Устройство для измерения температуры (его варианты)

 

1. Устройство для измерения температуры , содержащее термопреобразователь сопротивления, включенный в ..плечо измерительного моста, интегратор , вход которого соединен с выходом первого ключа, а выход подключен к первому входу дифференциального усилителя, второй ключ, вход которого соединен с входом первого ключа, а выход через делитель подключен к второму входу дифференциального усилителя, преобразователь напряжения в длительность импульсов, вход которого соединен с выходом дифференциального усилителя, а выход через третий ключ и балластный резистор соединен с первым выводом термопреобразователя -сопротивления, второй вывод которого соединен с общей шиной устройства, мультивибратор , перпьм выход которого соединен с управляющими входами второго и трет1.егч1 ключей и управляющим входом гг«рвого ждущего мультивибратора , п1гк(Л которого соединен с упра.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИ4ЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (! 9) (11) 4(51) С 01 К 7/20

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ.3

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3627208/24-10 (22) 25.07.83 (46) 23.04.85, Бюл. № 15 (72) Л.А.Галкин, Ю.А.Скрипник и С.В.Шабанин (53) 536.53(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

¹- 1012042, кл.С 01 К 7/12, 1982.

2. Авторское свидетельство СССР № 742724, кл. С 01 К 7/20, 1978 (прототип). (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ (ЕГО ВАРИАНТЫ). (57) 1. Устройство для измерения температуры, содержащее термопреобразователь сопротивления, включенный в;плечо измерительного моста, интегратор, вход которого соединен с выходом первого ключа, а выход подключен к первому входу дифференциального усилителя, второй ключ, вход которого соединен с входом первого ключа, а выход через делитель подключен к второму входу дифференциального усилителя, преобразователь напряжения в длительность импульсов, вход которого соединен с выходом дифференциального усилителя, а выход через третий ключ и балластный резистор соединен с первым выводом термопреобразователя сопротивления, второй вывод которого соединен с общей шиной устройства, мультивибратор, первьй выход которого соединен с управляющими входами второго и третьего ключей и управляющим входом первого ждущего мультивибратора, лв:.< fl ксторого соединен с управ. ш1:и входом милливольтметра, подключенного к термопреобразователю сопротивления, о т л и ч а ю— щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения температуры и быстродействия устройства, в него введены второй ждущий мультивибратор, источник опорного напряжения, схема сравнения, последовательно соединенные масштабный усилитель, синхронный детектор и операционный усилитель, повторитель напряжения и генератор переменного напряжения, первый выход которого соединен с управляющим входом синхронного детектора, а второй выход подключен к измерительному мосту, выход которого соединен с входом масштабного усилителя, при этом второй выход мультивибратора через второй ждущий мультивибратор подключен к управляющему входу первого ключа, вход которого соединен с выходом операционного усилителя, входы схемы сравнения соответственно соединены с выводами балластного резистора и выходом источника опорного напряжения, управляющий вход которого соединен с выходом третьего ключа, а выход схемы сравнения через повторитель напряжения подключен к термопреобразователю сопротивления.

2. Устройство для измерения температуры, содержащее термопреобразователь сопротивления, включенный в плечо измерительного моста, интегратор, вход которого соединен с выходом первого ключа, а выход подключен к первому входу дифференциального усилителя, втор<..й к поч, 1. входом первого ключа, а выход через делитель подключен к второму входу дифференциального усилителя, преобразователь напряжения в длительность импульсов, вход которого соединен с выходом дифференциального усилителя, третий ключ, выход которого через . балластный резистор соединен с первым выводом термопреобразователя сопротивления, второй вывод которого соединен с общей шиной устройства, мультивибратор, первый вход которого соединен с управляющими входами второго и третьего ключей и управляющим входом первого ждущего мультивибратора, выход которого соединен с управляющим вхо дом милливольтметра, подключенного к термопреобразователю сопротивления, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения температуры и быстродействия устройства, в него введены второй ждущий мультивибратор, источник опорного напряжения, схема сравнения, последовательно соединенные масштабный усилитель, синхронный! 151 834 детектор и операционный усилитель, усилитель с управляемым коэффициентом передачи и генератор переменного напряжения, первый выход которого соединен с управляющим входом синхронного детектора, а второй выход подключен к измерительному мосту, выход которого соединен с входом масштабного усилителя, при этом второй выход мультивибратора через второй ждущий мультивибратор, подключен к управляющему входу первого ключа, вход которого соединен с выходом операционного усилителя, входы схемы сравнения соответственно соединены с выводами балластного резистора и выходом источника опорного напряжения, управляющий вход которого соединен с выходом третьего ключа, а выход схемы сравнения соединен с управляющим входом усилителя с управляемым коэффициентом передачи, вход которого соединен с выходом преобразователя напряжения в длительность импульсов, а выход подключен к входу третьего ключа.

