Устройство для измерения температуры (его варианты)

(56) Ф 10 свидет 01 К 7/ видетел 1 К 7/2 о ОСУДАРСТ 8 ЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИИ(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ (ЕГО ВАРИАНТЫ).(57) 1. Устройство для измерения температуры, содержащее термопреобразователь сопротивления, включенныйв,длечо измерительного моста, интегратор, вход которого соединен свыходом первого ключа, а выход подключен к первому входу дифференциального усилителя, второй ключ, входкоторого соединен с входом первогоключа, а выход через делитель подключен к второму входу дифференциального усилителя, преобразовательнапряжения в длительность импульсов,вход которого соединен с выходомдифференциального усилителя, а выход через третий ключ и балластныйрезистор соединен с первым выводомтермопреобразователя сопротивления,второй вывод которого соединен собщей шиной устройства, мультивибратор, первьгй выход которого соединен с управляющими входами второгои третьего ключей и управляющимвходом первого ждущего мультивибратора, пгниг л которого соединен суправ. гяг зггг 1 и вхсргог гяпгливольтметра,подключенного к термопреобразователю сопротивления, о т л и ч а ю -щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения температури быстродействия устройства, в неговведены второй ждущий мультивибратор, источник опорного напряжения,схема сравнения, последовательносоединенные масштабный усилитель,синхронный детектор и операционныйусилитель, повторитель напряженияи генератор переменного напряжения,первый выход которого соединен суправляющим входом синхронного детектора, а второй выход подключенк измерительному мосту, выход которого соединен с входом масштабногоусилителя, при этом второй выходмультивибратора через второй ждущий мультивибратор подключен к управляющему входу первого ключа, входкоторого соединен с выходом операционного усилителя, входы схемысравнения соответственно соединеныс выводами балластного резистора ивыходом источника опорного напряжения, управляющий вход которогосоединен с выходом третьего ключа,а выход схемы сравнения через повторитель напряжения подключен к термопреобразователю сопротивления. 2. Устройство для измерения температуры, содержащее термопреобразователь сопротивления, включенный в плечо измерительного моста, интегратор, вход которого соединен с выходом первого ключа, а выход подключен к первому входу дифгференциального усилителя, втои.й ключ, вход которого соединен о входомпервого ключа, а выход через делитель подключен к второму входу дифференциального усилителя, преобразователь напряжения в длительность импульсов, вход которого соединен с выходом дифференциального усилителя третий ключ, выход которого через балластный резистор соединен с первым выводом термопреобразователя сопротивления, второй вывод которого соединен с общей шиной устройства, мультивибратор, первый вход которого соединен с управляющими входами второго и третьего ключей и управляющим входом первого ждущего мультивибратора, выход которого соединен с управляющим вхо-дом милливольтметра, подключенного к термопреобразователю сопротивления, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения температуры и быстродействия устройства, в него введены второй ждущий мультивибратор, источник опорного напряжения, схема сравнения, последовательно соединенные масштабный усилитель, синхронный151834детектор и операционный усилитель, усилитель с управляемым коэффициентом передачи и генератор переменного напряжения, первый выход которого соединен с управляющим входом синхронного детектора, а второй выход подключен к измерительному мосту, выход которого соединен с входом масштабного усилителя, при этом второй выход мультивибратора через второй ждущий мультивибратор, подключен к управляющему входу первого ключа, вход которого соединен с выходом операционного усилителя, входы схемы сравнения соответственно соединены с выводами балластного резистора и выходом источника опорного напряжения, управляющий вход которого соединен с выходом третьего ключа, а выход схемы сравнения соединен с управляющим входом усилителя с управляемым коэффициентом передачи, вход которого соединен с выходом преобразователя напряжения в длительность импульсов, а выход подключен к входу третьего ключа.