Методы и средства контактных электроизмерений температуры
На рис. 12 приведена структурная схема импульсного термо-шумового термометра. Шумовое напряжение на резисторе Rx,находящемся при температуре Qх, включенном во входную цепь предусилителя ПУ, пропускается через полосовой фильтр Ф, усиливается до уровня 10 В и подается через дискриминатор Д на частотомер, измеряющий число шумовых импульсов. Шумовое напряжение от второго резистора Ro, находящегося при известной температуре
Рис. 12
Θ0, подается на ту же измерительную цепь (поочередно с напряжением от датчика). Переключение каналов производится ключами Кл1 и К.л2 через 25 с. Если значения сопротивлений резисторов подобраны таким образом, что R0Θ0 ≈ RхΘх, то показания 
счетчиков Сч1 и Сч2 частотомера при работе обоих каналов будут близкими и измеряемую температуру можно найти как Θx = (Ro/Rx) Θо + δ, где δ = k (
).
Термометры ядерного квадрупольного резонанса (ЯКР) основаны на взаимодействии градиента электрического поля кристаллической решетки и квадрупольного электрического момента ядра, вызванного отклонением распределения заряда ядра от сферической симметрии. Это взаимодействие обусловливает прецессию ядер, частота которой называется частотой ЯКР, зависит от градиента электрического поля решетки и для различных веществ имеет значения от сотен килогерц до тысяч мегагерц. Градиент электрического поля решетки зависит от температуры, и с повышением температуры Θ частота ЯКР понижается.
Датчик ЯКР-термометра представляет собой ампулу с веществом, помещенную внутрь катушки индуктивности, включенной в контур LC-генератора. При совпадении частоты генератора с частотой ЯКР происходит поглощение энергии от LC-генератора. Для периодического поглощения энергии электромагнитное поле модулируется напряжением низкой частоты. Полученные на контуре генератора периодические изменения напряжения подаются на указатель резонанса и служат сигналом к отсчету частоты генератора частотомером. В качестве термометрического вещества ЯКР используется гранулированный КСIO3, очищенный двойной рекристаллизацией, а частота ЯКРСl35 при 20 °С составляет 28213324 ± 10 Гц. Ширина сигнала ЯКР (полоса частот, в которой происходит поглощение энергии) порядка 500 Гц. Погрешность измерения температуры 10 К составляет ±0,02 К, а при 300 К равна ±0,002 К. Чувствительность в районе 300 К равна 4,8 кГц/К. Зависимость сигнала ЯКР от внешних магнитных полей требует экранировки датчика (магнитное поле Земли вызывает расширение резонансного сигнала на 200 Гц).
Достоинством ЯКР-термометра является его не ограниченная во времени стабильность, так как зависимость частоты от температуры определяется только молекулярными свойствами вещества и остается неизменной для всех образцов данного химического вещества. Недостаток ЯКР-термометров — резкая нелинейность их характеристики, исключающая возможность прямого цифрового отсчета температуры.
Электроакустический частотно-цифровой термометр основан на зависимости скорости распространения звука в газах от их температуры. Датчик электроакустического термометра состоит из цилиндрического резонатора, в котором возбуждаются продольные акустические колебания. Собственная частота трубчатого полуволнового резонатора длиной l с учетом γ = сp/сv и ви-риального коэффициента В, учитывающего отклонение свойств реального газа от свойств идеального, равна
(2.1)
где R = 8,314 Дж/(К-моль) — универсальная газовая постоянная; Θ — измеряемая температура; Р — давление; М — молекулярная масса газа.
Конструкция датчика частотно-цифрового акустического термометра, разработанного в ЛПИ им. М. И. Калинина, приведена на рис. 13. В полости резонатора l электростатическим возбудителем 2 возбуждаются продольные акустические колебания, которые принимаются аналогичным по конструкции приемником 4. Использование электростатических преобразователей позволяет создать конструкции приемника и возбудителя, работоспособные как при низких (—100 °С), так и при высоких (+400 °С) температурах, обладающие равномерной характеристикой чувствительности в диапазонах частот акустических колебаний от 5 до 15 кГц. Мембраны 3 и 5 соответственно возбудителя 2 и приемника 4 толщиной 4 мкм выполнены из никеля методом электрохимического напыления и имеют собственную частоту около 30 кГц.
Вывод от электрода приемника акустических колебаний окружен эквипотенциальным экраном, потенциал которого специальным электронным устройством непрерывно поддерживается равным потенциалу вывода (см. рис. 12-12). Резонатор включен в цепь положительной обратной связи усилителя, образуя генератор, частота которого определяется измеряемой температурой согласно формуле (23-1). При 20 °С она равна 10 кГц, а при измерении температуры изменяется на 1,8% на 10 К.
Рис. 13
Для обеспечения непосредственного цифрового отсчета измеряемой температуры в Кельвинах устройство цифрового отсчета работает в два такта и осуществляет линеаризацию функции преобразования в виде полинома второй степени:
где T1 — длительность первого такта измерения; fo — опорная образцовая частота; N0 и N1 — постоянные числа, вводимые в измерительное устройство. Выбор значения и знака этих постоянных позволяет изменять соотношение между членами, пропорциональными Θ и 
, чем достигается устранение нелинейности шкалы прибора, вызываемой неравенством нуля вириального коэффициента В в выражении (2.1) и другими причинами. Погрешность термометра составляет 0,05 К и менее.
Перейти на страницу: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12