Устройство для измерения разности температур

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗЖРЕНИЯ РАЗНОСТИ ТЕМПЕРАТУР, содержащее два термопреобразователя с нелинейными характеристиками, первый сумматор, измеритель разности амплитуд напряжений , ключ, усилитель и генератор напряжения прямоугольной формы, выходы которого соединены с управляющими входами ключа и измерителя раз13 1-,. - л I «ij ЬоО,- ;, ности амплитуд напряжений, отличающееся тем, что, с целью повьппения точности измерения и линейности выходного сигнала, в него введены два сумматора, источник напряжения , нормирующий усилитель и функциональный преобразователь, вход которого соединен с выходом второго сумматора, а выход подключен к входу измерителя разности амплитуд напряжений , выход которого соединен с первым входом третьего сумматора, второй вход которого подключен к выходу усилителя, выполненного в виде усилителя постоянного тока, и через ключ подключен к первому входу второго сумматора, второй вход которого (Л соединен с выходом нормирующего усилителя , а третий вход соединен с выходом источника напряжения, при этом входы первого сумматора подключены соответственно к выходу первого термопреобразователя и выходу второго термопреобразователя, соединенСП ел ного с входом нормирующего усилителя. 00 vl to

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3671165/24-10 (22) 27.10.83 (46) 15.05.85. Бюл. N - 18 (72) В.Д.Гринец и Е.А.Вераксич (71) Львовский ордена Ленина политехнический институт им.Ленинского комсомола (53) 536.53(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

Р 463010, кл. G 01 К 7/02, G 0.1 К 7/16, 1972.

2 ° Авторское свидетельство СССР

У 909588, кл. G 01 К 7/16, 1980.

3. Авторское свидетельство СССР

N -. 1013771, кл. G 01 К 7/02, 1981 (прототип). (54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

РАЗНОСТИ ТЕМПЕРАТУР, содержащее два термопреобраэователя с нелинейными характеристиками, первый сумматор, измеритель разности амплитуд напряжений, ключ, усилитель и генератор напряжения прямоугольной формы, выходы которого соединены с управляющими входами ключа и измерителя раз„„80„„1155872 А

4 5 0 01 К 7/00, 3/08 ности амплитуд напряжений, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения и линейности выходного сигнала, в него введены два сумматора, источник напряжения, нормирующий усилитель и функциональный преобразователь, вход которого соединен с выходом второго сумматора, а выход подключен к входу измерителя разности амплитуд напряжений, выход которого соединен с первым входом третьего сумматора, второй вход которого подключен к выходуусилителя, выполненного в виде усилителя постоянного тока, и через ключ подключен к первому входу второго сумматора, второй вход которого соединен с выходом нормирукицего усилителя, а третий вход соединен с выходом источника Напряжения, при этом входы первого сумматора подключены соответственно к выходу первого термопреобраэователя и выходу второго термопреобразователя, соединенного с входом нормирующего усилителя.

1155872

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для точного измерения разности температур термоэлектрическими преобразователями или термопреобразователями 5 сопротивления с нелинейной характеристикой преобразования.

Известно устройство для измерения разности температур, содержащее два термоэлектрических преобразователя, термозависимую компенсирующую цепочку с термопреобраэователем сопротивления, резистор, включенный параллельно термоэлектрическим преобразователям и термопреобразователю сопро-15 тивления 1j °

К недостаткам этого устройства относится уменьшение чувствительности термоэлектрических преобразователей. за счет их шунтирования резистором, необходимость еще в одном термопреобразователе, который является источником дополнительной формы нелинейности термопреобразователей, а также низкая помехозащищенность.

Известно также устройство для измерения разности температур, содержащее последовательно соединенные реохорд, два термопреобразователя сопротивления, четыре блока преобра- 30 зования, включающие запоминающие KQH денсаторы и управляющие ключи, усилители, демодуляторы, в котором для получения линейного выхода к реохорду подключен выход преобразователя суммы абсолютных значений температур в ток, содержащего два блока преобразования, компенсационный резистор, резистор обратной связи, усилитель и фаэочувствительный выпрямитель 423.40

Недостатками устройства являются его низкое быстродействие из-за наличия механических реохордов, а также то, что опо обеспечивает линеаризацйю характеристик термопреобразовате-45 лей, имеющих только параболический характер нелинейности.