УИзобретение относится к темпера- содержащее термопреобразователь соптурным измерениям, а точнее к уст- ротивления, включенный в плечо изройствам для измерения температуры мерительного моста, интегратор, вход с дополнительным нагревом термопре- которого соединен с выходом первого образователя сопротивления. , ,5 ключа, а выход подключен к первомуИзвестно устройство для. измерения входу дифференциального усилителя, температуры, содержащее термодатчик, второй ключ, вход которого соединен выполненный в виде термокомпенса- с входом первого ключа, а выход че-ционного преобразователя, измери- рез делитель подключен к второму тельные выводы которого подключены 10 входу дифференциального усилителя, к входу компаратора с блоком галь- преобразователь напряжения в длитель ванического разделения, выход кото- ность импульсов, состоящий из гене- рого через схемы И подключен к вхо- ратора пилообразного напряжения и дам реверсивного счетчика, преобра- широтно-импульсного модулятора, вход зователь код-ток, вход которого сое которого соединен с выходом дифферен динен с выходом реверсивного счетчика, циального усилителя, а выход через а выход подключен к компенсационным третий ключ и балластный резистор выводам термодатчика 11 .соединен с первым выводом термопреОднако устройство требует для своей образователя сопротивления, второй работы специальный термодатчик. 20 вывод которого соединен с общей шиНаиболее близким по технической ной устройства, мультивибратор, персущности к предлагаемому является .вый выход которого соединен с управ- устройство для измерения температуры, . ляющими входами второго н третьегоЦель изобретения - повышение точности измерения температуры и быстродействия устройства.25 Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения температуры, содержащее термопреобраэователь сопротивления, включен" ный в плечо измерительного моста, интегратор, вход которого соединен с выходом первого ключа, а выход подключен к первому входу дифференциального усилителя, второй ключ, вход которого соединен с входом пер вФго ключа, а выход через делитель подключен к второму входу дифференциального усилителя, преобразова-. тель напряжения в длительность импульсов, вход которого соединен с 40 вь 1 ходом дифференциального усилителя, а выход через третий ключ и балластный резистор соединен с первым выводом термопреобразователя сопротивления, второй вывод которого соеди нен с общей шиной устройства, мультивибратор, первый выход которого соединен с управляющими входами второго и третьего кхцочей и управляющим входом первого ждущего муль тивибратора, выход которого соединен с управляющим входом милливольтметра, подключенного к термопреобразователю сопротивления, введены второй ждущий мультивибратор, ис точник опорного напряжения, схема сравнения, последовательно соединен- ные масштабный усилитель, синхрон 30 3 11518 ключей и управляющим входом первого ждущего мультивибратора, выход которого соединен с управляющим входом милливольтметра, подключенного к термопреобревоветелю сопротивления с 21. бНедостатками устройства являюте ся то, что в нем не учтена погрешность от изменения амплитуды токовых импульсов подогрева, определяемая соотношением величин сопротивлений 10 балластного резистора и термопреобразователя при нагреве и охлаждениипоследнего, а также не учитывается тепловая постоянная времени охлаждения термопреобраэователя сопротивления во вторую половину периода коммутации, когда отсутствуют импуль сы.подогрева, что приводит к существенной систематической погрешности измерения и снижению быстродействия устройства,34 4ный детектор и операционный усилитель, повторитель напряжения и генератор переменного напряжения, первый выход которого соединен с управляющим входом синхронного детектора, а второй выход подключен к измерительному мосту, выход которого соединен с входом масштабного усилителя, при этом второй выход мультивибратора через второй ждущий мультивибратор подключен к управляю. щему входу первого ключа, вход которого соединен с выходом операционного усилителя, входы схемы сравнения соответственно соединены с выводами балластного резистора и выходом источника опорного напря" жения, управляющий вход которого. соединен с выходом третьего ключа, а выход схемы сравнения через повто ритель напряжения подключен к термопреобразователю сопротивления.