Устройство для измерения температуры

 

Изобретение относится к технике измерения температуры (Т) жидких и газообразных сред, в частности морской воды, и может быть использовано в океанографии и различных областях I народного хозяйства. Цель изобрететения - расширение диапазона измеря- . емых Т и повьтшние точности измере11 1Z 5 Ю III I ник. Герметичный корпус 12, содержащий первичный измерительный преобразователь 1, блок 5 возбуждения колебаний струны и преобразователь 6 колебаний струны, помещают в среду, Т которой подлежит контролю. При изменении Т среды изменяется Т рабочей жидкости благодаря высокой теплопроводности материала корпуса, изменяются вязкость жидкости и фаза сигнала колебаний струны на выходе преобразователя 6, который затем поступает через усилитель 7 на блок 8 сравнения фаз. Фазовый сдвиг обусловливается вязким трением, которое является функцией температуры. Струна и база крепления вьтолнены из материалов с близкими значениями коэффициентов теплового расширения, тем самым сведена к минимуму погрешность измерений , вызываемая временной нестабильностью натяжения струны и ее собственной частоты, поскольку натяжение не зависит от Т. 4 ил. /J / б I/ в S (Л |С to 00 о ел со

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„„SU„„1223059 A (я)4 С 01 К!1/00

j.

Зс " .

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ З, К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3697719/24-10 (22) 08 ° 02.84 (46) 07.04.86. Бюл. N - 13 (71) Морской гидрофизический институт

АН УССР (72) Ю.С.Белавин и С.О.Колесов (53) 536.53(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

В 761855, кл. G 01 К 7/32, 1980.

Авторское свидетельство СССР

Р 881542, кл. G 01 К 11/26, 1981.

Авторское свидетельство СССР !! 662823, кл. G 01 К 5/56, 1979. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ (57) Изобретение относится к технике измерения температуры (Т) жидких и газообразных сред, в частности морской воды, и может быть использовано в океанографии и различных областях народного хозяйства. Цель изобрететения — расширение диапазона измеряемых Т и повышение точности измере zõ а ний. Герметичный корпус 12, содержащий первичный измерительный преобразователь 1, блок 5 возбуждения колебаний струны и преобразователь 6 колебаний струны, помещают в среду, Т которой подлежит контролю. При изменении Т среды изменяется Т рабочей жидкости благодаря высокой теплопроводности материала корпуса, изменяются вязкость жидкости и фаза сигнала колебаний струны на выходе преобразователя 6, который затем поступает через усилитель 7 на блок 8 сравнения фаз. Фазовый сдвиг обусловливается вязким трением, которое является функцией температуры. Струна и 3 база крепления выполнены из материалов с близкими значениями коэффициентов теплового расширения, тем самым С" сведена к минимуму погрешность измерений, вызываемая временной нестабильностью натяжения струны и ее май собственной частоты, поскольку натяжение не зависит от Т. 4 ил.

К) 1223059

Изобретение относится к технике измерения температуры жидких и газообразных сред, в частности морской воды, и может быть использовано в океанографии и различных областях народного хозяйства.

Целью изобретения является расширение диапазона измеряемых температур и повышение точности измерений.

На фиг.1 приведена структурная 1О схема предлагаемого устройства;. на фиг.2 — график фазотемпературной характеристики; на фиг.3 и 4 — один из возможных вариантов выполнения первичного измерительного преобразователя.

Устройство для измерения температуры содержит (фиг. 1) первичный измерительный преобразователь 1, генератор

2 опорной частоты, делитель 3 частоты, первый усилитель 4, блок 5 возбуждения колебаний струны, преобразователь

6 колебаний струны, второй усилитель

7, блок 8 сравнения фаз, регист.ратор 9.

Генератор 2 опорной частоты подключен к делителю 3 частоты, один из выходов которого соединен с входом первого усилителя 4. Выход усилителя

4 подан на вход блока 5 возбуждения

30 колебаний струны. Выход преобразователя 6 колебаний струны подключен к входу второго усилителя 7, выход которого подан на первый вход блока 8 сравнения фаз. Второй вход блока 8 сравнения фаз соединен с выходом делителя 3 частоты, а выход блока 8 подключен к регистратору 9.

Первичный измерительный преобразователь выполнен в виде струны 10, натянутой на базе крепления 11, и ус- 4О тановлен в корпусе 12, заполненном

KHjgcocTsIo 13.

