Устройство для измерения разности температур

 

Использование: в измерительной технике, для измерения температуры с помощью термопар. Сущность изобретения: устройство для измерения разности температур выполнено в виде термоэлектрической цепи. Термоэлектрическая цепь содержит термопару или батарею термопар, гальванометр, а также дополнительную термопару или батарею термопар с большей ТЭДС. В разрыв дополнительной термопары или батареи термопар включены параллельно соединенные потенциометрические делители напряжения. Подвижные контакты их включены в разрыв цепи термопары или батареи термопар. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерению температуры с помощью термопар.

Многие задачи различных отраслей науки и техники: медицины, биологии и др. решаются путем определения минимальных значений разности температуры ΔT в различных точках.

Известны компенсационные устройства измерения ТЭДС термопары, определяющей разность температуры ΔТ в двух точках контролируемой среды, обеспечивающие высокую точность измерения ТЭДС термопары (и соответственно ΔТ), но требующие отдельного источника питания.

Известны автономные устройства, не требующие отдельного источника питания, для определения разности температуры в различных точках исследуемой среды, содержащие термопару, выходной сигнал ТЭДС которой определяется разностью температур их спаев, и измерительный прибор для отсчета разности температур.

Основное достоинство такой схемы - ее простота и автономность. Основной недостаток - низкая точность, затрудняющая сравнение разностей температур при их малых значениях (0,1-0,9^oC). Например, при использовании (для автономного устройства) простейшего гальванометра с r_r = 18 Ом; G_I = 4,5·10²⁷ А/дел и термопары ХК сопротивлением 4 Ом, разницу температур 0,7^oC практически не отличить от разницы 0,5^oC.

Изобретение решает задачу создания устройства повышенной точности определения разностей температур (особенно их малых значений 0,1-0,5^oC) в различных точках исследуемой среды (например, человеческого тела) при сохранении автономности устройства (отсутствие отдельного источника питания).

Задача решается тем, что в устройство, содержащее термопару (или батарею термопар) и гальванометр, включены дополнительная термопара (или батарея термопар), ТЭДС которой больше ТЭДС первой термопары (батареи термопар), и два параллельно соединенных и включенных в разрыв дополнительной термопары (батареи термопар) потенциометрических делителя напряжения, подвижные контакты которых включены в разрыв цепи первой термопары (батареи термопар).

На чертеже показано предлагаемое устройство, где T_i и T_k - температуры контролируемой среды (например, человеческого тела) в точках i и k (T_i и T_k - также обозначения соответствующих спаев термопар); 1 - основная термопара (или батарея основных термопар) для контроля разностей температур Δ T_ik = T_i-T_k; T₂ и T₄ - выбранные постоянные (на время измерения) температуры (например, одна из точек человеческого тела и комнатная температура); 2 - дополнительная термопара (или батарея дополнительных термопар); E_ik и E₂₄ - ТЭДС основной и дополнительной термопар (или батареи термопар), пропорциональных ΔT_ik и ΔT₂₄ = T₂-T₄ соответственно. При этом E₂₄ более чем в 10 раз больше E_ik (за счет более чем в 10 раз больше, чем , или за счет увеличения количества термопар в дополнительной батарее термопар); РА - нульгальванометр; Q - выключатель нульгальванометра; l₁, l₂ - концы термоэлектродов термопар, к которым подключаются медные соединительные провода; R_p1, R_p2 - потенциометрические делители напряжения, соединенные параллельно в точках c и g,
при этом R_p1 - основной, имеет шкалу (Ш), отградуированную в ^oC для определения ΔT_ik; R_p2 - дополнительный, для подрегулирования нулевого положения подвижного контакта b основного делителя напряжения R_p1 по шкале (Ш) (с помощью подвижного контакта d дополнительного делителя напряжения R_p2) при Δ T_ik=0; R_p3 - потенциометр для регулировки максимального положения подвижного контакта b при по шкале (Ш), отградуированной в ^oC.

