Телеметрическое устройство для измерения температуры
Владельцы патента RU 2411469:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Самарский государственный аэрокосмический университет им. академика С.П. Королева (RU)
Использование: для измерения температуры и учета теплопотребления в труднодоступных местах и/или опасных местах. Сущность изобретения: телеметрическое устройство для измерения температуры содержит источник постоянного напряжения, термочувствительный элемент, катушку индуктивности, два полевых транзистора разной проводимости. Стоки полевых транзисторов соединены между собой. Изменение температуры контролируемого объекта вызывает изменение емкостной составляющей термочувствительного элемента, выполненного в виде пьезоэлектрика, что приводит к изменению резонансной частоты колебательного контура, образованного термочувствительным элементом и катушкой индуктивности. Телеметрическая информация передается по элементам объекта контроля с помощью акустических волн. Технический результат - создание устройства для измерения температуры, в котором отсутствует необходимость в электрической линии связи с потребителем информации о температуре объекта контроля в контролируемой зоне. 2 ил.
Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано для измерения температуры и учета расхода тепла в помещении.
Известны устройства для измерения температуры, например кремниевый датчик температуры, изготовленный на основе биполярной технологии. В качестве измеряемой величины используется напряжение между базой и эмиттером кремниевого диода.
Измерительная схема такого типа представляет собой последовательное соединение кремниевого полупроводникового диода с добавочным сопротивлением. С помощью добавочного сопротивления устанавливается максимальный ток, меньший 5 мА, чтобы ограничить самонагрев датчика. Рабочее напряжение не нуждается в стабилизации и может находиться в диапазоне от 6 до 24 В. В этом случае чувствительность измеряемого на выходе напряжения составляет 10 мВ/°С. Усиленное в 100 раз выходное напряжение показывает абсолютную температуру по шкале Кельвина (0°С=273 К, 20°С=297 К) (см. Виглеб Г. Датчики. М.: Мир, 1989, с.29-33).
Недостатком таких устройств является низкая чувствительность и точность измерений, особенно в области высоких температур, так как при этом возникают дополнительные явления генерации носителей заряда, которые не учитываются изменением напряжения на клеммах эмиттер - база.
Кроме того, выходное напряжение устройства находится в сильной зависимости от стабильности тока, проходящего через полупроводниковый переход. Недостатком такого устройства является также необходимость в электрической линии связи устройства с потребителем телеметрической информации.
Наиболее близким техническим решением к данному изобретению можно считать полупроводниковый датчик температуры (см. изобретение RU №2122713 С1, МПК G01K 7/01, 1995). Устройство представляет собой элемент с участком отрицательной вольтамперной характеристики, выполненный на полевых транзисторах различной проводимости, соединенных между собой истоками. Термочувствительный элемент выполнен в виде двух диодов, изменяющих свое полное сопротивление от температуры, что приводит к изменению емкостной составляющей на выводах сток-сток полевых транзисторов, что, в свою очередь, приводит к изменению резонансной частоты колебательного контура. Недостатком устройства также является необходимость в электрической линии связи устройства с потребителем телеметрической информации.
В основу изобретения поставлена задача создания телеметрического устройства для измерения температуры, в котором отсутствует необходимость в электрической линии связи с потребителем информации о температуре объекта контроля в контролируемой зоне, что влечет за собой экономический эффект.
Необходимость в отсутствии электрической линии связи возникает при изменениях температуры трубопроводов в квартирах жилых домов, где прокладка электрических линий связей затруднительна и трудоемка. Кроме того, при измерении температуры проводов, находящихся под высоким электрическим потенциалом, узлы электрических высоковольтных контактов коммутационных устройств, датчики температуры корпуса самолета, корабля, датчики температуры жидкой среды, при измерении температуры подвижных элементов конструкций и подшипниковых узлов силовых двигательных установок.
Поставленная задача решается таким образом, что в известном устройстве для измерения температуры объекта контроля, содержащем два полевых транзистора разной проводимости, первые, вторые и третьи выводы которых соответственно являются их стоками, истоками и затворами, термочувствительный элемент, изменяющий электрическую емкость от изменения температуры объекта контроля, источник питания, катушку индуктивности, связанную с первым выводом термочувствительного элемента и с первым выводом источника питания, первые выводы полевых транзисторов связаны между собой, второй вывод второго полевого транзистора связан со вторым выводом источника питания, согласно изобретению термочувствительный элемент выполнен в виде конденсатора с диэлектриком из пьезоматериала, обладающим высокой температурной зависимостью диэлектрической проницаемости, термочувствительный элемент, дополнительно содержащий акустический контакт с объектом контроля, третий вывод первого полевого транзистора соединен со вторым выводом второго полевого транзистора, второй вывод первого полевого транзистора соединен с третьим выводом второго полевого транзистора и со вторыми выводами катушки индуктивности и термочувствительного элемента, а о температуре контролируемой зоны объекта контроля судят по частоте акустических колебаний объекта контроля, преобразуемых в электрические колебания приемником акустических сигналов, имеющим акустический контакт с объектом контроля и расположенным в доступной для потребителя телеметрической информации зоне.
