SU1767360A1

SU1767360A1 - Thermometer

Info

Publication number: SU1767360A1
Application number: SU894704401A
Authority: SU
Inventors: Николай Иванович Колосницын; Евгений Александрович Патругин
Original assignee: Всесоюзный Научно-Исследовательский Центр По Изучению Свойств Поверхности И Вакуума
Priority date: 1989-06-13
Filing date: 1989-06-13
Publication date: 1992-10-07

Abstract

Сущность изобретени : на объекте размещают крутильный осцилл тор и выдерживают его в течение заданного времени до установлени стационарного режима. Возбуждают колебани осцилл тора, измер ют его собственную частоту. Затем подсчитывают число превышений квадрата огибающей амплитуды флуктуации осцилл тора относительно заданного уровн и по измеренным величинам определ ют температуру среды 2 ил.The essence of the invention: a torsional oscillator is placed on the object and maintained for a predetermined time before the establishment of a stationary mode. The oscillations of the oscillator are excited, its own frequency is measured. Then, the number of exceedances of the square envelope of the amplitude of fluctuations of the oscillator relative to a predetermined level is calculated, and the medium temperature of 2 slugs is determined from the measured values.

Description

Изобретение относитс к области термометрии и может быть использовано дл измерени температуры сред в широком диапазоне -от долей кельвина до 2000-ЗОООК. Наиболее перспективна область применени изобретени - измерение низких ( 1 К) и высоких ( 1000 К) температур.The invention relates to the field of thermometry and can be used to measure the temperature of media in a wide range, from fractions of kelvin to 2000-ZOOOK. The most promising area of application of the invention is the measurement of low (1 K) and high (1000 K) temperatures.

Известны многочисленные способы измерени температуры с использованием газовых термометров, термометров сопротивлени , теплового излучени тел, температурной зависимости магнитных свойств вещества и т.дNumerous methods are known for measuring temperature using gas thermometers, resistance thermometers, thermal radiation from bodies, temperature dependence of the magnetic properties of a substance, etc.

Аналогами предлагаемого изобретени вл ютс способы измерени температуры с использованием ма тниковых резонатора или резонаторов, основанных на изгибных колебани х механических систем 1. Эти способы измер ют относительные изменени температуры, т.е. вл ютс относитель- ными. Данные о возможности их применени дл измерени низких и высоких температур в литературе отсутствуют.Analogs of the present invention are methods for measuring temperature using an optical resonator or resonators based on bending oscillations of mechanical systems 1. These methods measure relative temperature changes, i.e. are relative. Data on their applicability to the measurement of low and high temperatures is absent in the literature.

В качестве прототипа выбран способ определени температуры посредством регистрации флуктуации механического осцилл тора , наход щегос в тепловом равновесии со средой. Температура среды выражаетс через среднеквадратическую величину флуктуаций амплитуды осцилл тора и его параметры 2.As a prototype, a method was chosen for determining the temperature by registering fluctuations of a mechanical oscillator that is in thermal equilibrium with the medium. The temperature of the medium is expressed in terms of the rms magnitude of fluctuations of the amplitude of the oscillator and its parameters 2.

Выражение температуры в прототипе непосредственно через средний квадрат флуктуации приводит к значительной погрешности определени температуры из-за случайных помех и случайных выбрсов измерительной аппаратуры. В прототипе не приводитс способ калибровки измерений, что не дает оснований считать измерени температуры абсолютными. Регистраци флуктуации проводилась при средних температурах и обоснование применимости прототипа дл измерени низких и высоких температур отсутствуетThe expression of the temperature in the prototype directly through the mean square of the fluctuations leads to a significant error in determining the temperature due to random noise and random measurements of the instrumentation. The prototype does not provide a method for calibrating measurements, which does not give grounds to consider temperature measurements to be absolute. The fluctuations were recorded at moderate temperatures and there is no justification for the applicability of the prototype for measuring low and high temperatures.

Цель изобретени - повышение точности измерени абсолютной температур ыThe purpose of the invention is to improve the accuracy of measuring absolute temperatures.

Эта цель достигаетс тем, что возбуждают собственные колебани осцилл тора, определ ют частоту колебаний и при необходимости проводит ка либровку сме (ЛThis goal is achieved by exciting the oscillations of the oscillator, determining the oscillation frequency and, if necessary, calibrating the oscillation (L).