Изобретение относится к температурным измерениям, а точнее к устройствам для измерения температуры с дополнительным нагревом термопреобразователя сопротивления., 5

Известно устройство для. измерения температуры, содержащее термодатчик, выполненный в виде термокомпенсационного преобразователя, измерительные выводы которого подключены к входу компаратора с блоком гальванического разделения, выход которого через схемы И подключен к входам реверсивного счетчика, преобразователь код-ток, вход которого сое- 15 динен с выходом реверсивного счетчика, а выход подключен к компенсационным выводам термодатчика j1) .

Однако устройство требует для своей работы специальный термодатчик. 20

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для измерения температуры, содержащее термопреобразователь сопротивления, включенный в плечо измерительного моста, интегратор, вход которого соединен с выходом первого ключа, а выход подключен к первому входу дифференциального усилителя, второй ключ, вход которого соединен с входом первого ключа, а выход через делитель подключен к второму входу дифференциального усилителя, преобразователь напряжения в длительность импульсов, состоящий из генератора пилообразного напряжения и широтно-импульсного модулятора, вход которого соединен с выходом дифференциального усилителя, а выход через третий ключ и балластный резистор соединен с первым выводом термопреобразователя сопротивления, второй вывод которого соединен с общей шиной устройства, мультивибратор, первый выход которого соединен с управляющими входами второго н третьего

Цель изобретения — повышение точности измерения температуры и быстродействия устройства. 25

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения температуры, содержащее термопреобраэователь сопротивления, включенный в плечо измерительного моста, интегратор, вход которого соединен с выходом первого ключа, а выход подключен к первому входу дифференциального усилителя, второй ключ, вход которого соединен с входом пер- 35 вФго ключа, а выход через делитель подключен к второму входу дифферен. циального усилителя, преобразова-. тель напряжения в длительность импульсов, вход которого соединен с 4О вь1ходом дифференциального усилителя, а выход через третий ключ и балластный резистор соединен с первым выводом термопреобразователя сопротивления, второй вывод которого соединен с общей шиной устройства, мультивибратор, первый выход которого соединен с управляющими входами второго и третьего кхцочей и управляющим входом первого ждущего мультивибратора, выход которого соединен с управляющим входом милливольтметра, подключенного к термопреобразователю сопротивления, введены второй ждущий мультивибратор, ис- 55 точник опорного напряжения, схема сравнения, последовательно соединен- ные масштабный усилитель, синхрон30

3 11518 ключей и управляющим входом первого ждущего мультивибратора, выход которого соединен с управляющим входом милливольтметра, подключенного к термопреобревоветелю сопРотивления (21. б

Недостатками устройства являюте ся то, что в нем не учтена погрешность от изменения амплитуды токовых импульсов подогрева, определяемая соотношением величин сопротивлений tp балластного резистора и термопреоб разователя при нагреве и охлаждении последнего, а также не учитывается тепловая постоянная времени охлаждения термопреобраэователя сопротивления во вторую половину периода коммутации, когда отсутствуют импуль. сы.подогрева, что приводит к существенной систематической погрешности измерения и снижению быстродействия устройства.

34 4 ный детектор и операционный усилитель, повторитель напряжения и генератор переменного напряжения, первый выход которого соединен с управляющим входом синхронного детектора, а второй выход подключен к измерительному мосту, выход которого соединен с входом масштабного усилителя, при этом второй выход мультивибратора через второй ждущий мультивибратор подключен к управляющему входу первого ключа, вход которого соединен с выходом операционного усилителя, входы схемы сравнения соответственно соединены с выводами балластного резистора и выходом источника опорного напряжения, управляющий вход которого. соединен с выходом третьего ключа, а выход схемы сравнения через повто. ритель напряжения подключен к термопреобразователю сопротивления.

