Устройство для измерения температуры

(19) (И) 01 К 7/О ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ СТВ ТОРСНОМ 1) 3814425/24-102) 19. 11. 846) 07.05.86, Бюл. Яф1) Львовский орденахнический институтмсомола еисенина поли- Ленинского е свидетельство СССР С 01 К 7/02, 1972. свидетельство СССР С 01 К 7/02, 1982.(56) Авторск У 508684, клАвторское В 1062534, к м и ГОСУДАРСТВ-.ННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПРАТУРЫ(57) Изобретение относится к темратурным измерениям и может бытьпольэовано для высокоточного измрения температуры в АСУ технологческими процессами. Цель изобретния - повьппение точности измеренУстройство содержит термоэлектрические преобразователи (ТП) 1 ис соединенными рабочими спаями,ключ 3, эашунтированный резистор4, дифференциальный усилитель 5резистором 6 во входной цепи, изрательный усилитель 7 демодулятор8, интегратор 9, выход которого подключен к управляющему входу электрически регулируемого резистора 10,калиброванный резистор 11, зашунтированный конденсатором 12, источникпостоянного тока 13, ключ 14, муль 229597тивибратор 15 и одновиоратор 16,Введение новых элементов и образование новых связей между элементамиустройства позволяет уменьшить ошибку измерения вызванную изменениемчувствительности 1 и 2 и нестабильностью элементов устройства. 2 ил.Изобретение относится к температурным измерениям, а именно к .устройствам для измерения температурыс помощью термоэлектрических преоб-разователей, и может быть использовано для высокоточного измерениятемпературы в автоматизированных системах управления технологическимипроцессами.Цель изобретения - повышение точности измерения путем уменьшенияошибки измерения, вызванной изменением чувствительности термоэлектрического преобразователя и нестабильностью элементов устройства. 15На фиг. 1 представлена структурная схема устройства; на фиг. 2эпюры изменений температуры и электрических напряжений.Устройство содержит термоэлектрические преобразователи 1 и 2 с соединенными рабочими спаями, первыйключ Ззашунтированный резистором 4,дифференциальный усилитель 5 с резистором 6 во входной цепи, избирательный усилитель 7, демодулятор 8, интегратор 9 выход которого подключенк управляющему входу электрически регулируемого резистора 10, калиброванный резистор 11, зашунтированный зОконденсатором 12, источник 13 постоянного тока, второй ключ 14, мультивибратор 15 и одновибратор 16,Устройство работает следующимобразом,35Рабочие спаи термоэлектрических преобразователей (ТП) 1 и 2 соединены стационарно-механически, например, сваркой и помещены в зону измеряемой температуры 3Термо-ЭДС Е,= 89,где Б - чувствительность ТП 1, через периодически раэмыкаемый ключ 3, шунтированный резистором 4 сопротивлением К,поступает на вход дифференциального усилителя 5, входное сопротивление которого задается резистором 6 сопротивлением К. 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 Р входной цепи дифференциального усилителя. (фиг. 2 а) возникает переменная составляющая в усиленном напряжении, первая гармоника которой выделяется и усиливается избирательным усилителем 7 (фиг, 2 б).При замыкании ключа 14, управлявемом непосредственно напряжением мультивибратора 15, через ТП 2 начинает протекать постоянный ток 1 от источника 13 тока, который за счет эффекта Пельтье подогревает общий спай ТП 1 и 2. Результирующая температура спая возрастает до значения 8 = Й + 60, где 6, - температура перегрева спая относительно измеряемой температуры 6, . Температура перегрева ьР определяется дополнительным количеством тепла, выделяемым в спае от эффекта Пельтье, теплоотдачей спая и в установившемся ссстоянии определяется выражениемЬ 5 = .1Са где П - коэффициент Пельтье;Э - теплопроводность спая;С - коэффициент, учитывающий геометрические размеры спая итермоэлектродов.В переходном режиме температура спая возрастает постепенно по экспо1229597 4инерции ТП ключ 3 управляется напряжением мультивибратора 15 через одновибратор 16 с регулируемой задержкой.Поэтому обе переменные составляйщиена выходе усилителя 7 имеют одинаковую форму за счет его иэбиратепьности, а их фазы устанавливаются соосдвигом 180, т.е. в противофазе(фиг. 2 Г и 2 ).Коэффициент передачи входной цепидифференциального усилителя К приразомкнутом ключе 3 устанавливаютблизким (но не равным) единице К(= 0,95 - 0,99 (К К,)15 г+Поэтому для компенсации переменнойсоставляющей. термо-ЭДС от действияключа 3 достаточны небольшие перегревы спая ТП 1, создаваемые током1 при замыкании ключа 14 (46 г= 0,01 -0,05 В ).