Устройство для измерения температуры и энергии электромагнитного излучения

 

Изобретение относится к измерительной технике и позволяет расширить информативные возможности устройства за счет дополнительного измерения механических усилий и повьшения точности измерения. Чувствительный элемент устройства выполнен в виде цилиндрического термопреобразов ателя 4 сопротивления (ТПС), установленного в центре теплопроводного корпуса 6 и окруженного цилиндрическим тепловым экраном 3. При подаче напряжения с блока управления на выводы 26 и 27 открывается оптический затвор 2, расположенный в центре мембраны 1. Нагретый прошедшим через затвор электромагнитным излучением ТПС 4 нарушает баланс измерительного преобразователя , что фиксируется запоминающим уст/ i (Л 27

СОЮЭ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕаЪВЛИН

09) (И) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPGHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3734778/24-10 (22) 27.04.85 (46) 15 01. 87. Вюл. У 2 (71) Специальное опытное проектноконструкторское технологическое бюро

СО ВАСХНИЛ (72) А.Ф. Алейников (53) 536.53(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

9 1045006, кл. G 01 К 7/32, 1982.

Метод одновременного измерения двух неэлектрических величин с помощью одного измерительного преобразователя. — Экспресс-информация. Контрольно-измерительная техника, 1977, М 19, с.3-7. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ И ЭНЕРГИИ ЭЛЕКТРОИАГНИТНОГО

ИЗЛУЧЕНИЯ (5D 4 G 01 K 7 00 G 01 L 1 00 G 01 У 5 20, (57) Изобретение относится к измерительной технике и позволяет расширить информативные возможности устройства за счет дополнительного измерения механических усилий и повышения точности измерения, Чувствительный элемент устройства выполнен в виде цилиндрического термопреобразователя

4 сопротивления (ТПС), установленного в центре теплопроводного корпуса б и окруженного цилиндрическим тепловым экраном З..При подаче напряжения с блока управления на выводы 26 и 27 открывается оптический затвор 2, расположенный в центре мембраны 1. Нагретый прошедшим через затвор электромагнитным излучением ТПС 4 нарушает баланс измерительного преобразовате ля, что фиксируется запоминающим уст1283545 ройством. По истечении времени, необходимого для фиксации максимального значения производной температуры, затвор закрывается и термопреобразователь охлаждается до температуры среды. При,измерении усилия тепловой экран 3 перемещается по ТПС 4, увеличивая тем самым тепловое сопротивлеИзобретение относится к измерительной технике, предназначено для одновременного измерения трех неэлектрических величин: температуры, механических усилий и электромагнитного 5 излучения, например, светового потока, и может найти применение для контроля указанных всличин и выдачи сигнала аварийной ситуации на объектах, где к измерительным приборам предъявляется прежде всего требование обеспечения минимальных габаритов и веса.

Целью изобретения является расши15 рение информативных возможностей за счет дополнительного измерения меУ ханических усилий и повышения точности измерения температуры и энергии электромагнитного излучения °

На фиг.1 представлен чувствитель20 ный элемент — датчик температуры, механических усилий и энергии электромагнитного излучения, фрагмент разреза на фиг.2 — структурная схема устройства.

Датчик содержит (фиг.1) упругую мембрану 1, в центре которой расположен электрооптический затвор 2, тепловой экран 3, жестко закрепленный на мембране 1, термопреобразователь, выполненный в виде цилиндрическоro термопреобразователя 4 сопротивления, который покрыт с открытого торца слоем вещества, поглощающего энергию электромагнитного излучения, и установлен на дне корпуса 6, к которому жестко прикреплена мембрана 1 °

Устройство содержит (фиг.2) измерительный преобразователь 7, преоб40 разующий сопротивление термопреобразователя 4 в напряжение, выполненный, 1 например, в виде мостовой схемы, в одно из плеч которой включен термоние на пути потока. ТПС 4 с открытого торца покршт поглощающим электромагнитное излучение веществом. В электрическую схему устройства введены два нормирующих усилителя, два коммутатора, цифровой индикатор и аналого — цифровой преобразователь ил е преобразователь 4, а в другое — переменный резистор для уравновешивания мостовой схемы (резистор не показан), и усилителя постоянного тока, включенного в измерительную диагональ мостовой схемы (на фиг.2 усилитель не показан), первый-третий коммутаторы 8-10, источник 11 напряжения, блок 12 выделения максимального значения производной, состоящий, например, из дифференцирующего усилителя

13, запоминающего устройства 14 и электронного ключа 15, нормирующие усилители 16 и 17, блок 18 управления, аналого-цифровой преобразователь

19 и цифровой индикатор 20. Дифференцирующий усилитель 13 блока выделения максимального значения производной состоит из операционного усилителя 21, конденсатора 22 и резистора 23, а запоминающее устройство состоит из диода 24 и конденсатора 25.

