Устройство для измерения температурных полей

ОП ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 1 ц 979895 Союз СеветеиикСоциапнстичееинкРееттубамв(5 )М. Кл,С 01 К 7/20 евоударотееиный комитет СССР йо делам изооретеннй н открытийДата опубликования описания 07, 12.82 и,;,. Н. Лапенко, Л, И. Добровольский, И, К. Герас(7) Заявитель Московский институт электронной техники(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЪХПОЛЕЙ 1Изобретение относится к измерительнойтехнике и может быть применено в приборах для измерения распределения и изменения температуры в различных средах,например в грунте, при исследованияхтепловых процессов в вечной мерзлоте,Известныустройства для измерениятемпературы, принцип действия которыхоснован на измерении изменения сопротивления чистых металлов при изменении1 Отемпературы. Особенно широко использую тся платиновые термометры. Они обладают широким диапазоном рабочих температур,.хорошей линейностью, но весьмадорогие 1355Известны также устройства для измерения температуры, основанные на измерении термо-ЭДС термопары 21,Недостатком устройств являются необходимость компенсации температуры . щхолодного спая и низкая чувствительность.Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является устройство для измере 2ния температурных полей, содержащее датчик температуры, выполненный в виде блока диодов, коммутатор диодов, управ ляемый преобразователь напряжениеток, предусилитель, избирательный усилитель, фазочувствительный выпрямитель, вычислительный блок, компенсатор, индикатор, распределитель импульсов, Выходы блока диодов соединены с входами коммутатора диодов, который выходамн связан с выходами преобразователя напряжениеток и входами предусилителя, последний выходом подключен к первому входу избирательного усилителя, к выходу которого подклкнен сигнальный вход фазочувствительного выпрямителя, связанного выходом с входом вычислительного блока, который выходами соединен с входом индикатора и с входом компенсатора, выход последнего подключен к второму входу избирательного усилителя, выходы распределителя импульсов связаны с входамн фазочувствительного выпрямителя, компенсатора, вычислительного блока управЭ 9798ляелтого преобразователя напряженне -ток Г 33,Недостатком известного устройстваявляется то, что объемное сопротивлениебазыдиода, сопротивление соединительных проводов и остаточное сопротивлениекоммутатора компенсируются соответствующим выбором соотношений между масштабными резисторами блока компенсациитолько в том случае, когда эти сопротивОления заранее точно известны, Однако впроцессе эксплуатации, например при измерении температуры на разных глубинахв сверхглубоких скважинах, когда диодкак датчик температуры подключаетсяк коммутатору длинным соединительнымкабелем, сопротивление этого кабеля.взависимости от глубины, температуры,давления и других факторов начинает меняться. К тому же со временем под действием собствейного веса соединительныхпроводов происходит деформация и изменение площади их сечения и, как следствие,изменение сопротивления соединительныхприводов, 2Таким образом, в процессе изменениятемпературы происходит изменение сопротивления соединительных проводов, котороене компенсируется, что приводит к уменьшению точности измерения температуры.Целью изобретения является повышениеточности измерения температуры.Поставленная цель достигается тем,что в устройство, содержащее датчик температуры, выполненный в виде блока дио 3дов, выходами связанный с входами коммутатора, управляющие входы которогоподключены к распределителю импульсов,другие выходы которого соединены с индикатором и фаэочувствнтельн 1 м выпрямилотелем, сигнальный вход которого подключен к выходу избирательного усилителя,источник опорных напряжений, дополнительно введены блок формирования рабочих сигналов, блок формирования нзмери-,45тельных сигналов, первая цепочка из последовательно соединенных второго избирательного усилителя, второго фазочувствительного выпрямителя, интегратора, первого управляемого аттенюатора, втораяцепочка из последовательно соединенных фОфильтра низких частот, нуль-органа, реверсивного счетчика, второго управляемого аттенюатора, суммирующий усилитель,выход которого связан с входом первогоизбирательного усилителя, первый и второйвходы через первую и вторую цепочки. соответственно - с выходом первого фазочувствительного выпрямителя, а третий 9 в 4вход подключен к выходу блока форл 1 ировлния рабочих сигналов, один вход которогосоединен с одним выходом источника опорных напряжений, другой выход которогосвязан с входом блока формирования измерительных сигналов, первый выход которого подключен к входу второго управляемого аттенюатора, а второй выход одновременно - к входу первого управляемого ат,тенюатора н второму входу блока формирования рабочих сигналов, третий и четвертый входы которого соединены с выходами коммутатора, причем, выходы распределителя импульсов подключены к соответствующим управляющим входам блокаформирсвания измерительных сигналов,блока формирования рабочих сигналов,второго фазочувствнтельного выпрямителя,нуль-органа и реверсивного счетчика,выходы которого дополнительно связаныс индикатором.