FI88210C - REFERENCE TO A TREATMENT OF TEMPERATURE IN THE STEM OF ARONE - Google Patents
REFERENCE TO A TREATMENT OF TEMPERATURE IN THE STEM OF ARONE Download PDFInfo
- Publication number
- FI88210C FI88210C FI883918A FI883918A FI88210C FI 88210 C FI88210 C FI 88210C FI 883918 A FI883918 A FI 883918A FI 883918 A FI883918 A FI 883918A FI 88210 C FI88210 C FI 88210C
- Authority
- FI
- Finland
- Prior art keywords
- measured
- temperature
- amplifier
- resonant circuit
- output
- Prior art date
Links
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Magnetic Means (AREA)
- Magnetic Resonance Imaging Apparatus (AREA)
Description
MENETELMÄ JA LAITE SÄHKÖÄ JOHTAVAN AINEEN LÄMPÖTILANMETHOD AND APPARATUS FOR TEMPERATURE OF ELECTRIC CONDUCTIVE MATERIAL
MITTAAMISEKSIMEASURING
! 8821 J! 8821 J
Keksinnön kohteena on itsenäisen patenttivaa-5 timuksen johdanto-osassa määritelty menetelmä sähköä johtavan aineen lämpötilan mittaamiseksi. Keksinnön kohteena on myös laite menetelmän toteuttamiseksi. Menetelmän ja laitteen avulla voidaan mitata kuuman, kiinteän tai sulan sähköä johtavan aineen tai kappaleen 10 lämpötila ilman mittausanturin ja mittauskohteen välistä kontaktia.The invention relates to a method for measuring the temperature of an electrically conductive substance as defined in the preamble of the independent claim. The invention also relates to a device for carrying out the method. The method and apparatus can be used to measure the temperature of a hot, solid or molten electrically conductive substance or body 10 without contact between the measuring sensor and the measuring object.
Korkeiden, useiden satojen tai tuhansien asteiden (°C) lämpötiloja mitataan nykyisin pääasiassa kahdella laitteella: pyrometrillä ja termoelementillä. 15 Ensimmäinen perustuu mitattavan kappaleen lähettämän lämpösäteilyn mittaamiseen. Toinen perustuu termosäh-köiseen efektiin.High temperatures of several hundred or thousands of degrees (° C) are currently measured mainly by two devices: a pyrometer and a thermocouple. 15 The first is based on measuring the thermal radiation emitted by the object to be measured. The second is based on the thermoelectric effect.
Säteilypyrometrin avulla suoritettava mittaus on kontaktiton. Tämän laitteen avulla voidaan suorittaa 20 mittaus kohtalaisen etäisyyden päästä kohteesta. Sätei-lypyrometrin heikkoutena esim. metallurgisen teollisuuden mittauksissa on säteilevän kappaleen emissiviteetin riippuvuus paitsi lämpötilasta myös säteilevästä aineesta. Näin ollen esim. metallipinnan lämpötilamit-25 tauksessa voi pinnalla oleva oksidinen hilsekerros tai sulan metallin pinnalla oleva kuonakerros aiheuttaa huomattavia virheitä, joita on vaikea kompensoida. Samoin mittauskohdetta ympäröivä savu, pöly, vesihöyry yms. aiheuttaa virhettä.The measurement performed with a radiation pyrometer is non-contact. This device can be used to perform 20 measurements at a moderate distance from the target. A weakness of the radiation lipyrometer, for example in measurements in the metallurgical industry, is the dependence of the emissivity of the radiating body not only on the temperature but also on the radiating substance. Thus, for example, in the measurement of the temperature of a metal surface, the oxide scale layer on the surface or the slag layer on the surface of the molten metal can cause considerable errors which are difficult to compensate for. Likewise, smoke, dust, water vapor, etc. surrounding the measurement object causes an error.
30 Termoelementti on yleisesti käytetty erikoi sesti metallisulien lämpötilan mittaukseen. Kyseessä on suora mittaus, so. termoelementti upotetaan mittauskoh-teeseen. Ongelmana on olosuhteiden aggressiivisuus. Mittausanturit ovat yleisesti kertakäyttöisiä ja mit-35 taukset siten pisteittäisiä. Jatkuviin mittauksiin pyrittäessä on käytettävä suojaputkia, jolloin elementin '·- mittausviive kasvaa lämmönsiirron hitaudesta johtuen.30 The thermocouple is commonly used especially for measuring the temperature of metal alloys. This is a direct measurement, i.e. the thermocouple is immersed in the measuring object. The problem is the aggressiveness of the circumstances. The measuring sensors are generally disposable and the measurements are thus spot-on. When aiming for continuous measurements, protective tubes must be used, in which case the '· - measurement delay of the element increases due to the slow heat transfer.
2 3 8 2 ϊ O2 3 8 2 ϊ O
Liikkuvien kuumien kappaleiden esim. valu- ja valssausaihioiden lämpötilamittaus on käytännön syistä vaikea suorittaa termoelementillä. Kappaleen pintaan kiinnitettyjä elementtejä on käytettykin vain tutkimus-5 tarkoituksissa.For practical reasons, it is difficult to perform the temperature measurement of moving hot bodies, e.g. castings and rolling billets, with a thermocouple. The elements attached to the surface of the part have only been used for research purposes.
