Способ измерения температуры и устройство для его осуществления

) ( 5 1) С 01 К 7/3 СУД АРСТВЕННЫО ДЕЛАМ ИЗОБ НОМИТЕТ СССРТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ 54-13196,1979. ьство СССР 2, 1981(54) СПОСОБ ИЗИЕР И УСТРОЙСТВО ДЛЯ (57) 1. Способ из ры, заключающийся ла поглощения яде в термочувствител НИЯ ТЕМПЕРАТУРЫГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ.ерения температу"в выцелении сигнаного резонансаном элементеВй(прототип). путем частотной модуляции прямоугольными импульсами с последующимФазовым детектированием и определе"нии температуры по изменению резонансной частоты, о т л и ч а ю щ ис я тем, что, с целью повышенияточности измерения, выделение сигнала поглощения ядерного резонансаосуществляют при частоте модуляции,равной или большей полуширины линии поглощения, а фазовое детектирование прерывают на время ь протекания переходных процессов в сигналпоглощения и осуществляют теми жепрямоугольными импульсами, задержанными на время (Т/4 +/2), гдеТ - период повторения импульсов.1151835 2. Устройство для измерения температуры, содержащее резонансный контур с термочувствительным элементом и двумя варикапами, включенный в частотно-задающую цепь генератора- детектора, частотомер, подключенный к одному из двух выходов генератора- детектора, пороговый блок, блок обратной связи два фазовых детектора, выходы которых подключены к входам порогового блока, два электронных ключа, один из которых включен между выходом первого фазового детектора и входом блока обратной связи и соединен своим управляющим входом с выходом порогового блока,термометр сопротивления, включенный в мостовую схему, выход которой совместно с выходом блока обратной связи подключен к одному из варикапов,Изобретение относится к температурным измерениям.Известен способ измерения температуры, основанный на принципе изменения частоты ядерного квадруполь ного резонанса (ЯКР) в зависимости о температуры, включающий регистрацию сигналов поглощения ЯКР посредст. вом частотной модуляции, синхронизацию генератора-детектора по линии поглощения ЯКР с помощью цепи обратной связи для привязки его резонанс" ной частоты к центру линии поглощения 1.Наиболее близким к предлагаемомуявляется способ измерения температуры, основанный на температурной зависимости резонансной частоты поглощения чувствительного к ядерному магнитному или ядерному квадруполь ному резонансу материала, включающий детектирование сигнала поглощения в вышеуказанном материале с помощью генератора-детектора путем частотной модуляции напряжения его резонансного контура при подаче на варикап резонансного контура прямо" угольных импульсов напряжения, выде-. ление с помощью фазового детектора основной компоненты сигнала погло генератор прямоугольных импульсов,выход которого соединен с другимварикапом, отличающеесятем, что, с целью повышения точности измерения, в него введеныждущий мультивибратор и линия задержки, при этом линия задержки включена между выходом генератора прямоугольных импульсов и управляющимвходом первого фазового детектора,выход которого соединен с входомвторого фазового детектора, к управляющему входу которого и входу ждущего мультивибратора подключен выходгенератора прямоугольных импульсов,а выход ждущего мультивибратора соединен с управляющим входом второгоэлектронного ключа, включенного между вторым выходом генератора-детектора и входом первого фазового детектора,щения, подачу последнего в цепь обратной связи для привязки частотыгенератора-детектора к резонанснойчастоте поглощения,Способ реализуется устройством,содержащим резонансный контур стермочувствительным элементом, дваварикапа, генератор-детектор, частотомер, два фазовых детектора, четыреключа, два конденсатора, сумматор,пороговое устройство, блок обратнойсвязи, синтезатор модуляционных сигналов, генератор импульсов, мостовую схему с терм-реобразователемсопротивленияСущественным недостатком известного способа является наличие неполностью скомпенсированного паразитного сигнала, в результате чего возникает погрешность измерения температуры. К тому же при увеличении ширины резонансной линии применяемыхчувствительных материалов резко падает точность способа. Это связано,во-первых, с ростом паразитного сигнала пропорционально росту ширинылинии, так как для достижения максимальной крутизны сигнала основнойкомпоненты частотная модуляция осуществляется на глубину, равную значению полуширины линии поглощения. Во-вторых, при повышенной частоте модуляции период ее становится соразмерным с длительностью переходных процессов в генераторе-детекторе, что приводит к резкому увеличению погрешности определения паразитного сигнала.