Струна 10 может быть выполнена из упругого материала, например рессорно-пружинной стали, диаметром д = 4 0,05-0,2 мм и.длиной Й = 20-200 мм.

Рекомендуется выдержать соотношение

3/d >300 в этом. случае поперечной жесткостью струны можно пренебречь.

Корпус 12 служит для герметизации рабочего объема и крепления узлов.

Он может быть выполнен из материала с высокой теплопроводностью для повышения быстродействия первичного преобразователя, например из латуни и И т.п..Если корпус является базой крепления струны, то он изготавливается иэ того же материала, что и струна.

Струна 10 может быть закреплена в корпусе, например, так, как показано на фиг.З. Корпус 12 выполнен в виде стакана 14, имеющего кольцевой выступ 15. Корпус имеет подвижную втулку 16 и закрыт с торцов неподвижной втулкой 17 и крышкой 18. На выступе 15 и втулке 17 закреплены "порожки" 19 в виде планок, которые образуют базу струны 10. Для исключения возможных деформаций струны в точках соприкосновения с "порожками" 19 последние изготавливают из более мягкого материала. Концы струны 10 прикреплены к втулкам 16 и 17.

Натяг струны 10 можно регулировать, перемещая вдоль корпуса подвижную втулку 16, посредством трех винтов

20 (под углом 120 друг к другу), пропущенных через крышку 18.

Вблизи струны 10 установлены блок

5 возбуждения колебаний струны и преобразователь 6 колебаний струны с помощью кронштейна 21, прикрепленного к выступу 15. Расстояние между блоком 5 и преобразователем 6 и базой крепления струны зависит от конкретных размеров первичного преобразователя и выбирается из условия получения максимально возможной чувстви тельностии и линейности характеристи ки преобразования.

Втулки 16 и 17 снабжены элементами герметизации рабочей полости корпуса, втулка 16 имеет технологическое отверстие 22 для заполнения рабочей полости жидкостью 13. В качестве рабочей жидкости 13 может быть исполь. зована дистиллированная вода. При заполнении в корпусе оставляют воздушный пузырек. для компенсации температурного расширения жидкости.

Струна 10 крепится с помощью элементов. 23-25 (фиг.3).

Блок 5 -возбуждения колебаний струны 10 предназначен для возбуждения вынужденных периодических колебаний струны. Это может быть любой малогабаритный электромагнит с напряжением питания 5-15 В и частотой возбуждения несколько килогерц. Преобразователь 6 служит для преобразования механических колебаний струны 10 в электрический сигнал. Он может быть пьезоэлектрическим, электромагнитным, можно использовать готовые эвукосниматели, например ГЗУИ-73с.

Генератор 2 опорной частоты служит для питания блока 5 возбуждения

1223059

t5

55

3 колебаний струны через дилитель 3 частоты. Основное требование к его выбору — высокая стабильность частоты. Может быть использован любой генератор с кварцевой стабилизацией частоты, например генератор частоты декадный прецезионный Г5-35 на 1 мГц.

Введение в электрическую схему делителя 3 частоты вызвано тем, что высокостабильные кварцевые генераторы имеют высокую выходную частоту, обычно на несколько порядков превышающую собственную резонансную частоту струны. В качестве блока 3 может использоваться делитель частоты, встроенный в генератор опорной частоты, либо отдельный стандартный делитель с выходной частотой несколько килогерц.

Первый усилитель 4 служит для усиления по мощности напряжения с выхода делителя 3 частоты. Коэффициент усиления его выбирается в зависимости от конструкции блока 5 возбуждения колебаний струны. Усилитель 4 может быть выполнен на базе операционного усилителя, например К140 УД8, совместно с транзистором большой мощности КТ 805, либо используют готовый усилитель мощности У7-3.

Второй усилитель 7 предназначен

„цля усиления по амплитуде сигнала, снимаемого с преобразователя Ь (для обеспечения надежной работы блока 8 сравнения фаз), и может быть выполнен на операционном усилителе К140 УД8.

Блок 8 сравнения фаз служит для выделения электрического сигнала, пропорционального разности фаз колебаний струны 10 (с преобразователя 6) и частоты вынуждающих колебаний (с делителя 3 частоты). В качестве блока

8 можно использовать фазометр Ф2-16.

