Устройство для измерения температуры

(19 1) 4 С 01 К 7/32 ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТ ИЯ л1 а -"М ф аГОСУДАРСТ 8 ЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИИ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(71) Харьковский ордена Ленина авционный институт им. Н.Е,Жуковско(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ(57) Изобретение относится к областитемпературных измерений. Цель изобретения - повышение быстродействия инадежности пьезокварцевого преобразователя температуры при обеспечениивысокой точности измерений. Устройство содержит измерительный автогенератор 1, термочувствительный пьезорезонатор (ТП) 3, электроды 4 и 5, опор"но-кварцевый генератор 6, устройст1229603 во 7 Формирования разностной частоты, регистратор 8, дифференциальный усилитель 9. Для достижения цели устройство снабжено электродом 10, расположенным вне эоны активных колебаний Изобретение относится к температурным измерениям, а именно к устройствам для измерения температуры с термочувствительным пьезорезонатором в качестве термопреобразователя. , 5Цель изобретения - повышение быстродействия и надежности при обеспечении высокой тфочности измерений.На чертеже приведена схема устройства для измерения температуры.1 О Устройство содержит измерительный автогенератор 1, в качестве которого может быть использована любая типовая схема управляемого напряжением кварцевого автогенератора, например с варикапом в качестве частотно-управляющего элемента 2, термочувствительный пьезорезонатор 3, включенный своими основными электродами 4 и 5 в частот- о но-задающую цепь измерительного авто- генератора, опорный кварцевый генератор 6, устройство 7 формирования разностной частоты, к выходу которого подключен регистратор 8, дифференци- д 5 альный усилитель 9, один иэ входов которого соединен с основным электродом 5 пьеэореэонатора, подключенным к корпусу автогенератора, а другой соединен с дополнительным электродом 10, расположенным центросимметрично отноительно оси максимальной силовой чувствительности этого пьеэорезонатора вне активной зоны копебаний. В качестве дифференциального уси 35 лителя может быть использован неинвертирующий усилитель на операционном усилителе, обеспечивающий высокое входное сопротивление, что позволяет40 наилучшим образом согласовать пьезоэлектрический чувствительный элемент и управляющий элемент 7 автогенератора 1 и одновременно усилить информационный сигнал, получаемый в виде разцентросимметрично относительно осимаксимальной силовой чувствительности ТП, а в частотно-задающую цепь измерительного автогенератора 1 введенчастотно-управляющий элемент 2. 1 ил,ности потенциалов между электродами 5 и 10 пьезорезонатора.Режим работы варикапа 2 подбирается таким образом, чтобы при напряжении одного знака частота автогенератора увеличивалась, а при напряжении другого знака - уменьшалась.Устройство работает следующим образом.Собственные частоты термочувствительного пьезорезонатора 3 и термостабильного пьезорезонатора, входящего в состав опорного автогенератора, отличаются на несколько десятков кило- герц, поэтому при постоянной температуре (Т = сои 0 1 ) на выходе устройства 7 формирования разностной частоты получаем сигнал мгновенное значение которого записывается в виде где Ор - амплитуда сигнала;разностная частота сигнала;определяемая как разность частот сигналов измерительного автогенератора 1а и опорного автогенератора и,т.е, яр = ров Юачр - начальная фаза сигнала разностной частоты,При измерениях температуры Т относительно ее реперного (исходного)значения Т измеряется собственнаярезонансная частота термочувствительного пьезорезонатора 3, а значит, ичастота сигнала ы измерительногоавтогенератора 1. В результате разностная частота сг сигнала на выходеустройства 7 формирования разностнойчастоты является функцией, воздействующей только на пьезорезонатор 3температуры Тз 1229 Причем в случае равномерного по всему объему прогрева пьезорезонатора (т.е. при медленных изменениях измеряемой температуры Т) и при использовании в качестве материала последнего 5 пьезокварца 1.С -среза, обладающего линейными температурно-частотными характеристиками, зависимость (2) с высокой степенью точности можно представить линейной функцией вида Ьу: И; о "т (Т ТоНгде у - частота сигнала измерительианого автогенератора 1 при Т = Т.Д 5К - интегральный частотный коэффициент температурной чувствительности термочувствительного пьезорезонатора 3.