Устройство работает следующим образом.

В первый такт работы по команде с блока 18 управления измерительный преобразователь 7 устанавливается в положение, необходимое для проведения измерения температуры, т.е. если измерительный преобразователь 7 выполнен в виде мостовой схемы, то путем регулирования сопротивления, включенного в противоположное плечо схемы, мост уравновешивается таким, о образом, чтобы при О С его выходной сигнал равнялся нулю. Уравновешивание мостовой схемы может быть осуществлено как ручным способом, так и путем использования специальных устройств, позволяющих осуществить указанную операцию автоматически, без участия оператора.

1283545

Электрооптический затвор в первом такте закрыт и он не пропускает электромагнитного излучения.

При температуре измеряемого объекта, отличной от нуля, сигнал рас- 5 согласования, несущий информацию о температуре, с выхода измерительного преобразователя 7 через второй коммутатор 9 (по команде с блока

18 управления) поступает на вход пер- 10 вого нормирующего усилителя 16, где нормируется в соответствии с принятой температурной шкалой и поступает через третий коммутатор 10 на вход аналогоцифрового преобразователя (АЦП) 19. Значение температуры отображается на цифровом индикаторе 20.

После отображения информации об измеряемой температуре на цифровом индикаторе сигналами с выходов блока 18 управления, поступающими на установочный вход АЦП 19 и управляющий вход ключа. 15, AIIII 19 устанавливается в исходное состояние, а ключ

15 замыкается. При этом с конденсатора 25 запоминающего устройства 14 снимается остаточное напряжение с предыдущего цикла работы всего устройства.

I 30

Во второй такт работы устройства измерительный преобразователь 7 по командам с блока управления уравновешивается при конкретной температуре объекта измерения, т.е. на выходе из-35 мерительного преобразователя 7 устанавливается нулевой сигнал. Электронный ключ 15 блока 12 устанавливается в положение "Разомкнуто". Затем блок 18 управления через первый ком- 40 мутатор 8 подает напряжение на выводы 26 и 27 электрооптического затвора 2 и открывает его.

Световой поток или другое электромагнитное излучение проходит через . 45 открытый затвор и разогревает термопреобразователь 4. Баланс измерительного преобразователя 7 нарушается, этот сигнал с выхода измерительного преобразователя 7 через второй комму-50 татор 9 поступает на вход дифферен,цирующего усилителя 13 блока 12. Максимальное. значение производной этого сигнала фиксируется на диодно-емкостном запоминающем устройстве 14.

Этот сигнал пропорционален мощности воздействующего сигнала.

Уравнение теплового баланса для термопреобразователя в случае, если термопреобразователь и поглотитель излучения имеют одинаковую температу-.ру по объему чувствительного элемента, можно представить следующим образом .

dT

С вЂ” +hT=M

dt

> где С вЂ” теплоемкость;

Т вЂ” температура;

Ъ вЂ” полная теплопередача;

И вЂ” мощность теплового источника;

t — время.

Решение уравнения (1) следующее:

Т = — (1-Е }, (2) При t=0 получаем dT M

dt С (4) По истечении времени, необходимого для фиксации максимального значения производной, блок 18 управления снимает с электрооптического затвора 2 напряжение, последний закрывается и термопреобразователь сопротивления охлаждается до температуры среды.

Напряжение с конденсатора 25 запоминающего устройства 14 блока 12 выделения максимального значения производной через третий коммутатор 10 поступает на вход АЦП 19 и отображается на цифровом индикаторе 20. Затем блок управления устанавливает АЦП 19 в исходное состояние.

