Ультразвукові термометри

Вимірювання температури

Електричні прилади, які призначені для вимірювання температури, називають електричними термометрами. Електричний термометр складається з первинного перетворювача температури (терморезистора, термопари) і вторинного вимірювального ланцюга.

Залежно від типу використаного первинного перетворювача прилади називають термометрами опору, термоелектричними термометрами.

В основу роботи ультразвукових термометрів покладено температурну залежність часу проходження (часу затримки) ультразвукового імпульсу по звукопроводу фіксованої довжини. При зміні температури звукопроводу змінюється його довжина і змінюється модуль пружності матеріалу звукопроводу, що призводить до зміни швидкості звуку V₃ в звукопроводі і до зміни часу затримки. Ця зміна часу затримки характеризує величину вимірюваної температури.

На рис. 1 зображена структурна схема ультразвукового термометра, в якому вимірювана температура перетворюється в частоту.

Він складається зі звукопроводу 1, виконаного з магнітострикційного матеріалу, кінці якого, для виключення відображень ультразвукових імпульсів, затиснуті глушниками 2. Для захисту від механічних зовнішніх впливів звукопровід може бути поміщений у захисну арматуру у вигляді трубки. Звукопровід являється чутливим елементом в термометрі, і він поміщається у досліджуване середовище для вимірювання його температури.

Пристрій працює наступним чином. Одиночний імпульс запуску з виходу датчика циклів 3 встановлює тригер Т в одиничний стан, після чого потенціал з його виходу є дозволеним для логічного елемента І. Крім цього, імпульс запуску проходить через елемент АБО, підсилюється підсилювачем запису 4 і надходить на два однакових вхідних магнітострикційних перетворювачів 5 і 6, розмішених між собою на відстані l₃₁.

Внаслідок прямого ефекту магнітострикції імпульс запуску перетворюється одночасно в два ультразвукових імпульси, що виникають у звукопроводі в зонах прямого перетворення магнітострикційних перетворювачів 5 і 6. Ці два ультразвукових імпульси розповсюджуються по звукопроводу зі швидкістю звуку V₃ і через час t_зат1 і t_зат2 надходять в зону оберненого перетворення вихідного магнітострикційного перетворювача 7, де

t_зат1 =l₃₂/V₃ і t_зат2= (l₃₁+l₃₂)/V₃ (2.1)

Внаслідок зворотного ефекту магнітострикції вони перетворюються в перетворювачі 7 у два електричних імпульси, які потім посилюються і формуються в імпульси потрібної довжини підсилювачем зчитування. Ці два імпульси проходять через елементи І, АБО, підсилювач запису і надходять на два вхідних магнітострикційних перетворювачі 5 і 6, збуджуючи в звукопроводі чотири ультразвукових імпульси і т.д.

Довжина звукопроводу l₃₁ (рис. 1) повинна бути такою,

щоб створюваний ним час затримки

t_зат= l₃₁/V₃ (2.2)

дорівнював простому цілому числу. Довжина звукопроводу l₃₂ не повинна дорівнювати l₃₁, і не містити його в собі в якості множника. При виконанні цієї умови кожен імпульс, що проходить на підсилювач запису, буде збуджувати одночасно два вхідних магнітострикційних перетворювачі і, внаслідок цього, в звукопроводі буде відбуватись подвоєння вхідних імпульсів.

Через деякий час після запуску пристрою одиночним імпульсом весь звукопровід заповнюється ультразвуковими імпульсами.

На виході термометра виникне послідовність електричних імпульсів, період повторення яких визначається співвідношенням довжин відрізків звукопроводів l₃₁ і l₃₂.

Якщо вимірювана температура зміниться, то це призведе до зміни часу затримки, яка визначається ділянками звукопроводів l₃₁ і l₃₂. Внаслідок цього зміниться період повторення імпульсів, що генеруються, пропорційно до зміни температури. Для підвищення чутливості даного термометра необхідно використовувати звукопроводи, зроблені з матеріалу, що має максимальний температурний коефіцієнт затримки.

На рис. 2 зображена структурна схема ультразвукового термометра, який являє собою магнітострикційний перетворювач температури в цифровий код.

Чутливим елементом даного термометра є звукопровід 1, виконаний із магнітострикційного матеріалу (наприклад, нікелю), один кінець якого затисне ний глушником 2, а інший вільний кінець поміщають у досліджуване середовище, температур) якого необхідно виміряти.

Пристрій працює наступним чином. Одиночний імпульс (старт-імпульс) з виходу генератора циклічних імпульсів 3 встановлює в нульовий стан лічильники імпульсів 4 і 5, а також перемикає в одиничний стан тригер Т. Після цього потенціал з виходу тригера є дозволеним для логічного елемента І₁ і тому імпульси з виходу генератора імпульсів стабільної частоти 12 проходять через елемент І₁ і надходять на рахунковий вхід лічильника імпульсів 5.

Крім цього, старт-імпульс проходить через елемент АБО, через підсилювач запису 6 і надходить на вхідний магнітострикційний перетворювач 7, причому під час дії цього імпульсу комутатор 8 - закритий. Підсилений імпульс, внаслідок прямого ефекту магнітострикції, перетворюється в ультразвуковий імпульс, який виникає в звукопроводі в зоні прямого перетворення перетворювача 7. Цей імпульс розповсюджується по звукопроводу зі швидкістю звуку V₃ в бік його вільного кінця, повністю від нього відбивається і через час t_зат надходить в зону зворотного перетворення, де

t_зат=2l₃/V₃. (2.3)

У даному пристрої у магнітострикційному перетворювачі 7 поєднані функції вхідного і вихідного магнітострикційного перетворювача. Тому в перетворювачі 7, внаслідок зворотного ефекту магнітострикції, ультразвуковий імпульс перетворюється в електричний, який проходить через відкритий комутатор 8, а потім посилюється і формується в імпульс підсилювачем зчитування 9.

