Устройство для измерения температуры

 

Изобретение относится к температурным измерениям и может быть использовано для высокоточного измерения температуры в АСУ технологическими процессами. Цель изобретения - повьшение точности измерения. Устройство содержит термоэлектрические преобразователи (ТП) 1 и 2 с соединенными рабочими спаями, ключ 3, зашунтированный резистором 4, дифференциальный усилитель 5 с резистором 6 во входной цепи, изби (Л

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСГУБЛИН (19) (И) (59 4 С.01 К 7/02

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ у / (%»

ГОСУДАРСТВ(=ННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3814425/24-10 (22) 19..11. 84 (46) 07. 05. 86, Бюл. Ф 17 (71) Львовский ордена Ленина политехнический институт им. Ленинского комсомола (72) Э.С.Браилов, Ю.А.Скрипник, Г.В.Юрчик и Л.А.Глазков (53) 536.538 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 508684, кл. G 01 К 7/02, 1972.

Авторское свидетельство СССР

Р 1062534, кл. G 01 К 7/02, 1982. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ .(57) Изобретение относится к температурным измерениям и может быть использовано для высокоточного измерения температуры в АСУ технологическими процессами. Цель изобретения — повьппение точности измерения.

Устройство содержит термоэлектрические преобразователи (ТП) 1 и 2 с соединенными рабочими спаями, ключ 3, эашунтированный резистором

4, дифференциальный усилитель 5 с резистором 6 во входной цепи, избирательный усилитель 7 „демодулятор

8, интегратор 9, выход которого подключен к управляющему входу электрически регулируемого резистора 10, калиброванный резистор 11, зашунтированный конденсатором 12, источник постоянного тока 13, ключ 14, муль229597 тивибратор 15 и одновиоратор 16, Введение новых элементов и образование новых связей между элементами устройства позволяет уменьшить ошибку измерения„ вызванную изменением чувствительности 1 и 2 и нестабильностью элементов устройства. 2 ил.

Изобретение относится к температурным измерениям, а именно к .устJ роиствам для измерения температуры с помощью термоэлектрических преобразователей, и может быть использовано для высокоточного измерения температуры в автоматизированных системах управления технологическими процессами.

Цель изобретения — повышение точности измерения путем уменьшения ошибки измерения, вызванной изменением чувствительности термоэлектрического преобразователя и нестабильностью. элементов устройства. 15

На фиг. 1 представлена структур-! ная схема устройства; на фиг. 2 эпюры изменений температуры и электрических напряжений.

Устройство содержит термоэлектри- 20 ческие преобразователи 1 и 2 с соединенными рабочими спаями, первый ключ 3 зашунтированный резистором 4, дифференциальный усилитель 5 с резистором 6 во входной цепи, избиратель- 25 ный усилитель 7, демодулятор 8, интегратор 9 выход которого подключен к управляющему входу электрически регулируемого резистора 10, калиброванный резистор 11, зашунтированный Зо конденсатором 12, источник 13 постоянного тока, второй ключ 14, мультивибратор 15 и одновибратор 16.

Устройство работает следующим образом.

Рабочие спаи термоэлектрических преобразователей (ТП) 1 и 2 соединены стационарно-механически, например, сваркой и помещены в зону измеряемой температуры 9g .

Термо-ЭДС Е, = Sg»rpe S — чувствительность ТП 1, через периодически раэмыкаемый ключ 3, шунтированный резистором 4 сопротивлением R,ïîступает на вход дифференциального усилителя 5, входное сопротивление которого задается резистором 6 сопротивлением R . При замкнутом ключе 3 термо-ЭДС ТП 1 полностью воздействует на вход дифференциального усилителя 5. В разомкнутом состоянии термо-ЭДС ослабляется делителем напряжения, образованным резисторами 4 и 6. Ввиду модуляции коэффициента передачи K входной цепи дифференциального усилителя. (фиг. 2а) возникает переменная составляющая в усиленном напряжении, первая гармоника которой выделяется и усиливается избирательным усилителем 7 (фиг, 2Б).

При замыкании ключа 14, управляе емом непосредственно напряжением мультивибратора 15, через ТП 2 начинает протекать постоянный ток от источника 13 тока, который за счет эффекта Пельтье подогревает общий спай ТП 1 и ?. Результирующая температура спая возрастает до значения 8 = Й, + 60<, где 9, — температура перегрева спая относительно измеряемой температуры 8 . Температура перегрева ьЮ< определяется дополнительным количеством тепла, выделяемым в спае от эффекта Пельтье, теплоотдачей спая и в установившемся ссстоянии определяется выражением ь6

Ся где П вЂ” коэффициент Пельтье; h — теплопроводность спая;

С вЂ” коэффициент, учитывающий геометрические размеры спая и термоэлектродов.

В переходном режиме температура спая возрастает постепенно по экспо1229597 4 инерции ТП ключ 3 управляется напря жением мультивибратора 15 через одновибратор 16 с регулируемой задержкой.

Поэтому обе переменные составляйщие на выходе усилителя 7 имеют одинаковую форму за счет его иэбиратепьности, а их фазы устанавливаются со о сдвигом 180, т.е ° в противофазе (фиг. 2 Г и г ) .

Коэффициент передачи входной цепи дифференциального усилителя К,, при разомкнутом ключе 3 устанавливают близким (но не равным) единице К

= 0,95 — 0,99 (R «Кг,) °

15 2

Поэтому для компенсации переменной составляющей. термо-ЭДС от действия ключа 3 достаточны небольшие перегревы спая ТП 1, создаваемые током

I при замыкании ключа 14 (462= 0,01—

0,05 8 ).

