Способ измерения температуры и устройство для его осуществления

 

1. Способ измерения температуры , заключающийся в вьщелении сигнала поглощения ядерного резонанса в термочувствительном элементе путем частотной модуляции прямоугольными импульсами с последующим фазовым детектированием и определе НИИ температуры по изменению резонансной частоты, отличающийс я тем, что, с целью повышения точности измерения, выделение сигнала поглощения ядерного резонанса .осуществляют при частоте модуляции, равной или большей полуширины линии поглощения, а фазовое детектирование прерьшают на время о протекания переходных процессов в сигнале поглощения и осуществляют теми же прямоугольными импульсами, задержанными на время (Т/4 ), где Т - период повторения импульсов.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН

4(5ц G 01 К 7/32

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3531881/24-10 (22) 06. 01. 83 (46) 23.04.85. Бюл. № 15 (? 2) В.Е.Пнлипюк (53) 536. 5 (088.8) (56) 1. Патент Японии ¹ 54-13 196, кл. G 01 К 7/32, опублик. 1979.

2. Авторское свидетельство СССР № 979896, кл. G 01 К 7/32, 1981 (прототип) . (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ. (57) 1. Способ измерения температуры, заключающийся в выцелении сигнала поглощения ядерного резонанса в термочувствительном элементе

SU 1151 35 А путем частотной модуляции прямоугольными импульсами с последующим фазовым детектированием и определе" нии температуры по изменению резонансной частоты, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения точности измерения, выделение сигнала поглощения ядерного резонанса .осуществляют при частоте модуляции, равной или большей полуширины линии поглощения, а фазовое детектирование прерывают на время ь протекания переходных процессов в сигнале поглощения и осуществляют теми же прямоугольными импульсами, задержанными на время (T/4 + /2), где

Т вЂ” период повторения импульсов.

1151835

2. Устройство для измерения температуры, содержащее резонансный контур с термочувствительным элементом и двумя варикапами, включенный в частотно-задающую цепь генераторадетектора, частотомер, подключенный к одному из двух выходов генераторадетектора, 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- 5 ного резонанса (ЯКР) в зависимости о температуры, включающий регистрацию сигналов поглощения ЯКР посредством частотной модуляции, синхронизацию генератора-детектора по линии поглощения ЯКР с помощью цепи обратной связи для привязки его резонансной частоты к центру линии поглощения (1) .

Наиболее близким к предлагаемому 5 является способ измерения температуры, основанный на температурной зависимости резонансной частоты поглощения чувствительного к ядерному магнитному или ядерному квадруполь- 0 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 прямоугольных импульсов напряжения, выде-. ление с помощью фазового детектора основной компоненты сигнала погло- 30 генератор прямоугольных импульсов, выход которого соединен с другим варикапом, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него 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 мультивибратора подключен выход генератора прямоугольных импульсов, а выход ждущего мультивибратора соединен с управляющим входом второго электронного ключа, включенного между вторым выходом генератора-детектора и входом первого фазового детектора. щения, подачу последнего в цепь обратной связи для привязки частоты генератора-детектора к резонансной частоте поглощения.

Способ реализуется устройством, содержащим резонансный контур с термочувствительным элементом, два варикапа, генератор-детектор, частотомер, два фазовых детектора, четыре ключа, два конденсатора, сумматор, пороговое устройство, блок обратной связи, синтезатор модуляционных сигналов, генератор импульсов, мостовую схему с термс реобразователем сопротивления j2) .

Существенным недостатком известного способа является наличие неполностью скомпенсированного паразитного сигнала, в результате чего возникает погрешность измерения температуры. К тому же при увеличении ширины резонансной линии применяемых чувствительных материалов резко падает точность способа. Это связано, во-первых, с ростом паразитного сигнала пропорционально росту ширины линии, так как для достижения максимальной крутизны сигнала основной компоненты частотная модуляция осуществляется на глубину, равную зна1151835 4 чению 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 определений 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.

ЗО

Целью изобретения — повышение точности измерения температуры.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу измерения температуры, заключающемуся в выделении 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 время протекания переходных процессов в сигнале п4глощения и осуществляют теми же прямоугольными импульсами, задержанными на время (Т/4 + /2), где Т— .период повторения импульсов.

