Квадрупольный ядерный термометр

 

979896

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВЫДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик (61) Дополнительное к авт. санд-ву (22) Заявлено 26. 06. 81 (21) 3308019/18-10 с присоединением заявки М (23) Приоритет (5! )М. Кл.

С 01 K 7/32

Веудэротваииый комитет

СССР ао долом изобретений и открытий (53) УДK 536.53 (088, 8) Опубликовано 07.12.82. Бюллетень М.45

Дата опубликования онксания 10 .12.82

В.Е. Пилипюк, А.И. Леновенко, В.И. Лах, П.Г:, Столярчук,-

И.И. Осыка и В.В. Репицкий (72) Авторы изобретения с ( (71) Заявитель (54) КВАДРУПОЛЬНЫЙ ЯДЕРНЫЙ ТЕРМОМЕТР

Изобретение относится к области температурных измерений.

Известен квадрупольный ядерный термометр, содержащий резонансный контур с термочувствительным элементом, детектор, синхронные детекторы первой и второй производной, генератор, умножитель частоты сумматор, запоминающие устройства, пороговые устройства (1 ).

В этом термометре привязка к резонансной частоте ядерного квадрупольного резонанса (ЯКР) осуществляется с помощью сигнала первой производной от резонансной линии ЯКР, получаемой методом частотной модуляции несущей при прохождении через линию ЯКР. Точность привязки к резонансной частоте ЯКР, а следовательно, и точность измерения температуры в значительной степени ухудшается иэ-за наличия паразитного сигнала, сопровождающего частотную модуляцию. Компенсация паразитного сигнала

2 производится автоматической подстройкой резонансных контуров в полосе рабочих частот.

Однако полностью подавить паразитный сигнал таким способом не удается.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является квадрупольный ядерный термометр, содержащий резонансный контур с термочувствительным элементом и двумя варикапами, подключенный к входу детектора, выход которого соединен с входами синхронных детекторов первой и второй производной, счетчик с индикатором, погическое устройство, включающее в себя пороговое устройство, цепь обратной связи, сумматор, запоминающие устройства и ключ, При

20 этом уменьшение паразитной амплитудной модуляции производится путем запоминания и вычитания уровня паразитного сигнала иэ суммарного сигнала, содержащего сигналы ядерного резо3 97 нанса и сигнал параэитной модуляции (2).

Наиболее существенным недостатком данного термометра является не" точность определения и компенсации параэитного сигнала при его существенной неравномерности в частотной области, так как в принципе работы устройства предполагается, что паразитная модуляция изменяется линейно при перестройке в диапазоне частот, что не всегда справедливо. Кроме этого погрешность измерения температуры увеличивается при измерении нестационарных температур из-за срав нительно большой инерционности устройства измерения паразитной модуляции, которая изменяется во времени.

Целью изобретения является повышение точности измерения, а также повышение быстродействия термометра.

Поставленная цель достигается тем что в квадрупольный ядерный тер) мометр, содержащий резонансный контур с термочувствительным элементом и двумя варикапами, подключенный к. входу детектора, выход которого соединен с частотомером и входами синхронных детекторов первой и второй производных с пороговым устройством, выход которого подключен к управляющему входу первого ключа, мостовую схему с термопреобразователем сопротивления, сумматор, к входам которого подключены два конденсатора, а выход через первый ключ и четырехполюсник обратной связи соединен с выходом мостовой схемы и первым варикапом, введены три ключа и синтезатор модуляционных сигналов, первый выход которого соединен с вторым варикапом.и управляющим входом синхронного детектора первой производной, выход которого через второй и третий ключи соединен с входами сумматора, причем второй выход синтезатора модуляционных сигналов соеди. нен с управляющими входами второго ключа и синхронного детектора второй производной, третий выход - с управляющим входом третьего ключа, а четвертый выход соединен с вторым варикапом через четвертый ключ, управляющий вход которого соединен, с выходом порогового устройства.

