УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ
DEVICE TO MEASURE TEMPERATURE

Изобретение относится к области приборостроения, а именно к датчикам температуры.
Известно устройство на поверхностных акустических волнах (ПАВ) с малыми потерями, состоящее из пьезоэлектрического звукопровода, двух двунаправленных встречно-штыревых преобразователей, размещенных в параллельных акустических каналах, и двух многополосковых отражательных решеток, размещенных симметрично по обе стороны от встречно-штыревых преобразователей [1]. Данное устройство имеет малые вносимые потери, поскольку в нем используется кольцевая конструкция.
Недостатком данной конструкции является минимальное (менее 1 мкс) время задержки, ограничивающее возможность ее использования для применения в датчиках температуры.
Наиболее близким техническим решением является устройство для измерения температуры [2], содержащее линию задержки на ПАВ и усилитель.
Недостатком данного устройства являются большие вносимые потери (для компенсации которых и используется усилитель, который должен размещаться непосредственно рядом с линией задержки на ПАВ) и низкая точность измерения из-за влияния режимной нестабильности и нагрева схемы усилителя на активный элемент датчика (линию задержки на ПАВ).
Задачей изобретения является повышение точности измерения за счет снижения вносимых потерь и выбора конструктивных параметров линии задержки.
пав
Поставленная задача достигается тем, что в устройство для измерения температуры с точностью ΔТ, включающее линию задержки на поверхностных акустических волнах, выполненную на звукопроводе из пьезоэлектрического материала, имеющего коэффициент температурной зависимости задержки ТКЗ и скорость поверхностной акустической волны υ, с входным и выходным встречно-штыревыми преобразователями, дополнительно введен прибор для измерения коротких интервалов времени с точностью измерения Δt, выход которого соединен с входным встречно-штыревым преобразователем линии задержки на поверхностных акустических волнах, вход соединен с выходным встречно-штыревым преобразователем линии задержки на поверхностных акустических волнах, причем входной и выходной встречно-штыревые преобразователи расположены в параллельных акустических потоках, их центры размещены на одной линии симметрии, по обе стороны от встречно-штыревых преобразователей выполнены многополосковые отражательные решетки, при этом расстояния L между центрами многополосковых отражательных решеток и центрами встречно-штыревых преобразователей выбираются из условия:
,
где L - расстояние между центрами многополосковых отражательных решеток и центрами встречно-штыревых преобразователей;
Δt - точность измерения интервалов времени;
пав
υ - скорость поверхностной акустической волны в пьезоэлектрическом звукопроводе;
ТКЗ - температурный коэффициент задержки в пьезоэлектрическом звукопроводе;
ΔT - точность измерения температуры в устройстве.
На фиг.1 приведена конструкция предложенного устройства для измерения температуры, содержащая линию задержки на поверхностных акустических волнах 1, выполненную на пьезоэлектрическом звукопроводе 2, с входным 3 и выходным 4 встречно-штыревыми преобразователями, прибор для измерения коротких интервалов времени 5, выход которого соединен с входным встречно-штыревым преобразователем 3 линии задержки на поверхностных акустических волнах 1, а вход соединен с выходным встречно-штыревым преобразователем 4 линии задержки на поверхностных акустических волнах 1. При этом входной 3 и выходной 4 встречно-штыревые преобразователи линии задержки 1 расположены в параллельных акустических потоках, их центры размещены на одной линии симметрии, по обе стороны от встречно-штыревых преобразователей расположены многополосковые отражательные решетки 6.
Устройство работает следующим образом. С выхода устройства для измерения коротких интервалов времени 5 электрический сигнал поступает на входной встречно-штыревой преобразователь 3 линии задержки на поверхностных акустических волнах 1. Во входном встречно-штыревом преобразователе 3 электрический сигнал преобразуется в поверхностную акустическую волну, которая распространяется в перпендикулярных оси симметрии преобразователя направлениях в стороны многополосковых отражательных решеток 6. Многополосковые отражательные решетки 6 переотражают поверхностную акустическую волну в направлении выходного встречно-штыревого преобразователя 4 линии задержки на поверхностных акустических волнах 1. В выходном встречно-штыревом преобразователе 4 линии задержки на поверхностных акустических волнах 1 поверхностная акустическая волна, приходящая от обеих многополосковых отражательных решеток 6, складывается и преобразуется в электрический сигнал, который поступает на вход устройства для измерения коротких интервалов времени 5.
Из фиг.1 наглядно видно, что поверхностная акустическая волна в линии задержки проходит расстояние, равное удвоенному расстоянию между центрами многополосковых отражательных решеток и центрами встречно-штыревых преобразователей (2L). Относительное изменение времени задержки поверхностной акустической волны от температуры в соответствии с [3] определяется, как:
где Δτ - изменение времени задержки поверхностной акустической волны в линии задержки от изменения температуры;
τ - время задержки поверхностной акустической волны в линии задержки;
ТКЗ - температурный коэффициент задержки в пьезоэлектрическом звукопроводе линии задержки;
δT - диапазон изменения температуры.
Из выражения (1) время задержки поверхностной акустической волны в линии задержки определяется как:
С другой стороны, время задержки поверхностной акустической волны в линии задержки определяется соотношением [3]:
где L - расстояние между центрами многополосковых отражательных решеток и центрами встречно-штыревых преобразователей;
пав
υ - скорость поверхностной акустической волны в пьезоэлектрическом звукопроводе линии задержки.
Приравняем соотношения (2) и (3) и определим из них расстояние между центрами многополосковых отражательных решеток и центрами встречно-штыревых преобразователей линии задержки:
Заменив в выражении (4) Δτ (изменение времени задержки поверхностной акустической волны в линии задержки от изменения температуры) на точность прибора для измерения интервалов времени Δt, а δТ (диапазон изменения температуры) на точность измерения температуры в устройстве ΔT, получим выражение, описывающее оптимальное расстояние между центрами многополосковых отражательных решеток и центрами встречно-штыревых преобразователей линии задержки для требуемой точности измерения температуры при известной точности прибора для измерения интервалов времени:
пав
Линия задержки сохраняет кольцевую структуру, что обеспечивает малые вносимые потери, необходимые для устойчивой работы прибора для измерения интервалов времени без дополнительных усилителей. Точность измерения температуры в устройстве при известной точности прибора для измерения интервалов времени обеспечивается выбором материала звукопровода линии задержки (определяет υ и ТКЗ) и расчетом оптимального расстояния между центрами многополосковых отражательных решеток и центрами встречно-штыревых преобразователей по формуле (5).
пав
-6
Предлагаемое решение прошло техническую проверку. Линия задержки на поверхностных акустических волнах на частоту 434 МГц была изготовлена на звукопроводе из ниобата лития среза УХ/128° (υ=3890 м/сек, ТКЗ=75·10 1/°С). Общие размеры звукопровода составили 6×1,8×0,5 мм при расстоянии между центрами многополосковых отражательных решеток и центрами встречно-штыревых преобразователей L=2,43 мм. Амплитудно-частотная характеристика и частотная характеристика времени задержки этого устройства, снятые в нормальных климатических условиях, показаны на фиг.2. Величина вносимых потерь в линии задержки составила 3,6 дБ при общем времени задержки сигнала в полосе пропускания порядка 1 мкс.
Для измерения интервалов времени, пропорциональных изменению температуры, использовался прибор для измерения времени и частоты T-2300R, представляющий собой PCI слот для персонального компьютера [4]. После соответствующей калибровки и обработки компьютерной программой результаты измерений времени задержки представлялись в виде изменения температуры. При использовании опции стандартной точности измерения времени прибора T-2300R 200 пс точность измерения температуры составила 2°С. При переходе на опцию повышенной точности измерения времени прибора T-2300R 1 пс точность измерения температуры составила порядка 0,01°С, чем полностью подтверждается правильность предлагаемого технического решения.
Источники информации
1. Экспериментальное исследование кольцевых фильтров на ПАВ с малыми потерями без элементов согласования. С.А.Доберштейн, Е.Б.Коржинский, В.А.Малюхов. Материалы конференции «Акустоэлектронные устройства обработки информации», М., 1988 г., с.99-100.
2. Акустоэлектронные радиокомпоненты. В.И.Речицкий. М.: Радио и связь, 1987 г.
3. Принципы построения датчиков физических величин на поверхностных акустических волнах. В.К.Киселев, И.А.Князев, С.М.Никулин, Г.В.Труфанова. Датчики и системы, №10, 2003 г., с.8-13.
4. Time/Frequency Counter T-2300R. VIGO System S.A.Swietlikow 3, 01-389 Warsaw, Poland. Internet: www.vigo.com.p1.