На фиг.1 представлено телеметрическое устройство для измерения температуры. На фиг.2 представлена экспериментальная зависимость емкости от температуры для пьезоматериала. Пьезоматериал, выполненный в виде дисковой пластины диаметром 20 мм и толщиной 2 мм. Для которых Сс=2,331 нФ, а K=8.16-10-3 нФ/°С, полученные из экспериментальных данных методом наименьших квадратов.
Устройство содержит два полевых транзистора 1 и 2 первые, вторые и третьи выводы которых соответственно являются их стоками, истоками и затворами, термочувствительный элемент 3, изменяющий электрическую емкость от температуры зоны 4 объекта контроля 5, источник питания 6, катушку индуктивности 7, первый вывод которой связан с первым выводом термочувствительного элемента 3 и с первым выводом источника питания 6. Первые выводы полевых транзисторов 1 и 2 связаны между собой. Второй вывод второго полевого транзистора 2 связан со вторым выводом источника питания 6. Третий вывод первого полевого транзистора 1 соединен со вторым выводом второго полевого транзистора 2. Второй вывод первого полевого транзистора 1 соединен с третьим выводом второго полевого транзистора 2, а также со вторыми выводами катушки индуктивности 6 и термочувствительного элемента 3. Термочувствительный элемент 3 выполнен в виде конденсатора с диэлектриком из пьезоматериала, обладающим высокой температурной зависимостью диэлектрической проницаемости. Термочувствительный элемент 3 дополнительно содержит акустический контакт с объектом контроля 5. Приемник акустических сигналов 8 имеет акустический контакт с объектом контроля 5 и расположен в доступном для потребителя информации месте.
Телеметрическое устройство для измерения температуры работает следующим образом. Два полевых транзистора разной проводимости образуют элемент с отрицательным участком дифференциального сопротивления вольтамперной характеристики, который частично или полностью компенсирует потери в колебательном контуре образованного катушкой индуктивности 7 и электрической емкостью термочувствительного элемента 3. Если это отрицательное сопротивление по модулю превышает сопротивление потерь контура, то формируются периодические колебания с частотой f, определяемой параметрами колебательного контура:
где L - индуктивность катушки индуктивности 7; C - емкость колебательного контура, образованная постоянной емкостью Со (емкость монтажа) и собственной емкостью СТ термочувствительного элемента 3:
С=Со+СТ, поэтому:
Собственная емкость СТ термочувствительного элемента 3 зависит от материала пьезоэлектрика и температуры. Так для пьезоэлектрика из титаната бария экспериментальная зависимость собственной емкости СТ от температуры (см. фиг.2) близка к линейной:
СТ=Сс+К(Т-Т0), где Сс - собственная емкость термочувствительного элемента 3 при температуре Т0, К - коэффициент термочувствительности пьезоэлектрика 3, Т - температура пьезоэлектрика, равная температуре контролируемого объекта 5 в зоне обьекта контроля 4, так как пьезоэлектрик имеет тепловой контакт с объектом контроля 5 в зоне контроля 4.
Следовательно, частота электрических колебаний напряжения на выводах термочувствительного элемента 3 связана с температурой зоны обьекта контроля 4 выражением.
Так как термочувствительный элемент 3 имеет акустический контакт с объектом контроля 5, то частота возбуждаемых пьезоэлектриком акустических колебаний в объекте контроля 5 будет определяться частотой напряжения на выводах термочувствительного элемента 3 в соответствии с формулой (3).
Акустические колебания с частотой f распространяются по объекту контроля 5 до приемника акустических сигналов 8, расположенного в доступном месте.
В приемнике акустических сигналов 8 акустические колебания преобразуются в электрические. По частоте f этих электрических колебаний можно судить о температуре Т объекта контроля 5 в зоне 4, например с помощью зависимости, полученной из выражения (3):
Таким образом, по частоте принимаемых колебаний в доступной зоне объекта контроля можно судить о температуре удаленной и/или недоступной зоны 4 объекта контроля 5.
Телеметрическое устройство для измерения температуры объекта контроля, содержащее два полевых транзистора разной проводимости, термочувствительный элемент, изменяющий электрическую емкость от изменения температуры объекта контроля, источник питания, катушку индуктивности, связанную с первым выводом термочувствительного элемента и с первым выводом источника питания, первые выводы полевых транзисторов связаны между собой, второй вывод второго полевого транзистора связан со вторым выводом источника питания, отличающееся тем, что термочувствительный элемент выполнен в виде конденсатора с диэлектриком из пьезоматериала, обладающим высокой температурной зависимостью диэлектрической проницаемости, термочувствительный элемент дополнительно содержит акустический контакт с объектом контроля, третий вывод первого полевого транзистора соединен со вторым выводом второго полевого транзистора, второй вывод первого полевого транзистора соединен с третьим выводом второго полевого транзистора и со вторыми выводами катушки индуктивности и термочувствительного элемента.