On tunnettua, että termisessä tasapainossa olevan lineaarisen sähköisen piirin kohina on suoraan verrannollinen lämpötilaan. Yleisesti tämä laki on annettu dissipaatioteoreemassa, joka sovellettuna säh-10 köiseen vastukseen antaa ns. Nyquistin teoreeman. Tätä teoreemaa soveltamalla on konstruoitu kohinalämpömit-tari, jonka avulla voidaan realisoida lämpötila Bolz-mannin vakion avulla. Tätä periaatetta on käytetty tarkoissa lämpötilan määrityksissä sekä matalissa läm-15 pötiloissa että erittäin korkeissa lämpötiloissa. Näissä mittauksissa kohina mitataan vastuksesta, joka on termisesti ankkuroitu mitattavaan kohteeseen. Menetelmän ja laitteen käytön kuumien ja etenkin liikkuvien kohteiden lämpötilan mittauksessa estää liitäntäjohto-20 jen, kontaktien ja itse vastuksen tuhoutumisen korkeissa lämpötiloissa.It is known that the noise of a linear electrical circuit in thermal equilibrium is directly proportional to temperature. In general, this law is given in the dissociation theorem, which, when applied to an electrical resistor, gives the so-called Nyquist's theorem. Applying this theorem, a noise thermometer has been constructed to realize the temperature using the Bolzmann constant. This principle has been used in accurate temperature determinations at both low temperatures and very high temperatures. In these measurements, noise is measured from a resistor that is thermally anchored to the object being measured. The use of the method and the device for measuring the temperature of hot and especially moving objects prevents the destruction of the connecting wires, contacts and the resistor itself at high temperatures.
Tämän keksinnön tarkoituksena on tuoda esiin sellainen uusi parannettu menetelmä ja laite sähköä johtavan aineen lämpötilan mittaamiseksi, jolla ilman 25 kontaktia voidaan mitata kappaleen tai muun kohteen lämpötila. Keksinnölle tunnusomaisten seikkojen suhteen viitataan menetelmän osalta patenttivaatimukseen 1 ja laitteen osalta patenttivaatimukseen 7.It is an object of the present invention to provide a new improved method and apparatus for measuring the temperature of an electrically conductive substance, with which the temperature of a body or other object can be measured without contact. With regard to the features of the invention, reference is made to claim 1 for the method and to claim 7 for the device.
Keksinnön mukainen menetelmä perustuu termisen 30 kohinan mittaukseen resonanssipiirin avulla ilman kontaktia mitattavaan aineeseen, erityisesti kuumaan kappaleeseen. Menetelmässä mitataan metallissa tai muussa johtavassa aineessa olevien varauksen kuljettajien satunnaisliikkeestä syntyvän magneettikentän fluktuaa-35 tio etäisyyden päästä aineen pinnasta.The method according to the invention is based on the measurement of thermal noise by means of a resonant circuit without contact with the substance to be measured, in particular a hot body. The method measures the fluctuation of a magnetic field generated by the random movement of charge conductors in a metal or other conductive material from a distance from the surface of the material.
Keksinnön mukaisen menetelmän ja laitteen eduista voidaan todeta seuraavaa. Mittaus voidaan suo- 3 88210 rittaa koskettamatta mitattavaa kohdetta. Myöskään mitattavan kohteen ja anturin välinen eristävä materiaali, ilma, pöly, vesihöyry eikä muut epäpuhtaudet merkittävästi häiritse mittausta. Näinollen menetelmä ja 5 laite soveltuvat erikoisen hyvin teollisuusmittauksiin, kuten kuumien metallisten valu- ja valssausaihioiden lämpötilamittaukseen. Mittaus voidaan suorittaa myös jatkuvasti liikkuvista aihioista. Menetelmällä on myös mahdollista mitata metallisulien lämpötilaa eristävän 10 vuorausmateriaalikerroksen läpi. Laboratorio-olosuhteis sa tarkoin kontrolloiduissa olosuhteissa voidaan mittaus suorittaa hyvin suurella tarkkuudella, joten menetelmää voidaan käyttää lämpötilareferenssinä esim. termoelementtien tai pyrometrien kalibroinnissa.The advantages of the method and device according to the invention can be stated as follows. The measurement can be performed without touching the object to be measured. Also, the insulating material, air, dust, water vapor and other contaminants between the object to be measured and the sensor do not significantly interfere with the measurement. Thus, the method and device 5 are particularly well suited for industrial measurements, such as temperature measurement of hot metal casting and rolling billets. The measurement can also be performed on continuously moving blanks. The method also makes it possible to measure the temperature of the metal melts through the insulating liner material layer 10. Under well-controlled laboratory conditions, the measurement can be performed with very high accuracy, so the method can be used as a temperature reference, e.g. in the calibration of thermocouples or pyrometers.
15 Seuraavassa keksintöä ja sen muita etuja selos tetaan yksityiskohtaisesti oheisten piirustusten avulla, jossa kuva 1 esittää erään keksinnön mukaisen laitteen loh-kokaaviota; J ' 20 kuva 2 esittää kuvan 1 laitteen kohinamallia; kuva 3 esittää erästä keksinnön mukaista laitetta pers-pektiivikuvantona ja osittaisena halki leikkauksena; kuva 4 esittää erästä toista keksinnön mukaista laitet- * · ta ja siihen liitettyä mittausosaa lohkokaaviona; 25 kuva 5 esittää keksinnön mukaisella laitteella saatuja mittaustuloksia teräksisestä koekappaleesta.In the following, the invention and its other advantages will be described in detail with the aid of the accompanying drawings, in which Figure 1 shows a block diagram of an apparatus according to the invention; J '20 Fig. 2 shows a noise model of the device of Fig. 1; Figure 3 shows a device according to the invention in a perspective view and in partial section; Figure 4 shows a block diagram of another device according to the invention and a measuring part connected thereto; Figure 5 shows the measurement results obtained with a device according to the invention from a steel test piece.
