Устройство для измерения криогенных температур

Авторы патента:


Устройство для измерения криогенных температур
Устройство для измерения криогенных температур

 


Владельцы патента RU 2602400:

Каплан Борис Юхимович (RU)

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для криогенных температур. Предложено устройство для измерения криогенных температур, содержащее термометр сопротивления, образцовый резистор и источник тока, подключенный к токовому входу термометра сопротивления. Источник тока выполняется регулируемым в виде операционного усилителя, к прямому входу которого подключен один выход источника образцового напряжения, а к инверсному - потенциальный выход термометра сопротивления. Второй потенциальный выход термометра через повторитель соединен со вторым выходом источника образцового напряжения, а токовый выход термометра сопротивления подключен к образцовому резистору и место его подключения является выходом устройства. Технический результат - повышение точности измерения криогенных температур и упрощение схемы устройства. 1 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике, а конкретнее к измерениям криогенных температур.

Особенностью измерений температур в области жидкого водорода и других низкокипящих жидкостей (гелий, азот, кислород и т.д.) является малое абсолютное сопротивление чувствительного элемента термометра сопротивления и малая крутизна преобразования выходного параметра. Например, сопротивление платинового термометра сопротивления с сопротивлением 100 Ом при 273,15 К имеет значение 0,406 Ом при 13,15 К и 0,745 Ом при 20,15 К [1, стр. 184]. При столь малых изменениях сопротивления термометра результаты измерений в очень большой мере зависят от влияющих факторов (сопротивления подводящих проводов, их изменения под действием температуры, сопротивления переходных контактов, паразитных термоэдс, наводок и шумов). Указанные факторы не позволяют реализовать измерение криогенных температур с малой погрешностью, что особенно важно при измерении параметров ракетных двигателей с криогенными компонентами топлива (например, жидкий водород - жидкий кислород).

Известно устройство для измерения температуры [2], содержащее термометр сопротивления, источник тока, генератор прямоугольных импульсов, ключи, два образцовых резистора, операционные усилители, фильтр нижних частот. В известном устройстве парируется дрейф усилителей, что несколько снижает погрешность преобразования температуры в электрический сигнал, но не устраняет воздействия влияющих факторов, указанных выше.

Наиболее близким по технической сущности является решение, предложенное в устройстве для измерения температуры [3]. В указанном устройстве [3], содержащем термометр сопротивления, к которому через мультиплексор подключены источник тока с двумя токоустанавливающими сопротивлениями и аналого-цифровой преобразователь, два образцовых сопротивления, процессор и группу ключей, подключающих по командам процессора те или иные образцовые сопротивления к мультиплексору и токоустанавливающие сопротивления к источнику тока. Снижение погрешности преобразования низких (криогенных) температур достигается в устройстве за счет задания в процессоре уровня напряжения, с которым сравнивается текущий сигнал с термометра сопротивления. Если сигнал оказывается ниже заданного уровня, по команде процессора срабатывают ключи и с генератора тока на питание термометра подается ток, как минимум в 10 раз больший предыдущего режима. Большой ток при малых сопротивлениях термометра увеличивает его выходное напряжение, тем самым улучшая соотношение между полезным сигналом и паразитными термоэдс, шумами и помехами, что, в конечном итоге, ведет к снижению погрешности измерения криогенных температур.

Однако предложенное решение, исключая одни составляющие погрешности, ведет к росту других, а именно:

- десятикратный (и более) рост тока в цепи термометра сопротивления ведет к десятикратному росту падения напряжения на подводящих цепях, сопротивление которых точно не известно, но сопоставимо с сопротивлением термометра при криогенных температурах; в рассматриваемом устройстве не представляется возможным оценить, какая часть напряжения определяется сопротивлением термометра, а какая подводящими цепями (сопротивлением мультиплексора, подводящих проводов, переходными контактами);

- большой ток в цепи термометра сопротивления при очень малых значениях сопротивления чувствительного элемента, например, при 0,5 Ом, может быть вполне приемлем, но с ростом сопротивления, например, при 1 Ом, джоулево тепло приведет к недопустимому разогреву чувствительного элемента и росту систематической погрешности измерений.

Кроме того, устройство сложно с точки зрения количества электронных компонентов и программирования. Остановимся на последнем, неочевидном, недостатке.