На фиг, 1 изображена блок-схема термометра; на фиг. 2 - временные диаграммы выходных напряжений синтезатора модуляционных сигналов; на

9896 4 фиг. 3 - линия ЯКР, выходные напряжения синхронного детектора первой производной на входах сумматора для двух частот модуляции (160 Гц и

2560 Гц), выходной результирующий сигнал сумматора и выходной сигнал на выходе синхронного детектора второй производной.

Термометр содержит резонансный

1в контур 1 с термочувствительным элементом, два варикапа 2 и 3, детектор

4, выполненный в виде автодинного генератора, частотомер 5, синхронные детекторы первой производной 6 и второй производной 7, ключи 8-11, конденсаторы 12 и 13, сумматор пороговое устройство 15, четырехполюсник обратной связи 16, синтезатор модуляционных сигналов 17, мостовую схему 18 и термопреобразователь сопротивления 19.

Синтезатор модуляционных сигналов формирует следующие сигна.чы: по первому выходу - сигнал в виде импульсных посылок с частотой заполнения

160 Гц и 2560 Гц, по второму и третьему выходам - сигналы, соответствующие огибающим сигналам низшей и высшей частот соответственно, а по четвертому выходу - сигнал в виде медленно меняющегося напряжения.

На фиг. 2 кривые 20-23 изображают диаграммы выходных напряжений Hà I, II III IY выходах синтезатора модуляционных сигналов.

Нз фиг. 3 кривая 24 изображает линию ядерного квадрупольного резонанса, кривые 25 и 26 - выходные напряжения синхронного детектора пер40 вой производной на входах сумматора для двух частот модуляции (160 Гц и 2560 Гц), кривая 27 — выходной результирующий сигнал сумматора, кривая 28 - выходной сигнал на выходе синхронного детектора второй проиэ45 водной.

Квадрупольный ядерный термометр работает следующим образом.

При включении термометра сигнал с выхода мостовой схемы 18 поступает на варикап 2 и устанавливает частоту автодинного детектора. 4 вблизи центральной линии 24 ЯКР с точностью

+ 1> кГц, что соответствует температурному эквиваленту + 3 К (за счет погрешности, обусловленной мостовым измерителем). Одновременно частота настройки детектора медленно изменяется в пределах 25 кГц сигналом

9896 лезный сигнал и паразитную модуляцию

5 97 с четвертого выхода синтезатора 17 со скоростью порядка 1 кГц/с. При отсутствии сигнала ЯКР ключ 10, разомкнут, а ключ ll замкнут. Как только частота несущей автодина детектора 4 попадает в полосу резонансной линии ЯКР, на выходе синхронного детектора 7 появляется напряжение, вызывающее срабатывание порогового устройства 15, по сигналу которого ключ 10 замыкается, а ключ 11 размыкается, При этом с выхода сумматора 14 через четырехполюсник 16 на варикап 3 поступает сигнал, обеспечивающий привязку центральной частоты детектора к центру резонансной линии ЯКР. Центральная частота ЯКР, пропорциональная измеряемой температуре, фиксируется частотомером 5.

Принцип подавления паразитной амплитудной модуляции в выходном сигнале сумматора основан на периодическом уширении резонансной линии за счет подачи в определенные промежутки времени С 2 напряжения моду1 ляции частотой Гz = 2560 Гц (кривая 20), что приводит к нарушению условий квазистационарности для ядерной системы, резкому уширению линии и уменьшению наклона синхронной характеристики 26 для центра линии ЯКР не менее чем в 100 раэ по сравнению с синхронной характеристикой 25 для частоты Р1 = 160 Гц при неизменной паразиткой амплитудной модуляции °

Несущая частота автодина детектора

4 модулируется двумя частотами 11 и

Г, которые разделены во времени и периодически повторяются, при этом на выходе детектора первой производной 6 получается сигнал, который разделяется периодически ключами 8 и 9.