Nyquistin teoreemaan perustuen ympäristönsä '·'· suhteen termisessä tasapainossa oleva sähköinen vastus .·.· voi sovitettuna syöttää kBT kohinaenergian kaistayksik- 30 köä kohti absoluuttisessa nollalämpötilassa olevaan .·*·. vastukseen. Tämä pätee vain pienillä taajuuksilla, koska • · suurilla taajuuksilla terminen energia purkautuu ympä- -··- ristöön kvantteina ja tehonsiirto kaistayksikköä kohti • · tulee taajuudesta riippuvaiseksi. Tämä ilmiö tapahtuu 35 vasta erittäin korkeilla taajuuksilla, joten keksinnön mukaisen menetelmän ja laitteen kannalta teho on jakautunut tasaisesti eri taajuuksille. Yksinkertaistettuna 4 88210Based on Nyquist 's theorem, an electrical resistor in thermal equilibrium with respect to its environment' · '· can, when fitted, supply kBT of noise energy per unit band to 30 at absolute zero temperature. resistance. This only applies at low frequencies, because • · at high frequencies, thermal energy is discharged into the environment in quantums and the power transfer per band unit • · becomes frequency dependent. This phenomenon only occurs at very high frequencies, so that from the point of view of the method and device according to the invention, the power is evenly distributed over the different frequencies. Simplified 4 88210
Nyquistin teoreema tarkoittaa, että jokaiseen sähköiseen häviöön liittyy terminen kohinajännite, jonka suuruus riippuu lämpötilasta T, vastuksen suuruudesta R ja kohinan mittaukseen liittyvästä kohinakaistan leveydes-5 tä Bn. Vastaavasti kohinan synty voidaan kuvata ekviva-lenttisena virtageneraattorina, joka on kytketty vastuksen rinnalle. Tosin sanoen <e2 > = 4kBTBNR (1) 10 <in > = 4kBTBN/R (2) missä kB on Bolzmannin vakio (1,38 x 10-23 w/κ). Yhtälöt (1) ja (2) eivät enää päde, kun kvanttiin hf (h on 15 Pianokin vakio ja f kvantin taajuus) liittyvä energia lähenee termistä energiaa kBT.Nyquist's theorem means that each electrical loss is associated with a thermal noise voltage, the magnitude of which depends on the temperature T, the magnitude of the resistance R, and the noise bandwidth Bn associated with the noise measurement. Accordingly, the generation of noise can be described as an equivalent current generator connected in parallel with a resistor. That is, <e2> = 4kBTBNR (1) 10 <in> = 4kBTBN / R (2) where kB is the Bolzmann constant (1.38 x 10-23 w / κ). Equations (1) and (2) no longer hold when the energy associated with the quantum hf (h is the 15 Piano constant and f is the quantum frequency) approaches the thermal energy kBT.
Keksinnön mukaisessa laitteessa kuvassa 1 ja 2 mitattavan kohteen 1 häviöt siirretään vahvistimen 2 ottoon osittain avoimen resonassipiirin 3 avulla. Reso-20 nanssipiiri 3 on tässä tapauksessa muodostettu kelan 4 avulla. Resonanssiipiirin induktanssi on L* ja sen häviövastukset on redusoitu yhdeksi rinnakkaisvastuk-seksi R* ja sitä vastaavaksi kohinavirtageneraattoriksi i*. Rinnakkaisvastus Rx kuvaa mitattavan kappaleen 1 25 ekvivalenttisia häviöitä resonanssipiirissä 3 ja vastaavasti häviöiden aiheuttamaa virtakohinaa. Koska johtava kappale 1 vaikuttaa myös ulkoisen kentän jakaumaan, resonanssipiirin induktanssi L riippuu kelan 4 ja kohteen 1 etäisyydestä s. Käyttämällä staattisia suojia 30 kelan 4 induktanssin voidaan katsoa ainoastaan muuttuvan, jolloin se muodostuu vakio-osasta L*, ja reso-nanssitaajuuden fQ ( ω0) muutos esitetään muuttuvalla induktanssilla Lx. Vahvistimen kohina kuvassa 2 on kuvattu ottoon asetetuilla virta- ja jännitekohinagene-35 raattoreilla i£et;, e£et. vastaavasti. Vahvistimen kuor-mitettavuutta kuvaa vastus Rf. Lämpötilat Tx, T* ja edustavat vastaavasti tutkittavan kohteen lämpötilaa, 5 88210 kelan kohinalämpötilaa ja vahvistimen kohinalämpötilaa. Piirin kaikki kapasitanssit sisältyvät kondensaattoriin C ja sen oletetaan olevan riippumaton kohteen 1 ja anturin 5, joka muodostuu yksinkertaisimmillaan kelasta 5 4 ja vahvistimesta 2, välisestä etäisyydestä s. On huomattava, että kelan 4 muiden häviöiden vaikutusta ei ole mallissa erikseen kuvattu.In the device according to the invention, the losses of the object 1 to be measured in Figures 1 and 2 are transferred to the input of the amplifier 2 by means of a partially open resonant circuit 3. In this case, the reso-20 dance circuit 3 is formed by a coil 4. The inductance of the resonant circuit is L * and its loss resistors are reduced to one parallel resistor R * and the corresponding noise current generator i *. The parallel resistance Rx describes the 25 equivalent losses in the resonant circuit 3 of the object to be measured 1 and the current noise caused by the losses, respectively. Since the conductive body 1 also affects the distribution of the external field, the inductance L of the resonant circuit depends on the distance s between the coil 4 and the object 1. Using static shields 30, the inductance of the coil 4 can only be considered variable, L *, and ) the change is represented by the variable inductance Lx. The noise of the amplifier in Figure 2 is illustrated by the current and voltage noise generators placed at the input i £ et ;, e £ et. respectively. The load capacity of the amplifier is described by the resistor Rf. The temperatures Tx, T * and represent the temperature of the object to be examined, the noise temperature of the coil 5,88210 and the noise temperature of the amplifier, respectively. All the capacitances of the circuit are included in the capacitor C and are assumed to be independent of the distance s between the object 1 and the sensor 5, which at its simplest consists of the coil 5 4 and the amplifier 2. It should be noted that
Vahvistimen 2 jälkeen kohina voidaan ilmaista sopivalla ilmaisimella tai mittausosalla 6 joko suoraan 10 tai sekoittamalla kohina pienille taajuuksille ja ilmaisemalla sopivalla ilmaisupiirillä.After the amplifier 2, the noise can be detected by a suitable detector or measuring part 6 either directly 10 or by mixing the noise at low frequencies and detecting with a suitable detection circuit.
