Устройство для измерения температурных полей

(и)898266 Союз СоветскикСоциалистическикРеспублик ОП ИСАНИЕИЗОБРЕТЕН ИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(23) П рноритет(51)М. Кл. О 01 К 7/20 1 веударстееииый комитет СССР до делан изобретений и открытийДата опубликования описания 15.0 1.82 В.Н,Лапенко, А.И.Берпев н И.К.ГерасйЪ" Московский институт электро ой техники(511) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ1 о 15 1Изобретение относится к измеритель. ной технике и может быть использовано для измерения распределения и измене-, ния температуры в различных средах, например в грунте, при исследованиях тепловых процессов в вечной мерзлоте. Известны устройства для измерения температуры, принцип действия которых основан на измерении изменения сопротивления чистых металлов при изменении температуры и в которых наиболее широкое использование получили платиновые термометры 11). Эти устройства обладают широким диапазоном рабочих температур, хоро-. шей линейностью, но весьма дорогие.Известны устройства для измерения температуры, в которых используется зависимость температурного потенциала 1 р - и-перехода от температутры. Так, в датчике температуры 1.Х 5700 фирмы йай 1 опа 1 зещ 1 сопдосйог (США ) измеряется разность напряжений ЬО база-эмиттер двух согласованных транзисторов, работающих при разных токах коллектора ЗК и ДК 2,Для двух идеально согласованных транзисторов, имеющих одинаковые температуры переходов, можно запи- сать ДК,(8где К - постоянная БольцманаТ - абсолютная температура;о " заряд электрона.Из приведенной зависимости видно, что напряжение линейно связано с температурой р - и -перехода Й ) .,Однако изготовить идеально согласо. ванные транзисторы невозможно. Кроме того, изменение параметров двух диодов и транзисторов в результате старения даже расположенных на од898266 ном кристалле, происходит различно,что является другим фактором, ограничивающим точность этих: устройств.Именно этим можно объяснить большуюдолговременную погрешность + 3,8 Сэа 30 дней. Наличие теплового сопротивления между р - и -переходамитакже увеличивает погрешность измерения. И,наконец, смещение нуляи температурный дрейф последующих 10усилителей также снижает точностьизмерения.Наиболее близким по техническойсущности и достигаемому результатук изобретению является устройство 15для измерения температуры, содержащее источник опорного напряжения,Масштабный резистор, соединяющийисточник опорного напряжения с диодом, и усилитель постоянного тока, ррподключенный к диоду, к выходу которого подключен индикатор 13 1,К недостаткам предлагаемого изобретения следует отнести разброс коэффициентов пропорциональности между Итемпературой и напряжением, снижениеточности из-за смещения нуля и дрейфа нуля усилителя. Кроме того, этоустройство может работать только содним диодом, так как при замене ЗОдиода необходима настройка, иначевозникнут весьма существенные ошибки из -за большого разброса начальныхтоков и объемных сопротивлений диодов. 35Целью изобретения является повышение точности измерения температуры. Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения температурных, полей, содержащее индикатор, блок диодов, выходы которого подключены к коммутатору, связанному со входами предусилителя, введены распределитель импульсов, упраа 45 ляемый преобразователь напряжениеток, избирательный усилитель, фазочувствительный выпрямитель, вычислительный блок и компенсатор, причем выходы распределителя импульсов связаны со входами вычислительного блока, компенсатора, с управляющим вхоФдом фазочувствительного выпрямителя и со входами преобразователя напряжение-ток, выходы последнего соеди.нены со входами предусилителя, выход которого подключен к первому вхо" ду избирательного усилителя, к выхо.ду которого подключен вход фазочувст -вительного выпрямителя, связанного выходом со входом вычислительного блока, к выходам которого подключены вход индикатора и вход компенсатора, который выходом связан со вторым входом избирательного усилителя.Кроме того, вычислительный блок содержит первый и второй коммутаторы, первый и второй интеграторы и вычитающий блок, причем выходы первого коммутатора соединены со входами первого и второго интеграторов, выходы которых подключены ко входам вычитающего блока и входам второго коммутатора.