СWITH

XIXi

°°

VI VI

;со о ,о; so oh oh

щений осцилл тора, а после установлени теплового равновеси со средой наход т эмпирическое распределение превышений квадрата огибающей амплитуды флуктуации осцилл тора заданного уровн , представл ют это распределение в логарифмической шкале и методом наименьших квадратов аппроксимиируют начальный участок распределени пр мойoscillator, and after establishing thermal equilibrium with the medium, an empirical distribution of exceedances of the square envelope of the amplitude of fluctuations of the oscillator of a given level is found, this distribution is presented on a logarithmic scale and the initial portion of the distribution of the direct distribution is approximated by the least squares method

линией.. -.. -Изобретение позвол ет с большой точностью определить собственную частоту ос- цилл то ра , котора входиу в расчетную формулу дл температуры. При регистрации флуктуации емкостным способом одновременно проводитс калибровка смещений осцилл тороа в единицах длины. Кроме того , изобретение позвол ет исключить случайные помехи и выбросы измерительной аппаратуры, что повышает точность определени углового коэффициента эмпирического распределени квадрата огибающей; кроме того, остаточна дисперси дает оценку погрешности определени углового коэффициента, вход щего в расчетную формулу дл температуры.line .. - .. - The invention allows to determine with great accuracy the natural frequency of the oscillator, which is included in the calculation formula for temperature. When registering fluctuations in a capacitive manner, the calibration of the toron oscillator displacements in units of length is simultaneously performed. In addition, the invention makes it possible to exclude random noise and emissions of measuring equipment, which improves the accuracy of determining the angular coefficient of the empirical distribution of the square of the envelope; In addition, the residual dispersion gives an estimate of the error in determining the angular coefficient included in the calculation formula for temperature.

Регистраци флуктуации лазерным интерферометром позвол ет выразить смещени осцилл тора в длинах световой волны лазера, т.е. в единицах длины и калибровка смещений в этом случае не требуетс . Таким образом, предлагаемый способ позвол ет проводить абсолютные измерени температуры в широком диапазоне- от долей Кельвина до 2000-ЗОООК. При измерении высоких температур в конструкции температурного датчика должны быть применены жаропрочные материалы.The registration of fluctuations by the laser interferometer makes it possible to express the oscillator displacements in the laser light wavelengths, i.e. in units of length and calibration offsets are not required in this case. Thus, the proposed method allows absolute temperature measurements in a wide range from Kelvin fractions to 2000-ZOOK. When measuring high temperatures, heat resistant materials should be used in the design of the temperature sensor.

На фиг.1 показано эмпирическое распределение числа N превышений квадрата огибающей заданного уровн х г2 и апп- роксимирующа это распределение пр ма лини с угловым коэффициентом в; на фиг.2 изображено устройство, с помощью которого можно реализовать предлагаемый способ измерени абсолютной температуры.Figure 1 shows the empirical distribution of the number N of exceedances of the square of the envelope of a given level x2 and the approximation of this distribution of the straight line with the slope v; Fig. 2 shows a device with which the proposed method for measuring absolute temperature can be implemented.

Внутри жесткого корпуса 1 на виброзащитной подвеске (на фиг. не показано) раз- мещают крутильный ма тник 2 с собственной частотй (Уо . На коромысле крутильного ма тника 3 устанавливают зеркала (на фиг. не показано) при интерферометри- ческом способе измерений или металлические пластины 4 и 5 при емкостном измерении. В первом случае в корпусе должны быть предусмотрены окна дл прохождени света, а во втором напротив подвижных пластин устанавливают две неподвижные пластины 6 и 7. Одна из них,Inside the rigid body 1, on a vibration-proof mount (not shown), place the torsion tandem 2 at its own frequency (Wo. At the yoke of the torsion tandem 3, install a mirror (not shown) with the interferometric measurement method or metal plates 4 and 5 in the case of capacitive measurement. In the first case, windows for the passage of light should be provided in the housing, and in the second case two fixed plates 6 and 7 should be installed opposite the movable plates. One of them,

например 6, с сопр женной ей подвижной пластиной 4 образует датчик смещений, а друга пара пластин 5 и 7 служит дл калибровки этого датчика. С пластинами 5 и 7For example, 6, with its movable plate 4, forms an displacement sensor, and another pair of plates 5 and 7 serves to calibrate this sensor. With plates 5 and 7

св зан блок 8 формировани калибровочного сигнала. Выход с емкостных датчиков 4 и 6 или фотодетекторов (на фиг. не показаны) при интерферометрической системе измерени св зан с входом усилител 9, выходa calibration signal generation unit 8 is coupled. The output from capacitive sensors 4 and 6 or photo detectors (not shown in fig.) In an interferometric measurement system is connected to the input of amplifier 9, the output

которого св зан с входом блока 10 выделени огибающей. Выход блока выделени огибающей св зан с входом ЭВМ 11. Выход ЭВМ св зан с входом индикатора 12.which is associated with the input of the envelope selection block 10. The output of the envelope highlighting unit is connected to the input of the computer 11. The output of the computer is connected to the input of the indicator 12.