Eräässä keksinnön mukaisessa menetelmässä ja laitteessa kohina sekoitetaan alas taajuudella, joka vastaa resonanssiipiirin 3 resonanssitaajuutta 15 w0=i/(lc). Kuvassa 4 on esitetty tällainen laite. Mit- tausosa 6 vastaa kuvan 1 ilmaisinosaa. Mittausosa 6 sisältää ylipäästösuotimen 7, jänniteohjatun oskillaattorin 8, kaksi sekoittajaa 9, 10, ylipäästösuotimet 11, 12, summaimen 13, tehollisarvomuuntimen 14, jännitevah-·* 20 vistimen 15 ja virtavahvistimet eli integraattorit 16, : ‘ : 17. Tämän lisäksi anturissa 5 on summausvahvistin 18 ja tarpeen vaatiessa kytkentäkondensaattori 19.In one method and device according to the invention, the noise is mixed down at a frequency corresponding to the resonant frequency 15 w0 = i / (lc) of the resonant circuit 3. Figure 4 shows such a device. The measuring part 6 corresponds to the detector part of Fig. 1. The measuring part 6 includes a high-pass filter 7, a voltage-controlled oscillator 8, two mixers 9, 10, high-pass filters 11, 12, an adder 13, an rms converter 14, a voltage amplifier 15 and current amplifiers or integrators 16, 17. a summing amplifier 18 and, if necessary, a switching capacitor 19.
Mittausosan 6 ylipäästösuodin 7 on yhdistetty sekoittajiin 9 ja 10. Jänniteohjatun oskillaatorin 8 25 lähtönavat 8a, 8b, joista saadaan vastaavasti kosini-ja sinisignaalit on yhdistetty sekoittajiin 10, 9 vas-. . taavasti. Sekoittajien 9, 10 lähdöt on yhdistetty yli- päästösuotimiin 11, 12. Ylipäästösuotimien 11, 12 lähdöt '[· on yhdistetty summaimen 13 tuloihin, jonka lähtö on :V: 30 yhdistetty tehollisarvomuuntimeen 14, josta saadaan • ulos varsinainen mittaussignaali υ^.. Jänniteohjatun oskillaattorin 8 lähtönäpä 8b on yhdistetty vahvistimen 15 kautta anturin 5 summausvahvistimen 18 toiseen tulo- • » « '· *: napaan 18b. Jännitohjatun oskillaattorin 8 lähtönäpä 8a 35 on yhdistetty kytkentäkondensaattorin 19 kautta anturin 5 vahvistimen 2 tuloon. Vahvistimen 2 lähtö on vuorostaan yhdistetty summausvahvistimen 18 ensimmäiseen 6 88210 tulonapaan 18a. Sekoittajan 9 lähtönäpä on yhdistetty virtavahvistimen 16 kautta vahvistimen 15 toiseen tulo-napaan, jota kautta vahvistusta voidaan säätää. Sekoittajan 10 lähtö on yhdistetty virtavahvistimen 17 kautta 5 jänniteohjatun oskillaattorin 8 tuloon.The high-pass filter 7 of the measuring section 6 is connected to the mixers 9 and 10. The output terminals 8a, 8b of the voltage-controlled oscillator 8 25, from which the cosine and blue signals are obtained, respectively, are connected to the mixers 10, 9, respectively. . respectively. The outputs of the mixers 9, 10 are connected to the high-pass filters 11, 12. The outputs of the high-pass filters 11, 12 are connected to the inputs of an adder 13, the output of which is: V: 30 connected to an rms converter 14, from which the actual measurement signal the output terminal 8b of the oscillator 8 is connected via the amplifier 15 to the second input terminal 18b of the summing amplifier 18 of the sensor 5. The output terminal 8a 35 of the voltage-controlled oscillator 8 is connected via a switching capacitor 19 to the input of the amplifier 2 of the sensor 5. The output of the amplifier 2 is in turn connected to the first input terminal 18a of the summing amplifier 18. The output of the mixer 9 is connected via a current amplifier 16 to the second input terminal of the amplifier 15, through which the gain can be adjusted. The output of the mixer 10 is connected via a current amplifier 17 to the input of a voltage controlled oscillator 8.
Kuvan 4 mukaisessa laitteistossa mitattu kohina sekoitetaan alas taajuudella, joka vastaa resonanssi-piirin 3 resonassitaajuutta ω0 = 2nf0. Häiriöiden takia sekoitetusta signaalista täytyy suodattaa ylipäästösuo-10 dattimella 7, jonka vaste on H^jui). Ottamalla huomioon resonanssipiirin vaste ja sekoittajan 9, 10 jälkeinen suodatin 11, 12 ulostulojännitteen varianssi voidaan antaa muodossa 15 (3) 20 <U=>=^a^«y”[[l+g5e(l-(-^)2)]-a+i |Η*"<ί(ω-ωο))|2<3ω 25 missä resonanssipiirin ekvivalentti lämpötila T. voidaan ilmaista eri komponenttien lämpötilojen avulla seuraavasti: 30 T. = R( -|«- + + i ) (4)The noise measured in the apparatus according to Fig. 4 is mixed down at a frequency corresponding to the resonant frequency ω0 = 2nf0 of the resonant circuit 3. Due to interference, the mixed signal must be filtered by a high-pass filter 10 with a response 7 (H ^ Jui). Taking into account the response of the resonant circuit and the filter 11, 12 after the mixer 9, 10, the variance of the output voltage can be given in the form 15 (3) 20 <U => = ^ a ^ «y” [[l + g5e (l - (- ^) 2)] -a + i | Η * "<ί (ω-ωο)) | 2 <3ω 25 where the equivalent temperature T. of the resonant circuit can be expressed by the temperatures of the various components as follows: 30 T. = R (- |« - + + i) ( 4)
Λχ *MC ^fOMC * MC ^ fO
35 Resonanssipiirin kuormitusvastus R saadaan yhtälöstä R-1 = (1/RX + 1/R* + 1/Rjr) (5) 40 Yhtälössä 3 u, on kelan ominaistaajuus R/L. Vahvistimen kohi-nalämpötila on T*, kun syöttöimpedanssi on optimaalinen R*0· Sekä Te että Rro ovat vahvistimelle ominaisia vakioita.35 The load resistance R of the resonant circuit is obtained from the equation R-1 = (1 / RX + 1 / R * + 1 / Rjr) (5) 40 In Equation 3 u, the characteristic frequency of the coil is R / L. The noise temperature of the amplifier is T * when the supply impedance is optimal R * 0 · Both Te and Rro are characteristic constants of the amplifier.