В третий такт работы по команде блока 18 управления через первый коммутатор 8 на вйводы 28 и 29 подается напряжение, вызывающее нагрев термопреобразователя до определенной температуры, при которой суммарный теплоотвод в точности уравновешивает выделяемую в термопреобразователе мощность. Эта температура должна быть такой, чтобы не возникали радиационные потери. Затем измерительный пре" образователь 7 уравновешивается таким образом, чтобы его выходной сиггде =C/g — постоянная времени, Тогда, дифференцируя выражение (2) (эту операции осуществляет блок выделения максимального значения производной), получаем:

ДТ вЂ” — = — е (3)

dt С ) 1283545

Тогда на выходе источника 11 напряжения, производящего нагрев термопреобразователя 4 (или в ином месте) должен быть установлен раздели1 тельный конденсатор (не показано) и частота этого переменного напряжения должна "подавляться" в измерительном преобразователе 7. По истечении времени, необходимого для регистрации измеряемого усиЛия, блок

18 управления через первый коммутатор,8 снимает напряжение "нагрева" с термопреобразователя 4. Последний охлаждается до температуры среды, АЦП 19 устанавливается в исходное

55 нал был равен нулю при отсутствии механических усилий, а следовательно, и перемещения теплового экрана 3. Значение параметра уравновешивания измерительного преобразователя 7 подбира- 5 ется расчетным или экспериментальным путем при проведении градуировки устройства. Под воздействием усилия тепловой экран 3 перемещается вдоль термометра 4. Так как тепловой экран 10 расположен на пути теплового потока рассеивания термопреобразователя 4, то его роль при измерении усилия заключается в увеличении теплового сопротивления на пути потока, Перемещение теплового экрана 3 вызывает дополнительный нагрев термопреобразователя 4 и сигнал рассогласования, несущий информацию об измеряемом усилии, с выхода измерительного преоб- 20 разователя 7 поступает через второй коммутатор 9 (по команде блока 18 управления) на вход второго нормирующего усилителя 17, где нормируется в соответствии с принятыми единицами измерения усилия или давления, и через третий коммутатор 10 поступает на вход АЦП 19, значение усилия отображается на цифровом индикато-ре 20. 30

Для исключения влияния нагрева термопреобразователя 4 на процесс измерения приращения температуры, как функции перемещения теплового экрана, а, следовательно, и механического усилия, может быть примейено частотное разделение канала "нагрева" и канала "измерения",т.е. в этом случае нагрев термопреобразователя 4 может быть произведен на переменном токе, 40 а измерение приращения термопреобразователя 4 производится на постоянном токе, 1 состояние. На этом цикл работы всего устройства заканчивается.

Электрооптический затвор может быть выполнен в форме линзы, которая "фокусирует" световой или иной поток электромагнитного излучения на поверхность термопреобразователя.

Нормирующие усилители 1б и 17 могут выполнять и функцию линеаризацни номинальной статической характеристики датчика, как по каналу измерения температуры, так и по каналу измерения механических усилий.

Блок управления может быть выполнен в виде формирователя управляющих сигналов на основе генератора импульсов и электромагнитных реле, срабатывающих в определенной последовательности.

I формула изобретения

Устройство для измерения температуры и энергии электромагнитного излучения, содержащее чувствительный элемент, выходы которого соединены соответственно с входами измерительного преобразователя и выходами первого коммутатора, входы которого соединены с источником напряжения, а управляющий вход подключен к пер- вому выходу блока управления, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения информативных возможностей за счет дополнительного измерения механических усилий и повышения точности измерения температуры и энергии электромагнитного излучения, в него введены блок выделения максимального значения производной, два нормирующих усилителя, второй и третий коммутаторы, цифровой индикатор и аналого-цифровой преобразователь, выход которого соединен с входом цифрового индикатора, вход соединен с выходом третьего коммутатора, а установочный вход соединен с установочным входом блока выделения максимального значения производ-. ной и подключен к второму выходу блока управления, третий выход которого соединен с управляющим входом измерительного преобразователя, а четвертый выход соединен с управляющими входами третьего и второго коммутаторов, вход которого соединен с входом блока управления и выходом измерительного преобразователя, а выходы соответственно через блок выде1283545 г

Г I

1 !

Составитель В. Куликов

Техред Л.Сердюкова. Корректор С. Шекмар

Редактор Н. Слободяник

Заказ 7427/37 Тираж 776.

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Подписное.Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная,4 ления максимальной производной и нормирующие усилители подключены к входам третьего коммутатора, причем чувствительный элемент выполнен в виде цилиндрического термопреобразователя сопротивления, закрепленного в центре цилиндрического теплопроводного корпуса, закрытого сверху жесткой, мембраной, снабженной электрооптическим затвором, расположенным в центре мембраны напротив термопреобразователя сопротивления, и цилиндрическим тепловым экраном, окружающим термопреобразователь сопротивленияс возможностью перемещения относительно него, причем открытый торец термопреобразователя сопротнвленияпокрыт поглощающим электромагнитное излучение веществом.