Устройство для осуществления способа 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 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, 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 ю

+ /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 паразитного 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 7 в сигнале поглощения, а линия задержки вырабатывает сигнал, необходимый для осуществления фазового детектирования прямоугольными импульсами, задержанными на время Т/4 + /2 по отношению к

1151835 импульсам, которыми осуществляется модуляция °

Два последовательно соединенных фазовых детектора, синхронизированные управляющими напряжениями с час- тотой модуляции, сдвинутыми между собой на угол приблизительно равной

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 основ2" лс ной компоненты при 1%-ной— шО„ обобщенной расстройке { < =0,01) мин от частоты модуляции F, приведен-. ной к значению полуширины линии ггоглощения а"цц, на фиг. 2 — временные диаграммы напряжений: напряжение модуляции " цод, напряжение паразитной амплитудной модуляции на выходе генератора-детектора Bbtx.„ä „,, на входе фазового детектора 0 „,>ш «р и на его выходе О„,„ o« уп, равляющие напряжения ключа ц „ д и фазового детектора О „ ц, на фиг. 3 — блок-схема устройства, на фиг. 4 - линия поглощения ядерного резонанса а - U, б - сигнал осР новной компоненты u, в — сигнал удвоенной компоненты U< на выходах фазовых детекторов. устройство содержит резонансный контур 1 с термочувствительным элементом, два варикапа 2 и 3, генератор-детектор 4, генератор 5 прямоугольных импульсов, ждущий мультивибратор 6, линию 7 задержки, ключи

8 и 9, фаэовые детекторы 10 и 11, частотомер 12, пороговый блок 13, блок 14 обратной связи, мостовую схему 15 и термометр 16 сопротивления.

Генератор 5 прямоугольных импульсов формирует прямоугольные импульсы 0 „ > скважиостью 2 и частотой

В режиме поиска сигнал с выхода мостовой схемы 15 поступает на вари30 кап 2 и устанавливает частоту гене-ратора-детектора 4 вблизи линии пог лощения термочувствительного элемента, например на основе хлората калия КС10, с точностью + 20 кГц, что соответствует температурному эквиваленту + 4 К. Блок 14 обратной связи при отсутствии сигнала на его входе (ключ 9 разомкнут), медленно изменяет свое выходное напряжение, что приводит к изменениям напряжения смещения на варикапе 2. При этом частота настройки генератора-детекора 4 медленно развертывается в пределах + 30 кГц, перекрывая погрешность мостового измерителя. Частот45 ная модуляция осуществляется с помощью варикапа 3 при подаче на него напряжения модуляции частотой

320 Гц с выхода генератора 5 прямоугольных импульсов. На протяжении развертки частоты генератора-детектора 4 выход фазового детектора 10 контролируется пороговым блоком 13, в котором переменная составляющая выходного напряжения фазового детектора 10 фильтруется с постоянной времени 0,003 с. Величина напряжения срабатывания порогового блока

13 выбрана выше уровня шумов. На

5 f0

25 которыми осуществляется модуля» ция. Ждущий мультивибратар 6 срабатывает на положительные и отрицательные напряжения 1 цс, и формирует напряжение коротких прямоугольных импульсов 0 др,к длительностьюс и частотой повторения 2Fц . Выходное напряжение линии задержки U „t,. др опаздывает по отношению к ее входному напряжению 1 0 на время Т/4 + с /2 (фиг. 2).

Устройство работает в двух режимах: режиме поиска сигнала ядерного резонанса 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 обратной связи медленно изменяется по пилообразному закону. При замкнутом входе (режиме измерения) блок 14 обратной связи работает как регулятор интегрального типа.

1 151835 выходе фазового детектора 10 полярность напряжения срабатывания зависит от направления развертки частоты. Это воспрепятствует срабатыва.нию блока 13 при 4 < 1,х и = > kg 5 (фиг. 4б), которые являются неустойчивыми для слежения. Как только частота генератора-детектора 4 попадет в полосу резонанса, на выходе фазового детектора 10 появляется сигнал, превышающий 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 " малое 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 О с 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, что

35 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.

45 !

Напряжение паразитной модуляции совпадает по форме с напряжением модуляции за исключением только областей, в которых протекают переходные процессы. Переходные процессы в сиг- 5О нале U>b,, „а вырезаются на время их продолжительности (20-50 мкс) ключом 8, который управляется напряжением с выхода ждущего мультивиб ъ ратора 6. Сигнал 1 „,, выделяется с помощью фазового детектора

30, который синкронизируется управляющим напряжением с линии 7 задержки отстающим по отношению к напряжению модуляции на время Т/4 +

В фазовом детекторе 10 перемножаются ( входные сигналы Ii ц „;р (р H 0 ) pp (pg

В результате перемножения разнополярные импульсы напряжения $ 8 вх . рта.вар. делятся на равные временные части

Т/4 — /2, а так как напряжение

tJ „ „ не изменяется (переходные процессы вырезаны), то будут равны и площади разделенных импульсов в результирующем сигнале ц „д в,о вьа. в.вар

Переменная 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 U q !

При применении в качестве чувствительного к ЯКР элемента на основе закиси меди Си 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 K/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 используемьгх 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/i. Расширяется класс применяемых г

l15l835

io чувствительных материалов шириной линии поглощения 2-20 кГц, для которьгл существующие способы малопригодны или вовсе непригодны. Использование предлагаемого устройства для реализации способа увеличивает быстродействие поиска сигнала ядерного резонанса.

Составитель В. Голубев

Редактор Е. Лушникова Техред А.Бабинец Корректор С.Черни

Заказ 2311/31 Тираж 897 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