Kun resonanssipiirin 3 resonanssitaajuus ω.β ja koko-naisimpedanssi R mitataan, tutkittavan kappaleen 1 lämpötila 45 Tx saadaan yksikäsitteisesti määritettyä yhtälöistä (3)— (5).When the resonant frequency ω.β and the total impedance R of the resonant circuit 3 are measured, the temperature 45 Tx of the test piece 1 can be unambiguously determined from Equations (3) to (5).
Jos kytkentä kohteeseen 1 on erittäin hyvä R ® Rx, niin T. « Tx. Jos lisäksi oletetaan, että vahvistimen kohina-lämpötila on pieni eli T* << Tx ja sekoit- 7 88210 tajan 9, 10 jälkeinen ylipäästösuodin 11, 12 selvästi laajakaistaisempi kuin resonanssipiirin 3 kaistaleveys, yhtälö 3 redusoituu yksinkertaiseen muotoon 5 <U20> = A2kBTx/C (6) missä A on kokonaisvahvistus ennen ilmaisua ja C resonanssipiirin kapasitanssi. Voidaan osoittaa, että suodattimen Hm(joj) kaistaleveys kannattaa valita lähelle 10 resonanssipiirin kaistaleveyttä, joten käytännössä resonanssipiirin 3 vastus R ja resonanssitaajuus ω 0 täytyy mitata ja näiden tulosten perusteella laskea Tx.If the coupling to object 1 is very good R ® Rx, then T. «Tx. Furthermore, if it is assumed that the noise temperature of the amplifier is small, i.e. T * << Tx and the high-pass filter 11, 12 after the mixer 9, 10 is clearly wider than the bandwidth of the resonant circuit 3, Equation 3 is reduced to the simple form 5 <U20> = A2kBTx / C (6) where A is the total gain before detection and C is the capacitance of the resonant circuit. It can be shown that the bandwidth of the filter Hm (joj) should be chosen close to the bandwidth of the 10 resonant circuits, so in practice the resistance R and the resonant frequency ω 0 of the resonant circuit 3 must be measured and Tx calculated from these results.
Oleellista edellä esitetyissä yhtälöissä on se, että ilmaistu jännite <U2> on yksikäsitteinen funk-15 tio <U02> = f(Tx/R,w0) mitattavan kohteen lämpötilasta Tx sekä kelan 4 kuormitetusta resistanssista R ja reso-nanssitaajuudesta ω0 eli kohteen lämpötila Tx = g '·*·' (<U02>, R,«J0). Korjaus voidaan suorittaa joko käyttämäl- » lä yhtälöitä (3), (5) tai mittaamalla ulostulojännite ; 20 eri lämpötiloissa ja eri etäisyyksillä ja sovittamalla j γ tulokset johonkin sopivaan matemaattiseen malliin.Essential to the above equations is that the expressed voltage <U2> is an unambiguous function <U02> = f (Tx / R, w0) of the temperature Tx of the object to be measured and the loaded resistance R and resonant frequency ω0 of the coil 4, i.e. the object temperature Tx = g '· * ·' (<U02>, R, «J0). The correction can be performed either by using Equations (3), (5) or by measuring the output voltage; 20 at different temperatures and at different distances and fitting the results of j γ to some suitable mathematical model.
:Y; Kohteen lämpötila Tx määritetään mittaamalla • k vahvistetun jännitteen varianssi. Mitatun varianssin o2 varianssi (lämpötilan mittausepätarkkuus) riippuu mit-25 tausajasta τ sekä ekvalenttisesta kohinakaistaleveydestä B„ seuraavan yhtälön mukaisesti: 30 Var [o] = -|--- (7) ·’·' Lämpötilamittauksen suhteellinen resoluutio on Y: täten ε = /j^T/T = (Ββτ)“*. Jos resonanssipiiri on viri- 35 tetty noin 1 MHz:in taajuudelle, on mahdollista saavuttaa 100 kHz:in kohinakaista, joten 10 sekunnin mittaus-aika johtaa 10_3:n resoluutioon. Lopullinen epätarkkuus - " määräytyy impedanssin mittausepätarkkuudesta, vahvis timen ja avoimen kelan kohinalämpötilojen muutoksista 40 sekä mahdollisista häiriöistä.Y; The target temperature Tx is determined by measuring the • k variance of the amplified voltage. The variance (temperature measurement inaccuracy) of the measured variance o2 depends on the measurement time τ and the equivalent noise bandwidth B „according to the following equation: 30 Var [o] = - | --- (7) · '·' The relative resolution of the temperature measurement is Y: thus ε = / j ^ T / T = (Ββτ) “*. If the resonant circuit is tuned to a frequency of about 1 MHz, it is possible to achieve a noise band of 100 kHz, so that a measurement time of 10 seconds results in a resolution of 10_3. The final inaccuracy - "is determined by the measurement inaccuracy of the impedance, changes in the noise temperatures of the amplifier and the open coil 40, and possible disturbances.
