Устройство для измерения температуры

(19) (11) СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 1 К 73 51)5 ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕ Я ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Научно-исследовательский институт технологии машиностроения(53) 536;53(088.8)56) Авторское свидетельство СССР %1229603, кл. 6 01 К 7/32, 1986.Авторское свидетельство СССР(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫРЫ(57) Изобретение относится к термометрии и позволяет повысить точность измерения температуры. В установившемся тепловом режиме температура контролируемой среды и температура термочувствительного пьезорезонатора 1 равны. Температура терморезисторов 8 и 9 равна температуре среды, электрический мост 7 сбалансирован, а управляющее напряжение на выходе дифференциального усилителя 12 соответствует частоте опорного автогенератора 5. При изменении температуры среды разность сопротивленийтерморезисторов 8 и 9 вызывает разбаланс электрического моста 7, а на выходе дифференциального усилителя 12 появляется сигнал, пропорциональный величине изменения температуры среды. 1 ил,30 35 40 45 50 55 Изобретение относится к измерительной технике, а именно к средствам измерения температуры, в которых в качестве чувствительного элемента используется термочувствительный кварцевый резонатор, и предназначено для измерения температуры жидкости и газа в трубопроводах гидрогазодинамических систем.Известно устройство для измерения температуры, содержащее термочувствительный пьезорезонатор, включенный в цепь измерительного автогенератора, имеющего частотно-управляющий элемент, устройство формирования раэностной частоты, опорный автогенератор, регистратор, дифференциальный усилитель, ко входу которого подключены электроды пьезорезонатора, а выход соединен с частотно-управляющим элементом,Недостатком известного устройства является невысокая точность измерения.Наиболее близким к предлагаемому является устройство для измерения температуры, содержащее термочувствительный пьезорезонатор, помещенный в защитную капсулу и включенный в частотно-задающую цепь измерительного автогенератора, подключенного к первому входу блока формирования разностной частоты, второй вход которого соединен с выходом опорного автогенератора, а выход подключен к регистратору; мостовую схему с двумя пленочными терморезисторами, один из которых размещен на поверхности термочувствительного пьезорезонатора вне зоны активных колебаний, а другой - на наружной поверхности защитной капсулы, причем пленочные терморезисторы подключены в смежные плечи мостовой схемы, измерительная диагональ которой подключена ко входам дифференциального усилителя.Недостатками известного устройства для измерения температуры являются сравнительно невысокая точность из-за нестабильности работы частотно-управляющего элемента, а также невысокая надежность, обусловленная размещением одного изтерморезисторов на наружной поверхности защитной капсулы, подвергающейся воздействию высокоскоростных потоков контролируемой среды,Цель изобретения - повышение точности измерения при одновременном увеличении надежности устройства.Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения температуры, содержащее термочувствительный пьезорезонатор, помещенный в защитную капсулу и включенный в частотно-задающую цепь измерительного автогенератора, подключенного к первому входу блока формирования разностной частоты, второй вход которого соединен с выходом опорного автогенератора, а выход подключен к регистратору, мостовую схему с двумя термореэисторами, включенными в ее смежные плечи и дифференциальный усилитель постоянного тока, входы которого подключены к измерительной диагонали мостовой схемы, введена дополнительная защитная капсула, в центре полости которой размещен первый терморезистор, а на ее внутренней поверхности закреплен второй терморезистор, при этом геометрические размеры защитных капсул выбраны из соотношенияГдов РкК Кс)подолглк. де Родоп, гпдоп, Рк, вк - соответственно площади внутренней поверхности и массы дополнительной защитной капсулы и капсулы термочувствительного пьезорезонатора; К 1 - коэффициент, учитывающий тепло- физические и геометрические параметры термочувствительного и ьезорезонатора и первого терморезистора;Кг - коэффициент, учитывающий тепло- физические параметры защитных капсул, а опорный автогенератор снабжен частотно-управляющим элементом, соединенным с выходом дифференциального усилителя.