Устройство для измерения температуры

(12) ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ(73) Патентообладатель Третьяков Сергей Александрович(57) 1. Устройство для измерения температуры газообразных и жидких сред, преимущественно в термостате,содержащее акустический датчик в виде передатчика акустических импульсов и приемника акустических импульсов, связанных между собой посредством акустического волновода и включенный в схему блока измерительной аппаратуры, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительно вторым приемником акустических импульсов, связанным с волноводом посредством акустического согласующего окна,выполненного в теле волновода вблизи передатчика.(56) 1. А.с. СССР 119700, кл.01 11/26, 1958. 2. А.с. СССР 1471818,01 11/26, Б.И.24 от 30.06.1991. 3. Заявка 19981184, МПК 01 11/26 от 12.28.1998, опубл. в ОБ 2 от 2000.06.30, с. 49, Третьяков С.А. Устройство для измерения температуры (прототип). Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована при исследовании нестационарных температурных процессов в жидких и газовых средах, преимущественно в термостатах. Известно устройство для измерения температуры, содержащее генератор электромагнитных колебаний с акустической обратной связью, резонатор и блок индикации (см., например, 1). 324 Недостатком известного устройства является низкая точность измерения микропульсаций температуры. Известно устройство для измерения температуры газовой среды, содержащее пару пьзопреобразователей,первый из которых является возбудителем ультразвуковых колебаний в системе оболочка-газ, подключен к выходу генератора качающейся частоты (ГКЧ) прибора для исследования АХЧ. Второй пьзопреобразователь подключен к выходу индикаторного блока прибора АХЧ. Точное значение резонансной частоты определяют с помощью частотомера, подключенного к выходу ГЧК. Пьзопреобразователи располагают на поверхности оболочки исследуемого образца с газом. Оболочку нагревают и производят сравнительный контроль температуры оболочки с помощью термопары. В связи с тем, что резонансная частота колебаний газа в оболочке связана со скоростью распространения звука в нем, что в свою очередь зависит от температуры столба газа,вовлеченного в резонансные колебания, то по измеренному значению резонансной частоты определяют температуру газа в оболочке (см., например, 2). Недостаток известного устройства проявляется в значительной погрешности измеряемой температуры вследствие наличия прокачки газа через оболочку. Потеря точности измеряемой величины связана с адиабатическим процессом сжатия-расширения газовой среды и с влиянием внутреннего вязкого трения. Кроме того, в устройстве использованы пьезопреобразователи, характеризующиеся как высокоинерционные возбудители ультразвуковых колебаний. Ближайшим техническим решением, принятым в качестве прототипа, является устройство для измерения температуры газообразных и жидких сред, преимущественно в термостате, содержащее акустический датчик в виде передатчика акустических импульсов и приемника акустических импульсов, связанных между собой посредством акустического волновода и включенный в схему блока измерительной аппаратуры 3. Работа прототипа основана на измерении интервала времени между электрическим сигналом, поступающим на передатчик, и электрическим сигналом, поступающим из приемника. При изменении амплитуды или формы,возбуждаемого передатчиком акустического импульса возникает ошибка в отсчете интервала времени прохождения акустического сигнала в волноводе. Недостаток прототипа проявляется в появлении и накоплении системной ошибки и, как следствие, ограничение разрешающей способности передатчика (0,001 С) из-за наличия температурной зависимости чувствительности передатчика, когда систематически меняется значение амплитуды акустического сигнала передатчика, а также вследствие работы устройства в условиях высоких динамических нагрузок происходит деградация его параметров во времени. Изменение чувствительности передатчика вызывает ошибку измерения времени и соответственно измеряемой температуры. В основу полезной модели положена задача увеличения разрешающей способности передатчика и повышения точности измеряемой температуры в газовой или жидкой среде. Поставленная задача достигается тем, что в устройстве для измерения температуры газообразных и жидких сред, преимущественно в термостате, содержащем акустический датчик, выполненный в виде передатчика акустических импульсов и приемника акустических импульсов, связанных между собой посредством акустического волновода и включенный в схему блока измерительной части аппаратуры, электрически связанную с исполнительным механизмом, согласно полезной модели, оно снабжено дополнительно вторым приемником акустических импульсов, размещенным на волноводе вблизи передатчика на согласующем окне, выполненном в теле волновода. По сведениям, которыми располагает заявитель, предлагаемая совокупность необходимых и достаточных существенных признаков, характеризующих сущность полезной модели, не известна из уровня техники, следовательно, предлагаемая полезная модель соответствует критерию новизна. Между отличительными признаками и техническим результатом имеется причинно-следственная связь,содержащая элементы неочевидности для данной области техники. Такая связь придает полезной модели новое качество и обусловливает ее промышленную применимость. Между отличительными