Недостатком. устройства является также низкая скорость поиска сигнала ядерного резонанса вследствие применения низкой основной частоты модуляции, так как скорость поиска прямо зависит от максимального быстродействия фазового детектора, которое ограничивается частотой модуляции. 0 20 25 ЭО 35 40 45 50 55 Целью изобретения - повышение точ. ности измерения температуры.Поставленная цель достигается тем, что согласно способу измерения температуры, заключающемуся в выде" ленин сигнала поглощения ядерного резонанса в термочувствительном элементе путем частотной модуляции прямоугольными импульсами с последующим фазовым детектированием и определении температуры по изменению резонансной частоты, выделение сигнала поглощения ядерного резонанса осуществляют при частоте модуляции, равной или большей полуширины линии поглощения, а фазовое детекти". рование прерывают на времяпротекания переходных процессов в сигнале поглощения и осуществляют теми же прямоугольными импульсами, задержанными на время (Т/4 + /2), где Т - .период повторения импульсов.Устройство для осуществления спо" соба измерения температуры содержит резонансный контур с термочувствительным элементом и двумя варикапами, включенный в частотно-задающую цепь генератора-детектора, частотомер, подключенный к одному из двух выходов генератора-детектора, пороговый блок, блок обратной связи, два фазовых детектора, выходы которых подключены к входам порогового блока, два электронных ключа, один из которых включен между выходом первого фазового детектора и входом блока обратной связи и соединен своимуправляющим входом с выходом порогового блока, термометр сопротивления,включенный в мостовую схему, выход которой совместно с выходом блока обратной связи подключен к одному из варикапов, генератор прямоугольных импульсов, выход которого соединен с другим варикапом, введены ждущий мультивибратор и линия задержки, при этом линия задержки включена между выходом генератора прямоугольных импульсов и управляющим входом первого фазового детектора, выход которого соединен с входом второго фазового детектора, к управляющему входу которого и входу ждущего мультинибратора подключен выход генератора прямоугольных импульсов, а выход ждущего мультивибратора соединен с управляющим входом второго электронного ключа, включенного между выходом генератора-детектора и входом первого фазового детектора.В отличие от известных способов, измерения температуры, в которых модуляция и синхронизация фазового детектора осуществляется одним и тем же напряжением, что приводит к появ- лению паразитного сигнала, в предлагаемом способе в результате вырезания переходных процессов и синхронизации фазового детектора напряжением, опаздывающим по отношению к напряжению модуляции на время Т/4 +Л г+/2, подавляется паразитная амплитудная модуляция и не возникает паразитный сигнал. В качестве сигнала основной компоненты используется отстающая на н /2 по фазе по отношению к напряжению модуляции составлящая полезного сигнала генератора-детектора, которая имеет максимальную величину при частоте модуляции, равной или большей значения полуширины линии поглощения, Величина этого сигнала приблизительно равна величине сигнала основной компоненты в известных способах, но первый существует в более благоприятных для измерения условиях (отсутствие паразит- ного сигнала, меньшее влияние шумов, непрерывность существования и т,д.).