Устройство после его подрегулировки и после установки рабочих спаев дополнительной термопары 2 при температурах T₂ и T₄, например при T₂ закреплением на руке испытателя, а при T₄ установкой в корпусе нульгаванометра PA при комнатной температуре работает следующим образом.

Один спай T_i основной термопары (или батареи термопар) устанавливают в точке i, а второй спай T_k - в точке k исследуемой среды (например, тела испытуемого), подвижный контакт b основного делителя напряжения перемещают до положения, при котором стрелка гальванометра PA не отклоняется при его включении, по шкале (Ш) основного делителя напряжения отсчитывают значение Δ T_ik.

Согласно чертежу ток J через нульгальванометр PA равен нулю при
,
где ;
;
;
R_ba - сопротивление между подвижным контактом b и общим концом a делителей напряжения R_p1 и R_p1;
К_da - сопротивление между подвижным контактом d и концом a;
R₂ - сопротивление термопары 2.

Так как
E_ik = K_E1(T_i-T_k)m₁,
E₂₄ = K_E2(T₂-T₄)m₂,
где
K_E1, K_E2 - известные постоянные величины (в рассматриваемых диапазонах температур);
m₁ - количество термопар в батарее термопар 1;
m₂ - количество термопар в батарее термопар 2,
то

где
X₀=X при Δ T_ik=0 (X₀-K₅).

Таким образом, Δ T_ik определяется величиной X, то есть положением подвижного контакта b по шкале (Ш) потенциометрического делителя напряжения R_p1.

Подрегулировкой R_p3 и потенциометрического делителя напряжения R_p2 (подвижным контактом d) обеспечивается совмещение ( Δ T_ik)_макс с положением X=X_m и Δ T_ik=0 с положением X=X₀. При этом не требуется точное определение Δ T₂₄, так как Δ T₂₄>> Δ T_ik.

Например: T₂ = 36,6±0,3^oC (точка тела испытателя), T₄ = 20±1^oC (комнатная температура), Δ T_ik ± 0,5^oC (тело испытуемого).

В этом случае даже при неточном знании величины Δ T₂₄ в пределах ±1,3^oC величины Δ T_ik определяется с точностью менее 0,05^oC. При этом и эта погрешность не отражается на точность определения различий между различными Δ T_ik (в различных точках i и k).

Следовательно, предлагаемая схема решает задачу создания устройства повышенной точности для определения разности температур (особенно при их малых значений, например 0,1-0,5^oC), с эффективностью, достигаемой компенсационными схемами, но при сохранении преимущества автономности простейших термоэлектрических схем (исключается потребность в постороннем источнике питания). Сравнительный анализ с прототипом показывает, что предлагаемое устройство для определения разности температуры отличается наличием новых элементов (дополнительной термопары или батареи дополнительных термопар с шунтирующими ее параллельно соединенными делителями напряжения, один из которых имеет шкалу, отградуированную в ^oC, по которой перемещением подвижного контакта делителя напряжения определяется разность температуры), их новыми связями с отдельными элементами схемы.

Таким образом, предлагаемое устройство соответствует критерию изобретения "новизна".

Предлагаемое устройство имеет решение не очевидное для специалистов, имеет новые свойства, которые приводят к повышению точности измерения разности температуры при сохранении автономности системы, к созданию автономных компенсационных систем (к компенсационному методу измерения без постороннего источника питания).

Формула изобретения

Устройство для измерения разности температур, содержащее термоэлектрическую цепь из термопары и гальванометра, отличающееся тем, что в него включены дополнительная термопара или батарея термопар, ТЭДС которой превышает ТЭДС термопары или другой батареи термопар, и параллельно соединенные и включенные в разрыв дополнительной термопары или батареи термопар потенциометрические делители напряжения, подвижные контакты которых включены в разрыв цепи термопары или батареи термопар.

РИСУНКИ

Рисунок 1