Устройство для измерения разности температур

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИК А 1 С 01 К 7/00, 3/О НИЯ РЕ САН ЕПЬСТ ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИ(71) Львовский ордена Ленина политехнический институт им.Ленинскогокомсомола(56) 1. Авторское свидетельство СССР 463010, кл. С 01 К 7/02,С 0.1 К 7/16, 1972.2Авторское свидетельство СССРУ 909588, кл. С 01 К 7/16, 1980.3. Авторское свидетельство СССРУ. 1013771, кл. С 01 К 7/02, 1981(54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗЩРЕНИЯРАЗНОСТИ ТЕМПЕРАТУР, содержащее дватермопреобраэователя с нелинейнымихарактеристиками, первый сумматор,измеритель разности амплитуд напряжений, ключ, усилитель и генераторнапряжения прямоугольной формы, выходы которого соединены с управляющими входами ключа и измерителя раз ЯОИ 5587 ности амплитуд напряжений, о т л и -ч а ю щ е е с я тем, что, с цельюповышения точности измерения и линейности выходного сигнала, в неговведены два сумматора, источник напряжения, нормирующий усилитель иФункциональный преобразователь, входкоторого соединен с выходом второгосумматора, а выход подключен к входуизмерителя разности амплитуд напряжений, выход которого соединен с первым входом третьего сумматора, второй вход которого подключен к выходуусилителя, выполненного в виде усилителя постоянного тока, и черезключ подключен к первому входу вто- фрого сумматора, второй вход которого ррсоединен с выходом нормирукзцего уси- ЪЮ Флителя, а третий вход соединен с Свыходом источника Напряжения, приэтом входы первого сумматора подключены соответственно к выходу первого термопреобраэователя и выходу второго термопреобразователя, соединен- .айного с входом нормирующего усилителя. ЩИзобретение относится к измерительной технике и предназначено для точного измерения разности температур термоэлектрическими преобразователями цли термопреобразователями 5 сопротивления с нелинейной характеристикой преобразования.Известно устройство для измерения разности температур, содержащее два термоэлектрических преобразователя, термозавцсимую компенсирующую цепочку с термопреобраэователем сопротивления, резистор, включенный параллельно термоэлектрическим преобразователям и термопреобразователю сопротцвлецпя Г 1К 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 зовация, включающие запоминающие конденсаторы и управляющие ключи, усилители, демодуляторы, в котором для получения линейного выхода к реохорду подинючедд выход преобразователя суммы абсолютных значений температур в ток, содержащего два блока преобразования, компенсационный резистор, резистор обратной связи, усилитель и Фаэочувствительный выпрямитель д.23,40Недостатками устройства являются его низкое быстродействие из-за наличия механических реохордов, а также то, что оцо обеспечивает линеаризацйю характеристик термопреобразователей, имеющих только параболический характер нелинейности.Наиболее близким по технической сущности является устройство для измереши разности температур, содержа 50 щее два терддопреобразователя с нелинейньддддд характеристиками, первый сум - матор, Функции которого выполняет дифференциальный усилитель, измеритель разности амплитуд напряжений 55 деддодулятор), ключ, усилитель переменного напряжения, генератор напряжепия прямоугольпой Формы, в качестве которого используется мультивибратор, выходы которого соединены с управляющими входами ключа и измерителяразности амплитуд напряжений, а тактикелинеаризатор и ключи,В этом устройстве термопреобразователи подключены к входу сумматорачерез ключи, а выход сумматора черезлинеаризатор и усилитель переменноготока подключен к демодулятору 3,Недостатком устройства являетсято, что оно не может обеспечивать высокой точности измерения. и линейности выходного сигнала, так как погрешность линеаризатора, который трудно1выполнить с высокой степенью точности линеаризации, полностью входит в результат измерения.Целью изобретения является повышение точности изддерения 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 напрякений, 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 входом третьего сумматора, второй вход которого подклдючен 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 выхот 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 кЮ =А(4-х)+У(1- х) ф Ба=А("а х)+(й к)20 где 1 - температура свободных концов термоэлектрических преобразователей;У- Функция нелинейности термопреобразователей,25А - постоянный коэффициент.