Распределитель импульсов содержит генератор, источник опорного напрев жения, первый, второй и третий масштабные резисторы, ключ и усилитель, причем выход источника опорного напряжения соединен с первым и вторым масштабными резисторами, при этом второй конец одного из резисторов соединен с входом усилителя непосредственно а другого резистора - через ключ, управляющий вход которого подключен к генератору, а третий масштабный резистор включен в цепи отрицательной обратной связи усилителяНа чертеже приведена функциональная схема устройства для измерения температурных полей,Устройство для измерения температурных полей содержит блок диодов 1 коммутатор диодов 2, управляемый преобразователь напряжение -ток 3, предусилитель 4, избирательный усилитель 5 фазочувствительный выпрямитель 6, вычислительный блок 7, компен сатор 8, индикатор 9, распределитель импульсов 10. Выходы блока диодов 1 соединены со входами коммутатора диодов 2, который выходами связан с выходами преобразователя напряжение-ток 3 и со входами предусилителя 4, последний выходом подключен к первому входу избирательйого усилителя 5 к выходу которого подключен сигнальный вход фазочувствительного выпрямителя 6, связанного выходом со входом вычислительного блока, ко - торый выходами соединен со входом индикатора и со входом компенсатора 8, выход последнего подключен ко второму входу избирательного усилителя 5.Выходы распределителя импульсов 10 связаны со входами фазочувствительного выпрямителя 6, компенсатора 8,66 5 8982вычислительного блока 7, управляемо-го преобразователя 3 напряжение"ток.Вычислительный блок 7 содержитпервый коммутатор 11, выходами соединенный со входами первого 12 и второ- зго .13 интеграторов, выходы которыхподключены ко входам второго коммутатора 14 и ко входам вычитающегоблока 15.Распределитель импульсов 10 со Одержит генератор 16 источник опорного напряжения 17, к выходу которогоподключены обьединенные концы первого и второго масштабных резисторов 18и 19, последний вторым концом связан исо входом ключа 20, выход которогосоединен со входом первого усилителя 21, в цепи отрицательной обратнойсвязи которого установлен третиймасштабный резистор. 20Компенсатор 8 содержит четвертый,пятый и шестой масштабные резисторы 23 - 25, второй и третий усилители 26 и 27, первый и второй полевыетранзисторы 28 и 29 и конденсатор 30.25Устройство для измерения температурных полей работает следующимобразом,Опорное напряжение О пс источникаопопорного напряжения 17 поступает навход первого усилителя 21 через первый масштабный резистор 18,и, черезпоследовательно соединенные второймасштабный резистор 19 и ключ 20.На управляющий вход ключа 20 поступает с выхода генератора 16, модулирующий сигнал Ос с частотой 1, На выходе усилителя 21 образуется пульсирую"щее напряжение с частотой Гкотороепоступает на вход управляемого преобразователя 3 напряжение-ток. Крутизнапреобразователя 3 зависит от сигналана управляющем входе, на который свыхода генератора 16 поступает модулирующий сигнал Ос в виде меандра счастотой 1 которая много меньшечастоты 11, Таким образом, преобразователь 3 попеременно принимает двазначения крутизны преобразования ина выходе преобразователя формируется пульсирующий ток, у которого отношение максимального тока к минимальному, изменяемого с частотой Гпостоянно, а среднее значение изменяетсяс частотой Г, . С помощью коммутатораИдиодов 2, управляемого извне или по программе, осуществляется подключениетребуемого диода к выходам преобразователя напряжение-ток 3, выходной ток которого проходя через диод, вызывает соответствующее падение на р - и- переходе диода, Переменная составляющая усиливается предусилителем 4, с выхода которого поступает на первый вход избирательного усилителя 5, на второй вход которого подается напря-, жение с выхода компенсатора 8, находящееся в противофазе и разность между ними усиливается избирательным усилителем 5, выходной сигнал которого детектируется фазочувствительным выпрямителем 6. В зависимости от того какая величина больше (сигнал с предусилителя 4 или с выхода компенсатора 8) полярность сигнала на выходе фазоцувствительного выпрямителя меняется, который проходит через первый кеммутатор 11 на вход первого или второго интегратора 12 и 13, в зависимости от величины управляющего сигнала О , вызывает уменьшение илисаувеличение напряжения на выходе интегратора, Выходное напряжение интегратора через 2-й коммутатор 14, переключаемый синхронно с первым коммутатором, поступает на вход второго усилителя 26, вызывая соответствующее изменение коэффициента переда" чи компенсатора, что уменьшает разностный сигнал, усиливаемый избирательным усилителем 5. Этот процесс идет до тех пор, пока разностный сигнал не станет равным нулю, т.