При малых перегревах спая можно считать, что амплитуда переменной составляющей термо-ЭДС от действия ключа 3 пропорциональна только измеряемой температуре

Л (1- е" ) 68( и максимальная температура перегрева спая к моменту переключения мультивибратора становится равной

Ь8г = 2- 2"С

Т ТП

2С 2iС h а амплитуда переменной составляющей

30 от действия ключа 14 (фиг. 2б) .

Результирующая термо-ЭДС ТП 1 Е

Sg усиливается дифференциальным

z усилителем 5. Первая гармоника переменной составляющей напряжения от действия ключа 14 также выделяется и усиливается избирательным усилителем 7 (фиг. 2z).

В результате совместной работы ключей 3 и 14 термо — ЗДС ТП 1 подвергается модуляции как в результате пе40 риодических изменений сопротивления входной цепи дифференциального усилителя 5, так и. в результате перио-. дического подогрева спая термопары током источника 13. При этом возрастание термо-ЗДС спая от тока подогрева противоположно действию уменьшения коэффициента передачи входной цепи дифференциального усилителя.

Однако ввиду тепловой инерционности спая переменная составляющая термоЭДС от периодического нагрева спая о отстает по фазе примерно на 90 от переменной составляющей термо-ЗДС, вызываемой периодическими изменениями сопротивления входной цепи дифференциального усилителя.Для компенсации Фазовой задержки от тепловой

Т П S г .(,СЯ где Кг и К вЂ” коэффициенты усиления соответственно усилителей 6 и 7, 45 — — коэффициент первой

З гармоники разложения в ряд Фурье прямоугольноя огибающей.

Напряжение первой гармоники переменной составляющей с треугольной формой огибающей ненциальному закону в соответствии с выражением где t — время нагрева; тепловая постоянная времени, зависящая от массы и теплоемкости спая.

После размыкания ключа 14 температура спая начинает понижаться по аналогичному закону

-ф — 82 е где t — время охлаждения спая.

При симметричной работе мультивибратора 15 (t(= t ) и периоде переключения Т, много меньшем (в 10

100 раэ) постоянной времени спая

Т (t (= = — « ), процесс нагрева и охлаждения спая происходит по ли-2/ с нейным зависимостям (е 1 — ) (1 1 К +К (К2

Напряжение первой гармоники переменной составляющей с прямоугольной формой огибающей (фиг. 2g), выделенной и усиленной избирательным усилителем 7, э

4 4R г з (uR 2 з I

8 < „4KKK IПS ф 2 2 з 2 И2 СЯ У.

8 где †„ - коэффициент разложения в ряд Фурье.

При неполной компенсации противофазных напряжений U> и П разностное напряжение U (фиг. 2 n ) выпрямляетВ ся и сглаживается демодулятором 8, который синхронизируется выходным напряжением одновибратора 16, Постоянное напряжение П = К1(П вЂ” U ), где К вЂ” коэффициейт передачи демодулятора, заряжает интегратор 9, выходное напряжение которого уменьшает . сопротивление R< электрически управляемого резистора 10, например сопротивление перехода транзистора. С уменьшением R увеличивается ток I, протекакнций через ТП 2, увеличивая амплитуду компенсирующего напряжения

U< (фиг. 2 g,). Процесс регулирова- . ния сопротивления резистора 10 длится до тех пор, пока выходное напряжение демодулятора не станет,-равным нулю (U< О) и заряд интегратора 9 не прекратится. Из равенства амплитуд противофазных напряжений (U> =

U<) следует

4 R 4 TIIS — К,К,,S H,= —, К.,К, „ I ) откуда получаем

R тП

Падение напряжения от пульсирующего тока I на калиброванном резисторе 11 с сопротивлением К сглаживается конденсатором 12 и использу— ется в качестве выходного напряжения термоэлектрического преобразователя

Из полученного выражения вицно, что выходное напряжение U пропорционально измеряемой .температуре . 0, и не зависит от чувствительности.

S ТП, коэффициентов усиления К < и К усилителей 5 и 7 и коэффициента передачи К демодулятора 8.

Входящие в уравнение преобразования коэффициенты С,с, П, период коммутации Т и сопротивления резисторов R к и R являются постоянными, а теплопроводность спая при использовании термоэлектрического преобразователя для стабилизации температуры технологического объекта, т.е. при малых отклонениях температуры, также величина постоянная.

1О Формула изобретения

Устройство для измерения температуры,, содержащее два термоэлектрических преобразователя с соединенны15 ми рабочими спаями, первый ключ, вход которого соединен с первым выводом первого термоэлектрического преобразователя, второй ключ, выход которого соединен с первым выводом ис26 точника тока, мультивибратор и два резистора, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения путем уменьшения ошибки измерения, вызванной изменением чув25 ствительности термоэлектрического преобразователя и нестабильностью элементов устройства, в него введены одновибратор, третий резистор, .конденсатор, управляемый резистор и 1ц последовательно включенные дифференциальный усилитель, избирательный усилитель, демодулятор и интегратор, выход которого соединен с входом управляемого резистора, первый вывод которого соединен с вторым выводом источника тока, а второй вывод через первый резистор, зашунтированный конденсатором, подключен к первому выводу второго термоэлектрического преобразователя, второй вывод которого подключен к входу второго ключа, управляющий вход которого подключен к первому выходу мультивибратора, второй выход которого подключен через одновибратор к управляющим входам демодулятора и пер" вого ключа, выход которого через второй и третий резисторы соединены соответственно с выводами первого термоэлектрического преобразователя, при этом вход дифференциального усилителя соединен с выводами третьего резистора.

1229597

ФыГ

Составитель В.Куликов

Редактор В.Петраш Техред Н.Боикало Корректор С.Шекмар

Заказ 2444/41 Тираж 778 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4