По второму варианту в устройство для измерения температуры, содержащее термопреобразователь сопротив" ления, включенный в плечо измерительного моста, интегратор, вход которого соединен с выходом первого ключа, а выход подключен к первому входу дифференциального усилителя, второй ключ, вход которого соединен с выходом первого ключа, а выход через делитель подключен к второму входу дифференциального усилителя, преобразователь напряжения в длительность импульсов, вход которого соединен с выходом дифференциального усилителя, третий ключ, выход которого через балластный резистор соединен с первым выводом термопреобразователя сопротивления, второй вывод которого соединен с общей шиной устройства, мультивибратор, первый выход которого соединен с управляющими входами второго и третьего ключей и управляющим входом первого ждущего мультивибратора, выход которого соединен с управляющим входом милливольтметра, подключенного к термопреобразователю сопротивления, введены второй ждущий мультивибратор, источник опорного напряжения, схема сравнения, последовательно соединенные масштабный усилитель, синхронный детектор и операционный усилитель, усилитель с управляемым коэффициентом передачи и генератор переменного напряжения, первый выход которого соединенс управляющим входом синхронногодетектора, а второй выход подключенк измерительному мосту, выход которого соединен с входом масштабногоусилителя при этОм Второй ВыхОд 5мультивибратора через второй ждущиймультивибратор подключен к управляющему входу первого ключа, входкоторого соединен с выходом операционного усилителя, входы схемы 10сравнения соответственно соединеныс выводами балластного резистора ивыходом источника опорного напряжения, управляющий вход которого соединен с выходом третьего ключа, а вы" 15ход схемы сравнения соединен с управляющим входом усилителя с управ, ляемым коэффициентом передачи, входкоторого соединен с выходом нреобразрвателя напряжения в длительность импульсов, а выход подключенк входу третьего ключа,На фиг. 1 представлена блок-схемаустройства, первый вариант, на фиг.2 то же, второй вариант. 25Устройство, представленное нафиг. 1 содержит термопреобразователь)1 сопротивления, измерительныймост 2, ключи 3-5, интегратор 6,делитель 7 напряжения, дифференциаль- ЗОный усилитель 8, преобразователь 9напряжения в длительность импульсов, мультивибратор 10, балластныйрезистор 11, милливольтметр 12, жАУ.щие мультивибраторы 13 и 14, схему3515 сравнения, источник 16 опорногонапряжения, повторитель 17 напряжения, масштабный усилитель 18, синхронный детектор 19, операционный усилитель 20 и генератор 21 переменного напряжения.В устройстве по второму варианту(фиг. 2) повторитель 17 напряженияотсутствует, а имеется усилителв 22с управляемым коэффициентом передачи;Устройство для измерения температуры работает следующим образом.Термопреобразователь сопротивления включен в плечо измерительногомоста 2 переменного тока, питаемого от генератора 21 напряжением счастотой Ю . Выходной сигнал измерительного моста, пропорциональный приращению сопротивления термопреобразователя через масштабирувмый усилитель 18, синхронный детектор 19, в котором он преобразуетсян постоянное напряжение, и операцион ный усилитель 20 поступает на входы ключей 3 и 4, работой которыхуправляет мультивибратор 10.Пусть первоначально по сигналамс мультивибратора 10 (на ключ 3 сигнал поступает с задержкой, определяемой ждущим мультивибратором 14),ключ 3 замкнут, а ключи 4 и 5 разомкнуты. При замкнутом ключе 3 интегратор 6 запоминает напряжение навыходе операционного усилителя 20,пропорциональное приращению сопро"тивления термопреобразователя 1,нагретого до температуры контролируемой среды,О,.б,К,К,К, ойвы,где б, " чувствительность мостовойсхемы;, - коэффициент передачи масштабного усилителя;- коэффициент преобразованиясинхронного детектора,- коэффициент преобразованияоперационного усилителя 20;и К - сопротивление и температурный коэффициент сопротивления термопреобразователя",0 - напряжение питания измерительного моста.При переключении мультивибратора10 замыкаются ключи 4 и 5 и выходное напряжение операционного усили"теля 20,уменьшенное в н раэ делителем 7, поступает на неинвертирующийвход дифференциального усилителя 8,к инвертирующему входу которого приложено запомненное напряжение 0с выхода интегратора 6. При наличииразности напряжений на выходе усилителя 8 появляется напряжение, котороес помощью преобразователя 9 преобразуется в длительность однополярныхимпульсов следующих с частотой Я,отличной от частоты Я . В устройстве по первому варианту эти импульсычерез ключ 5 и балластный резистор11, а в устройстве по второму варианту через усилитель 22 с управляемым коэффициентом передачи, ключ 5и балластный резистор 11 поступаютна термопреобразователь 1 сопротивления. В результате воздействияэтих импульсов происходит дополнительный нагрев термопреобразователя,что увеличивает его сопротивление,где и - коэффициент деления делителя напряжения 7, 1510 - температура перегрева.