е. пока не сравняются напряжения на первом и втором входах избирательного усилителя. При изменении значения управляющего сигнала Ос происходит изменение крутизны преобразователя 7 напряжение-ток 3 и к выходу фазочувствительного выпрямителя подключается вход другого интегратора, выход которого соединяется вторым коммутатором 14 со входом второго усилителя 26, а другой интегратор переходит в ренам хранения, и процесс измерения повторяется с частотой Г . Напряжения с выходов интеграторов 12 и 13 поступают на входы выцитающего блока 15, где определяется разность между напряжением на выходе первого интегратора 12 и промасштабированным напряжением второго интегратора 13 а полученная разность поступает на индикатор 9. В качестве индикатора может быть использован вольметр или аналогоцифровой преобразователь с индикацией.На выходе первого усилителя напряжение О, принимает два занчения О х66 10импульсов, управляемый преобразователь напряжение-ток, выходы последнего соединены со входами предусилителя, выход которого подключен к первому входу избирательного усилителя, к выходу которого подключен вход фазочувствительного выпрямителя, связанного выходок со входои вычислительного блока, к выходам которого подключены вход индикатора и вход компенса 8982 ге . К ки- -- И-к )ЕиКс к 4К Оп КК 5)К-К )4%Как видно из выражения (14) выходное напряжение О , линейно связано с температурой р - и-перехода и не зависит от объемного сопротивления диода и от начального тока диода. Если 1 О необходимо получить большую разрешающую способность при измерении небольших колебаний температуры около среднего значения температуры Тс то изменяя коэффициент К путем замены 5 пятого масштабного резистора, установливают нулевую точку отсчета на среднее значениеПри этом должно выполняться следующее условие тора, который выходом связан со вторым входом избирательного усилителя.2. Устройство по п.1, о т л и ч аю щ е е с я тем, что вычислительныйблок содержит первый и второй коииутаторы, первый и второй интеграторыи вычитающий блок, причем выходыпервого коммутатора соединены совходами первого и второго интеграторов, выходы которых подключены повходам вычитающего блока и входамвторого коммутатора,3. Устройство по и. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что распределитель импульсов содержит генератор,источник опорного напряжения, первый,второй и третий масштабные резисторы, ключ и усилитель, причеи выходисточника опорного напряжения соединен с первым и вторым масштабнымирезисторами, при этом второй конецодного из резисторов соединен с входом усилителя непосредственно, а другого резистора - через ключ, управляющий вход которого подключен к генератору, а третий масштабный резисторвключен в цепи отрицательной обратной связи усилителя. Следует отметить, что это имеет большое значение при использовании устройства в качестве многозондового медицинского термометра или при использовании его для измерения тепловых полей в вечной мерзлоте, когда температуры колеблются около нуля градусовСущественным достоинством предлагаемого устройства является то, что точность практически определяется 1 взбросом пассивных элементов. Кроме того, разброс и изменение в результате старения, теплового тока и объем 35 ного сопротивления диодов, смещения нуля и дрейф усилителей не влияют на точностные характеристики устройства.Экономический эффект заключается в повышении разрешающей способности40 и точности устройства. Источники инФормации,принятые во внимание при экспертизе1. Современное состояние и тенденции развития измерительных преобразователей температуры в электрический сигнал. - Экспресс-информация,Контрольно-измерительная техника,1980, У 1, с.23-31. Формула изобретения 1. Устройство для измерения темпе 45 ратурных полей, содержащее индикатор, блок диодов, выходы которого подключены к коммутатору диодов, связанному. со входами предусилителя, о т л и 0 ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения температуры в него введены распределитель 2.Ризенман. Интегральные температурные датчики. - "Электроника" (пер,с англ.) т. 47, М 23, 197, с. 57.3, Патент США й 3780585,кл. 73-362, опублик, 1973 (прототип).898266 Составитель Н. ГоршковаТехред А.Бабинец 1(орректор Г.Назарова Редактор А. Гул ько Филиал ППП Патент", г.ужгород, ул,Проектная Заказ 11936/57 Тираж 882 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, 8-35, Раушская наб., д, М 5