При этом минимальная погрешностьизмерений температуры Т может дости 20-4гать 10 . При быстрых измененияхтемпературы Т имеет место неравномерный прогрев термочувствительногопьезорезонатора 3 и появляется темпе 25ратурный градиент между наименее прогретой центральной частью пьезорезонатора и наиболее быстро прогревающимися его периферийными областями. Какпоказывают расчеты, при перепадео(скачке) температуры 1 С для линзового пьезорезонатора градиент Т можетдостигать величины 1,4 10 С/см, чтосоответствует уходу частоты на 1 О Гц6для пьезорезонатора с 1, = 5 -10 Гц.В таком случае достоверную высокоточ ную информацию об измеряемой температуре Т, определяемую посредством выражения (3), можно получить толькопосле полного прогрева пьезорезонатора 3 и, следовательно, после устране ния градиента температур в теле этогопьезорезонатора, что снижает быстродействие.Для устранения этого недостаткав устройстве используется имеющий мес - 45то при неравномерном нагреве пьезокварца эффект наведения пьезоэлектрических зарядов различных величин научастках пьезорезонатора, температура которых отличается. 50В данном случае в термочувствительном пьезорезонаторе 3 такими участками являются центральная часть, совпадающая с зоной активных колебаний,и периферийная часть этого пьезорезо натора, свободная .от колебаний и наиболее быстро воспринимающая воздействие изменяющейся температуры Т,б 03 4тем более, что в случае линзовых пьезорезонаторов периферийная часть пьезорезонатора гораздо тоньше центральной. В результате наличия в периферийной части термочувствительного пьезорезонатора 3 (свободной от активных колебаний, за счет чего обеспечивается минимум влияния на качественные характеристики пьезорезонатора) дополнительного электрода 10 при быстрых изменениях измеряемой температуры Т за счет возникновения температурного градиента между периферийной и центральной частями пьеэорезонатора 3 на основных электродах 4 и 5 и дополни".ельном электроде 10 последнего наводятся электрические заряды различных величин, причем величина этих зарядов оказывается пропорциональной площади электрода и средней температуре под соответствующим электродом. Это, в свою очередь, приводит к возникновению между электродами 5 и 10 разности потенциалов, которая оказывается пропорциональной температурному градиенту га 3 Т- (Т Т, ), где Т, - среднее значение температуры пьезорезонатора 3 под основными электродами 4 и 5, Т - температура пьезорезонатора 3 под областью дополнительного электрода 10. В этом случае для разности потенциалов ь между электродами 5 и 10 пьезорезонатора 3 нетрудно получить простейшее соотношение(4)где К - коэффициент пропорциональносгти, численно равный разности потенциалов между электродами 5 и 10 при разности температур ь Т между ихогеометрическими центрами 1 С, который может достигать значений0,014 В/С.При температурных градиентных явлениях в пьезокварце величина коэффициента К определяется прямым эффектом пьезополяризации, а также возникновением пространственной неоднородности упругих свойств пьезокристаллов, следствием которой также является пьезополяризация, Причем последний эффект непосредственно связан с силовой чувствительностью пьезорезонаторов, знак и величина коэффициента К которой зависят от ориентации относительно кристаллографическихЪ(7) осей этих резонаторов воздействующихусилий.Знак коэффициента К является положительным в секторе, составляющем60 С относительно оси максимальнойсиловой чувствительности пьезорезонатора. Поэтому для достижения максимальной величины коэффициента Ка значит, и максимальной градиентнойразности потенциалов ь, пропорциональной га 3 Т - ьТфТ;Т дополнительный электрод 10 термочувствительногопьезорезонатора 3 должен быть выполнен вдоль края (периметра) этого пьезорезонатора центросимметрично относительно оси максимальной силовойчувствительности пьезорезонатора 3в секторе + 60 относительно этой оси,причем для обеспечения максимальныхзначений год Т и максимальногобыстродействия ширина этого дополнительного электрода 10 должна бытьминимальной и составлять не более2-3 толщины кварцевого пьеэорезонатора, Это обусловлено тем, что при малой ширине электрода 10 при быстрыхизменениях температуры Т температура подэлектродной области электрода 10 с высокой степенью точности зодолжна соответствовать измеряемойтемпературе. Именно этим Фактом иопределяется быстродействие предлагаемого устройства, поэтому объем пьеэоэлектрика в подзлектродной областидополнительного электрода 10 долженбыть небольшим,В этом случае при изменениях измеряемой температуры Т достаточно быстро изменяется и температура частипьезорезонатора 3, находящейся подэлектродом 10, т.