Автоматизований малогабаритний пристрій відтворення реперної температурної точки топлення галію для ядерно-квадрупольного еталона частоти

1. Автоматизований малогабаритний пристрій для відтворення реперної температурної точки топлення галію для ядерно-квадрупольного еталона частоти, що складається із зовнішнього термостата, в камері якого розміщена ампула реперної температурної точки, що містить тигель з реперним металом, вмонтований термометричний канал із схемою вимірювання температури і терморезистивний елемент на поверхні тигля, який відрізняється тим, що додатково містить електронну схему автоматики з аналоговою схемою вимірювання температури в термометричному каналі ампули реперної точки плавлення галію, що U 2 (19) 1 3 рювачів, яка приводить до похибки при визначенні робочої точки на "плато" процесу топлення галію і відповідно зменшення точності відтворення реперної температурної точки при малій масі реперного металу. В основу корисної моделі поставлено завдання вдосконалити реперну температурну точку топлення галію при малих габаритах, у якій введення нових елементів для точного визначення реперної температури (горизонтальної ділянки - "плато") в термометричному каналі ампули дозволить підвищити точність відтворення реперної температури при малих габаритах конструкції. Поставлене завдання вирішується тим, що в автоматизованому малогабаритному пристрої відтворення реперної температурної точки топлення галію для ядерно-квадрупольного еталона частоти, який складається із зовнішнього термостата, в камері якого розміщена ампула реперної температурної точки, що містить тигель з реперним металом, вмонтований термометричний канал із схемою вимірювання температури і терморезистивний елемент на поверхні тигля, додатково введено електронну схему автоматики з аналоговою схемою вимірювання температури в термометричному каналі ампули реперної температурної точки топлення галію, що своїм виходом з'єднана із входом аналого-цифрового перетворювача, виходом з'єднаного з цифровим диференціатором, перший вихід якого з'єднаний з другим входом кон'юнктора, а другий вихід з'єднаний з керуючим входом імпульсного стабілізатора напруги, що своїм виходом через перший контакт аналогового ключа з'єднаний із входом терморезистивного нагрівача і термоелектричного охолоджувача, а таймер своїм виходом з'єднаний з керуючим входом аналогового ключа, при цьому третій вхід кон'юнктора підключений до другого контакту аналогового ключа. Крім цього, додатково використовують ядерноквадрупольний вимірювальний перетворювач, що виконує роль високоточного термометра із сенсором, розміщеним в термометричному каналі, та частотний компаратор, вхід якого з'єднаний з виходом ядерно-квадрупольного вимірювального перетворювача, а вихід з'єднаний з першим входом кон'юнктора. Це дає можливість повністю автоматизувати роботу пристрою відтворення реперної температурної точки та з високою точністю відтворити і зафіксувати реперну температуру в термометричному каналі. На Фіг.1 представлена функціональна блоксхема автоматизованого малогабаритного пристрою відтворення реперної температурної точки топлення галію: 1 - ядерно-квадрупольний вимірювальний перетворювач; 2 - частотний компаратор з інвертором вихідного сигналу; 3 - кон'юнктор - формувач сигналу виходу на робочий режим; 4 - аналогова схема вимірювання температури в термометричному каналі; 5 - аналого-цифровий перетворювач (АЦП); 6 - цифровий диференціатор; 65755 4 7 - таймер; 8 - керований імпульсний стабілізатор напруги; 9 - аналоговий ключ; 10 - терморезистивний нагрівач; 11 - термоелектричний охолоджувач. На Фіг.2 наведені діаграми зміни температури в термометричному каналі ампули і віртуальної частоти на виході ядерно-квадрупольного вимірювального перетворювача та сигнали, пропорційні похідній від цих функціональних залежностей: а) зміна температури в термометричному каналі ампули в процесі нагрівання і в робочому режимі; б) напруга на виході цифрового диференціаdT тора 6 U ~ ; dt в) зміна віртуальної частоти ядерноквадрупольного резонансного перетворювача в процесі нагрівання і в робочому режимі; г) напруга на виході частотного компаратора з інвертором вихідного сигналу 2 df U2 ~ ЯКР ; dt д) сигнал на виході таймера. На Фіг.3 приведена конструкція теплової частини пристрою: 1 - тигель (камера топлення галію); 2 - терморезистивний нагрівач; 3 - реперний метал галій; 4 - термометричний канал; 5 - сенсор ядерно-квадрупольного вимірювального перетворювача; 6 - сенсори аналогової схеми вимірювання температури; 7 - термоелектричний охолоджувач; 8 зовнішній термостат; 9 - жорсткий коаксіальний кабель. Ампула для реалізації реперної температурної точки топлення галію