Устройство для измерения температуры

Изобретение относится к технике измерения физических параметров, в частности, для измерения температуры объектов и может быть использовано для управления технологическими процессами в металлургической промышленности.

Известно устройство для измерения температуры вращающегося объекта с помощью объемного резонатора (см. В.А. Викторов, Б.В. Лункин, А.С. Совлуков. Радиоволновые измерения параметров технологических параметров. - М.: Энегоатомиздат, 1989, 190 стр.). Чувствительным элементом в этом устройстве служит объемный СВЧ резонатор, изготовленный из материала с большим коэффициентом теплового расширения, например, алюминия. Резонатор размещается непосредственно на контролируемом объекте. Устройство помимо резонатора содержит передающую и приемную антенны, СВЧ генератор для возбуждения резонатора, усилитель, блок сравнения частот и регистратор. При изменении температуры объекта и резонатора изменяются геометрические размеры последнего и, следовательно, для изменения его резонансной частоты Δf можно записать

Δf=fα/(1-αt),

где α - коэффициент линейного расширения материала резонатора, t - температура объекта, f - резонансная частота резонатора. Отсюда видно, что по изменению резлнансной частоты резонатора можно судить об изменении температуры объекта.

К недостатку этого известного устройства можно отнести нестабильность электромагнитного сигнала при его распространении от предающей антенны до резонатора и от резонатора до приемной антенны из-за влияния внешних помех.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому устройству является принятый автором за прототип измеритель температуры непосредственных отсчетов (см. RU 2017088 С1, 30.07.1994), содержащий термопару, подключенную к входам первого дифференциального усилителя, выход которого соединен с входом суммирующего усилителя. Второй вход суммирующего усилителя соединен с выходом второго дифференциального усилителя, один вход которого соединен с датчиком температуры, а второй - с выходом источника опорного напряжения, выполненного на транзисторах, резисторах и третьем дифференциальном усилителе. В этом устройстве по выходному напряжению суммирующего усилителя измеряют температуру контролируемой среды.

Недостатком этого известного устройства можно считать низку точность из-за нестабильности амплитуды выходного напряжения суммирующего усилителя, связанной с температурными влияниями на транзисторы и резисторы источника опорного напряжения.

Техническим результатом заявляемого технического решения является повышение точности измерения температуры.

Технический результат достигается тем, что в устройство для измерения температуры, содержащее чувствительный элемент в виде термопары и усилитель, введены микроволновый генератор с варакторной перестройкой частоты, источник постоянного тока, выпрямитель с регулируемым напряжением, измеритель частоты, в качестве усилителя служит магнитный усилитель, причем выход термопары подключен к обмотке управления магнитного усилителя, рабочая обмотка магнитного усилителя соединена с источником переменного тока и входом выпрямителя с регулируемым напряжением, выход последнего подключен к первому плечу (варактору) микроволнового генератора, второе плечо микроволнового генератора соединено с выходом источника постоянного тока, выход микроволнового генератора подключен к входу измерителя частоты.

Сущность заявляемого изобретения, характеризуемого совокупностью указанных выше признаков, состоит в том, определение изменения частоты микроволнового генератора с варакторной перестройкой частоты дает возможность измерить температуру объекта частотой.

Наличие в заявляемом устройстве совокупности перечисленных существующих признаков, позволяет решить задачу измерения температуры на основе определения частоты микроволнового генератора с варакторной перестройкой частоты с желаемым техническим результатом, т.е. повышением точности измерения.

На чертеже представлена функциональная схема предлагаемого устройства.

Данное устройство содержит чувствительный элемент 1, источник переменного тока 2, магнитный усилитель 3, выпрямитель с регулируемым напряжением 4, микроволновый генератор с варакторной перестройкой частоты 5, источник постоянного тока 6 и измеритель частоты 7.

Устройство работает следующим образом. Термопара 1 (чувствительный элемент) припаивается к объекту, температура которого измеряется (объект на рисунке не показан). При нагревании (охлаждении) объекта термопара вырабатывает термоЭДС, величина которой зависит от состава проводников, образующих термопару, и разности температур рабочего и свободного концов термопары. После этого сигнал (постоянный) термопары поступает на обмотку управления магнитного усилителя 3. В данном случае данный магнитный усилитель состоит из обмотки управления и рабочей обмотки, соединенной последовательно с нагрузкой (выпрямителем с регулируемым напряжением 4), и подведено к ней переменное напряжение от источника переменного тока 2. По принципу работы магнитного усилителя, представляющего собой дроссель насыщения, при протекании постоянного тока управления I_y в обмотке управления, реактивное индуктивное сопротивление рабочей обмотки за счет изменения магнитной проницаемости сердечника, резко уменьшается, что приведет к увеличению тока I_н, протекающего через рабочую обмотку и выпрямитель 4 (нагрузку). В рассматриваемом случае, так как нагрузка и рабочая обмотка магнитного усилителя питаются от источника переменного тока, то усиленный сигнал на нагрузке будет зависеть от тока I_y, величины выходного сигнала источника переменного тока U_c и активных сопротивлений и индуктивности соответственно нагрузки и дросселя. Отсюда можно заключить, что при постоянной величине U_c, изменением I_y в обмотке управления магнитного усилителя (изменение активных сопротивлений и индуктивности нагрузи и дросселя), можно обеспечить управление переменным напряжением на нагрузке, т.е. на входе выпрямителя. Следовательно, в данном случае получаем, что выходной сигнал выпрямителя с регулируемым напряжением, благодаря преобразованию магнитным усилителем термоЭДС термопары, может быть использован для последующего преобразования. В силу этого в данном техническом решении, с выхода выпрямителя с регулируемым напряжением сигнал подают на первое плечо (варактор) микроволнового генератора с варакторной перестройкой частоты 5. Предварительно для генерирования электромагнитных колебаний микроволновым генератором, его второе плечо подключают к выходу источника постоянного тока 6. Для фиксации электромагнитных колебаний выходной сигнал генератора подают на вход измерителя частоты 7.

При наличии температуры объекта контроля окружающей среды, с помощью выпрямителя с регулируемым напряжением, устанавливают на входе варактора микроволнового генератора нулевое напряжение и фиксируют частоту микроволнового генератора измерителем частоты. Обозначим эту частоту f_o. При нагревании объекта величина термоЭДС чувствительного элемента увеличится. В данном случае пропорционально увеличится и напряжение на варакторе микроволнового генератора, что приведет в свою очередь перестройку по частоте генератора, т.е. увеличение его частоты. Обозначим эту частоту f_t. В силу этого по разности частот f_t-f_o можно определить изменение температуры объекта при его нагревании от температуры окружающей среды до какого-нибудь ее значения. Здесь принимается, что f_t>f_o (увеличение напряжения на варакторе приводит к увеличению частоты генератора). При охлаждении объекта (уменьшение напряжения на варакторе), наоборот уменьшится частота генератора. Отсюда вытекает, что измерение частоты микроволнового генератора с варакторной перестройкой частоты при его перестройке, обусловливает произвести измерение текущего значения температуры объекта частотой микроволнового генератора.

Таким образом, в предлагаемом техническом решении измерение частоты микроволнового генератора с варакторной перестройкой частоты, при его частотной перестройке, дает возможность измерить температуру объекта с повышением точности измерения.

Предлагаемое устройство успешно может быть использовано в различных областях науки и техники в том числе, в металлургической промышленности. Преимуществом данного устройства по сравнению с аналогичными устройствами можно считать возможность передачи частотного сигнала о температуре на расстоянии.