Устройство для измерения температуры

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ, содержащее последовательно соединенные термопреобразователь сопротивления и образцо-вый резистор, два инвертора, интегратор, блок регистрации, аналоговые ключи, вьпсоды которых подключены к входу интегратора, и источник напряжения, отличающееся тем, что, с целью повьшения точности измерений быстро меняющихся температур, в него введены два усилителя, аналоговый перемножитель , два компаратора, RS-ТриГ гер, дна токозадающих резистора и схема срав нения, входы которой соответственно подключены к источнику напряжения и выходу аналогового пе- ,ремножителя , а вьпсод соединен с выводом термопреобразователя сопротивления , подключенным к неинвертирующему входу первого уснлителя, инвертирующий вход которого подключен к нулевой щине, а выход через первый инвертор соединен с первым входом аналогового перемножителя и через первый токозадающий резистор подключен к входу первого анапогоБО1 лэ ключа, управляю1ций вход которого соединен с инверсным выходом RS-.триггера , входы которого соединены с выходами компараторов, а прямой выход подключен к блоку регистрации и управляющему входу второго аналогового ключа, вход которого через второй токозадающий резистор подключен к выходу первого усилителя, при этом точка соединения термопреобразователя сопротивления и образцового резистора подключена к инвертирующему входу второго усилителя, неинвертирующий вход которого подключен к нуле вой шине, а выход связан с противоположным выводом образцового резистора и подключен к второму входу анаО логового перамножителя,к иивертируюл;ену входу первого компаратора и чеэ ю рез второй инвертор к неинвертирующейу входу второго компаратора, инверг тирующий вход которого соединен с 30 выходом интегратора и неинвертируюпшм входом первого компаратора.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (! 9) (1!) (5l)4 1 K 7 !6 у в с

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ, /7

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

И АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3759370/24-10 (22) 25.06. 84 (46) 07. 11.85.Бюл. 9 41 (72) А.Я.Гаршин, Л.п. Домнин, В.В.Митрофанов, А.А.Куриленко, С.К.Дыменко, В.Н.Менжук и А.Г.Чернов (53) 536.53 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

1(- 754229, кл. 0 01 К 7/16, 1978.

Авторское свидетельство СССР

Ф 1015266, кл. G 01 К 7/16, 1981. (54) (57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

ТЕМПЕРАТУРЫ, содержащее последова" тельно соединенные термопреобразо" ватель сопротивления и образцовый резистор, два инвертора, интегратор, блок регистрации, аналоговые ключи, выходы которых подключены к входу интегратора, и источник напряжения, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерений быстро меняющихся температур, в него введены два усилителя, аналоговый перемножитель, два компаратора, RS-тритi

rep, два токозадающих резистора и схема сравнения, входы которой соответственно подключены к источнику напряжения и выходу аналогового перемножителя, а выход соединен с выводом термопреобразователя сопротивления, подключенным к неинвертирующему входу первого усилителя, инвертирующии вход которого подключен к нулевой шине, а выход через первый инвертор соединен с первым входом аналогового перемножителя и через первый токозадающий резистор подключен к входу первого аналогового ключа, управляющий вход которого соединен с инверсным выходом RS-.òðèããåра, входы которого соединены с выходами компараторов, а прямой выход подключен к блоку регистрации и управляющему входу второго аналогового ключа, вход которого через второй ( токоэадающий резистор подключен к выходу первого усилителя, при этом точка соединения термопреобразователя сопротивления и образцового резистора подключена к инвертирующему входу второго усилителя, неинвертирующий вход которого подключен к нуле вой шине, а выход связан с противоположным выводом образцового резистора и подключен к второму входу аналогового перемножителя,к инвертирую щему входу первого компаратора и через второй инвертор к неинвертирующему входу второго компаратора, инвертирующий вход которого соединен с выходом интегратора и неинвертирующим входом первого компаратора, !!90208

Изобретение относится к температурным измерениям, а именно устройствам для измерения теМпературы термопреобразователями сопротивления, и может быть использовано при измерении быстро меняющихся температур.

Цель изобретения — повышение точности измерений быстро меняющихся температур за счет уменьшения саморазогрева термопреобраэователя сопротивления путем стабилизации на минимальном уровне мощности, рассеиваемой термопреобраэователем во всем диапазоне измеряемых температур °

Uа:!» г. приведена блок-схема устройства; на фиг. 2 — временные диаграммы напряжений на выходе интегратора устройства.

Устройство для измерения температуры содержит источник 1 напряжения, последовательно соединенные термопреобразователь 2 сопротивления и образцовый резистор 3, первый 4 и второй 5 усилители, первый 6 и второй 7 инверторы, аналоговый перемножитель 8, схему 9 сравнения, аналоговые ключи 10 и ll, выходы которых объединены, токозадакщие резисторы 12 и !3, интегратор 14, первый 15 и второй 16 компараторы, RS-триггер 17 и блок 18 регистрации.