розташована в малогабаритному зовнішньому термостаті 8 (Фіг.3), який в робочому режимі підтримує температуру (28±0,2)°С. До складу ампули входить тигель 1 з термометричним каналом із кераміки ВеО 4, розташованим в середині тигля 1 і електрична схема керування. Тигель представляє собою дюралеву ємність, яка всередині покрита фторопластовою плівкою, а ззовні на неї намотано біфіляром терморезистивний нагрівач 2. Електронна схема керування роботою пристрою для відтворення реперної температурної точки топлення галію (Фіг.1) містить схему вимірювання і регулювання температурного режиму, в яку входить аналогова схема вимірювання температури в термометричному каналі ампули 4, що своїм виходом з'єднана через АЦП 5 з цифровим диференціатором 6, перший вихід якого з'єднаний з другим входом кон'юнктора 3, а другий вихід - з входом керованого імпульсного стабілізатора напруги 8, вихід якого через аналоговий ключ 9 в робочому режимі з'єднаний з терморезистивним нагрівачем 10 або з термоелектричним охолоджувачем 11 в режимі тверднення галію, а керуючий вхід ключа 9 під'єднаний до виходу таймера 7. Схема ядерно-квадрупольного резонансного вимірювального перетворювача, що з високою точністю (±1мК) фіксує реперну температуру в термометричному каналі ампули, своїм частотним виходом підключена до входу частотного компаратора, ви 5 хід якого з'єднаний з першим входом кон'юнктора 3, який сигналізує про вихід пристрою на робочий режим роботи. Пунктиром обведені блоки, які реалізуються з допомогою мікроконтролера (МК) PSoC компанії Cypress Semiconductor. Пристрій відтворення реперної температурної точки топлення галію для ядерно-квадрупольного еталона частоти працює наступним чином. Після включення електричного живлення температура в камері зовнішнього термостата встановлюється на рівні (28±0,2)°С. Одночасно відбувається нагрівання галію в камері топлення тигля 1 (Фіг.3), при цьому напруга на виході імпульсного стабілізатора максимальна і, відповідно, потужність що підводиться до нагрівача, є максимальною. Так як керуючим сигналом для терморегулятора є сигнал пропорційний похідній від функції зміни температури в термометричному каналі ампули, то при підході до точки топлення галію він пропорційно зменшується (Фіг.2а, б), відповідно зменшується потужність, що підводиться до нагрівача, а при виході на "плато" (горизонтальна ділянка Фіг.2а, б) встановлюється мінімальна потужність необхідна для підтримання процесу топлення. На Фіг.2а показано сигнал на виході аналогової схеми вимірювання температури в термометричному каналі 4 (Фіг.1), а на Фіг.2б приведено сигнал на другому виході цифрового диференціатора 6, який формується програмним способом; на першому виході формується сигнал лог. "0" для другого входу кон'юнктора. В той же час, незалежно від аналогової схеми вимірювання температури, відбувається контроль зміни температури в термометричному каналі ампули 4 (Фіг.3) з допомогою ядерноквадрупольного вимірювального перетворювача 1 (Фіг.1). На Фіг.2в приведена діаграма зміни "вірту 65755 6 альної" частоти останнього в процесі топлення галію. На Фіг.2г показано аналоговий (може бути цифровий) сигнал на виході частотного компаратора, який формується програмним способом і надходить на перший вхід кон'юнктора 3 (Фіг.1). Схема з високою точністю (±0,01Κ) фіксує реперну температуру і формує лог. "0" на перший вхід кон'юнктора. При наявності на всіх входах кон'юнктора лог. "0", на виході формується лог. "1", що сигналізує про вихід пристрою на робочий режим. Тривалість робочого режиму задається таймером (Фіг.2д) і при переключенні таймером аналогового ключа 9 (Фіг.1), пристрій відключається, блокуючи роботу користувачів. Керований імпульсний стабілізатор напруги 8 (Фіг.1) переключається на термоелектричний охолоджувач 11 (Фіг.1), в результаті чого відбувається тверднення галію. Через заданий інтервал часу таймер 7 (Фіг.1) знову переводить схему в стадію нагріву і процес повторюється. Використання автоматизованого малогабаритного пристрою відтворення реперної температурної точки топлення галію дозволяє забезпечити неперервну роботу портативного еталона реперної частоти шляхом періодичної калібровки частоти вихідного кварцового генератора. Джерела інформації: 1. Т.Куинн. Температура.-М.: Мир, 1985. С.182. 2. Патент України 84346. МПК G01K15/00, G05D23/00. Спосіб самокалібрування датчиків температури та пристрій для його здійснення / Іванова Е.П., Курська Т.М., Сидоренко Г.С.; заявник і власник Національний науковий центр "Інститут метрології". -№а200613674 ; заявл. 25.12.06 ; опубл. 10.10.08, Бюл. №19/2008. 7 Комп’ютерна верстка Н. Лисенко 65755 8 Підписне Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601