Введенный ждущий мультивибратор вырабатывает сигнал, необходимый для прерывания с помощью ключа фазового детектирования на время продолжительности процессов ь в сигнале поглощения, а линия задержки вырабатывает сигнал, необходимый для осуществления фазового детектирования прямоугольными импульсами, задержанными на время Т/4 + /2 по отношению кимпульсам, которыми осуществляется модуляцияДва последовательно соединенных фазовых детектора, синхронизированные управляющими напряжениями с час- тотой модуляции, сдвинутыми между собой на угол приблизительно равнойц/2, выполняют ту же операцию, что один фазовый детектор, синхронизированный управляющим напряжением . удвоенной частоты модуляции. В результате из выходного сигнала генератора-детектора выделяется сигнал удвоенной компоненты.Применение повышенной частоты модуляции повысило быстродействие поиска сигнала ядерного резонанса. Максимальная величина скорости поиска зависит от быстродействия Фазового детектора, которое ограничивается управляющей частотой (т,е, частотой модуляции).На Фиг. 1 изображена зависимость приведенной величины сигнала основ 20 сной компоненты Н при 1%-ной -Ц Е.робобщенной расстройке (=0,01)6 мин от частоты модуляции Г , приведен-. ной к значению полуширины линии пог" лощения д"цк, на фиг. 2 - временные диаграммы напряжений: напряжение модуляции Н чод , напряжение паразитной амплитудной модуляции на выходе генератора-детектора О вых.г,д, юрна входе фазового детектора "вх.эо.ари на его выходе "вых увпаруп , равляющие напряжения ключап,ни фазового детектора Оус, на фиг. 3 - блок-схема устройства, на Фиг. 4 - линия поглощения ядерногорезонанса а - 0 е , б - сигнал осРновной компоненты ц, , в - сигналудвоенной компоненты Ос на выходах фазовых детекторов.Устройство содержит резонансныйконтур 1 с термочувствительным элементом, два варикапа 2 и 3, генератор-детектор 4, генератор 5 прямоугольных импульсов, ждущий мультивибратор 6, линию 7 задержки, ключи8 и 9, фаэовые детекторы 10 и 11,частотомер 12, пороговый блок 13,блок 14 обратной связи, мостовуюсхему 15 и термометр 16 сопротивления.Генератор 5 прямоугольных импульсов формирует прямоугольные импульсы 1скважиостью 2 и частотойВ режиме поиска сигнал с выходамостовой схемы 15 поступает на вари .кап 2 и устанавливает частоту генератора-детектора 4 вблизи линии поглощения термочувствительного элемента, например на основе хлоратакалия КС 10, с точностью + 20 кГц,что соответствует температурномуэквиваленту + 4 К. Блок 14 обратнойсвязи при отсутствии сигнала на еговходе (ключ 9 разомкнут), медленноизменяет свое выходное напряжение,что приводит к изменениям напряжения смещения на варикапе 2. При этомчастота настройки генератора-детекора 4 медленно развертывается в пре"делах + 30 кГц, перекрывая погрешность мостового измерителя. Частот,5ная модуляция осуществляется с помощью варикапа 3 при подаче на него напряжения модуляции частотой320 Гц с выхода генератора 5 прямоугольных импульсов. На протяженииразвертки частоты генератора-детектора 4 выход Фазового детектора 10контролируется пороговым блоком 13,в котором переменная составляющаявыходного напряжения Фазового детектора 10 фильтруется с постояннойвремени 0,003 с, Величина напряжения срабатывания порогового блока13 выбрана выше уровня шумов. На 5 10 15 20 25 которыми осуществляется модуля ция. Ждущий мультивибратор 6 срабатывает на положительные и отрицательные напряжения 1 мод и Формирует напряжение коротких прямоугольныхимпульсов Опр,к длительностьюс.и частотой повторения 2 Гц . Выходноенапряжение линии задержки 0 , ООопаздывает по отношению к ее входномунапряжению 1 мо на время Т/4 +/2 (фиг, 2).Устройство работает в двух режимах: режиме поиска сигнала ядерногорезонанса и режиме измерения температуры. В соответствии с этим два режима работы имеет блок 14 обратной связи, который представляет собой интегратор в сочетании с пороговым. гистерезисным компаратором, При разорванном входе (режиме поиска) выходное напряжение блока 14 обратнойсвязи медленно изменяется по пилообразному закону. При замкнутом входе (режиме измерения) блок 14 обратной связи работает как регуляторинтегрального типа.выходе фазового детектора 10 полярность напряжения срабатывания зави" сит от направления развертки частоты. Это воспрепятствует срабать ва.нию блока 13 при 11,х и .