Устройство для измерения температуры

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ Союз Советскик Социалистических Республик(22) Заявлено 0304.80 (21)с присоединением заявки йо(23) Приоритет С 01 К 5/ сударствеиимй комитет СССР по делам изобретеиий и открытийллетень йо 4ия 23.1).81 Опубликовано 23.1).81. Бю Дата опубликования описа 536.516 (088. 8) Заявител Военный инженерный Краснознаменный инстит им. А.ф. Можайского54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУ ы о т о орогопорноОднладаетОтличиний стрлебаниокружаюношени б ба к ы 0 Ы 1, ), б,оп,Е 2 2 с Е гдеЫВ - температурный коэффициентрасширения;Ы - температурный коэффициентмодуля упругости;Е - модуль нормальной упругосКоп- допустимое напряжение материала струны.Для струны, выполненной из угле дистой струнной стали, коэффициент входящие в формулу (1) равны.сЕ 12 101/град1/гад-6Е = 20 104 н/ммбдили=. 800 н/мм ; (2 т 2 При этом отнооительность частоты вынуждструны зависит от и ая нестабильенных колебанийенения темпераИзобретение относится к технике измерения температуры.Известен датчик температуры, со- держащий дилатометрический чувствительный элемент и резонансную систему, 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, содержащее генератор опорной частоты, последовательно включенные блок деления частоты, усилитель, выход которого сое динен 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 коподключен к одному.иэ вчастоты 2).ко известное устройство малым диапазоном измерен ЬЧ фазы вынужденных кол уны от фазы возбуждающих при изменении температур щей среды определяется стуры окружающей среды и определяетсясоотношением- 6,6 10а для разности Фаз справедливамула фор 5 15 4 О( ) где Б = 512 коэффициент умножения. Следовательно, погрешность измерения известного устройства, обусловленная ошибками фазометра равна:д,Т -- 3 10 град).5126, б 10Таким образом, известное устройство позволяет измерять температуру окружающей среды в диапазоне 2 фС и погрешностью дДТ = 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 Н) .Цель изобретения - расширение ди апазона измеряемых температур при сохранении высокой точности измерения. 60 Ь 1-"2 О, (4) где Я - добротность резонатора (струны)Резонатор, выполненный из углеродистой струнной стали имеет добротность порядка Ц = 200-700. Для резонансной системы, использованной в известном устройстве, положим добротность 0 = 500. Тогда по формуле (4) имеемД 9 = 6,6 10 ЬТ (радиан);ДЧ= 0,376 дТ (градусов);ОАТ= 0,376- -"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 ДТ (градусов), что эквивалентно крутизне,преобразования всего устройства-- 192,512 - в - (6) 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 КО=10 Ь 9. Погрешность измерения температуры окружающей среды определяется по Формуле Поставленная цель достигается тем,что в известное устройство для измерения температуры дополнительновведены последовательно соединенныевторой и третий блоки деления частоты, второй и третий блоки умножениячастоты, второй и третий блоки сравнения фаз и блок преобразования.При этом второй выход генератораопорной частоты соединен со входомтретьего блока деления частоты, выход которого соединен со входом второго блока деления частоты и однимиз входов второго блока сравненияфаэ, выход второго блока деления частоты соединен со входом первого блокаделения частоты и одним из входовтретьего блока сравнения фаз, а выход третьего блока умножения частотысоединен с вторым входом третьегоблока сравнения Фази входом второго блока умножения частоты, выходкоторого соединен с входом первогоблока умножения частоты и вторым входом второго блока сравнения, причемвыходы блоков сравнения фаз подключены к соответствующим входам блокапреобразования.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 7возбуждения резонансной системы,резонансную систему 8, струну, датчик 9 колебаний струны, блоки 10, 11и 12 умножения частоты, блоки 13,14и 15 сравнения фаз, блок 16 преобразования.Устройство работает следующим образом,С опорного. генератора 1 сигналпоступает на первый блок 15 сравнения и третий блок 2 деления частотына И, понижающий частоту колебанийопорного генератора в Б раэ, котораяпоступает на второй блок 14 сравнения фаз и второй блок 3 деления частоты на, понижающий частоту в Р раз,которая поступает на третий блок 13сравнения Фаз и первый блок 4 деления частоты на ц, понижающий частоту в ц раз до значения, равного средней резонансной частоте резонанснойсистемыС выхода первого блока 4деления частоты сигнал поступает навход усилителя 5 и на блок 7 возбуждения резонансной система, которыйвозбуждает вынужденные колебания врезонансной системе 8 Фаза вынужденных колебаний резонансной системы8 отличается от Фазы вынужденныхколебаний в блоке 7 возбуждения навеличину Ь 9, пропорциональную разности среднего и действительного значения резонансной частоты резонансной системы;ЬЧ=К Орем.