При возрастании температуры перегрева О 9 возрастает напряжение 0 стремясь к значению 1, . В установившемся режиме, если пренебречь нап" 20 ряжением статизма замкнутой схемы, входные напряжения усилителя 8 уравниваются ( 3 = (1, ). Из равенства напряжений следует: Оф 66В(3) Температура перегрева 6 8 определяется коэффициентом теплоотдачи термопреобразователя сопротивления С, З 0 квадратом действующего значения импульсного тока 3 и его нагретым сопротивлением2дв= - й= - й,1 кв+ь 93, (4) При этом, как показывают простые расчеты, падение напряжения 0 с создаваемое средним значением импульсного тока на нагретом термопреобразователе сопротивления равног Г с(о(5)"ср=срьк(аьВЦ --3 о45где Р - площадь поверхности термопреобразователя3 о - амплитуда однополярных импульсов тока подогрева,Установившееся среднее значение падения напряжения однополярных импульсов регистрируется милливольтметром 12 после разрешения с задержкой, создаваемой ждущим мульти- вибратором 13, равной тепловой постоянной времени термопреобразователя.После переключения мультивибратора 10 среднее значение падения 7115 и, соответственно, напряжение на вы-, ходе измерительного моста, Так как частота иследования импульсов с выхода преобразователя 9 отличается от частоты питания моста, то синхрон ный детектор реагирует только на сигналы, следующие с частотой Я,В результате нагрева термопреобразователя на неинвертирующий вход усилителя 8 поступает напряжение 10 1834напряжения от импульсного тока равно нулю. При этом выходное напряжение мостовой измерительной схемы О больше, чем 1 в течение времениохлаждения термопреобразователя от температуры перегрева ( О + 69 ) до контролируемой температуры О и равного тепловой постоянной термометра, Поэтому повторный цикл запоминания осуществляется с задержкой,создаваемой ждущим мультивибрато" ром 14, включающим ключ 3, равной постоянной времени термопреобразователя 1.При изменении сопротивления термопреобразователя происходит изменение амплитуды однополярных токовых импульсов, поступающих с выхода преобразователя 9. Для того, чтобы их амплитуда оставалась постоянной, в устройстве по первому варианту она стабилизируется с помощью схемы 15сравнения, источника 16 опорного напряжения и повторителя 17 напряжения, На первый вход схемы 15 сравнения поступает напряжение с балластного резистора 11, величина которого пропорциональна току, протекающему через него, и изменяется при изменении сопротивления термо" преобразователя. Ка второй вход схемы сравнения поступает сигнал заданной амплитуды от источника 16 опорного напряжения, действующий в течение действия однополярного импульса. При этом на выходе схемы 15 формируется дополнительный сигнал, пропорциональный изменению тока однополярных импульсов, который через повторитель 17 напряжения также поступает на термопреобразова. тель сопротивления, обеспечивая его дополнительный нагрев.В устройстве по второму варианту стабилизация амплитуды токовых импульсов осуществляется с помощью схемы 15 сравнения, источника 16опорного напряжения и усилителя 22 управляемым коэффициентом передачи. В нем разностный сигнал с выхода схемы 16 сравнения изменяет коэффициент передачи усилителя 22, что ведет к изменению амплитуды импульсов на его выходе.Устройство для измерения температуры по первому варианту обладает более высокой надежностью по отношению к устройству по второму варианту, так как в нем компенсация изме 11нения амплитуды токовых импульсов осуществляется отдельной цепью, Устройство по второму варианту проще в реализации и настройке.Наличие в устройстве новых элементов и новых связей между элементами устройства выгодно отличает его от 51834 1 Оизвестного, так как позволяет обеспечить стабилизацию амплитуды токовыхимпульсов подогрева и более точнозафиксировать изменение сигнала навыходе измерительного моста, что повышает точность измерения температуры и быстродействие.актор Е.Лушникова Заказ311/31 Тираж 897 ВНИИПИ Государственного по делам изобретений 113035, Москва, Б, Рауш