Прн этом блок формирования измерительных сигналов содержит первый нвторой усилители первый н второй управляемые ключи, шесть масштабных резисторов, причем вход блока соединен с однимиз выводов первого и второго масштабных резисторов, вторые въ 1 воды которыхсвязаны с входом первого усилителя уодного резистора непосредственно, а увгорого резистора через ключ, третиймасштабный резистор включен в цепи отрицательной обратнойсвязи первого усилителя, выход которого подключен к четвертому н пятому масштабным резисторам, вторые выводы которых связаны свходом второго усилителя, один - непосредственно, а другой - через ключ, шестой масштабный резистор включен и цепиотрицательной обратной связи второгоусилителя,Кроме того, блок формирования рабочих сигналов содержит диод, управляемый ключ, три усилителя, шесть масштабных резисторов, причем один вход блока через последовательно соединенные первый резистор первый усилитель четвертый резистор подключен к входу третьего усилителя, в цепи отрицательной обратной связи которого включен шестой масштабный резистор, вход третьего .усилителя дополнительно через пятый масштабный резистор связан с выходом второго усилителя, в цепи отрицательной обратной связи которого включен диод, вход второго усилителя соединен с третьим масштабным резистором непосредственно н через ключ с вторым Масштабным резистором, вторые5 97 98выводы этих резисторов связаны с другимвходом блока,На чертеже приведена функциональнаясхема устройства для измерения температурных полей,Устройство для измерения температурных полей содержит датчик температуры в виде блока диодов 1, коммутатор 2,блок 3 формирования рабочих сигналов,распределитель 4 импульсов, источник 5 Юопорных напряжений блок 6 формирования измерительных сигналов, индикатор7, первый и второй избирательные усилители 8 и 9, первый и второй фазочувствительные выпрямители 10 и 11, фильтр 1512 низкой частоты, нуль-орган 13, интегратор 14, первый и второй управляемые аттенюаторы 15 и 16, реверсивныйсчетчик 17, сумматор 18, выполненныйв виде суммирующего усилителя. Блок 2 Фдиодов 1 через коммутатор 2 связан свходами блока 3 формирования рабочихсигналов, выход которого через последо.вательно соециненные сумматор 18,первый избирательный усилитель 8,первый . 2 зфаэочувствительный выпрямитель 10,фильтр 12 низкой частоты, нуль-орган 13,реверсивный счетчик 17 одновременноподключен к индикатору 7 и к управляющему входу аттенюатора 16, Выход перво-щго фазочувствительного выпрямителя 10через последовательно соединенные второйизбирательный усилитель 9, второй фазочувствительный выпрямитель 11 и интегратор 14 связан с управляющим входомпервого аттенюатора 15, Источник 5 опор.ных напряжений соединен с входом блока6 формирования измерительных сигналов,один выход которого через управляющийаттенюатор 16 связан с вторым входомсумматора 18, другой третий вход которого через управляемый аттенюатор 15подключен к другому выходу блока 6 формирования измерительных сигналов и входублока 3 формирования рабочих сигналов,другой вход которого соединен с источником 5 опорных напряжений. Выходыраспределителя 4 импульсов соединеныс управляющими входами коммутатора 2,блока 3 формирования рабочих сигналов,блока 6 формирователя измерительных сигналов, первого и второго фазочувствительных выпрямителей 10 и 11, нуль-органа13, реверсивного счетчика 17 и индикатора 7.Блок формирования измерительных сигналов содержит первый и второй управляемые ключи 19 и 20, первый и второйусилители 21 и 22, первый, второй, тре 95 6тии, четвертый, пятый и шестой масштабные резисторы 23 - 28, Вход блока соединен с одними из выводов первого и. второго масштабных резисторов 23 и 24, вторые выводы которых связаны с вхоаом первого усилителя 21 у резистора 24 непосредственно, а у резистора 23 черезпервый ключ 19, Третий масштабныйрезистор 25 включен в цепи отрицательной обратной связи первого усилителя 21,выход, которого подключен к четвергомуи пятому масштабным резисторам 26 и 27, вторые выводы которых связаны свходом второго усилителя 22 у резистора 27 непосредственно, а у резистора 26через второй ключ 20, Шестой масштабный резистор 28 включен в цепи отрицательной обратной связи второго усилителя 22.