Если в качестве термопреобразователей используются термопреобразователи сопротивления, подключенные к стабильным источникам тока, то на З 0 вход сумматора 3 поступают напряжения, пропорциональные сопротивлениям термопреобразователейф П 1 =Ао+А 1 1+ф(И 1 ) ю У Ао+А2. + 1 ( ) ф(2) З 5 где Ао - сигнал, пропорциональный начальному сопротивлению термопреобразователя.На выходе сумматора 3 Формируется 40 сигнал Щ -Б), который поступает на вход усилителя 4, выходное напряжение которого равно ТУ 4=К 4 А( - )+Кд Се( )-(С, Э 3, (3) 4 где К 4 - коэффициент передачи усилителя 4.Из (2) следует, что выходной сигнал 04 состоит иэ линейной части К 4 А(с 4 -), пропорциональной измеря емой разности температур и нелинейной К 9(г 4)- 9 (с)1, которая вносит дополнительную неопределенную погрешность и которая в ряде случаев может значительно превышать величину линейной 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 следукщим образом,Если в качестве термопреобразователей используются термоэлектрические преобразователи, помещенные в среды с температурами й 4 и С, то их. 15 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 соотношением721 1) где Ч 7 (Ь) - функция преобразованияпреобразователя 7.При использовании термопар источник 12 представляет собой преобразователь температур 1 х 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 какЩ =115+П=КБ Аа+И)1(5)где К=К 1 - коэффициент передачиусилителя 5 и источника 12.Напряжение 11 поступает на вход функционального преобразователя 7, на выходе которого при этом появляется напряжение, равное(6)При замыкании ключа 11 напряжение ПЯ суммируется с выходным напряжением усилителя (2), вызывая появ- . ление на выходе преобразователя 7 сигнала"а =ПЕ+П 4который при К 4 =К будет пропорционален выходному сигналу термопреобразователя 1Ъ=Ка МЕ +9(е )1 (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 Ь и 1 Разность этих амплитуд преобразуется измери5 1155872телем 8 в пропорциональное выходноенапряжение 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 вычитания иэ линейно нарастающего напряжения монотонно нарастающего выходного напряжения диодного Функционального напряжения.Устройство реализовано для измерения разности температур ьй=(0- 130) С термопарами типа ПП в диапазоне изменения абсолютных значений температур =(0-1300) С, При погрешности преобразователя 7 =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 13 в виде симметричного мультивибратора с частотой 1,5 кГц, управлякщего бесконтактными ключами типа 190 КТ 2 П, входящих в состав ключа 11 и фазочувствительного выпрямителя измерителя разности амплитуд напряжешп 8.Применение устройства позволяет обеспечить точное измерение разности температур при широкодиапазонном изменении абсолютных температур с помощью термопреобразователей (термоэлектрических преобразователей сопротивления) с любой нелинейной характеристикой преобраз ования, получить линейную зависимость выходного напряжения устройства от измеряемой разности температур, использовать нелинейные датчики для измерения разности различных неэлектрических величин. д,н, =К К А(-й ) ВНИИПИ Заказ 3129/36 Тираж" 897 Подписное Филиал ППП "Патент", г. Ужород, ул.Проектная, 4 ц =К Щ, -Бу ) =К Г ф Щ ) + которое подается на вход выходного усилителя 10 и складывается с выходным сигналом усилителя 4.Выходное напряжение усилителя 10 будет равно при ЧО К 4 Ко С Л( -йг) +ф(й 1)-М( а)+ фт(Б )- 7При выполнении условия (3) это напр я же ние буде т ра вно и будет линейно зависеть только от разности измеряемых температур.В состав измерителя разности амп литуд напряжений входит фазочувствительный выпрямитель, управляемый генератором 13.Составляющая погрешности устройства о 1 н , определяемая погрешностью 25 функционального преобразователя 7 4 , определяется выражениемФоЗн = 2.т" 1 т(ф-)исакс 1 30где й- диапазон изменения абс олютных значений температур,ЬС - максимальное значений измеряемой разности напряжений,(Ц 1- раксимальное значение функИЩ 1Ззции нелинейности термопреобразователя по абсолютнойвеличине,Для большинства серийных датчиков 40величина И(Е),Дне превышает (1-7)%,Поэтому к точности функциональногопреобразователя 7 не предъявляютсявысокие требования,:Например, для термопары типа ПП и 4 ЗС.1300 С величина ИМ,=6,32%В этом случае, если выполнить преобразователь 7 с погрешностью 8 р ==0,5 ., то составляющая погрешностисогласно (11) для М;-130 С сос- Отавит Вн = 2 -- 0,5 0,0632 = 0,63 . 1300