признаками и техническим результатом имеется следующая причинно-следственная связь наличие новых конструктивных признаков, их взаимное расположение, удобство для пользователя, конструкция заявленной полезной модели не только направлена на повышение точности измеряемой температуры, но и на повышение наработки на отказ вследствие исключения флуктуаций. Предлагаемая сущность полезной модели может быть многократно использована в различных областях техники. Заявителями изготовлены опытные образцы устройства, проведены их испытания, которые подтвердили высокие потребительские свойства. В этой связи очевидным является соответствие заявленной полезной модели критерию промышленная применимость. Для лучшего понимания полезной модели ее поясняют чертежом, где на фигуре дана конструкция и блок схема устройства. Устройство для измерения температуры газообразных и жидких сред, преимущественно в термостате,содержит акустический датчик 1, выполненный в виде передатчика 2 акустических импульсов и приемника 3 324 акустических импульсов, связанных между собой посредством акустического волновода 4 и включенный в схему блока 5 измерительной части аппаратуры. Устройство снабжено дополнительно вторым приемником 6 акустических импульсов, размещенным на волноводе 4 вблизи передатчика 2 и электрически связанным с блоком 5 посредством усилителя 7 (блока ошифровки) электрических импульсов принимаемого сигнала, вводимого в микроконтроллер 8. В устройстве (по фигуре) блок 5 измерительной аппаратуры может включать генератор 9 электрического импульса, связанный с передатчиком 2, усилителем 7 и 10 электрических импульсов сигналов, поступающих с приемников 3 и 6, и микроконтроллер 8 с цепями приема и передачи информации. Передатчик 2 и приемники 3 и 6 связаны с генератором 9 и усилителями 10 и 7 соответственно, которые в свою очередь связаны с микроконтроллером 8 блока 5 измерительной аппаратуры. В устройстве (по фигуре) в блоке 5 измерительной аппаратуры вход-выход 11 передатчика 2 акустического датчика 1 связан с выходом 13 генератора 9 электрического импульса, а вход-выход 12 приемника 3 соединен с входом 14 усилителя 10 принимаемого сигнала, выход 15 которого соединен с входом 16 микроконтроллера 8, а его выход 17 электрически связан с входом 18 генератора 9 электрического импульса блока 5 измерительной аппаратуры. Причем вход-выход 19 приемника 6 соединен с входом 20 усилителя 7 принимаемого сигнала, выход 21 которого соединен с входом 22 микроконтроллера 8. Приемник 6 акустических импульсов размещен на волноводе 4 вблизи передатчика 2 на согласующем окне 23, выполненном в теле волновода 4. Согласующее окно 23 конструктивно располагают в зоне входного сечения акустического волновода 4 нечувствительно к свойствам передатчика 2 и является ответвителем мощности передатчика 2. Работа устройства основана на измерении времени прохождения акустического импульса от приемника 6 к приемнику 3. В программе работы микроконтроллера 8 использована зависимость скорости звука в газе от температуры. Устройство использовано на примере измерения температуры механической смеси вода-лед. Волновод 4 датчика 1 заполнен газообразным азотом. Датчик 1 помещали в исследуемую среду. При поступлении сигнала из микроконтроллера 8 генератор 9 формирует электрический импульс, поступающий на передатчик 2, в котором возбуждается одиночный электрический импульс, поступающий в акустический волновод 4. Акустический импульс принимается приемниками 3 и 6 в виде электрических сигналов, поступающих в блок 5 измерительной аппаратуры, где усиливается усилителями 7 и 10, обрабатывается в контроллере 8 и отображается в форме показаний измеряемой температуры механической смеси вода-лед. Посредством настройки согласующего акустического окна 23 амплитуды и формы импульсов сигналов, выходящих из приемников 3 и 6, устанавливаются одинаковыми. Цифровые преобразователи в усилителях 7 и 10 имеют одно и тоже опорное напряжение. Изменение амплитуды акустического импульса вследствие различных температурных режимов работы передатчика 2 (его деградации) не вызывает появление системной ошибки. Пример. В процессе работы устройства генератор 9 генерирует устанавливаемый микроконтроллером 8 электрический импульс. Акустическая волна в волноводе 4, распространяется до приемников 3 и 6. При работе микроконтроллер 9 включает приемники 3 и 6 в режим приема. Импульс напряжения поступает в усилители 10 и 7 соответственно принимаемого сигнала и сформировавшийся в них цифровой импульс поступает в микроконтроллер 9. Усилители 10 и 7 работают с одним опорным напряжением для решения температурной зависимости в схеме передатчика 2 и схеме приемников 3 и 6. Вследствие задержки времени между излучаемым и принимаемым импульсами микроконтроллер 9 рассчитывает температуру в волноводе. В программе работы микроконтроллера 9 использована зависимость скорости звука в газе от температуры. Измерение проводили в течение 10000 циклов. Погрешность измерения колебалась в диапазоне 0,0001 С. Аналогичные измерения проводимые на устройстве-прототипе показали, что погрешность измерения составила 0,001 С. Таким образом, заявленное устройство позволяет улучшить точность измерения температуры среды. На дату подачи заявки заявленное устройство проходит промышленную апробацию на предприятиях электронной промышленности. Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66. 3