АКУСТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ТЕМПЕРАТУРЫ

АКУСТИЧЕС1СИЙ ДАТЧИК ТЕМПЕРАТУРЫ
Полезная модель относится к области измерительной техники, а именно к средствам измерений температуры.
Известен акустический датчик температуры (Трохан А. М. Гидроаэрофизические измерения - М.: Издательство стандартов, 1981, с. 185 187), содержащий герметичный термобаллон, заполненный термометрическим газом и выполняющий функцию акустического резонатора, источник и приемник акустических колебаний, подключенные с помощью трубок к термобаллону, и вспомогательную аппаратуру. Измерение температуры таким датчиком осуществляется по скорости звука, которую определяют по частоте акустических колебаний в термобаллоне, которая наблюдается в момент резонанса.
Педостатком этого акустического датчика температуры является высокое требование к добротности акустического резонатора, которое трудно обеспечить при измерении высоких температур, и необходимость подбора резонансной частоты путем изменения частоты акустических колебаний источника.
Паиболее близким по технической сущности является акустический датчик температуры (Агейкин Д.И и др. Датчики контроля и регулирования М.: Машиностроение, 1965, с. 831 - 832), содержащий термобаллон, выполненный с возможностью размещения в объекте контроля температуры, преобразовательную камеру, которые имеют форму трубок, закрытых с одного торца крышкой, а с другого, снабженных фланцами, и соединенных друг с другом с помощью этих фланцев, источник и приемник акустических колебаний, размещенные внутри преобразовательной камеры. Температура с помощью такого акустического датчика измеряется по частоте акустических
колебаний, возникающих в замкнутой системе, состоящей из термобаллона, приемника акустических колебаний и источника акустических колебаний, которые включены соответственно на вход и выход электронного усилителя. Недостатком такого акустического датчика температуры является ограниченный диапазон измерений и необходимость использования дополнительного преобразователя для ввода сигнала в аналоговую систему контроля управления.
Задачей полезной модели является упрощение конструкции акустического датчика температуры и расщирение его диапазона измерений. Технический результат - создание акустического датчика температуры с аналоговым выходным сигналом, способного измерять температуру в диапазоне(10-2000)К.
Технический результат достигается тем, что в акустический датчик температуры, содержащий термобаллон, выполненный с возможностью размещения в объекте контроля температуры, и преобразовательную камеру, которые имеют форму трубок, закрытых с одного конца крыщкой, а с другого снабженных фланцами и соединенные друг с другом с помощью этих фланцев, источник и приемник акустических колебаний, размещенные внутри преобразовательной камеры, дополнительно содержит стабилизатор расхода газа и неуравновещенный электрический мост, причем преобразовательная камера снабжена входным и выходным штуцерами, источник акустических колебаний установлен на крыщке преобразовательной камеры на оси последней, а на отрезке между источником акустических колебаний и фланцем преобразовательной камеры в монтированы входной и выходной щтуцера, между ними на оси этой камеры размещен приемник акустических колебаний, выполненный в виде терморезистора, который подключен к неуравновещенному электрическому мосту, при этом входной штуцер преобразовательной камеры подключен к выходу стабилизатора расхода.
Такая конструкция акустического датчика обеспечивает простоту измерений, возможность непосредственного получения аналогового сигнала в виде разбаланса неуравновешенного электрического моста, который формируется за счет изменения условий тепло - и массообмена в зоне размещения терморезистора при изменении положения стоячей волны, создаваемой с помощью источника акустических колебаний в волноводе, образованном термобаллоном и преобразовательной камерой. Предложенная конструкция акустического датчика обеспечивает возможности измерений как очень низких (криогенных), так и высоких температурах; что определяется наличием элементов стабилизации условий работы преобразовательной камеры и возможность изготовления термобаллона из материалов способных, сохранить свои механические свойства при низких или высоких температурах.
По сравнению с прототипом заявляемая конструкция имеет отличительную особенность в совокупности элементов, их конструктивном исполнении и взаимном расположении.
Схема акустического датчика температуры показана на фигуре.