действ "реэ.сР)(10) 55 Для однозначного измерения нагрубой шкале необходимо, чтобы коэф фициент умножения был меньше 9,5.Выбираем И 1 = 9. С целью повышения точности измерения температуры, необходимо ввести вторую шкалу отсчета по Д 92. При этом погрешность.65 измерения по грубой шкале сйддне 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 Ь Ч относительно фазы вынуждающих колебаний, Блок 10 умножения частоты производит умножение частоты и фазы вынужденных колебаний в Ч 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 Р 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 Б раз, Колебания с его выхода поступают на вход первоГо 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 с 1 ду,сигнал с выхода блока 14 сравнения фаз пропорционален умноженному сдвигу фаз цР Д 9, сигнал с выхода блока 15 сравнения фаз пропорционален умноженному сдвигу фаз с 1 Р И д 9) поступают на блок 16 преобразования, где происходит преобразование сигнала к виду, удобному для регистрации.Полученные фазовые сдвиги с 1 ДУ, с 1 РЬЧ, с 1 РИЬф 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 навход второго блока 14 сравнения фази на блок 12 умножения частоты, сего выхода колебания на частоте5 мГц поступают на блок 15 сравнения фаз. С изменением температурыокружающей среды изменяется собствен"ная частота резонансной системы,выполненной в виде струны, вынужденные колебания которой отличаютсяпо фазе на ЬЧ от возбуждающих колебаний, при этом на блоках сравненияимеется разность фаз, равная следующим значениям:а) блок 13 сравнения фаз выдаетсигнал, пропорциональный величи не 9 "Ь 91б) блок 14 сравнения фаз выдаетсигнал, пропорциональный величине 360 ЬМ рв) блок 15 сравнения фаэ выдает 20 сигнал, пропорциональный величине 14400 ЬР.Блок 13 сравнения фаз создает гру",бую шкалу измерения температуры,обеспечивая однозначность отсчета, ноне обеспечивает нужной точности, пос"кольку работа блока сравнения фазсопровождается ошибками измерения.Положим, что на грубой шкале ошибкафазометра равна. При этом, попоказаниям фазометра, мы можем судить о значении температуры окружающей среды по следующей формуле Ошибка определения истинного значения температуры окружающей среды не больше, чем ст г 2 Я,/( Й) д дТ: - (6,8 10 (гРОАС). Пусть диапазон изменения окружающей температуры.ЛТ = 100 РС, 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: й2 лТ 2 Л;.иногда М2,БОУ. 2,5 Выбираем И При это ку второго,240 ьеи шк дЧгде Ю дТ 2 ведя анаучим 0=4030змеренйя ии,кспертиз свидетельство СССР01 К 5/56, 1972.свидетельство СССР01 К 5/56, 1977 1. Авторское 9 445856, кл, 6 2, АвторскоеР 662823, кл, ;(прототип),ла изобретени 45 должна превосходить половины интервала измерения на второй шкале, Дляего полагаем 21 (г 2 й,. (12)5д 9Пусть К( =д у) гд "1= дт д",определим погрешностпературы по формуле логичные рассуждения, ии определим погрешностьтемпературы по формуле-(/(МН - )= (,04 И (гРсдс).сЧ -4(16) Приведенные расчеты показывают,что использование предлагаемого устройства позволяет при сохранении высокой точности измерений значительно увеличить диапазон измерения тем-пературы окружающей среды,Устройство для измерения темперауры, содержащее генератор опорной частоты, последовательно включенныеблок деления частоты, усилитель, выход которого соединен с входом блока возбуждения резонансной системы,выполненной в виде натянутой струны,датчик колебаний струны, выход которого соединен с последовательновключенными усилителем, блоком умножения и блоком сравнения фаз, второй вход которого подключен к одному из выходов генератора опорной частоты, о т л и ч а ю щ е е с я тем,что, с целью расширения диапазонаизмеряемых температур при сохраненииточности измерений, в него дополнительно введены последовательно соединенные второй и третий блоки деления частоты, второй и третий блокиумножения частоты, второй и третийблоки сравнения фаз и блок преобразования, при этом второй выход генератора опорной частоты соединен совходом третьего блока деления частоты, выход которого соединен со входом второго блока деления частоты иодним из входов второго блока сравнения фаэ, выход второго блока деления частоты соединен со входомпервого блока деления частоты и одним из входов третьего блока сравнения фаз, а выход третьего блокаумножения частоты соединен с вторымвходом третьего блока сравнения фази входом второго блока умножениячастоты, выход которого соединен свходом первого блока умножения частоты и вторым входом второго блока сравнения, причем выходы блоков сравненияфаэ подключены к соответствующим входам блока преобразования. Источники инфо принятые во внимание пр883669 Составитель Н. Горшкова Техр ед А. Ач Корректор О. Бил Редактор П. ОртУт Заказ 10209/6 г ий и ская илиал ППП фПатент, г. Ужгород, ул. Проектная Тир ВНИИПИ Го по дела 35, Москва