При малых перегревах спая можносчитать, что амплитуда переменнойсоставляющей термо-ЭДС от действияключа 3 пропорциональна только измеряемоч температуре Ли максимальная температура перегрева спая к моменту переключения мультивибратора становится равной 2 2-Т ТП 2 С 2 С а амплитуда переменной составляющейЭО от действия ключа 14(фиг. 26).Результирующая термо-ЭДС ТП 1 Е7Я усиливается дифференциальнымгусилителем 5. Первая гармоника переменной составляющей напряжения от действия ключа 14 также выделяется и усиливается избирательным усилителем 7 (фиг, 2 г).В результате совместной работы ключей 3 и 14 термо-ЗЯС ТП 1 подвергается модуляции как в результате пе 40 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 термо- ЭДС от периодического нагрева спаяо 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 Напряжение первой гармоники пеЗ 5 ременной составляющей с прямоугольной формой огибающей (фиг. 2 а), выделенной и усиленной избирательнымусилителем 7,где К 7 и К - коэффициенты усилениясоответственно усилителей 6 и 7,45 -- коэффициент первой(гармоники разложения вряд Фурье прямоугольнояогибающей,Напряжение первой гармоники переменной составляющей с треугольнойформой огибающей ненциальному закону в соответствиис выражением где 1 - время нагрева;- тепловая постоянная времени, зависящая от массы и теплоемкости спая.После размыкания ключа 14 температура спая начинает понижаться по аналогичному закону-СгВг = Вг еф где С - время охлаждения спая.гПри симметричной работе мультивибратора 15 ( =) и периоде переключения Т, много меньшем (в 10 100 раэ) постоянной времени спая Т(С= С = -. ), процесс нагрева и охлаждения спая происходит по линейным зависимостям (е - 1 - )(К +КгКг У = х- К К И = - , К К ЯО 4 4 К вгз цк гз (ф 84 ккаг и Я=е г з г г С8где в- коэффициент разложения вряд Фурье.При неполной компенсации противофазных напряжений Пэ и П разностноенапряжение П (фиг. 2 д ) выпрямляет 5ся и сглаживается демодулятором 8, который синхронизируется выходным напряжением одновибратора 1 б, Постоянное напряжение П = КЯ э - 111), где К - коэффициейт передачи демодулятора, заряжает интегратор 9, выходное напряжение которого уменьшает . сопротивление К электрически управляемого резистора 10, например сопротивление перехода транзистора. С уменьшением К увеличивается ток 1, протекающий через ТП 2, увеличивая амплитуду компенсирующего напряжения(фиг. 2 а ). Процесс регулирования сопротивления резистора 10 длится до тех пор, пока выходное напряжение демодулятора не станет, равным нулю (06 О) и заряд интегратора 9 не прекратится. Из равенства амплитуд противофазных напряжений (Бз =П) следует4 К 4 ТП 8- К К,БВ,= - ,КК.1,откуда получаемВ. ТППадение напряжения от пульсирующего тока 1 на калиброванном резисторе 11 с сопротивлением Ксглаживается конденсатором 12 и используется в качестве выходного напряжения термоэлектрического преобразо" вателя1 Ц КК СВ 2 К, 2 ТП Из полученного выражения вицно, что выходное напряжение П пропорционально измеряемой .температуре . 0, и не зависит От чувствительности. Я ТП, коэффициентов усиления Ки Кэ усилителей 5 и 7 и коэффициента передачи К 1 демодулятора 8.Входящие в уравнение преобразования коэффициенты С П, период коммутации Т и сопротивления реэисТОРОВ К ф К и К ЯВлЯютсЯ Посто янными, а теплопроводность спая Ъ при использовании термоэлектрическогопреобразователя для стабилизации температуры технологического объекта, т.е. при малых отклонениях температуры, также величина пастоянная,1 О Формула изобретения Устройство для измерения температуры содержащее два термоэлектрических преобразователя с соединенны ми рабочими спаями, первый ключ, входкоторого соединен с первым выводом первого термоэлектрического преобразователя, второй ключ, выход которого соединен с первым выводом ис О точника тока, мультивибратор и дварезистора, 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 чув ствительности термоэлектрическогопреобразователя и нестабильностью элементов устройства, в него введены одновибратор, третий резистор, конденсатор, управляемый резистор и З 11 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 ректор С.Шекма 778 твенного Подписноета СССРытийнаб д. 4 каз ретении и о -35, Раушск Производственно-полиграфическое предприяти Составитель В.Куликедактор В.Петраш Техред Н.Бонкало 44/41 ТираВНИИПИ Госудапо делам из 113035, .Москва,Ужгород, ул. Проектная, 4