Устройство для измерения температуры работает следующим образом.

Источник напряжения вырабатывает стабильное напряжение, поступающее на прямой вход схемы 9 сравнения. В начальный момент напряжение на инверсном входе схемы 9 сравнения равно нулю, вследствие чего напряжение на ее выходе возрастает.

Через термопреобразователь 2 сопротивления при этом начинает протекать ток, который вызывает падение напряжения на термопреобразователе

2, пропорциональное его сопротивлению. Это напряжение усиливается первым усилителем 4 и через инвертор 6, который необходи для изменения полярности напряжения, поступает на первый вход аналогового перемножителя 8. Термопреобразователь 2 сопротивления подключается к схеме устройства с помощью четырехпроводной линии. Образцовый резистор 3 включается в цепь обратной связи втс рого усилителя 5, напряжение на ин25 вертирующем входе которого поддерживается равным нулю относительно корпуса за счет обратной связи. При этом на выходе усилителя 5 образует5 ся напряжение, равное падению напряжения на образцовом резисторе 3 и пропорциональное току через термопреобразователь, которое поступает на второй вход аналогового перемножитепя 8. На выходе последнего формируется сигнал, пропорциональный произведению тока, протекающего через термопреобразователь 2, и напряжения, падающего на нем, т.е . пропор15 циональный мощности Р, рассеиваемой на термопреобразователе:

ВЫХ " 6 (1) где U — напряжение на выходе анаl!pic логового перемножителя 8;

20 U — напряжение на выходе усилителя 5;

К . — коэффициент передачи ана1 логового перемножителя 8;

U — напряжение на выходе пер6 вого инвертора 6.

Сигнал с выхода аналогового перемножителя 8 поступает на инверсный вход схемы 9 сравнения. Если в начальный момент времени мощность, расЗ0 сеиваемая на термопреобразователе 2, ниже значения, поддерживаемого схемой в стационарном режиме, то на инверсном входе схемы 9 сравнения, соединенном с выходом аналогового перем35 ножителя 8, уровень напряжения ниже, чем на прямом входе, соединенном с выходом источника 1 напряжения.

При этом на выходе схемы сравне ния появляется сигнал, пропорциональ40 ный разности напряжений на ее входах, что вызывает увеличение тока через термопреобраэователь и, соответственно, мощности, рассеиваемой на термопреобразователе, а следователь45 но и напряжения на выходе перемножителя 8 °

Скорость изменения напряжения на выходе аналогового перемножителя 8 ограничена инерционностью усилителей

50 4 и 5, инвертора 6 и аналогового перемножителя 8. По мере приближения уровня напряжения с выхода аналогового перемножителя 8 к уровню напряжения, поступающего с выхода источ55 ника 1 напряжения, разность между эти!ы уровнями уменьшается, что приводит к уменьшению скорости нарастания напряжения на выходе аналогового

3 I 1 90 перемножителя 8. Процесс продолжается до тех пор, пока напряжение на вы-, ходе аналогового перемножителя 8 не станет равным напряжению, поступающему на прямой вход схемы 9 сравнения с источника 1 напряжения (беэ учета астатической ошибки регулирования ). Таким образом, мощность, рассеиваемая на термопреобразователе по истечении времени переход- N ного процесса, принимает значение, определяемое напряжением с источника 1 напряжения.

При изменении сопротивления термо. преобразователя веледствии изменения 15 измеряемой температуры, благодаря наличию цепи отрицательной обратной связи, образованной усилителями 4 и 5, инвертором 6, аналоговым перемножителем 8, схемой 9 сравне- 20 ния и источником напряжения,,ток через термопреобраэователь изменяется таким образом,что обеспечивает постоянство мощности, рассеиваемой на термопреобразователе. 25

Формирование частотного сигнала, пропорционального сопротивлению термопреобразователя, осуществляется следующим образом.

Пусть в начальный момент КЗ-триг- 3!I гер 17 устанавливается в одно из устойчивых состояний, в.котором, например, на его инверсном выходе формируется логический сигнал "0", а на прямом выходе — логический сиг- 35 нал "1". Наличие логического сигнала "1" на прямом выходе RS-триггера 17 приводит к открыванию второго аналогового ключа ll вследствие чего выход первого усилителя

4 через второй токозадающий резистор 13 соединяется с входом интегратора 14, который выполнен таким образом, что его входное сопротивление практически равно нулю,- а выходное напряжение пропорционально количеству заряда с обратным знаком протекшему через его входную клеммуПоскольку входное сопротивление интегратора 14 практически равно нулю, то напряжение на его входе также может быть принято равным нулю. Учи тывая малую величину падения нанряжения на аналоговом ключе 11, можно считать, что ток через второй токозадающнй резистор 13 определяется в этот момент времени только значением напряжения на выходе пер208 4 вого усилителя 4, имеющего положительную полярность, и номиналом токозадающего резистора 13.