Блок формирования рабочих сигналовсодержит диод 29, управляемый ключ 30,первый, второй и третий усилители 31-33, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой масштабные резисторы 34 - 39, Один вход блока через последовательно соединенные первый резистор 34, первый усилитель 31 и четвертый резистор 37 подключен к входу третьего усилителя 33, в цепи отрицательной обратной связи ко торого включен шестой резистор 39, вход третьего усилителя 33 дополнительно через пятый резистор 38 связан с выхоФ дом второго усилителя 32, в цепи отрицательной обратной связи которого включен диод 29, вход второго усилителя 32 соединен с третьим резистором 36 непосредственно и через ключ 30 - с вторым резистором 35, вторые концы этих резисторов связаны с другим входом блока.Устройство для измерения температурных полей работает следующим образом,Опорное напряжение Ооп с источника 5 опорных напряжений поступает на вход усилителя 21 через масштабный резистор 24 и через последовательно соединенные масштабный резистор 23 и управляемый ключ 19, На управляющий вход ключа 19 поступает модулирующий сигнал Огс частотой Х 1 с выхода распределителя 4 импульсов, На выходе усилителя 21 обра зуется пульсирующее напряжение с частотой Е , которое поступает на сигнальный вход управляемого аттенюатора 16 и на вход усилителя 22 через масштабный резистор 27 и последовательно соединенные масштабный резистор 26 и управляемый ключ 20. На управляющий вход ключа 20 с выхода распределителя 4 им пульсов поступает модулирующий сигнал79798Осв виде меандра с частотой Е, которая много меньше частоты Е . На выходе усилителя 22 образуется пульсирующее напряжение, у которого отношение максимального напряжения к минимальному, изменяемое с частотой Е, постоянно, а среднее значение изменяется с частотойЕ . Это напряжение с выхода усилителя 22 блока 6 формирования измерительных сигналов поступает на управляемый атте а нюатор 15 и через масштабный резистор 34 на вход усилителя 31 блока 3 форп 6- рователя .рабочих сигналоа. С помощью коммутатора 2, управляемого извне илй по программеосуществляется подключение. )З требуемого диода в цепь отрицательнойобратной связи усилителя 31, Пульсирующий ток, протекающий через масштабный рэзистор 34, пропорциональный напряженик с выхода усилителя 22, вызывает соот- рр ветствуюшее падение напряжения на переходе диода блока диодов 1. Эта переменная составляющая через масштабныйрезистор 37 поступает на вход усилителя33, на который одновременно подается 2через масштабный резистор 38 компенсирующее, пульсирующее с частотой Ю 2напряжение с выхода усилителя 32, причем минимальное и максимальное значенияэтого напряжения должны быть равны сред-, Зфним значениям напряжения на выходе усилителя 31, изменяемого также с частотойЕ .Опорное напряжение с источника 5ойорных напряжений поступает на вход усилителя 32 блока 3 формирования рабочих сигналов через масштабные резисторыЪ35 и 36 и управляемый ключ 30, На управляющий вход ключа 30 с распределите,- ля 4 импульсов поступает модулируюшийсигнал Ос в виде меандра с частотой , Е . В результате на выходе усилителя32 образуется пульсирующее с частотойЕ напряжение, которое через резистор38 поступает на вход усилителя 33 и .имеет полярность, противоположную полярности напряжения, поступающего навход усилителя 33, с выхода усилителя 31, среднее значение которого также изменяется с частотой Е . В результате да ацхрде усилителя 33 цоявляется пульщрурщеа Р чаетеРй Енапряжение, по 56 ютюйпнюя РРютЙФляюшйй НРтРяргР Фана.НУЛЮ, Эта ЦаПРВКЕНИЕ Р аЫХРДа УРНЛНтеДИ ЭЗ поотупаФт ца Рдин из выходов сумма тща 19. На другие даа входа сумматора 18 через второй и первый аттенюаторы 16 и 15 с выходов блока 6 формирования измерительных сигналов поступают сооъветствующи пульсирующие напряжения: одно - изменяющееся с частотой Еи другое, у которого отношение максимального значенияк минимальному, изменяемое с частотой Е, постоянно, а среднее значение. изменяется с частотой Е .С выхода сумматора 18 разность этихнапряжений поступает. на первый избирательный усилитель 8 который настроенна частоту Г . С выхода усилителя 8переменное напряжение с частотоймодулировано по. амплитуде напряжениемс частотой Е и поступает на первыйфазочувствительный выпрямитель 10, науправляющий вход которого с распределителя 4 импульсов поступает опорное напряжение с частотой Е. Напряжение с выхода избирательного усилителя 8 детектируется фазочувствительным выпрямителем10,В зависимости от того, какая величина больше (сигнал с выхода второго аттенюатора 16, изменяющийся с частотой, или сигнал с выхода усилителя 33,также изменяющийся с частотой Е),полярность сигнала на выходе фазочувствительного выпрямителя 10 меняется,и этот сигнал, пройдя через фильтр 12низких частот, поступает на вход стробируемого с частотой Енуль-органа 13.