На чертеже представлена схема устройства для измерения температуры.Устройство содержит термочувствительный пьезорезонатор 1, помещенный в защитную капсулу 2 и включенный в частотно-задающую цепь измерительного автогенератора 3, подключенного к первому входу блока 4 формирования разностной частоты, второй вход которого соединен с выходом опорного автогенератора 5, а выход подключен к регистратору б, мостовую схему 7 с двумя терморезисторами 8 и 9, включенными в ее смежные плечи, дифференциальный усилитель 10 постоянного тока, входы которого подключены к измерительной диагонали АБ мостовой схемы 7, и дополнительную защитную капсулу 11.В центре полости дополнительной защитной капсулы 11, выполненной из материала с высокой теплопроводностью, оазмещен первый терморезистор 8, а на ее внутренней поверхности закреплен с помощью теплопроводящего клея 12 второй терморезистор 9.Опорный автогенератор 5 снабжен частотно-управляющим элементом 13, соединенным с выходом дифференциального усилителя 10.Терморезисторы 8 и 9, мостовая схема7, дифференциальный усилитель 10 и частотно-управляющий элемент 13, включенный в схему опорного автогенератора 5,образуют цепь температурной коррекции 5опорного автогенератора 5,Устройство для измерения температуры работает следующим образом.В установившемся тепловом режиметемпературы контролируемой среды и 10температура термочувствительного пьезорезонатора 1 равны, Температура терморезисторов 8 и 9 также равны температуресреды, а мостовая схема 7 сбалансированаи управляющее напряжение на выходе дифференциального усилителя 10 соответствует частоте опорного автогенератора 5,равной 1 о.В этом случае частота пьезорезонатора1 и, следовательно, измерительного автогенератора 3 определяется термочастотнойхарактеристикой пьезорезонатора.В результате частота Е сигнала на выходе блока формирования разностной частоты4 является функцией контролируемой температуры Т.Е = то-тц(Т) (1)где 1 о - значение частоты опорного генератора;1(Т) - текущее значение частоты измерительного автогенератора, определяемоеТХЧ термочувствительного генератора.При использовании в качестве резонатора пьезокварцаС среза, обладающегопрактически линейной ТХЧ, и при медленных изменениях Т, когда ее изменение непревышает 3 тп ( т - постоянная временитермочувствительного и ьезорезонатора взащитной капсуле), зависимость (1) можнопредставить уравнением 40Е = -Ф 4 о+Кп(Т-То) (2)где Т, - 0 С;цо - частота сигнала измерительногогенератора при Т=То,Кп - крутизна характеристики термочувствительного п ьезорезонатора.При ступенчатом изменении температуры контролируемой среды, изменение частоты измерительного автогенераторадолжно проходить по экспоненциальной зависимости ( в соответствии с изменениемчастоты чувствительного элемента):1 Ц=1 цу(1-ей), (3)где Ьу - установившиеся значения частотыизмерительного автогенератора. 55При этом температура второго терморезистора 9, расположенного на внутреннейповерхности дополнительной защитнойкапсулы 10, будет иметь значение, равное температуре контролируемой среды, благодаря наличию хорошего теплового контакта, высокой теплопроводности материала и малой массы капсулы.Температура же первого термореэистора 8 и соответственно его сопротивление будут изменяться также по экспоненциальной зависимостиВв=йу(Т)е;,-, (4) где В(Т) - установившееся значение сопротивления терморезистора 8, определяемое его теплофизическими параметрами;гт- постоянная времени терморезистора 8 в дополнительной защитной капсуле.Так как температуры терморезисторов 8 и 9 будут отличаться, то разность их сопротивлений вызовет разбаланс мостовой схемы 7 и на входах дифференциального усилителя 10 появится перепад напряжений, при котором на его выходе формируется управляющее напряжение, пропорциональное перепаду температур. Это приведет к соответствующему изменению частоты опорного автогенератора 5 и ее значение будет определяться выражениемто = тооф (Т 2-Т 1), (5) где 1 оо - значение частоты опорного автогенератора в установившемся режиме;Кф - крутизна характеристики цепи температурной коррекции частоты опорног, автогенератора;Т 2-Г 1 - перепад температур между терморезисторами 8 и 9. Знак второго слагаемого в выражении (5) определяется знаком градиента температур между терморезисторами 8 и 9.