Дело в том, что после переключения устройства на увеличенный ток питания термометра сопротивления его выходное напряжение скачком превысит порог переключения и процессор должен дать команду на возврат к малому току питания. После этого напряжение с термометра упадет ниже порога переключения и процессор вновь даст команду на увеличение тока питания термометра. Возникает релаксационный автоколебательный процесс, не позволяющий получить достоверные результаты измерений. Чтобы исключить указанный режим, необходимо задать второй порог (порог возврата к малому току), до достижения которого термометр будет греться джоулевым теплом большого тока, что, как было указано выше, ведет к большой систематической погрешности измерений температуры.

Целью изобретения является повышение точности измерения криогенных температур и упрощение схемы устройства. Поставленная цель достигается в устройстве для измерения криогенных температур, содержащем термометр сопротивления, образцовый резистор и источник тока, подключенный к токовому входу термометра сопротивления тем, что источник тока выполняется регулируемым в виде операционного усилителя, к прямому входу которого подключен один выход источника образцового напряжения, а к инверсному - потенциальный выход термометра сопротивления; второй потенциальный выход термометра через повторитель соединен со вторым выходом источника образцового напряжения; токовый выход термометра сопротивления подключен к образцовому резистору и место его подключения является выходом устройства.

На фигуре представлена схема предлагаемого устройства, на которой условно не показаны цепи питания операционных усилителей и источника образцового напряжения.

Согласно схеме источник образцового напряжения (например, микросхема AD780 BNZ с резистивным делителем напряжения на выходе) 1 подключен к неинвертирующему входу операционного усилителя 2, выход которого соединен с токовым входом термометра сопротивления 3. Потенциальный выход термометра сопротивления 3 подключен к инвертирующему входу усилителя 2. Токовый выход термометра сопротивления подключен к образцовому сопротивлению 4, падение напряжения на котором является выходным сигналом схемы. Второй потенциальный выход термометра сопротивления 3 через повторитель 5 на базе операционного усилителя подключен к общей точке источника образцового напряжения 1. Все электронные элементы смонтированы в электронном узле, обозначенном на схеме пунктирными линиями, а места подключения соединительных проводов к электронному узлу и термометру сопротивления 3 обозначены кружками.

Схема работает следующим образом. Источник образцового напряжения 1 задает на неинвертирующем входе усилителя 2 постоянное образцовое напряжение U0. Указанное напряжение создает на выходе усилителя 2 ток Id, протекающий через сопротивление термометра 3 и образцовое сопротивление 4. В каждый момент времени величина тока Id имеет такое значение, что падение напряжения на сопротивлении термометра 3 точно равно образцовому напряжению U0. Следовательно, зависимость между величиной тока Id и текущим значением сопротивления термометра Rd, функционально связанным с измеряемой температурой, равна:

Поскольку числитель правой части выражения является постоянной величиной, то получается однозначная зависимость тока через сопротивление термометра Id и величиной сопротивления Rd.. При этом выходной ток тем больше, чем меньше сопротивление термометра, другими словами, в области криогенных температур, когда сопротивление термометра Rd мало, выходной сигнал преобразователя сопротивления в ток максимален.

Ток Id, протекая через образцовое сопротивление 4, создает на нем падение напряжения UВЫХ, являющееся выходным сигналом устройства. Если номинальное значение образцового сопротивления равно R0, то выходной сигнал устройства, с учетом выражения (1), равен:

Выражение (2) точно описывает выходной сигнал устройства только в том случае, когда образцовое напряжение U0 сравнивается только с падением напряжения на сопротивлении термометра Rd, исключая падение напряжения на образцовом сопротивлении 4 и сопротивлении провода, соединяющего токовый выход термометра 3 с образцовым сопротивлением 4. Для реализации указанного требования второй потенциальный выход термометра сопротивления через повторитель 5 подключен к общему выходу источника опорного напряжения 1, создавая на неинвертирующем входе операционного усилителя 1 образцовое напряжение U0 не относительно общей шины устройства, а относительно второго потенциального выхода термометра 3.