По второму варианту в устройство для измерения температуры, содержащее термопреобразователь сопротивления, включенный в плечо измерительного моста, интегратор, вход которого соединен с выходом первого ключа, а выход подключен к первому входу дифференциального усилителя, второй ключ, вход которого соединен с выходом первого ключа, а выход через делитель подключен к второму входу дифференциального усилителя, преобразователь напряжения в длительность импульсов, вход которого соединен с выходом дифференциального усилителя, третий ключ, выход которого через балластный резистор соединен с первым выводом термопреобразователя сопротивления, второй вывод которого соединен с общей шиной устройства, мультивибратор, первый выход которого соединен с управляющими входами второго и третьего ключей и управляющим входом первого ждущего мультивибратора, выход которого соединен с управляющим входом милливольтметра, подключеннрго к термопреобразователю сопротивления, введены второй ждущий мультивибратор, источник опорного напряжения, схема сравнения, последовательно соединенные масштабный усилитель, синхронный детектор и операционный усилитель, усилитель с управляемым коэффициентом передачи и генератор переменного напряжения, первый выход которого соединен

1151834 с управляющим входом синхронного детектора, а второй выход подключен к измерительному мосту, выход которого соединен с входом масштабного усилителя при этом второй Выход 5 мультивибратора через второй ждущий мультивибратор подключен к управляющему входу первого ключа, вход которого соединен с выходом операционного усилителя, входы схемы 10 сравнения соответственно соединены с выводами балластного резистора и выходом источника опорного напряжения, управляющий вход которого соединен с выходом третьего ключа, а вы- 15 ход схемы сравнения соединен с управляющим входом усилителя с управ, ляемым коэффициентом передачи, вход которого соединен с выходом преоб разователя напряжения в длитель- 20 ность импульсов, а выход подключен к входу третьего ключа.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства, первый вариант, на фиг.2то же, второй вариант. 25

Устройство, представленное на фиг. 1 содержит термопреобразователь

1 сопротивления, измерительный мост 2, ключи 3-5, интегратор 6, делитель 7 напряжения, дифференциаль- ЗО ный усилитель 8, преобразователь 9 напряжения в длительность импульсов, мультивибратор 10, балластный резистор 11, милливольтметр 17., жду. щие мультивибраторы 13 и 14, схему

15 сравнения, источник 16 опорного напряжения, повторитель 17 напряжения, масштабный усилитель 18, синхронный детектор 19, операционный усилитель 20 и генератор 21 переменного напряжения.

В устройстве по второму варианту (фиг. 2) повторитель 17 напряжения отсутствует, а имеется усилителв 22 с управляемым коэффициентом передачи;„

Устройство для измерения температуры работает следующим образом.

Термопреобразователь сопротивления включен в плечо измерительного моста 2 переменного тока, питаемо- 50 го от генератора 21 напряжением с частотой Ю< . Выходной сигнал измерительного моста, пропорциональный приращению сопротивления термопреобразователя через масштабирув- 55 мый усилитель 18, синхронный детектор 19, в котором он преобразуется н постоянное напряжение, и операцион ный усилитель 20 поступает на входы ключей 3 и 4, работой которых управляет мультивибратор 10.

Пусть первоначально по сигналам с мультивибратора 10 (на ключ 3 сигнал поступает с задержкой, определяемой ждущим мультивибратором 14), ключ 3 замкнут, а ключи 4 и 5 разомкнуты. При замкнутом ключе 3 интегратор 6 запоминает напряжение на выходе операционного усилителя 20, пропорциональное приращению сопротивления термопреобразователя 1, нагретого до температуры контролируемой среды, О,бк к к <6è, где 5 — чувствительность мостовой схемы;

I — коэффициент передачи масштабного усилителя;

" — коэффициент преобразования синхронного детектора, k> — коэффициент преобразования операционного усилителя 20; и — сопротивление и темпера- ° турный коэффициент сопротив. ления термопреобразователя", 0 — напряжение питания измерительного моста.

При переключении мультивибратора I0 замыкаются ключи 4 и 5 и выходное напряжение операционного усилителя 20,уменьшенное в А раэ делителем 7, поступает на неинвертирующий вход дифференциального усилителя 8, к инвертирующему входу которого приложено запомненное напряжение 0 с выхода интегратора 6. При наличии разности напряжений на выходе усилителя 8 появляется напряжение, которое с помощью преобразователя 9 преобразуется в длительность однополярных импульсов следующих с частотой Я, отличной от частоты Q< . В устройстве по первому варианту эти импульсы через ключ 5 и балластный резистор

11, а в устройстве по второму варианту через усилитель 22 с управляемым коэффициентом передачи, ключ 5 и балластный резистор 11 поступают на термопреобразователь 1 сопротивления. В результате воздействия этих импульсов происходит дополнительный нагрев термопреобразователя, что увеличивает его сопротивление, 02-б, К, К a e+ae) — (2) U

Ъ п где n — коэффициент деления делителя напряжения 7, 15

48 — температура перегрева.