Kuvan 4 mukaisessa laitteessa resonanssipiiriin 8 88210 3 syötetään kapasitanssin 19 kautta virtaa jänniteoh-jatun oskillaattorin 8 lähdöstä 8a ja jännitettä lähdöstä 8b säädettävän vahvistimen 15 kautta. Kun reso-nanssipiiri on puhtaasti reaalinen, summausvahvistimen 5 18 lähtösignaali on 90° vaihesiirrossa oskillaattorin lähdön 8a kosinisignaaliin verrattuna ja täten vaiheil-maisimen 10 anto asettuun nollaan ja jänniteohjattua oskillaattoria ohjaavan integraattorin 17 anto jää paikalleen. Jos jänniteohjatun oskillaattorin lähdön 10 8a kautta syötetyn virran resonanssipiirissä 3 indusoima jännite ei kumoa siihen summausvahvistimessa 18 summautunutta jännitettä, vaiheilmaisimen 9 anto ei myöskään asetu nollaan ja täten vahvistimen 15 vahvistusta säätävän integraattorin 16 anto muuttuu, kunnes tasa-15 paino saavutetaan. Molempien integraattoreiden 16, 17 anto asettuu nollaan vain kun resonanssipiiriä 3 syötetään resonanssitaajuudella ja jos vahvistimelle 18 syötetty jännite kumoaa resonanssipiiristä tulevan jännitteen; integraattorin 16 anto tulee täten verran-20 nolliseksi resonanssipiirin 3 impedanssin reaaliosaan R resonanssissa, kun taas integraattorin 15 anto tulee suoraan verrannolliseksi resonanssitaajuuteen ωβ. Impedanssin R ja resonanssitaajuudenωβ mittaukseen liittyvät signaalit ovat sekoittajien jälkeen matalataa-25 juisia ja ne on suodatettu ylipäästösuodattimilla 11 ja 12. Näiden suodattimien jälkeen molemmista sekoittajista saadaan tutkittavan kohteen lämpötilaan T* verrannolliset kohinasignaalit on summattu summausvahvistimella 13 ja kohinan tehollisarvo on ilmaistu tehollisar- 30 vomuuntimella 14.In the device according to Fig. 4, current is supplied to the resonant circuit 8 88210 3 via a capacitance 19 from the output 8a of the voltage-controlled oscillator 8 and the voltage from the output 8b via an adjustable amplifier 15. When the resonant circuit is purely real, the output signal of the summing amplifier 5 18 is 90 ° out of phase with the cosine signal of the oscillator output 8a, and thus the output of the phase detector 10 is set to zero and the output of the voltage controlled oscillator control integrator 17 remains in place. If the voltage induced in the resonant circuit 3 of the current supplied through the output of the voltage controlled oscillator 10 8a does not cancel the voltage summed therein in the summing amplifier 18, the output of the phase detector 9 is also not set to zero and thus the gain of the gain adjuster 16 The output of both integrators 16, 17 is set to zero only when the resonant circuit 3 is supplied at the resonant frequency and if the voltage applied to the amplifier 18 cancels the voltage coming from the resonant circuit; the output of the integrator 16 thus becomes equal to zero to the real part R of the impedance of the resonant circuit 3 in the resonance, while the output of the integrator 15 becomes directly proportional to the resonant frequency ωβ. The signals related to the measurement of impedance R and resonant frequency β are low-charge after 25 mixers and are filtered by high-pass filters 11 and 12. After these filters, noise signals proportional to the temperature T * of the object to be examined are .
Mittausosaan 6 voidaan lisätä tarpeen vaatiessa yksi tai useampia imupiirejä, jotka on viritetty resonassitaajuutta lähellä olevien radioasemien taajuuksille. Näin pystytään välttämään näiden radioasemien 35 synnyttämät häiriöt mittaukselle.If necessary, one or more suction circuits tuned to the frequencies of radio stations close to the resonant frequency can be added to the measuring section 6. In this way, the interference caused by these radio stations 35 for the measurement can be avoided.
Mittausosasta 6 saatu ilmaisujännite U voidaan siirtää tietojenkäsittely-yksikköön kuten pienoistieto- 9 . 88210 koneeseen, A/D-muuntimen välityksellä ja käyttää esim. prosessin ohjaukseen tai valvomiseen.The detection voltage U obtained from the measuring section 6 can be transferred to a data processing unit such as a miniature data 9. 88210, via an A / D converter and used, for example, to control or monitor the process.
Kuva 3 esittää erästä keksinnön mukaista laitetta, erityisesti anturia 5, perspektiivikuvantona ja 5 osittaisena halkileikkauksena. Anturiin 5 kuuluu kela 4, joka tässä tapauksessa on ferriittisydämellä 3a varustettu käämi 3b, joka on sovitettu sopivan rungon 3c, kuten teflonrungon, sisään. Kela 4 on sijoitettu välin s päähän aineesta, jonka lämpötila Tx on määrä mitata, 10 kuten edellä on jo esitetty. Anturiin 5 kuuluu lisäksi esivahvistin 2 ja mahdollisesti sekoitusvahvistin 18 (kuva 4). Esivahvistin 2 on sijoitettu esivahvistinkor-tille 2a kelan 4 välittömään läheisyyteen. Anturi 5 on asennettu staattisen suojan, tässä tapauksessa rungon 15 20 sisään, joka on johtavaa materiaalia kuten kuparia.Figure 3 shows a device according to the invention, in particular a sensor 5, in a perspective view and 5 in partial cross-section. The sensor 5 comprises a coil 4, which in this case is a coil 3b with a ferrite core 3a, which is arranged inside a suitable body 3c, such as a Teflon body. The coil 4 is placed at a distance s from the material whose temperature Tx is to be measured, as already described above. The sensor 5 further comprises a preamplifier 2 and possibly a mixing amplifier 18 (Fig. 4). The preamplifier 2 is placed on the preamplifier board 2a in the immediate vicinity of the coil 4. The sensor 5 is mounted inside a static shield, in this case a body 15 20, which is a conductive material such as copper.