Наиболее близким по технической сущности является устройство для измерения разности температур, содержа 50 щее два термопреобразователя с нелинейными характеристиками, первый сумматор, функции которого выполняет дифференциальный усилитель, измеритель разности амплитуд напряжений 55 (демодулятор), ключ, усилитель переменного напряжения, генератор напряжепия прямоугольной формы, в качестве которого используется мультивибратор, выходы которого соединены с управляющими входами ключа и измерителя разности амплитуд напряжений, а также линеаризатор и ключи.

В этом устройстве термопреобразователи подключены к входу сумматора через ключи, а выход сумматора через линеаризатор и усилитель переменного тока подключен к демодулятору (3).

Недостатком устройства является то, что оно не может обеспечивать высокой точности измерения. и линейности выходного сигнала, так как погрешность линеаризатора, который трудно

1 выполнить с высокой степенью точности линеаризации, полностью входит в результат измерения.

Целью изобретения является повышение точности измерения и линейности выходного сигнала.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения разности температур, содержащее два термопреобразователя с нелинейными характеристиками, первый сумматор, измеритель разности амплитуд напря>кений, ключ, усилитель и генератор напряжения прямоугольной формы, выходы которого соединены с управляющими входами ключа и измерителя разности амплитуд напряжений, введены два сумматора, источник напряжения, нормирующий усилитель и функциональный преобразователь, вход которого соединен с выходом второго сумматора, а выход .подключен к входу изме-. рителя разности амплитуд напряжений, выход которого соединен с первым входам третьего сумматора, второй вход которого подключен к выходу усилителя, выполненного в виде усилителя постоянного тока, и через ключ подключен к первому входу второго сумматора, второй вход которого соединен с выходом нормирующего усилителя, а третий вход соединен с выходом источника напряжения, при этом входы первого сумматора подключены соответственно к выхопу первого термопреобразователя и выходу второго термопреобразователя, соединенного с входом нормирующего усилителя.

На чертеже представлена блок-схема устройства.

Устройство, для измерения разности температур содержит термопреобразователи 1 и 2, подключенные к

1155872

20 где t — температура свободных концов термоэлектрических преобразователей; т(а}- функция нелинейности термопреобразователей, 25

А — постоянный коэффициент.

Если в качестве термопреобразователей используются термопреобразователи сопротивления, подключенные к стабильным источникам тока, то на вход сумматора 3 поступают напряжения, пропорциональные сопротивлениям термопреобразователей:

Uq Ао+А1 1+ (4 )

1 г=A +A< .,+ г (сг), (2) зз где Ао — сигнал, пропорциональный начальному сопротивлению термопреобразователя.

На выходе сумматора 3 формируется 40 сигнал (U„ -U ), который поступает на вход усилителя 4, выходное напряжение которого равно

U =К А(„- )+Кд (1(„)- (t )l, (3) где Кг — коэффициент передачи усилителя 4.

Из (2) следует, что выходной сигнал U4 состоит иэ линейной части

К4А(г - ), пропорциональной измеря- 50 емой разности температур и нелинейной К f 9(t<)- М (t )l, которая вносит дополнительную неопределенную погрешность и которая в ряде случаев может значительно превышать величину линей-5 ной части (3).

Выходной сигнал. термопреобразователя 2 усиливается нормирующим усивходу первого сумматора 3, усилитель постоянного тока 4, нормирующий усилитель 5, второй сумматор 6, функционалвный преобразователь 7, измеритель 8 разности амплитуд напряжений, 5 третий сумматор 9, выходной усилитель 10, ключ 11, источник 12 напряжения и генератор 13 напряжения прямоугольной формы.

Устройство работает следукгцим образом.

Если в качестве термопреобразователей используются термоэлектрические преобразователи, помещенные в среды с температурами t< и С, то их. 1 выходные сигналы Ц„ и,У (термо-ЭДС) равны лителем 5 и, алгебраически суммируясь с выходным сигналом источника 12 через второй сумматор 6, поступает на вход функционального преобразователя

7, функция преобразования которого связана с функцией нелинейности термопреобразователей 1 и 2 соотношением гЖ1) =- Y(t2) и Ф,(U )=- У(с„), (4) где +7 (U) — функция преобразования преобразователя 7.

