5. Вимірювальні схеми термометрів

5.1. Імпульсні термометри та особливості їхніх схемних рішень

При розробці схемних вирішень імпульсних термометрів в деяких випадках цілеспрямовано використовувати відомі схеми, розробленими для засобів не руйнівного контролю і фізичних дослідів. До опрацювання цих схем може заключатись у веденні перетворювача коду часу – температури для вихідної інформації про вимірювальну температуру в цифровій формі.

Для імпульсних одно- і багатозонних термометрів були розроблені також спеціальні схемні рішення, які забезпечують достатньо добрі метрологічні характеристики. Описана схема термометра, в якій відбувається вимірювання часового інтервалу між першим відбитим імпульсом та імпульсом багатократного відбиття, що підвищує точність вимірювання. Прибор має ( рис. 5.1.1,а ) генератор імпульсів 4, підсилювач 5 ,елемент І 6, два елементи затримки 7 і 10, одновібратор 8, лічильник 9, тригер 11, вимірювач довгих імпульсів 12, блок додаткової інформації 13. Генератор посилає в магністрикційний перетворювач 3 одиночні імпульси,які, будуть перетворені в акустичні імпульси, транслюються по звукопроводу 2 до чутливого елемента 1. Багатократне відбиття всередині елемента приводить до появи серії відбитих ехо-імпульсів ( рис. 5.1.1,б). Крім того, сигнал генератора затримується на заданий час в елементі затримки 7 (рис. 5.1.1.,в) і запускає одно вібратор 8, який своїм імпульсом ( рис. 5.1.1,г) забезпечує проходження через елемент І 6 тільки відбитих ехо-імпульсів ( рис. 5.1.1,д). Елемент затримки 10 формує імпульс через строго фіксований час після отримання першого ехо-імпульсу (рис. 5.1.1,ж). У вихідному стані це відповідає моменту часу між ( n – 1)-м і n-м ехо-імпульсами. Сформований елементом затримки 10 імпульс запускає тригер 11, а імпульс лічильника 9 сформований після імпульсу (рис. 5.1.1,е), перевертає його. В результаті на виході тригера формується імпульс довжиною ∆t ( рис. 5.1.1,з), при чому порівнюючи з однократним відбиттям довжина імпульсу ∆t збільшується в (n-1) раз, що відчутно зменшує похибку вимірювання часового інтервалу, а відповідно і температури.

Рис. 5.1.1. Імпульсний термометр з використанням багатократного відбиття сигналу.

На рис. 5.1.2,а представлена схема імпульсного термометра, в якому, вимірювання часового інтервалу відбувається в два етапи. На перший йде грубий підрахунок між імпульсного інтервалу, а на другому вимірюється залишок часового інтервалу між другим ехо-сигналом і наступним імпульсом заповнення. Канал передачі сигналу ( генератор 6, схема запуску 20) і попередній перетворювач ( блок 1-5) аналогічно попередній схемі, тому зупинятись на них не будемо. Одновібратор 10 служить для захисту вхідних сигналів від перенавантаження і проникнення паразитних сигналів від місця кріплення звукопровода. В каналі приймача підсилення і формуванні в блоці 7 ехо-імпульси (рис. 5.1.2,б) поступає на розподілювач 8. Перший поступаючий на розподілювач імпульс запускає імпульсний генератор 11 (рис. 5.1.2,в). Заповнюючі імпульси з періодом t₀з імпульсного генератора 11 через відкритий перший елемент І 12 поступають на лічильний вхід лічильника 15 до надходження другого ехо-імпульса, який свідчить про закінчення вимірювального інтервалу часу (рис. 5.1.2,г). Другий ехо-імпульс з розподілювача 8 поступає на вхід скиду тригера 17, перекидає його і закриває при цьому елемент І 12 (рис. 5.1.2,д). Лічильник 15 фіксує число імпульсів,які знаходяться в між імпульсному інтервалі,а сигнал тригера 17 закриває розподілювач 8, перешкоджаючи подальшому проходженню ехо-імпульсів. Далі необхідно визначити остаточний інтервал між останнім заповнюючим імпульсом, перерахованим лічильником 15, і другим ехо-імпульсом. Для забезпечення більш високої стійкості схем і високої точності вимірювання інтервал часу 2 t₀ – між другим ехо-імпульсом і одним із останніх заповнюючи ехо-імпульсів. Це відбувається наступним чином. Другий ехо-імпульс поступає на вхід запуску формувача 14 і формує передній фронт вихідного імпульсу. Імпульс з виходу генератора 11 поступає на вхід скидання формувача 14 і формує задній фронт вихідного імпульсу. Для виключення помилки формувача 14 стробується імпульсом з інверсного виходу тригера 17, затриманим на час t₀ елементом затримки 9 (рис. 5.1.2, е). В результаті на виході формувача 14 отримуємо імпульс довжиною (2 t_{0 – )} m (рис. 5.1.2,з). Цей імпульс відкриває елемент І 13 , і імпульси з генератора 11 (рис. 5.1.2,и) записується в лічильнику 16. Ємкість лічильника 16 дорівнює коефіцієнту розтягування m, що забезпечує автоматичного вираховування кінцевого інтервалу при зчитуванні показників в зворотному коді. При закінченні розтягнутого імпульсу блок індикації 19 зчитує показники з лічильників 15 і 16, після чого термометр переводиться в початкове положення.