Как видно из выражения (2), выходной сигнал устройства обратно пропорционален сопротивлению термометра и при криогенных температурах выходной сигнал имеет максимальное значение и чувствительность преобразования. Для примера предположим, что измеряются криогенные температуры платиновым термометром сопротивления с сопротивлением 100 Ом при 273,15 К. Зададим образцовое напряжение U0 равным 40 мВ и образцовое сопротивление R0 равным 50 Ом. При температуре термометра 13,15 К сопротивление Rd=0,4 Ом, и согласно выражению (2) выходной сигнал схемы равен

UВЫХ 1=40·10-3·50/0,4=5 В.

При температуре 20,15 К Rd=0,745 Ом и

UВЫХ 2=40·10-3·50/0,745=2,68 В.

Таким образом, предлагаемое устройство для измерения криогенных температур обеспечивает большой выходной сигнал при низких температурах, существенно улучшая отношение сигнала к помехам, шумам и паразитным термоэдс, снижая тем самым погрешность измерения температур. Все устройство может быть реализовано на двух микросхемах (источник образцового напряжения AD780 BNZ и два операционных усилителя в одном корпусе, например, AD8532AR) и нескольких образцовых резисторах, что существенно проще схемы прототипа.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Геращенко О.А., Гордов А.Н., Лах В.И. и др. Температурные измерения. Справочник. Киев: «Наукова думка», 1984, 496 с.

2. Устройство для измерения температуры. Патент РФ №2492436, МПК G01K 7/16.

3. Устройство для измерения температуры. Патент РФ №2253846, МПК G01K 7/16.

Устройство для измерения криогенных температур, содержащее термометр сопротивления, образцовый резистор и источник тока, подключенный к токовому входу термометра сопротивления, отличающееся тем, что источником тока является операционный усилитель, к прямому входу которого подключен один выход источника образцового напряжения, к инверсному - потенциальный выход термометра сопротивления, второй потенциальный выход термометра через повторитель соединен со вторым выходом источника образцового напряжения, а токовый выход термометра сопротивления подключен к образцовому сопротивлению и место подключения является выходом устройства.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области измерительной техники и может найти применение в многоканальных устройствах для измерения температур с помощью термопреобразователей сопротивления.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения температуры контактными резисторными датчиками в окружающей среде и в технологических процессах. Техническим результатом изобретения является повышение точности за счет уменьшения динамической погрешности измерения, обусловленной тепловой инерцией датчика, снижения случайной и систематической погрешностей вторичного измерительного преобразователя схемно-алгоритмическим способом. Измеритель выполнен в составе измерительного моста 1, блока преобразования и обработки 2 и источника питания 3.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для определения неисправности датчика температуры, используемого в устройстве формирования изображения.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системе терморегулирования и телеметрии космических аппаратов (КА). Многоканальное устройство для измерения температуры содержит термометры сопротивления (ТС), задающие резисторы (ЗР), общая точка которых соединена с общей шиной, генератор стабильного тока (ГСТ), один из выводов которого подключен к общей шине, три усилителя, соединенные последовательно, схему управления (СУ), восемь многопозиционных однополюсных электронных переключателей (МОЭП).

Изобретение относится к области термометрии и может быть использовано для измерений температуры тела. Датчик температуры изготавливается из нескольких слоев, где первый слой имеет центральный нагревательный элемент, встроенный в него.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для измерения температуры объекта. Заявлен резистивный датчик (10) температуры с первым элементом (6) датчика температуры и вторым элементом (7) датчика температуры.
Область применения: системы измерительной техники. Сущность изобретения: предлагаются варианты изготовления серии чувствительных элементов из участков моноспирали или прямого термочувствительного провода с заданными параметрами сопротивления, осуществляют подгонку параметра пробной группы из партии готовых чувствительных элементов к номинальному значению, а затем в выбранном режиме осуществляют подгонку всей партии.

Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано в приборостроении, в технологии изготовления пленочных термометров сопротивления с температурным коэффициентом сопротивления платины.

Изобретение относиться к термометрии и может быть использовано при измерении быстроменяющихся температур с централизованной обработкой информации на микропроцессорной технике.
Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для анализа жидких и газообразных сред. Заявлен способ изготовления термопреобразователя сопротивления, согласно которому после герметизации стеклянного чехла с установленным внутри термочувствительным элементом кассету повторно приближают к нагревателю и после заданной выдержки по времени, обеспечивающей размягчение стекла, удаляют кассету в исходное положение, а в вакуумную камеру подают воздух.
Наверх