Акустический датчик температуры содержит термобаллон 1, выполненный с возможностью размещения в объекте контроля температуры
2,преобразовательную камеру 3, которые имеют форму трубок, закрытых с одного торца крышками 4 и 5, а с другого - снабженных фланцами 6 и 7, и соединенных друг с другом с помощью этих фланцев, источник 8 и приемник 9 акустических колебаний, размещенные внутри преобразовательной камеры
3,стабилизатор расхода газа 10 и неуравновешенный электрический мост 11. Камера 3 снабжена входом 12 и .выходом 13 штуцерами, а источник акустических колебаний установлен на крышке 5 преобразовательной камеры на оси последней. Штуцеры 12 и 13 вмонтированы в стену преобразовательной камеры 3 на отрезке между источником акустических колебаний 8 и фланцем 7, а между этими штуцерами на оси преобразовательной камеры размешен приемник акустических колебаний
выполненный в виде терморезистора, который подключен к неуравновешенному электрическому мосту 11, входной штуцер 12 преобразовательной камеры подключен к выходу стабилизатора расхода газа, выход неуравновешенного моста подключен к автоматическому потенциометру или вольтметру, а источник акустических колебаний к выходу генератора гармонических колебаний 15.
Работа акустического датчика температуры осуществляется следующим образом. Датчик устанавливается на объекте контроля так, что по термобаллон размещается во внутренней полости объекта. Термобаллон с крышкой при измерении высоких температур, например, 2000 и более изготавливают из вольфрама или кварца. В преобразовательную камеру 3 из стабилизатора расхода 10 непрерывно подают потоки газа, например воздуха. От генератора 15 к источнику акустических колебаний 8 непрерывно подают электрические гармонические колебания, частота которых подбирается в зависимости от размеров термобаллона и преобразовательной камеры, диапазона измеряемых температур и расстояния между источником акустических колебаний и терморезистором. Акустические колебания распространяются по оси Уб, отражаются от крышки 4, и при определенных условиях в преобразовательной камере и термобаллоне, которые образуют волновод, возникает стоячая акустическая волна (Поль Р.В. Механика, акустика и учение о теплоте, М.: Наука, 1971,с. ). В узлах и пучностях стоячей акустической волны происходят сложные процессы тепло- и массообмена, вызванные изменением скорости молекул и поглощением энергии (Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике М.: Иностр. Лит., 1956, с. ).
При изменении температуры термобаллона 1 изменяется температура заполняющего его газа, а это приводит к изменению скорости звука в термобаллоне 1, и изменению места расположение стоячей волны в волноводе, что можно обнаружить с помощью терморезистора 9 по
,
изменению его темнературы (Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике, М.: Иностр. Лит., 1956 с.145-г146).
Изменение темнературы терморезистора взывает изменение его электрического сопротивления, которое измеряют с помощью неуравновешенного электрического моста 11 и автоматического потенциометра или вольтметра 14.
Таким образом, предлагаемый датчик позволяет измерить температуру газа в термобаллоне, которая определяется температурой объекта контроля по температуре терморезистора, который и находится в преобразовательной камере в детерминированных условиях.
В испытательном макете акустического датчика температуры термобаллон представлял собой трубу из нержавеющей стали (внутренний диаметр 2мм, длинна 300мм), в качестве источника акустических колебаний использовался электрический излучатель типа ДЭМШ от слуховых аппаратов, приемником акустических колебаний служили вольфрам рениевый терморезистор, сопротивлением 60 Ом. Для работы датчика использовался генератор электрических колебаний типа Г118, блок катарометра от хроматографа типа ЛХМ-8МД и автоматический потенциометр типа КСП - 4. В эксперименте измерялась температура в диапазоне от 500 до 1500 К. Как следует из принципа действия акустического датчика с его помощью можно измерить, например как низкие (криогенные) температуры (в этом  в преобразовательную камеру необходимо подавать гелий), так и высокие температуры (в этом случае в качестве материала термобллона должны использоваться кварц или термостойкая керамика).
Преимуществом предлагаемого технического решения является:
-простота конструкции;
-возможность получения без дополнительного преобразования аналогового сигнала;
- широкий диапазон измерений, а именно возможность измерения низкой (в том числе криогенных) и высокой температуры.
Предлагаемое устройство может быть реализовано на базе серийных элементов, таких как терморезисторы, стабилизаторы расхода газа, источники колебаний, и устройств, таких как генератор электрических колебаний, неуравновешенный электрический мост, автоматический потенциометр.
Устройство может найти применение при решении задач измерений низких, в том числе криогенных и высоких температур, как на технологических процессах, так и в научных исследованиях.