При этом напряжение, которое с выхода интегратора 14 поступает на неинвертирующнй вход первого компаратора 15 и на инвертирующий вход второго компаратора !6, начинает линейно падать. При достижении выходHblM напряжением интегратора !4 уровня, равного порогу переключения компаратора 15, пропорционального току, протекающему через термопреобразователь 2, так как его неинвертирующий вход соединен с выходом усилителя 5, компаратор 15 переключается в другое состояние, при котором на его выходе появляется напряжение,соответствующее уровню логического сигнала "0", которое поступает на К-вход RS-триггера 17. При этом

RS-триггер 17 переключается в другое устойчивое состояние и на его прямом выходе устанавливается логический сигнал "0", а на инверсном выходе— логический сигнал "1". Напряжение логического сигнала "1" с инверсного выхода RS-триггера 17 поступает на управляющий вход первого аналогового ключа !О, аналогичного второму ключу !1, и открывает его. Одновременно напряжение логического сигнала

"0" с прямого выхода RS-триггера 17, поступающее на управляюший вход второго аналогового ключа ll закрывает этот ключ»

Таким образом, вход интегратора 14 через первый токозадающий резистор 12 и аналоговый ключ 10 соединяется с. выходом первого инвертора 6. Изменение полярности входного тока интегратора 14 после закрывания аналогово" го ключа !1 и открывания аналогового ключа 10 приводит к тому, что напряжение на его выходе начинает линейно нарастать, достигая уровня, равного порогу срабатывания второго компаратора 16,пропорционального измерительному току термопреобраэователя 2, так как его неинвертирующнй вход через инвертор 7, подключен к выходу усилителя 5. При этом компаратор 16 переключается, íà S-вход RS-триггера

17 начинает поступать напряжение логического сигнала "0", что приводит к опрокидыванию триггера, который устанавливается в устойчивое состояние, при котором на его прямом вы1190208 ходе формируется логический сигнал а на инверсном выходе — логический сигнал "0". Далее процесс повторяется.

Временные диаграммы напряжения на выходе интегратора 14(фиг,2 ) показыв ают, что частота на выходе RS-триггера 17 пряма пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна току через термапреобразователь сопротивления.

Допустим, что напряжения порогов срабатывания (+U„ -У„) компараторов !5 и 16 не изменяются во времени. В этом случае (фиг.2а) частота колебаний прямо пропорциональна скора ст»;{,.р,тстат»тя»аттряжения на выходе

|4, которая, в свою очередь, {{ро{{орциацальна напряжению на гер{аттрс:абразавателе 2. При увели»си»и {аттряжения на термопреабразователе 2 в момент времени С„ период колебаний Т уменьшается (Т (Т ), 2С{ 1с{ У а частота соответственно увеличивается.

Допустим, что скорость нарастания выходного напряжения интегратора 14 не »зменяется ва времени. Тогда пер»ад колебаний прямо пропорционален абсолютному значению пороговых напряжений камларатаров 15 и 16. Уменьше«»е пороговых напряжений (по абсолютному значению) в момент времени ат значения (+U«, -U<„) да (+!) |, — U{ ) приводит к уметтьzueнию периода колебаний на выходе интегратора 4 (Т2 (Т„)и к соответственному увеличейию частоты (фиг.2б)

Ча{.тата колебаний в этом случае обратно пропорциональна току, протекающему через термапреабразователь

2.

В реальной схеме (фиг.1) мощность на термопреабразавателе 2 стабилизирована и изменение его сопротивления в момент времени t„ íëå÷åò за собой как изменение тока, так и

10 изменение напряжения на нем пад воздействием температуры. Соответственно изменяются как пороги срабатывания компараторов 15 и 16, так и скорость нарастания выходного напряже15 ния интегратора 14. В этом случае (фиг.2 в} частота колебаний пропорциональна скорости нарастания выходного напряжения интегратора 14, т.е. напряжению на термопреабразава20 теле 2, и обратна пропорциональна значению пороговых напряжений кампараторов 15 и !6, т.е. току через термопреобраэаватель 2.

Поскольку частота f > „ на выхо25 де триггера 17 равна частоте пилообразного напряжения на выходе интегратора 14, та

0,(v!

ЯВЬ!х ОГ(Э) т

30 т. е . пропорциональна величине сопротивления термопреабразавателя 2.

Импульсы с выхода триггера 17 поступают на блок 18 регистрации который преобразует поступающий сигнал в такой вид, который удобен для наблюдения или для использова ния в других устройствах регистрации и обработки информации.

1190208

I 190208

О/ьи N

Ц, Vfi

-u„

Фиг. 2

Составитель В.Куликов

Редактор H.Áoáêoâà Техред Л.Мартяшова Корректор В.Гирняк

Заказ 6963/43 Тираж 896 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий !

)3035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул.Проектная, 4