Регистратор 9 служит для визуального наблюдения или регистрации выходного сигнала блока 8 сравнения фаз (фазового сдвига) на любом носителе информации. Это может быть самописец, магнитное записывающее устройство, устройство оперативного контроля типа дисплей.

Переход от электрического сигнала к значениям измеряемой температуры производится с помощью градуировочных характеристик оператором либо посредством ЭВМ. Градуировка осуществляется при аттестациях устройства.

Устройство для измерения температуры работает следующим образом.

Корпус 12, содержащий первичный измерительный преобразователь, блок возбуждения колебаний струны и преобразователь колебаний струны, помещают в среду, температура которой подлежит контролю. При подаче питания сигнал с генератора 2 опорной частоты через делитель 3 частоты и усилитель 4 поступает на блок 5 и возбуждает вблизи струны 10 электромагнитное поле с частотой порядка нескольких килогерц.

С одного из выходов делителя 3 частоты опорный сигнал поступает на первый вход блока 8 сравнения фаз.

Воздействие электромагнитного поля на струну 10 вызывает ее колебания с той же частотой.

В преобразователе 6, связанном со струной 10 электромагнитным полем, механические колебания струны преобразуются в электрический сигнал.

При измерении температуры среды изменяется температура рабочей жидкости благодаря высокой теплопроводности материала корпуса, изменяются вязкость жидкости и фаза сигнала вынужденных колебаний струны на выходе преобразователя 6. Этот сигнал поступает через усилитель 7 на второй вход блока 8 сравнения фаз. Так как фаза вынужденного сигнала на выходе преобразователя 6 отличается от фазы вынуждающих колебаний (с делителя 3 частоты), на выходе блока 8 появляется сигнал у. Фазовый сдвиг связан с температурой (фиг.2). По регистратору 9, используя зависимость — f(1), судят о температуре среды.

Помещение первичного измерительного преобразователя в жидкость с ,высоким температурным коэффициентом вязкости позволяет построить изме- : ритель температуры, принцип действия которого основан на изменении фазы вынужденных колебаний струны от вязкости окружающей среды, зависящей в свою очередь от температуры.

Как известно, например для дистиллированной воды при изменении темпео ратуры от 0 до 20 С вязкость уменьшается примерно в 2 раза; для глицерина вязкость изменяется в 60 раз при изменении температуры от 100 до 200 С.

Изменение фазы вынужденных колебаний струны в жидкости происходит за счет наличия сил вязкости трения, пропорциональных вязкости среды.

1223059

Фиг. 2

Диапазон измерений известного устройо ства равен 2

В предложенном устройстве отказ от дилатометрического принципа . действия первичного измерительного преобразователя позволяет выполнить струну и базу ее крепления.из материалов с одинаковыми коэффициентами теплового расширения и тем самым свести к минимуму погрешности измерений, вызванные временной нестабильностью натяжения струны и ее собственной частоты, поскольку натяжение не зависит от температуры.

В предложенном устройстве фазовый сдвиг обусловливается вязким трением, которое является функцией температуры.

Что касается изменения сдвига фазы за счет эффектов теплового расширения струны и базы крепления, то в данном случае им можно пренебречь, поскольку струна и база крепления выполняются из одного и того же материала либо из разных материалов, но имеющих близкие значения коэффициентов теплового расширения. При этом натяжение струны не изменяется при изменении температуры, и тем самым исключаются явления упругого последействия и ползучести, что приводит к существенному повышению

5 временной стабильности струны, Формула изобретения

Устройство для измерения темпера-

1О туры, содержащее струну, закрепленную на базе, последовательно соединенные генератор опорной частоты, делитель частоты, первый усилитель и блок возбуждения колебаний струны, преобразователь колебаний струны, подключенный к входу второго усилителя, и блок сравнения фаз, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения диапазона измеряемых температур, в нем струна и база выполнены из материалов с одинаковыми ко- эффициентами теплового расширения и вместе с блоком возбуждения колебаний струны и преобразователем колебаний струны помещены в герметичный корпус, заполненный жидкостью с высоким температурным коэффициентом вязкости, при этом выход второго усилителя и выход делителя частоты подключены к входу блока сравнения фаз.

1223059

14

f6

Составитель Ю.Андриянов .РедактоР О.ЮРковецкаЯ ТехРед И.Гайдош Корректор И.Эрдейи Заказ 1702/43 Тираж 778 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