е. между областьюэлектрода 10 и центральной частьюпьезореэонатора 3 быстро устанавливается градиент температур 9 га д Твызынающий между электродами 10 и5 пьезорезойатора 3 разность потенциалон ьс, Эта разность потенциаловусиливается дифференциальным усилителем 9 постоянного тока с большимнходным сопротивлением и через управляющий элемент, варикап 2, воздействует на управляющий вход измерительного автогенератора 1, В результатедля частоты выходного сигнала измерительного автогенератора 1 получаем где ц 1 - значение частоты сигналавоизмерительного автогенератора 1 при Т=Т иТ - Т,=О;К - коэффициент передачи усилителя 9 постоянного тока5 - коэффициент крутизны, Гц/В, управляющего элемента 2.Подставляя выражение (5) во (2), получаем выражение для частоты разностного сигнала, формируемого посредством устройства 7 Формирования разностной частоты, которая поступает на вход регистратора 8 р=о ио+КтТ Т +К тК БТ -Т Я(6) Как видно из выражения (6), частота информационного разностного сигнала содержит две составляющих, определяемых изменениями измеряемой температуры.Первая составляющая К ( Т - Т), содержащая интегральный частотный коэффициент температурной чувствительности Кт, определяет изменения информационной разностной частоты Ы обусловленные интегральным равномерным прогревом термочувствительного пьезорезонатора 3, а вторая составляющая КК, 5 (Т - Т,) , содержащая коэффициент градиентной температурной чувствительности Х , учитывает наличие градиента температур вдоль радиуса термочувствительного пьезорезонатора н его теле. Причем этот градиент температур всегда пропорционален измеряемой температуре Т окружающей пьезорезонатор 3 среды, поэтому, подбирая соответствующим образом коэфФициентыи 5, можно с высокой точностью и высоким быстродействием получить информацию об истинном значении измеряемой температуры Т. В случае, когда измеряемая температура Т изменяется медленно и температурная постоянная нремени такого измерения равна или больше температурной постоянной времени с термочувствительного пьезорезонатора 3, последний успевает равномерно прогреваться, величина Т - Т, = 0 и информационная разностная частотаЦ -Ы И+К К Ц(Т Т4При правильном выборе коэффициентов К и 5 значения информационнойчастоты у, полученныепо выражению (7) для случая медленного изменения температуры и по выражению (8)для быстрых изменений температурыпри одинаковых величинах перепадовтемператур ьТ = ьТ должны бытьравны ю = ю . Отсюда можно полу 2Э30чить условие, позволяющее легко рассчитать необходимые значения коэффициентов К 5 и 5 , а именно: если значение ьТ для медленного измененияперепада температур равно значениюдТ для быстрого перепада температур, то И, по выражению (7) равноц, вычисленному по выражению (8),а значит, условием для расчета вели- .чин К и 5 будет выражение40 20 К К К 5, т т Поскольку градиентный и интегральный частотные коэффициенты чувствитель 1 эости пьезорезонатора 3 К, и соответственно определяются выбором конкретного среза пьезокварцевого материала для термочувствительного пьезорезонатора 3 и для каждой конкретной конструкции пьезодатчика определяются экспериментально, то выражение (9) лучше представить в виде55 КК 5т(10) 7 1229При быстром изменении температуры контролируемой среды, постоянная времени которого гораздо меньше температурной постоянной временипьезорезонатора 3, но соизиерима с темпе ратурной постоянной времени 2 подэлектродной области дополнительного электрода 10, то за время 3 7 сс с интегральный прогрев пьезорезонатора 3 будет мизерным, т.е, составляю О щая примет максимальное значение, причем в этом случае К,(Т-ТО) = О, зато градиентная разность аТ; = Т -Т, Т=Т;Т "-Т, где Т - измеряемаяо2 ф15 температура, В результате для ин. формационной разностной частоты получим 603Таким образом, при выборе параметров функциональных узлов согласно выражению (10) уже для времен измерения Гц3ф где с температурная постоянная времени подэлектродной области дополнительного электрода 10 пьезорезонатора 3, на выходе устройства 7 формирования разностной частоты будем иметь частотный сигнал (6), с высокой степенью точности соответствующий,значению измеряемой температуры Т. Величина температурной посл(тоянной времениподэлектродной области дополнительного электрода 10 пьезорезонатора 3 на иного порядков может быть меньше температурной постоянной времени с пьезорезонатора 3 в целомэ э(11)где б - общая площадь пьезорезонатора 3; 5 э - площадь подэлектродной области дополнительного электрода 10;7 и 9 э - объемы пьеэокварца в соответствующих областях. Это утверждение не противоречит также и условию (10), однозначно определяющему выбор параметров К и 6 , так как интегральный частотный коэффициент температурной чувствительности может быть на много порядков больше коэффициента чувствительности а этот коэффициент, как и постоянная времени Р , пропорционаленплощади 5 подэлектродной области дополнительного электрода 10 пьезорезонатора 3, При таком соотношении коэффициентов Кт и К 1 справедливость соотношения (10) для предлагаемого устройства обеспечивается, как правило, за счет выбора соответствующего дифференциального усилителя постоянного тока с требуемым входным сопротивлением и коэффициентом передачи К (современные усилители постоянного Тока обеспечивают М до 10 -104 5 при , (2-3) 10 Ом) .