Рис. 5.1.2. Імпульсний термометр з вимірюванням часового інтервалу в два етапи.

Даний імпульсний термометр, принцип роботи якого можна зрозуміти із спрощеної структурної схеми на рис. 5.1.3. В цьому термометрі для підвищення точності вимірювання температури передбачене автоматичне запам’ятовування амплітуди, а вимірювання часового інтервалу відбувається між центрами ехо-імпульсів. Це відбувається наступним чином: із ехо-імпульсів формуються прямокутні імпульси; інтервал між отриманими імпульсами заповнюється сигналом з частотою f ; прямокутні імпульси заповнюються сигналом з частотою f/2 .

З рис. 5.1.3. випливає, що інтервал з ехо-імпульсами

, (5.1)

де _п – міжімпульсний інтервал; _і1 та _і2 – протяжність імпульсів, сформованих з ехо-сигналів. Якщо період квантування рівний t₀, кількість імпульсів, які вкладаються на відповідних часових інтервалах буде

. (5.2)

Щоб виконалось рівняння, необхідно N₁ і N₂ зменшити в два рази, а це еквівалентно тому, що потрібно заповнити інтервали _і1 та_і2 імпульсами з періодом 2t₀:

. (5.3)

Підрахувавши суму кількості імпульсів N₀= N₃+ N’₁+ N’₂, ми легко із достатньо високою точністю визначимо інтервал між центрами ехо-сигналів.

Рис. 5.1.3 Імпульсний термометр з вимірюванням часового інтервалу між центрами імпульсів.

Схема на рис. 5.1.3 працює наступним чином. Тактовий генератор 1 формує імпульси з частотою промислової мережі f_с. Останнє покращує завадостійкість прибору. Для покращення стабільності роботи тактовий генератор додатково синхронізується ВЧ- генератором 5. Імпульси тактового генератора поступають на передавач 2, який формує на виході короткі імпульси для збудження магнітострикційного перетворювача 3.

Відбиття ехо-імпульсів підсилюються в приймачі 4 і поступають в формувачі 8 і 9 ехо-імпульсів. Формувач 8 стурбується імпульсом, який формується при надходженні затриманого елементом затримки 7 імпульсу передатчика 2. Другий формувач 9 стурбується аналогічним чином, але при поступленні першого ехо-імпульсуякий надходить до селектору 10.

На протязі першого циклу «передача-прийому» виконується запам’ятовуванням амплітуди першого ехо-імпульсу, на протязі другого запам’ятовуванням другого ехо-імпульсу. Запам’ятовування відбувається у відповідних формувачах ( 8 і 9) на час десяти циклів «прийому -передачі». Якщо амплітуда хоча б одного ехо-сигналу по яких-небудь причинах на протязі вказаних десяти циклів відчутно зменшиться, а блок управління 6 виробляє сигнал скиду і підрахунок циклів починається спочатку.

Сформовані з ехо-сигналів імпульси поступають на комутатор 11, який забезпечує проходження на лічильник 12 імпульсів з частотою 1/t₀в між імпульсному інтервалі та імпульсів з частотою 1/2t₀ при поступленні першого і другого сформованих імпульсів.

Блок вираховує середнє арифметичне результату десяти вимірювань за десять циклів «передачі-прийому» і виводить інформацію на блок реєстрації 13. В подальшому операція вимірювання повторюється.

Значний успіх у розвитку імпульсних ультразвукових термометрів призвели до створення термометра Panatherm-5010 фірмою Panametrics (США).

Технічні характеристики термометра.

Розміри чутливого елементу, мм:
діаметр…………………………………………………	0.03-3
довжина…………………………………………………	3-3000
Відносна чутливість при довжині чутливого елементу, %:
50 мм……………………………………………………	Не більше 1
максимальна……………………………………………	0,1
Похибка вимірювання часового інтервалу між імпульсами при усередненні результату десяти вимірювань, мкс	0,1
Частота дискретизації, МГц	10
Амплітуда ехо-імпульсів, В	10-2-10,0
Установка стробуючих імпульсів	Ручна
Похибка вимірювання температури, %	Не більше 1
Інерційність (без врахування інерції ЧЕ), с	0,1
Тип перетворювача…………………………………………	Магнітострикційний
Максимальна вимірювальна температура, К, з ЧЕ із:
алюмінію………………………………………………	811
нержавіючої сталі…………………………………….	1366
сапфіру…………………………………………………	1922
рутенію, молібдену……………………………………	2460
ренію, танталу, вольфраму ……………………………	3273

Крім термометра Panatherm-5010 фірмою Panametrics розроблений генератор імпульсів Panapulser-5050M для ультразвукової термометрії, прилад Panatimer-5054 для вимірювання температури методом накладання ехо-імпульсів, які відбуваються при частоті розгортки осцилографа, зворотного часового інтервалу між ехо-імпульсами. З допомогою вище згадуваних приборів можна виміряти не тільки температуру, але і ряд фізичних властивостей матеріалів (модуль пружності, коефіцієнт Пуассона і т.д.).