При использовании термопар источник 12 представляет собой преобразователь температур t в пропорциональное напряжение, а при использовании термопреобразователей сопротивления— источник опорного напряжения, компенсирующего падение напряжения на термопаре при начальной температуре диапазона измерения. В обоих случаях алгебраическая сумма выходных напряжений усилителя 5 и источника 12 определяется как

Ug=Uz+U„ =K (At<+ f(t )), (5) где К =К1 — коэффициент передачи усилителя 5 и источника 12.

Напряжение Ug поступает на вход функционального преобразователя 7, на выходе которого при этом появляется напряжение, равное (6)

При замыкании ключа 11 напряжение Ug суммируется с выходным напряжением усилителя (2), вызывая появ- . ление на выходе преобразователя 7 сигнала который при К =K будет пропорционален выходному сигналу термопреобразователя 1 4=ка Ь + (4, )l (7) а выходное напряжение преобразователя 7 будет равно (8)

Ключ 11 периодически замыкается и размыкается сигналом управления от генератора 13. При этом на выходе преобразователя появляется периоди- ческая последовательность прямоугольных импульсов с амплитудами соответственно равными Ьг и Upped Разность этих амплитуд преобразуется измери5 1155872 телем 8 в пропорциональное выходное напряжение

Поэтому преобразователь 7 может быть выполнен в виде простого диодного функционального преобразователя с кусочно-линейной аппроксимацией требуемой функции.

Необходимый вид характеристики преобразования преобразователя 7 может быть получен, например, путем вы читания иэ линейно нарастающего напряжения монотонно нарастающего выходного напряжения диодного функционального напряжения.

Устройство реализовано для измерения разности температур ь{:=(О130) С термопарами типа ПП в диапазоне изменения абсолютных значений температур t=(0-1300) С. При погрешности преобразователя 7 8 =0,2 С общая погрешность устройства не превышала +0,5%. Усилители 4 и 5 выполнены по схеме усилителя постоянного тока с двойным преобразованием сигнала, преобразователь 7 выполнен в виде диодного функционального преобразователя на "идеальных" диодах, усилитель разности амплитуд 8 выполнен в виде усилителя переменного тока с фазочувствительным выпрямителем, генератор

i3 в виде симметричного мультивибратора с частотой 1,5 кГц, управлякщего бесконтактными ключами типа

190 КТ2П, входящих в состав ключа 11 и фазочувствительного выпрямителя измерителя разности амплитуд напряжешш 8.

Применение устройства позволяет обеспечить точное измерение разности температур при широкодиапазонном изменениии абсолютных температур с помощью термопреобразователей (термоэлектрических преобразователей сопротивления). с любой нелинейной характеристикой преобраз ования, получить линейную зависимость выходного напряжения устройства от измеряемой раз ности температур, использовать нелинейные датчики для измерения разности различных неэлектрических величин.

Uqa =К <„ A(t г) ВНИИПИ Заказ 3129/36 Тираж" 897 Подписное

Филиал ППП "Патент", г. Уж, ород, ул.Проектная, 4

Ug =Kg (UIq -Ug g ) =Kg E +g Щ ) которое подается на вход выходного усилителя 10 и складывается с выходным сигналом усилителя 4.

Выходное напряжение усилителя 10 будет равно при

U40 4 0 ("4 г)+ ("1) ("г)+ "т® )

При выполнении условия (3} это напр я же иие буде т ра вно

H будет линейно зависеть только от разности измеряемых температур.

В состав измерителя разности амп- 20 литуд напряжений входит фазочувствительный выпрямитель, управляемый генератором 13.

Составляющая погрешности устройства bö H, определяемая погрешностью 25 функционального преобразователя 7 определяется выражением уп т

30 где t „„— диапазон изменения абс олютных значений температур, htIq — максимальное значений измеряемой разности напряжений, ((Ц, 1- максимальное значение функ Awol ЗЗ ции нелинейности термопре-: образователя IIo абсолютной величине.

Для большинства серийных датчиков 40 величина { { () „„,(не превышает (1-7)%, Поэтому к точности функционального преобразователя 7 не предъявляются высокие требования.

:Например, для термопары типа ПП и 4>

С „1300 .С величина t(t)w )=6 32 .

В этом случае, если выполнить преобразователь 7 с погрешностью 8ре =

=0,5 ., то составляющая погрешности

@ согласно (11) для а{,„=130 С составит и = 2 — — 0,5 0,0632 = 0,63 .

1300