Таким образом, видно, что быстродействие предлагаемого устройства соизмеримо с температурной постояннойлвремении на много порядков превышает быстродействие известного устройства, соизмеримое с температурной постоянной времени , пьезорезонатора 3 и с постоянной времени с механического звена этого устройства.10 1229603 При этом для времени измерения 1ь 3 7сс ь величина измеряемой температуры Т пропорциональна значению информационной разностной частоты Ыр,которая измеряется регистрирующим 5устройством и полностью определяетсявыражением (6), одна из составляющихв правой части которого 1 т(Т-Т) пропорциональна скорости интегральногонагрева пьезорезонатора 3, а другая 10(т5(Т-Т,) - градиентной разноститемператур между дополнительнымэлектродом 10 и областью пьезорезонатора 3 под основными электродами.Сумма этих двух составляющих в выражении (6) для величины и для всехТ3 с. остается постоянной, а соотношение между их величинами в промежутке времени 3 Г, = ЗГвсе время изменяется а именно: сос- бтавляющая 1 (Т-Т ) в процессе интегрального прогрева пьеэорезонатора 3растет,а составляющая 1, 15(Т-по мере уменьшения разности ( Т,- т, )уменьшается и при полном прогреве 2;термочувствительного пьезорезонатора 3, т.е . при 7 = со вью сведетсяк нулю,Подписное Тираж 778 Ужгород, ул, Проектная,Как показывают расчеты, максималь-щ ное значение градиента температур, а значит, и максимальная крутизна цепи регулирования в предлагаемом устройстве достигается при использовании в качестве пьезокварцевого чувствительного элемента линзового пье зорезонатора. Однако возможно применение пьезореэонаторов другого типа, например плоскопараллельных. При использовании резонатора другой конструкции дополнительный электрод также должен располагаться вблизи кромки пьезоэлемента, однако в этом случае в подэлектродной области дополнительного электрода будет находиться гораздо большая часть материала пьезоэлемента, а это значительно снизит скорость достижения градиентом температур своего максимального значения.Работа уройсва при пнижеи температуры окружающей среды не отличается от работы при ее повышении за тем исключением, что градиент температур меняет свой знак. Однако при этом меняют свой знак и напряжения (силовые) в теле пьезоэлемента, Если ВНИИПИ Заказ 2444/41Произв.-полигр. пр-тие, г при повышении температуры они были растягивающими (для тела пьезоэлемента), то при снижении ее они становятся сжимающими, При этом меняется знак разности потенциалов Ь( между электродами пьезоэлемента 3, а значит, и полярность напряжения на входе дифференциального усилителя 9. Это автоматически приводит к смене знака напряжения на выходе этого усилителя и к соответствующему изменению управляющего напряжения на управляющем элементе 2 - варикапе. Так как рабочая точка варикапа путем подбора сопротивления резисторов 1,и 1 выбрана на середине его характеристики управления, то при повышении температуры окружающей среды и положительном напряжении на выходе усилителя получают подстройку собственной частоты пьезоэлемента 1, положительного знака (т.е, 1, увеличивается), а при снижении температуры и отрицательном напряжении на выходе усилителя - подстройку частоты 1 отрицательного зуака (т.е. 1 уменьшается).Формула изо брет ения Устройство для измерения температуры, содержащее термочувствительный пьезорезонатор, включенный основными электродами в частотно-задающую цепь измерительного автогенератора, выход которого подключен к первому входу устройства формирования разностной частоты второй аход которого соединен с выходом опорного автогенератора, а выход подключен к регистратору, дифференциальный усилитель постоянного тока, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что, с целью повышения быстродействия при обеспечении вь 1 сокойточности измерения, термочувствительный пьезорезонатор снабжен дополнительным электродом, расположенным внезоны активных колебаний центросимметрично относительно оси максимальнойсиловой чувствительности этого пьезорезонатора, а в частотно-задающуюцепь измерительного автогенераторавведен частотно-управляющий элемент,вход которого соединен с выходом дифференциального усилителя постоянноготока, входы которого подключены кодному из основных и дополнительномуэлектроцам термочувствительного пьезорезонатора,