-1 5 (Фиг. 4 б), которые являются неустойчивыми для слежения. Как только частота генератора-детектора 4 попадет в полосу резонанса, на выходе фазового детектора 10 появляется 10 сигнал, превьднающий уровень срабабывания порогового блока 13. По сигналу порогового блока 13 ключ 9 подключает выход Фазового детектора 10 к блоку 14 обратной связи, который переходит в режим регулятора. Тогда сигнал на выходе фазового детектора 11 проверяется пороговым блоком 13 через второй вход с большой постоянной времени (около 1 с). Отношение. сигнал-шум для Омалое из-за сравнительно малой постоянной времени (0,003 с) и иногда выделяются Фальшивые сигналы. В этих случаях выходной сигнал схемы 11 не дает разрешение на прекращение развертки. После того, как подтверждено сигналом Ос с выхода Фазового детектора 11, что он превышает уровень срабатывания второго входа блока 13, на выходе последнего формируется сигнал, вызывающий срабатывание ключа 9, В режиме измерения выход Фазового детектора 10 через блок 1.4 обратной связи подается к варикапу 2, что35 обеспечивает привязку частоты генератора-детектора к резонансной частоте поглощения (к центру сигнала поглощения). С помощью частота" мера 12 измеряется частота ядерного резонатора, по которой в дальнейшем определяется измеряемая температура,Подавление сигнала паразитной амплитудной модуляции осуществляется следующим образом.45Напряжение паразитной модуляции совпадает по форме с напряжением модуляции за исключением только областей, в которых протекают переходные процессы. Переходные процессы в сиг О нале Овьх, г,д. па вырезаются на время их продолжительности (20-50 мкс) ключом 8, который управляется напряжением с выхода ждущего мультивиб ратора 6. Сигнал 1выделяется с помощью Фазового детектора 10, который синкронизируется управляющим напряжением с линии 7 задержки отстающим по отношению к напряжению модуляции на время Т/4 + /2, В фазовом детекторе 10 перемножаются входные сигналы в 90.вар и )ядр Р 3 В результате перемножения разнополярные импульсы напряженияввх рв.вар делятся на равные временные части Т/4 - ь/2, а так как напряжение 0не изменяется (переходные процессы вырезаны), то будут равны и площади разделенных импульсов. в результирующем сигнале ц вых,уд вавьа, д,варПеременная составляющая выходного напряжения фазового детектора 10 при подаче в цепь обратной связи фильтруется. Постоянная составляющая этого напряжения ранна нулю так как среднее значение одинаковых по площади разнополярных импульсов равно нулю. Это означает, что паразитный сигнал на выходе фазового детектора 10 отсутствует и выделяется только полезный сигнал основнойокомпоненты ОсПри применении в качестве чувстви. тельного к ЯКР элемента на основе закиси меди СО,О отпадает необходимость в мостовой схеме с термометром сопротивления, так как при частоте модуляции 2,5 кГц скорость поиска почти на порядок больше скорости поиска при частоте модуляции 320 Гц ( в случае бертолетовой соли) и сос" тавляет около 50 К/с. Поиск в диапазоне 500 К осуществляется за 10 с. При этом выходное напряжение блока обратной связи медленно изменяется в пределах рабочих напряжений варикапа 2, чем достигается развертка частоты генератора-детектора во.всем диапазоне измеряемых частот (температур).Максимальная ширина линии используемых материалов, для которой эффективен способ, составляет около 10 + 20 кГц, При этом уже из-за влияния переходных процессов утрачивается приблизительно 20-407, сигнала основной компоненты.Использование предлагаемого способа измерения температуры обеспечивает по сравнению с известными способами существенное повышение точности (до 6 раз) вследствие отсутствия паразитного сигнала, применение повышенной частоты модуляции уменьшает влияние низкочастотных шумов вида 1/. Расширяется класс применяемыхчувствительных материалов шириной линии поглощения 2-20 кГц, для которьглсуществующие способы малопригодны иливовсе непригодны. Использование предлагаемого устройства для реализации способа увеличивает быстродействие поиска сигнала ядерногорезонанса,. Голубец Коррект ерн Тираж 897 Государственного к делам изобретений и сква, Ж, Раушска 11303