Зміна вимірюваної температури на ΔT° відносно номінальної викликає зміну часу затримки на величину

Δt_{зат. Т}=γ∙t_зат∙ ΔT°, (2.4)

де γ - температурний коефіцієнт затримки звукопроводу.

Таким чином, на виході підсилювача зчитування виникає перший імпульс, який затримується щодо старт-імпульсу на час

T_V1=t_зат+Δt_зат.Т. (2.5)

Цей імпульс надходить на входи елементів І₂ та І₃ Оскільки на другий вхід елемента І₂ надходить дозволений потенціал з (n-1)-го виходу дешифратора 10. а на другий вхід елемента І₃ надходить заборонений потенціал з виходу елемента НІ 11, і тому імпульс з виходу підсилювача 9 проходить тільки через елементи І₂, АБО, а потім надходить на підсилювач запису 6 і, здійснивши циркуляцію по вищезазначеному ланцюгу, знову з'являється на виході підсилювача 9 через час 2t_V1 стосовно старт-імпульсу.

Цей другий імпульс знову, здійснивши циркуляцію по вище описаному ланцюгу, виникне на виході підсилювача 9 через час 3 t_V1 стосовно старт-імпульсу і т.д.

Таким чином, на виході підсилювача 9 формується послідовність імпульсів з періодом повторення t_V1. Ці імпульси підраховуються лічильником імпульсів 4. причому (n-1)-й імпульс цієї послідовності проходить через елемент АБО і далі по ланцюгу циркуляції і, крім цього, надходячи на вхід лічильника 4, викликає появу на (n-1)-му виході дешифратора 10 потенціалу. який закриває елемент І₂, а на виході інвертора 11 виникає дозволений потенціал для елемента І₃. Після цього коло циркуляції імпульсів розривається і черговий n-й імпульс (стоп-імпульс), який виникне на виході підсилювача 9 через час n∙ t_V1 стосовно старт-імпульсу, проходить тільки через елемент І₃, переключає тригер Т, після чого елемент І₁ закривається і припиняється надходження імпульсів з генератора І₂ на вхід лічильника 5. На цьому процес перетворення вимірюваної температури в цифровий код закінчується. В лічильнику 5 буде зафіксовано цифровий код. що дорівнює числу імпульсів N, які розмістилися в інтервалі часу між старт- і стоп-імпульсами n∙ t_V1, де

N= n∙ t_V1/τ=n(t_зат+ Δt_зат.Т)/τ, (2.6)

де τ - період проходження імпульсів генератора 12 стабільної частоти; n – число імпульсів з виходу підсилювача 9, які задаються за допомогою лічильника 4 і дешифратора 10.

З рівнянь (2.4), (2.5) і (2.6) отримуємо:

N = N₀ + N_X, (2.7)

де N₀= n∙t_зат/τ; (2.8)

N_x= n∙t_зат∙γ∙ ΔT°/τ, (2.9)

З рівняння (2.7) випливає, що отриманий цифровий код N, складається з неінформативного коду N₀, який не залежить від температури, та інформативного коду N_x, який залежить пропорційно від вимірюваної температури. Число N₀ є постійною величиною і при необхідності його можна компенсувати схемним шляхом.

З рівнянь (2.9) та (2.3) отримаємо

N_x=K∙ ΔT°, (2.10)

де К - чутливість даного перетворювача температури,

K=2n∙l₃∙γ/(τ∙V₃) (2.11)

З рівняння (2.10) випливає, що цифровий код, зафіксований у лічильнику імпульсів 5, прямо пропорційно залежить від зміни ΔT° вимірюваної температури щодо номінальної температури і, отже, однозначно визначає вимірювану температуру.

З рівняння (2.11) випливає, що чим більшими будуть використовуватися величини l₃, γ, та n і чим менше буде τ, тим вищою буде чутливість перетворювача, а отже, тим вищою буде точність перетворення температури в цифровий код.

З надходженням насипного імпульсу з виході генератора імпульсів циклів 3 починається наступний цикл вимірювання температури і т.д. Для надійної роботи пристрою необхідно, щоб Т_ген > n∙ t_V1, де Т_ген - період повторення імпульсів з генератора 3.

Перевагою розгляну тих магнітострикційних перетворювачів температури в цифровий код або в частоту є добра лінійність характеристики перетворення, висока точність вимірювань температури та можливість вимірювання дуже низьких температур аж до абсолютного нуля.

Верхня межа вимірюваної температури залежить від конструкції магнітострикційного ультразвукового термометра. В досліджуване середовище поміщається тільки чутливий елемент. а магнітострикційний перетворювач 7 (рис. 2) знаходиться за межами досліджуваного середовища і захищений від вимірюваної температури. В цьому випадку верхня межа вимірюваної температури може перевищувати + 600°С, якщо при цьому температура звукопроводу в зоні прямого перетворення перетворювача 7 (рис. 2) не перевищує температури “точки Кюрі”, при якій зникає ефект магнітострикції.

Сумарна похибка вимірювання температури магнітострикційними ультразвуковими термометрами становить 0,1... 0,2%.

Дата добавления: 2017-02-01; Просмотров: 79; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы!