СВЧ - мостовой измеритель температуры
UHF MICROWAVE BRIDGE TEMPERATURE METER

Изобретение относится к устройствам для измерения температуры и может применяться в различных областях техники.
Известно устройство, реализующее способ терморезистивного измерения температуры (см. RU 2198384 С2, 10.02.2003), содержащее катушку индуктивности (индуктор), находящейся вблизи проводящей поверхности исследуемого объекта (с зазором между катушкой и поверхностью исследуемого объекта), источник питания переменным током частотой. Согласно данному техническому решению, катушка индуктивности в этом случае, с точки зрения электротехники, представляется как воздушный трансформатор первичной и вторичной обмотками, имеющими активные и индуктивные сопротивления. Подача в катушку переменного тока с частотой, обеспечивает проникновение электромагнитной волны в металлическую стенку объекта на глубину, равную или меньшую толщины стенки объекта. После этого измеряют активное сопротивление катушки при известной температуре объекта и при искомой температуре. Затем по преобразованию измеренных активных сопротивлений при известной и искомой температуре, коэффициента сопротивления материала объекта измерения, известной температуры объекта и сопротивления катушки до помещения ее рядом с объектом измерения, вычисляют искомую температуру.
Недостатком этого известного технического решения является невысокая точность измерения из-за изменений активных сопротивлений в зависимости от температуры окружающей среды.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому, является принятое автором за прототип устройство для измерения температуры (см. RU 2190198 С2, 09.04.2001). Данное устройство содержит термопреобразователь сопротивления с тремя линиями связи, измерительный усилитель с двумя входами, формирователь тока, включающий операционный усилитель с токозадающим резистором и источником питания, резистор установки нуля, задатчик тока, цифроаналоговый преобразователь и сумматор. Суть работы устройства заключается в том, что формирователем тока создает в линии связи ток, протекающий через термопреобразователь сопротивления и резистор установки нуля. При этом величина этого тока определяется напряжением источника питания и сопротивлением токозадающего резистора. В результате на входах измерительного усилителя формируются напряжения, связанные с сопротивлением термрпреобразователя сопротивления при начальной температуре и сопротивлением термопреобразователя, вызванном изменением (отклонением) температуры от начальной, сопротивлениями линии связи и сопротивлением резистора установки нуля. В итоге на выходе усилителя получают напряжение, которое при определенных условиях, дает возможность вычислить изменение сопротивления термопреобразователя, т.е. определить измеряемую температуру.
К недостатку этого устройства можно отнести температурную погрешность, связанную с изменением сопротивлений линии связи из-за колебания температуры окружающей среды.
Техническим результатом данного устройства является повышение точности измерения температуры.
Технический результат достигается тем, что в СВЧ - мостовой измеритель температуры, содержащий термопреобразователь, усилитель и первый источник питания, введены первый СВЧ-генератор с варакторной перестройкой частоты, второй СВЧ-генератор с варакторной перестройкой частоты, третий СВЧ-генератор с варакторной перестройкой частоты, четвертый СВЧ-генератор с варакторной перестройкой частоты, второй источник питания, измеритель разности частот и частотомер, причем вводы питания первого, второго, третьего и четвертого СВЧ-генераторов подключены к первому источнику питания, варактор третьего СВЧ-генератора подключен ко второму источнику питания, термопреобразователь через усилитель соединен с варактором четвертого СВЧ-генератора, вывод энергии третьего СВЧ-генератора соединен с первым входом измерителя разности частот и входом частотомера, вывод энергии четвертого СВЧ-генератора подключен ко второму входу измерителя разности частот, выход которого является выходом устройства.
Сущность заявляемого изобретения, характеризуемого совокупностью указанных выше признаков, состоит в том, что благодаря СВЧ-мосту, вычисление частоты перестраиваемого по частоте СВЧ-генератора в зависимости от изменения температуры контролируемого объекта, дает возможность измерить искомую температуру.
Наличие в заявляемом способе совокупности перечисленных существующих признаков, позволяет решить задачу измерения температуры, на основе вычисления частоты перестраиваемого по частоте СВЧ-генератора в зависимости от изменения температуры контролируемого объекта с желаемым техническим результатом, т.е. повышением точности измерения.
На чертеже представлена функциональная схема предлагаемого устройства. Устройство содержит первый источник питания 1, первый СВЧ-генератор с варакторной перестройкой частоты 2, второй СВЧ-генератор с варакторной перестройкой частоты 3, третий СВЧ-генератор с варакторной перестройкой частоты 4, четвертый СВЧ-генератор с варакторной перестройкой частоты 5, второй источник питания 6, термопреобразователь 7, усилитель 8, измеритель разности частот 9 и частотомер 10.
Устройство работает следующим образом. В основе работы предлагаемого устройства лежит мостовой метод измерения физических величин. Согласно предлагаемому устройству на базе четырех 2, 3, 4 и 5 СВЧ-генераторов с варакторной перестройкой частоты, строят измерительный мост. В одну из двух диагоналей моста включают первый источник питания 1 (осуществление электрического питания генераторов). Варактор третьего СВЧ-генератора 4, соединяют со вторым источником питания 6, а варактор четвертого СВЧ-генератора 5 - с выходом усилителя 8. Кроме того, выводы энергии третьего СВЧ-генератора и четвертого СВЧ-генератора, соединяют с первым и вторым входами измерителя разности частот 9 соответственно. Дополнительно вывод энергии третьего СВЧ-генератора соединяют с входом частотомера 10.
С помощью первого источника питания осуществляют питание всех четырех СВЧ-генераторов одновременно (ввод питания генераторных диодов). После этого на выводах энергии всех генераторов устанавливают электромагнитные колебания равными частотами и мощностями (вводы питания варакторов всех генераторов отключены). Далее выходной сигнал (информационный сигнал об искомом параметре) термопреобразователя 7, например, термоЭДС термопары, падают на вход усилителя 8. После усиления информационного сигнала о температуре в последнем, он поступает на варактор (ввод питания варактора) четвертого СВЧ-генератора. В силу этого четвертый СВЧ-генератор перестраивается по частоте, возрастает его частота. Другими словами частотный баланс СВЧ-моста нарушается. В данном случае для уравновешивания моста, на варактор (ввод питания варактора) третьего СВЧ-генератора, со второго источника питания, подают напряжение. Благодаря этому, третий СВЧ-генератор тоже перестраивается по частоте, т.е. его частота также становится больше, чем при отключенном состоянии его варактора. Для фиксации процесса уравновешения данного частотного моста, электромагнитные колебания третьего СВЧ-генератора и четвертого СВЧ-генератора (выводы энергии), подают на первый и второй входы измерителя разности частот соответственно. Здесь при равенстве поступивших на входы измерителя разности частот сигналов по частоте, обусловливает на его выходе нулевой сигнал. В данном случае, так как в зависимости от характера изменения температуры, сначала перестраивается по частоте (уменьшение или возрастание частоты) четвертый СВЧ-генератора, то слежение за изменением сигнала (сигнал нулевой частоты) на выходе измерителя разности частот с последующей перестройкой частоты третьего СВЧ-генератора (увеличение или уменьшение частоты благодаря изменению выходного напряжения второго источника питания), даст возможность во всех случаях, обеспечить нулевой сигнал по частоте, т.е. добиться уравновешивания СВЧ-моста.
При уравновешивании СВЧ-моста (мост сбалансирован), частотомером 10 измеряется частота третьего СВЧ-генератора (вывод энергии) и потом по формуле вычисляется искомое значение температуры
4
2
3
1
f=f⋅f/f,
1
3
2
4
где f, f - частоты колебаний первого и второго СЧВ - генераторов соответственно (варакторы отключены), f - частота колебаний третьего СВЧ-генератора при его варакторной перестройке, f - частота колебаний четвертого СВЧ-генератора при его варакторной перестройке из-за изменения температуры контролируемого объекта.
Таким образом, в предлагаемом техническом решении, при равновесии СВЧ-моста, вычисление частоты перестраиваемого по частоте СВЧ-генератора в зависимости от изменения температуры контролируемого объекта, дает возможность, повысит точность измерения температуры.
В данном мостовом измерителе в качестве СВЧ-генераторов могут быть использованы лавинно-пролетные генераторы (ГЛПД - 2).
Предлагаемый мост помимо измерения температуры успешно может быть использован и для измерения других физических величин, например, тока и напряжения. Кроме того, одним из преимуществ данного СВЧ-моста по сравнению прототипа, является возможность передачи информационного сигнала (частоты) дистанционно на расстояние.