Ключ 8 открывается на время t сиг1 налом с второго выхода синтезатора

17, когда несущая промодулирована частотой Г1. При этом выходное напряжение синхронного детектора. 6 фильтруется и запоминается на конденсаторе 12 неинвентирующего входа сумматора 14. Ключ 9 открывается сигналом с третьего выхода синтезатора 17 на время t2, когда несущая промодулирована частотой Г . При этом выходное напряжение синхронного детектора 6 фильтруется и запоминается на конденсаторе 13 инвертирующего входа сумматора 14. В сумматоре 14 синхронная характеристика 26 для частоты модуляции Г,содержащая по"

Я

2S

М

4S вычитается из синхронной характеристики 29 для Г,, содержащей полезный сигнал и ту же самую паразитную модуляцию, что при модуляции частотой

F<, В результате на выходе сумматора получается сигнал 27, в котором отсутствует сигнал параэитной амплитудной модуляции. Переходы через нули

29 и 30 (кривая 27) не играют роли в этом термометре, поскольку разрешение на привязку к линии ЯКР производится с помощью сигнала второй производной 28 в более узком частотном диапазоне.

Выбор низшей частоты модуляции Г

1 величиной 160 Гц обусловлен тем, что при такой частоте не наблюдается заметного уширения -линии ЯКР и сравни-. тельно низкий уровень шума вида 1/Е,.

Высшая частота модуляции выбрана seличиной Г = 2560 Гц, поскольку при максимальном уширении резонансной линии период таких колебаний значительно больше времени установления частоты в автодине детектора 4, что обеспечивает неизменный уровень па-. разитной модуляции (как и при F1)1

Соотношение величин следования f.„/t

1 2 частот F и Г выбрано равным четырем (фиг. 2) с целью уравнения шумов вида 1/f при выборках сигнала

ЯКР, поскольку для частоты Г уровень шумов вида 1/1: в несколько раэ больше, чем для Г (соответственно и время интегрирования при выборках для больших шумов выбрано больше). фаза напряжения 20 через каждый период чередования 1 1 и Г (равный t 1 + t2) изменяется на противоположную. Это сделано с целью симметрирования переходных процессов (при подходе к центру линии ЯКР со стороны положительных и отрицательных растроек), которые дают вклад в выходное напряжение сумматора. Иначе линия 27 будет иметь несколько смещенный переход через нуль относительно центра линии ЯКР.

Введение в термометр новых. элементов - синтезатора модуляционных сигналов, ключей и новых связей между элементами термометра позволяет существенно повысить точность измерения стационарных и нестационарных температур, а также сократить время, затрачиваемое на одно измерение температуры, 7 формула изобретения

Квадрупольный ядерный термометр, содержащий резонансный контур с термочувствительным элементам и двумя варикапами, подключенный к входу детектора, выход которого соединен с частотомером и входами синхронных детекторов первой и второй производных с пороговым устройством, выход которого подключен к управляющему входу первого ключа, мостовую схему . с термопреобразователем сопротивления, сумматор, к входам которого подключены два конденсатора, а выход через первый ключ и четырехполюсник обратной связи соединен с выходом мостовой схемы и первым варикапом, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены три ключа и синтезатор модуляционных сигналов, первый выход которого соединен с вторым

79896

8 варикапом и упраляющим входом синхронного детектора первой производной, выход которого через второй и третий ключи соединен с входами сумматора, причем второй выход синтезатора модуляционных сигналов соединен с управляющими входами второго ключа и синхронного детектора второй производной, третий выход - с управляющим входом третьего ключа, а четвертый выход соединен с вторым варикапом через четвертый ключ, управляющий вход которого соединен с выходом порогового устройства.

М (Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Лабри Эктфант и Ванье. ЯКР-термометр. - "Приборы для научных иссле2В дований ". 1971, и 1, с. 26.

2. Патент Японии У 48-70534, кл. G 01 К 7/32, опублик. 1979 (прототип) .