При возрастании температуры перегрева $ 8 возрастает напряжение 0 стремясь к значению lJ . В установившемся режиме, если пренебречь нап- gp ряжением статизма замкнутой схемы, входные напряжения усилителя 8 уравниваются (0Z = llq ). Из равенства напряжений следует:

Q aB

Я (3) Температура перегрева 4 9 определяется коэффициентом теплоотдачи термопреобразователя сопротивления С, щ квадратом действующего значения импульсного тока 1 и его нагретым

2 сопротивлением

32 32 ав = — R„= "о (1+ и. (8+e)) ° (4) При этом, как показывают простые расчеты, падение напряжения U создаваемое средним значением импульсного тока на нагретом термопреобразователе сопротивления равно

F c(n-{) (5)

,р=I р R (I+(acfB I!9))

3о

1 \ где — площадь поверхности термопреобразователя р — амплитуда однополярных импульсов тока подогрева.

Установившееся среднее значение падения напряжения однополярных импульсов регистрируется милливольтметром 12 после разрешения с saдержкой, создаваемой ждущим мультивибратором 13, равной тепловой постоянной времени термопреобразователя.

После переключения мультивибратора 10 среднее значение падения

115 и, соответственно, напряжение на вы-, ходе измерительного моста. Так как частота я следования импульсов с выхода преобразователя 9 отличается от частоты питания моста, то синхрон- 5 ный детектор реагирует только на сигналы, следующие с частотой Я, В результате нагрева термопреобразователя на неинвертирующий вход усилителя 8 поступает напряжение 10

1834 напряжения от импульсного тока равно нулю. При этом выходное напряжение мостовой измерительной схемы Ц больше, чем 1< в течение времени охлаждения термопреобразователя от температуры перегрева (G + -hQ ) до контролируемой температуры О и равного тепловой постоянной термометра. Поэтому повторный цикл запоминания осуществляется с задержкой, создаваемой ждущим мультивибратором 14, включающим ключ 3, равной постоянной времени термопреобразователя 1.

При изменении сопротивления термопреобразователя происходит изменение амплитуды однополярных токовых импульсов, поступающих с выхода преобразователя 9. Для того, чтобы их амплитуда оставалась постоянной, в устройстве по первому варианту она стабилизируется с помощью схемы 15 сравнения, источника 16 опорного напряжения и повторителя 17 напряжения. На первый вход схемы 15 сравнения поступает напряжение с балластного резистора 11, величина которого пропорциональна току, протекающему через него, и изменяется при изменении сопротивления термопреобразователя. На второй вход схемы сравнения поступает сигнал заданной амплитуды от источника 16 опорного напряжения, действующий в течение действия однополярного импульса. При этом на выходе схемы

15 формируется дополнительный сигнал, пропорциональный изменению тока однополярных импульсов, который через повторитель 17 напряжения также поступает на термопреобразователь сопротивления, обеспечивая его дополнительный нагрев.

В устройстве по второму варианту стабилизация амплитуды токовых импульсов осуществляется с помощью схемы 15 сравнения, источника 16 опорного напряжения и усилителя 22 управляемым коэффициентом передачи. В нем разностный сигнал с выхода схемы 16 сравнения изменяет коэф фициент передачи усилителя 22, что ведет к изменению амплитуды импульсов на его выходе.

Устройство для измерения температуры по первому варианту обладает более высокой надежностью по отно шению к устройству по второму варианту, так как в нем компенсация измеII нения амплитуды токовых импульсов осуществляется отдельной цепью.

Устройство по второму варианту проще в реализации и настройке.

Наличие в устройстве новых элементов и новых связей мелщу элементами устройства выгодно отличает его от

5I834 |О известного, так как позволяет обеспечить стабилизацию амплитуды токовых импульсов подогрева и более точно зафиксировать изменение сигнала на выходе измерительного моста, что по-. вышает точность измерения температуры и быстродействие.! l . 5 »Е 8 34

Составитель В.Куликов

Техред А,Бабинец Корректор Л.Пилипенко

Редактор F..Ïóøíèêoâà плп.. и ЕП1П "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Заказ ?311/31 Тираж 897 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Б-35, Раушская наб., д. 4/5