В зависимости от полярности сигнала навыходе фильтра 12 с выхода нуль-органа13 на управляющий вход реверсивногосчетчика 17 поступают импульсы прямого или обратного счета, при этом кодна выходе счетчика 17 меняется и управляет коэффициентом передачи второгоуправляемого аттенюатора 16,С выхода первого фазочувствительноговыпрямителя 10 сигнал дополнительнопоступает на второй избирательный усилитель 9, настроенный на частоту Е . Усиленный избирательным усилителем 9 сигнал детектируется вторым фазочувствительным выпрямителем 11, на управляющий вход которого подается опорное напряжение с частотой Е . В зависимостиот того, какая величина. больше 1 сигналс выхода первого аттенюатора 15 илисигнал с выхода усилителя 33), полярность сигнала на выходе фазочувствительного выпрямителя 11 меняется, при этом цадрЮКЕНЮ На аьщрде митеграторд 14уменьшаетая или увеличивается и изменяет коэффициент передачи первого управляемого аттенюатора 15. Пэмененнекоэффициентов передачи аттеиюаторов 15 и 16 происходит до тех пор, покаразностный сигнал с выхода сумматора18, усиливаемый избирательными усилит8 1 грык связаны с входом первого усилителя1у одного резистора непосредственно, а увторого резистора через ключ, третиймасштабный резистор включен в цепи отрицательной обратной связи первого усилителя, выход которого подключен к четвертому и пятому масштабным резисторам,вторые выводы которых связаны с входомвторого усилителя у одного непосредственно, а у другого через ключ, шестой масштабный резистор включен в цепи отрицательной обратной связи вгорого усилителя.3 Устройство по и, 1 о т л и ч а ющ е е с я тем, что блок формирования , рабочих сигналов содержит диод, управляемый ключ, три усилителя, шесть масштабных резисторов, причем один вход блокачерез последовательно соединенные первыйрезистор, первый усилитель и четвертыйрезистор подключен к входу третьегоусилителя, в цепи отрицательной обратнойсвязи которого включен шестой масштабный реаистор, вход третьего усилителя дополнительно через пятый масштабныйрезистор связан с выходом второго усилителя, в цепи отрицательной обратнойсвязи которого включен диод, вход второгоусилителя соединен с третьим масштабнымрезистором непосредственно и через управляемый ключ с вторым масштабнымрезистором, вторые выводы этих резисторов связаны с другим входом блока. 1 .1 979 е с я тем, что, с целью повышения то%ости измерения температуры, в устройство введены блок формирования рабочих сиг- налов, блок формирования измерительных сигналов, первая цепочка нз последователь- З но соединенных второго избирательного усилителя, второго фазочувствительного выпрямителя, интегратора, первого управляемого аттенюатора, вторая цепочка из последовательно соединенных фильтра й низких частот, нуль-органа, реверсивного счетчика, второго управляемого аттенюатора, суммирующий усилитель, выход которого связан с входом первого избиратель- ного усилителя, первый и второй входы 1 ф через первую и вторую цепочки соответственно - с выходом первого фазочувствительного выпрямителя, а третий вход подключен к выходу блока формирования рабочих сигналов, один вход которого сое динен с одним иэ выходов источника опорных напряжений, другой выход которого связан с входом блока формирования измерительных сигналов, первый выход которого подключен к входу второго управляе-ф мого аттенюатора, а второй выход одновременно - к входу первогоуправляемого аттенюатора и второму входу блока форми-. рования рабочих сигналов, третий и четвертый входы которого соединены с вы- ЗО ходами коммутатора, причем выходы распределителя импульсов подключены к соответствующим входам блока формирования измерительных сигналов, блока формирования рабочих сигналов, второго фаэо 3 чувствительного выпрямителя, нуль-органа и реверсивного счетчика, выходы которого дополнительно связаны с индикатором.2, Устройство по п. 1, о т л и ч а ю - . ш е е с я тем, что блок формирования измерительных сигналов содержит первый и второй усилители, первый и второй управляемые ключи, шесть масштабных реэисторов, причем вход блока соединен с одним из выводов первого и второго мас-ф штабных резисторов, вторые выводы котоИсточники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Современное состояние и тенденции. развития измерительных преобразователей.температуры в электрический сигнал,Экспресс-информация, контрольно-измерительная техника 1980,1, с. 23-31.2. Сосновский А. Г Столярова Н.И,Измерения температуры. М., 1970.3, Авторское свидетельство СССРпо заявке2925967/18-10,кл. 6 01 К 7/20, 16,05.80 (прототип),