В общем случае частота на выходе блока и формирования разностной частоты будет определяться выражением;Е = со +Кф (Т 2-Т 1)-1 цо+Кп(Т-То)1 (6)Составляющая Кп(Т-То) определяет изменение информационной частоты Е, обусловленное изменением температуры термочувствительного пьезорезонатора 1, а составляющая Кт (Т 2-Т 1) учитывает наличие градиента температур между терморезисторами 8 и 9, величина которого зависит от амплитуды изменения контролируемой температуры и времени, прошедшего после ее изменения.Постоянная времени цепи температурной коррекции частоты опорного автогенератора 5 целиком и полностью определяется постоянной времени терморезистора 9. Подбирая соответствующим образом коэффициент Кт, можно с высокой точностью и высоким быстродействием получить информацию о контролируемой температуре. При этом инерционность всегоустройства будет сравнима с инерционностью терморезистора 9,В предлагаемом устройстве для измерения температуры точность температурнойкоррекции частоты опорного автогенератора 5 обеспечивается за счет условийтеплопередачи для терморезистора 8,размещенного внутри дополнительнойзащитной капсулы 11, условиям теплопередачи для термочувствительного пьезорезонатора 1, помещенного в защитнуюкапсулу 2.Для реализации этих требований необходимо выполнение условийткв = астр 71Тк =одоп,где гк, - постоянная времени термочувствительного пьезорезонатора 1;т,р - постоянная времени терморезистора 8;7 к - постоянная времени защитнойкапсулы 2 термочувствительного пьезорезонатора 1;одоп - постоянная времени дополнительной защитной капсулы 11,В и редлагаемом устройстве для измерения температуры это достигается выборомгеометрических размеров защитных капсул2 и 11 из соотношения:одоп , Гк- =К Кг -вдоп гпкгде одоп, вд,п. Рк, вк - соответственно площадивнутренней поверхности и массы дополнительной защитной капсулы и капсулы термочувствительного пьезорезонатора;К 1 = " Р " Р коэффициСкватвквРтСтр а в р Ек.ент, учитывающий теплофизические игеометрические параметры термочувствительного пьезорезонатора 1 и первого теоморезистора 8;К 2 = - коэффициент, учиты ваСдо, а,С, адопющий теплофизические параметры защитных капсул 2 и 11;Скв, Стр, Сдоп, Ск соответствен ноудельная теплоемкость термочувствительного пьезорезонатора, первого терморезистора, дополнительной защитной капсулы икапсулы термочувствительного пьезорезонатора;акв, атр, адоп, ак СоотавтСтВЕННО КОэффициент теплопередачи термочувствительного пьезорезонатора, первоготерморезистора, дополнительной защитнойкапсулы и капсулы термочувствительногопьезорезонатора; кв, вкв, Гтр, втр - соответственно площади активной поверхности и массы термочувствительного пьезорезонатора и первого терморезистора.5 Предлагаемое устройство для измерения температуры позволяет повысить точность за счет устранения влияния окружающей среды на параметры частотно- управляющего элемента, включенного в 10 схему опорного автогенератора и входящего в состав цепи температурной коррекции частоты опорного автогенератора, при одновременном увеличении надежности за счет размещения второго терморезистора 15 внутри дополнительной защитной капсулы,что уменьшает воздействие на него потока контролируемой среды.Формула изобретения Устройство для измерения температу ры, содержащее термочувствительный пьезорезонатор, помещенный в защитную капсулу и включенный в частотозадающую цепь измерительного автогенератора, подключенного к первому входу блока форми рования разностной частоты, второй входкоторого соединен с выходом опорного автогенератора, а выход подключен к оегистратору, мостовую схему с двумя терморезисторами,. включенными в ее 30 смежные плечи, и дифференциальный усилитель постоянного тока, входы которого подключены к измерительной диагонали мостовой схемы, отл и ч а ю ще е с я тем, что, с целью повышения точности измере ния при одновременном увеличении надежности устройства, в него введена дополнительная защитная капсула, в центре полости которой размещен первый терморезистор, а на ее внутренней 40 поверхности закреплен второй терморезистор, при этом геометрические размеры защитных капсул выбраны из соотношенияодоп , Рк- = К 1 Кг -вдоп вк45 где одоп, вдоп, Рк, вк - соответственно площади внутренней поверхности и массы дополнительной защитной капсулы и капсулы термочувствительного пьезорезонатора;К 1 - коэффициент учитывающий тепло физические и геометрические параметрытермочувствительного пьезорезонатора и первого терморезистора.;К 2 - коэффициент, учитывающий теплофизические параметры защитных капсул, 55 а опорный автогенератор снабжен частотно-управляющим элементом, соединенным с выходом дифференциального усилителя.