После этого с помощью потенциометра 12 добиваются нулевого показания нуль-индикатора 15 °

О) 1+" )

rx

R+ г„ (18) где K12 — коэффициент передачи потенциометра 12;

К вЂ” коэффициент преобразован:ия исследуемого термопреобразо- вателя 10; (U„+Up ) .-среднее значение напряжения

2 на выходе исследуемого термопреобразователя 10, выделенное фильтром 11 нижних частот;

Для измерения отклонения амплитудно-частотной характеристики исследуемого термопреобразователя на инфразвуковой частоте с помощью перестраи ваемого генератора 1 выставляют частоту Я, удовлетворяющую условию ш — ш = 2Я . При этом в случае наличия разбаланса нуль-индикатора:L5 что свидетельствует об амплитудночастотной неравномерности коэффициента преобразования термопреобразователя 10, с помощью потенциометра .L3 устанавливают нулевое показание нульиндикатора 16. Отклонение коэффициента преобразователя 10 на частоте 2 по отношению -к его коэффициенту передачи на опорной частоте Я<, определяют по положению движка потенциометра 13, который отградуирован в относительных единицах (например, в процентах). Регистрируя с помощью нульиндикатора 15 равенство постоянных напряжений на выходах потенциометрах

12 и 13 можно представить выражение (3) в виде

993157

10 ва практически линейна, что позволяет обеспечить высокую точность отсчета измеряемой величины непоСредственно по положению движка отградуированного потенциометра 13. Посколь5 ку низкочастотная неравномерность исследуемых термопреобразователей на практике не превышает единиц процентов, сопротивление потенциометра 13 выбирается -не менее чем на порядок

30 меньше сопротивления резистора 14.

Этим обеспечивается малое затухание .выходного сигнала исследуемого термопреобразователя и малая погреш.ность отсчета измеряемой величины.

<5 Из выражений (20) и (21) видно, что измеряемое относительное отклонение коэффициента преобразования .исследуемого термопреобразователя на заданной частоте не зависит m .

;щ коэффициента преобразования на опорной звуковой частоте не зависит от величины напряжения генератора,что обеспечивает высокую разрешающую способность в определении неравномер. ности .амплитудно-частотной характе,ристики термопреобразователей в диапазоне инфразвуковых частот. (20) К х R+ rx ьКх Or аг хо rrr rrxo 30 лК где -"- - относительное отклонение

К хо коэффициента преобразования термопреобразователя

10 на частоте Я по отношению к коэффициенту пре- 35 образования на частоте Я,;

Дг — изменение сопротивления между средним и нижним крайним выводами потенциометра 13 соответствующее ф относительному отклонению коэффициента преобразования и К„/Кх, r — сопротивление между средо ним и нижним крайним выводами потенциометра 13, соответствующее коэффициенту преобразования на частоте .Яо.

Коэффициент преобразования К =К =

=К измерительных термопреобразова4 телей в выражении (20) представляет собой постоянную величину. Это объясняется тем, что для получения требуемых значений 52 диапазон перестройки ,генератора 1 составляет единицы процентов (выражение (17)) . В таком. узком диапазоне частот коэффициент преобразования термопреобразователя 3 практически постоянный.Постоянный также коэффициент преобразования термопреобразователя 4, посколь. ку он работает на фиксированной частоте ю2.

Как видно из выражения (21), градуировочная характеристика устройст- 65

Формула изобретения

К,r — сопротивление резистора 14 и потенциометра 13, соответственно г ((Й гХ - сопротивление между средним и нижним положениями потенциометра 13.

Для простоты коэффициент передачи сумматора 5 и фильтра 11 нижних частот приняты равными единице.

Так как синусоидальные напряжения Ц„и Uz отличны по частоте, то величина (И „+ 1)2) представляет собой сумму квадратов их действующих значений, т.е. (О, + Ug) = U„+ U (19)

С учетом (19) выражение (18) приво.дится к виду

Зависимость относительного отклонения коэффициента преобразования на заданной частоте Я по отношению к коэффициенту преобразования на опорной частоте Ы от изменения сопротивления потенциометра 13 определяется из выражения (20) и имеет вид;

Устройство для измерения неравномерности амплитудно-частотной характеристики термопреобразователей в диапазоне инфразвуковых частот, содержащее перестраиваемый генератор и фильтр нижних частот, входом соединенный с одной из входных клемм устройства, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерений, в него введены два измерительных термопреобразователя, два потенциометра, резистор, нуль-индикатор, генератор испытательного сигнала и сумматор,при этом выход перестраиваемого генератора соединен с- одним из входов сумматора и с первым входным выводом первого измерительного термопреобразователя, второй входной вывод которого соединен с корпусом устройства, выход генератора испытательного сигнала соединен с вторым входом сумматора и с первым входным выводом второго измерительного термопреобразователя, второй входной вывод которого подключен к корпусу устройства и к одному из его выходных выводов, а второй выходной вывод упомянутого термопреобразователя подключен к первому выходному выводу первого измерительного термопреобразователя, второй выходной вывод которого через первый потенциометр подключен к корпусу устройства, а подвижный вывод последнего соединен с одним из входов нуль-индикатора, второй вход которого соединен с подвижным выводом второго потенциометра, 11 993157 йервый вывод которого подключен к выходу фильтра нижних частот, а второй вывод через резистор соединен с корпусом устройства, выход сумматора соединен с второй входной клеммой устройства.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. "Измерительная техника", 1963, 9 2, с. 34.

2. Безникович A.ß. и Гравии О.Н..

Исследование воздушных многоэлементных термопреобразователей. - Труды институтов Госкомитета, вып. 82(142>, М-Л., Издано стандартов, 1965,с.112. (прототип .

:.==: З9 3157

<х

Составитель Л. Муранов

Редактор А.Фролова Техред E.Õàðèòoí÷èê Корректор В. Прохненко

Заказ 448/60 Тираж 708 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

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