Rungon 20 yhteydessä on jäähdytyslaite 21.In connection with the body 20 there is a cooling device 21.
. . Jäähdytyslaite 21 on edullisesti muodostettu putkimai sesta elimestä, joka on kierretty spiraalimaisesti -·<*** rungon 20 ympärille, ja sijoitettu rungon siihen päähän, .* : 20 johon kela 3 on sovitettu. Jäähdytyslaitteen kautta : V syötetään sopivaa jäähdytysainetta silloin, kun mittaus- ‘ : : ta suoritetaan.. . The cooling device 21 is preferably formed by a tubular member helically wound around the body 20 and placed at the end of the body to which the coil 3 is fitted. Via the cooling device: V is supplied with a suitable coolant when the 'measurement' is carried out.
:Y: Kelan 4 ja mitattavan aineen väliin runkoon 20 on järjestetty suojalevy 22 tai vastaava. Tämä on lämpöä 25 kestävää ja neutraalia materiaalia kuten esim. safiiria. Anturin 5 kela 4 on periaatteessa rakennettu siten, . . että se on mahdollisimman tunteeton homogeenisille • I · ; ; magneettikentille, jolloin se mittaa ainoastaan mitat- tavan kohteen pinnassa syntyviä magneettikentän fluk-: 30 tuaatioita.: Y: A cover plate 22 or the like is arranged in the body 20 between the coil 4 and the substance to be measured. This is a heat-resistant and neutral material such as sapphire. The coil 4 of the sensor 5 is in principle constructed in such a way that. . that it is as insensitive as possible to homogeneous • I ·; ; for magnetic fields, in which case it only measures the fluctuations of the magnetic field generated on the surface of the object to be measured.
Kuvassa 5 on piirretty tehollisarvomuuntimen *.* 14 ulostulo U0 teräksistä koekappaletta lämmitettäessä.Figure 5 shows the output U0 of the rms value converter *. * 14 when heating a steel test piece.
• · y’m Kuvan vasemmassa pystyakselissa on esitetty kohinajän- • " nitteen tehollisarvon neliö <Uo>, joka kuvaa mitattua 35 lämpötilaa (K) kaavan 3 mukaisesti. Kelan 3 impedanssi resonassitaajuudella on esitetty oikeanpuoleisessa pystyakselissa. Vaaka-akselina on teräksen lämpötila 10 8821 0 (K) . Esitetyt tulokset on normeerattu kertomalla ne vakiolla. Kohinan tehollisarvo riippuu lineaarisesti teräksen lämpötilasta ja siksi näissä mittauksissa lämpötila on saatu käyttämällä kaavaa = U02/R + B, 5 missä A ja B ovat vakioita. Mittausten perusteella voidaan päätellä, että kohinajännitteen tehollisarvon neliö <U„> seuraa hyvin raudan pintalämpötilaa Tx. Laitteen tarkkuutta voidaan parantaa kasvattamalla mittaus-kaistaa, joka voidaan saavuttaa nostamalla resonanssi-10 taajuutta. Toimittaessa suurilla taajuuksilla vahvis timen kohinalämpötilaa voidaan alentaa ja jäähdyttämällä myös esivahvistin.• · y'm The left vertical axis of the figure shows the square of the rms value of the noise voltage <Uo>, which represents the measured temperature 35 (K) according to formula 3. The impedance of the coil 3 at the resonant frequency is shown in the right vertical axis. The horizontal axis is steel temperature 10 8821 0 (K) The results shown are normalized by multiplying them by a constant, the rms value of the noise depends linearly on the temperature of the steel and therefore in these measurements the temperature is obtained using the formula = U02 / R + B, 5 where A and B are constant. the square of the rms value <U „> follows the iron surface temperature Tx well.The accuracy of the device can be improved by increasing the measurement band, which can be achieved by increasing the resonance frequency 10. When operating at high frequencies, the amplifier noise temperature can be lowered and the preamplifier cooled.
Voidaan todeta, että keksinnön mukainen laite pintalämpötilojen mittaamiseksi voidaan realisoida 15 siten, että mittaustarkkuus on alle ± 3K. Erittäin tarkka keksinnön mukainen laite pintalämpötilojen mittaamiseksi voidaan realisoida korvaamalla kelan 3 kupa-rikäämit suprajohdekäämeillä, jotka on valmistettu edullisesti keraamisista materiaaleista. Keraamisista 20 materiaaleista valmistetut suprajohdekäämit toimivat tällä hetkellä jo nestetypen (+77 “K) lämpötilassa.It can be stated that the device according to the invention for measuring surface temperatures can be realized so that the measurement accuracy is less than ± 3K. A very accurate device according to the invention for measuring surface temperatures can be realized by replacing the copper coils of the coil 3 with superconducting windings, which are preferably made of ceramic materials. Superconducting windings made of ceramic 20 materials are already operating at the temperature of liquid nitrogen (+77 “K).
Edellä resonanssipiirissä 3 on reaktanssina käytetty induktanssia, mutta on selvää, että sen sijasta voidaan myös käyttää kapasitanssia. Tällöin resonanssiin 25 säädetyn kapasitanssin, kuten kondensaattorin, avulla induktanssin, kuten kelan, sijasta sovitetaan mitattavan kohteen impedanssi sopivaksi pienikohinaiselle esivah-vistimelle. Mittaus tapahtuu täysin analogisesti edellä esitettyyn menetelmään perustuen.In the above, inductance has been used as the reactance in the resonant circuit 3, but it is clear that capacitance can also be used instead. In this case, instead of a capacitance, such as a capacitor, adjusted to the resonance 25, instead of an inductance, such as a coil, the impedance of the object to be measured is adjusted to suit a low-noise preamplifier. The measurement is performed completely analogously based on the method presented above.