Определение абсолютной температурыDetermination of absolute temperature

провод т следующим образом.carried out as follows.

Устройство помещают в среду, температуру которой следует измерить. По истечении времени релаксации и установлени стационарного режима приступают к калибровке: на пластины 5 и 7 подают калибровочный сигнал заданной формы, величины и длительности. Амплитуда этого сигнала записываетс в пам ти ЭВМ. О предел ют также собственную частоту механическихThe device is placed on medium, the temperature of which should be measured. After the relaxation time and the establishment of a stationary mode, proceed to the calibration: on the plates 5 and 7 serves a calibration signal of a given shape, size and duration. The amplitude of this signal is recorded in the computer memory. About the limit also the natural frequency of the mechanical

колебаний ма тника и его добротность. Эти данные занос тс в пам ть ЭВМ. В пам ть ЭВМ заранее также занос тс посто нные Больцмана и значение конструкционного параметра. Далее с помощью емкостногоfluctuations of the tantrum and its quality This data is stored in the computer memory. In advance, the Boltzmann constant and the value of the construction parameter are also entered in the computer memory in advance. Next, using capacitive

датчика с пластинами 4 и 6 измер етс текущее значение амплитуды колебаний крутильного ма тника. После усилени в блоке 9 сигнал поступает в блок выделени квадрата огибающей. Значение квадрата огибающей записываютс в пам ть ЭВМ через равные промежутки времени, которые больше нескольких периодов собственных колебаний ма тника, но значительно меньше времени релаксации крутильных колебаний . ЭВМ анализирует накопленный массив данных по максимальному значению измеренной амплитуды и заданному числу уровней 100,1000,...), определ ет рассто ние между уровн ми и сами уровни, подсчитывает число превышений каждого уровн и формирует новый массив данных, выражающий зависимость числа превышений уровней от величины уровней. Затем совершаетс переход к логарифму (натуральному ) числа уровней в зависимости от их величины. Методом наименьших квадратов ЭВМ выдел ет коэффициент при линейной части этой зависимости. С помощью хран щегос в пам ти калибровочного сигнала значение этого коэффициента выражаетс через единицу длины (метр, сантиметр). По значению углового коэффициента известным значени м конструкционного параметра собственной частоты, посто нна The sensor with plates 4 and 6 measures the current value of the oscillation amplitude of the torsion rod. After amplification in block 9, the signal enters the block selection square of the envelope. The value of the square of the envelope is recorded in the computer memory at regular intervals, which are more than several periods of natural oscillations of the model, but significantly less than the relaxation time of torsional oscillations. The computer analyzes the accumulated data array by the maximum value of the measured amplitude and a specified number of levels 100,1000 ...), determines the distance between the levels and the levels themselves, counts the number of exceedances of each level and forms a new data set expressing the dependence of the number of levels exceeding on the magnitude of the levels. Then a transition is made to the logarithm of the (natural) number of levels depending on their size. The method of least squares of a computer selects the coefficient for the linear part of this dependence. With the help of a calibration signal stored in the memory, the value of this coefficient is expressed in units of length (meter, centimeter). From the value of the angular coefficient of the known values of the structural parameter of the natural frequency,

Больцмана ЭВМ рассчитывает абсолютное значением температуры.Boltzmann computer calculates the absolute temperature value.

Claims

Invention Formula

The method of determining the temperature of the transition, which consists in placing a torsional oscillator in it, holding it for a predetermined time until the establishment of a stationary mode and measuring the fluctuations expressed in units of length

oscillator amplitudes, characterized in that, in order to increase accuracy, before measuring fluctuations, the amplitudes of the oscillator excite its oscillations and measure their own frequency, calculate the number of exceedances of the square envelope of the oscillations of oscillator fluctuations of a predetermined level and determine the measured values medium temperature.