30 Edellä keksintöä on selostettu lähinnä sen yhteen edulliseen toteutusesimerkkiin viittaamalla, mutta on selvää, että keksintöä voidaan monin tavoin muunnella oheisten patenttivaatimusten määrittelemän keksinnöllisen ajatuksen puitteissa.The invention has been described above mainly with reference to one preferred embodiment thereof, but it is clear that the invention can be modified in many ways within the scope of the inventive idea defined by the appended claims.
3535
Claims (12)
Priority Applications (6)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
FI883918A FI88210C (en) | 1988-08-24 | 1988-08-24 | REFERENCE TO A TREATMENT OF TEMPERATURE IN THE STEM OF ARONE |
EP90902791A EP0515356B1 (en) | 1988-08-24 | 1990-02-14 | Method and apparatus for measuring the temperature of an electrically conductive material |
DE69020909T DE69020909T2 (en) | 1988-08-24 | 1990-02-14 | METHOD AND DEVICE FOR MEASURING THE TEMPERATURE OF AN ELECTROCONDUCTIVE MATERIAL. |
CA002075931A CA2075931A1 (en) | 1988-08-24 | 1990-02-14 | Method and apparatus for measuring the temperature of an electrically conductive material |
PCT/FI1990/000046 WO1991012503A1 (en) | 1988-08-24 | 1990-02-14 | Method and apparatus for measuring the temperature of an electrically conductive material |
US07/917,116 US5354130A (en) | 1988-08-24 | 1990-02-14 | Method and apparatus for measuring the temperature of an electrically conductive material |
Applications Claiming Priority (6)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
FI883918 | 1988-08-24 | ||
FI883918A FI88210C (en) | 1988-08-24 | 1988-08-24 | REFERENCE TO A TREATMENT OF TEMPERATURE IN THE STEM OF ARONE |
CA2075931 | 1990-02-14 | ||
CA002075931A CA2075931A1 (en) | 1988-08-24 | 1990-02-14 | Method and apparatus for measuring the temperature of an electrically conductive material |
PCT/FI1990/000046 WO1991012503A1 (en) | 1988-08-24 | 1990-02-14 | Method and apparatus for measuring the temperature of an electrically conductive material |
FI9000046 | 1990-02-14 |
Publications (4)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
FI883918A0 FI883918A0 (en) | 1988-08-24 |
FI883918A FI883918A (en) | 1990-02-25 |
FI88210B FI88210B (en) | 1992-12-31 |
FI88210C true FI88210C (en) | 1993-04-13 |
Family
ID=27169159
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
FI883918A FI88210C (en) | 1988-08-24 | 1988-08-24 | REFERENCE TO A TREATMENT OF TEMPERATURE IN THE STEM OF ARONE |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
FI (1) | FI88210C (en) |
-
1988
- 1988-08-24 FI FI883918A patent/FI88210C/en not_active IP Right Cessation
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
FI883918A (en) | 1990-02-25 |
FI88210B (en) | 1992-12-31 |
FI883918A0 (en) | 1988-08-24 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US5149198A (en) | Temperature-measuring microwave radiometer apparatus | |
US4797614A (en) | Apparatus and method for measuring conductance including a temperature controlled resonant tank circuit with shielding | |
US5354130A (en) | Method and apparatus for measuring the temperature of an electrically conductive material | |
US10782193B2 (en) | High command fidelity electromagnetically driven calorimeter | |
CN101657707A (en) | radiometric thermometer | |
JP4408296B2 (en) | NMR equipment | |
Chakraborty et al. | Error sources affecting thermocouple thermometry in RF electromagnetic fields | |
Abel et al. | Temperature measurements using small quantities of cerium magnesium nitrate | |
CN115113126B (en) | Device and method for testing and calibrating metal Hall probe | |
US6448795B1 (en) | Three coil apparatus for inductive measurements of conductance | |
Linkous et al. | An improved calorimeter for measuring the core loss of magnetic materials | |
FI88210C (en) | REFERENCE TO A TREATMENT OF TEMPERATURE IN THE STEM OF ARONE | |
Richardsen et al. | Contactless electrical conductivity measurement of electromagnetically levitated metallic melts | |
US3255405A (en) | Apparatus for measuring the electrical conductivity of a sample | |
US7345484B2 (en) | NMR probe for high-temperature measurements | |
Derebasi et al. | A novel system for rapid measurement of high-frequency magnetic properties of toroidal cores of different sizes | |
Varpula et al. | Inductive noise thermometer: Practical realization | |
EP3483597B1 (en) | System for determining the parameters of strip-type superconductors | |
EP3762685B1 (en) | Inductive sensor device with reference sensor | |
Meng et al. | A system to measure complex permittivity of low loss ceramics at microwave frequencies and over large temperature ranges | |
RU2198384C2 (en) | Method of temperature measurement with use of temperature-sensitive resistor | |
Thieben et al. | Heat it up: thermal stabilization by active heating to reduce impedance drifts in capacitive matched networks | |
Gearhart Jr et al. | Simple high‐stability potentiometric ac bridge circuits for high‐resolution low‐temperature resistance thermometry | |
Kobeissi et al. | High precision Mössbauer furnace for 1100 K | |
Fan et al. | Performance of a precise infrared shadow sensor thermometer |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM | Patent lapsed | ||
MM | Patent lapsed |
Owner name: VALTION TEKNILLINEN TUTKIMUSKESKUS |