Устройство для измерения температуры и разности температур

 

Использование: автоматическое измерение температуры и разности температур с использованием термопреобразователей сопротивления. Сущность изобретения: процесс измерения состоит из шести тактов. В каждом такте выводы термопреобразователей и образцовых резисторов поочередно и попарно-переменно подключаются с помощью блоков ключей соответственно к первому и второму источникам тока и входам преобразователя напряжения в код и операционного усилителя. Значения кодов с выхода преобразователя напряжения в код поступают на вычислительный блок. Блок обрабатывает результаты измерения по представленным зависимостям. Результаты измерения температуры и разности температур отображаются блоком индикации. Переключение блоков ключей осуществляется по командам управления. 1 ил.

Изобретение относится к температурным измерениям, в частности к автоматическому измерению разности температур с использованием термопреобразователей сопротивления, и может быть использовано, например, в геометрических исследованиях.

Известно устройство для измерения разности температур, включающее два термопреобразователя сопротивления, два образцовых резистора, источник питания, измерительный прибор, а также корректирующий терморезистор [1].

Недостатком устройства являются необходимость использования идентичных термопреобразователей сопротивления и неполная компенсация погрешности, вызванной зависимостью чувствительности устройства от температуры среды.

Известно устройство для измерения температуры и разности температур, включающее два термопреобразователя сопротивления, два образцовых резистора, первый блок ключей, второй блок ключей, последовательно соединенный с преобразователем напряжения в код, вычислительным блоком и индикатором, и блок управления, подключенный к управляющим входам блоков ключей и преобразователя напряжения в код [2].

Недостатком данного устройства является существенная погрешность определения разности температур при дистанционных измерениях, обусловленная неконтролируемыми температурными изменениями сопротивления проводников, соединяющих термопреобразователи сопротивления с блоком ключей и преобразователем напряжения в код. Кроме того, недостатком является необходимость использования контактных ключей, сопротивление которых также вносит погрешность.

Целью изобретения является повышение точности измерения разности температур при дистанционных измерениях за счет исключения погрешности, обусловленной неконтролируемыми температурными изменениями сопротивления проводников, соединяющих термопреобразователи сопротивления с блоком ключей и преобразователем напряжения в код, а также сопротивлением ключей.

Цель - повышение точности достигается тем, что устройство для измерения температуры и разности температур, включающее два термопреобразователя сопротивления, два образцовых резистора, первый блок ключей, второй блок ключей, последовательно соединенный с преобразователем напряжения в код, вычислительным блоком и индикатором, и блок управления, подключенный к управляющим входам блоков ключей и преобразователя напряжения в код, снабжено двумя источниками постоянного тока, подключенными к выходам первого блока ключей, и операционным усилителем, одни выводы термопреобразователей сопротивления и образцовых резисторов соединены между собой, а другие подключены к первому, второму, третьему и четвертому входам первого блока ключей и к соответствующим входам второго блока ключей, при этом первый выход второго блока ключей соединен с первым входом преобразователя напряжения в код, второй выход второго блока ключей соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, выход которого подключен к точке соединения термопреобразователей сопротивления, а второй вход преобразователя напряжения в код и неинвертирующий вход операционного усилителя заземлены.

Указанная совокупность признаков позволяет путем поочередного подключения термопреобразователей сопротивления и образцовых резисторов к первому и второму источникам постоянного тока с помощью первого и второго блоков ключей и их поочередного подключения к входу преобразователя напряжения в код и операционному усилителю определять только изменение разности сопротивлений термопреобразователей, которое вызвано измеряемой разностью температур и не зависит от изменения сопротивления соединительных проводников и ключей. Тем самым обеспечивается достижение требуемого результата - повышение точности измерения разности температур.

На чертеже представлена функциональная схема устройства.

Устройство для измерения температуры и разности температур содержит первый 1 и второй 2 термопреобразователи сопротивления, первый 3 и второй 4 образцовые резисторы, первый 5 и второй 6 источники постоянного тока, первый 7 и второй 8 блоки ключей, операционный усилитель 9, преобразователь 10 напряжения в код, вычислительный блок 11, блок 12 индикации, блок 13 управления.

Устройство работает следующим образом.

Процесс измерения состоит из шести тактов. В первом такте вывод первого термопреобразователя 1 сопротивления (точка а) подключен к первому источнику 5 тока и входу преобразователя 10 напряжения в код, вывод второго термопреобразователя 2 сопротивления (точка b) - к второму источнику 6 тока и входу операционного усилителя 9. За счет отрицательной обратной связи на выходе усилителя устанавливается такое напряжение, что потенциал точки b становится равным нулю, и на вход преобразователя 10 поступает напряжение U₁ = I₁˙R₁ - I₂˙R₂, (1) где I₁, I₂ - токи первого и второго источников; R₁, R₂ - сопротивления первого и второго термопреобразователей.

Код на выходе преобразователя 10, поступающий в вычислительный блок 11, равен N₁ = A₁(I₁˙R₁ - I₂˙R₂) + A₀, (2) где А₁, А₀ - коэффициент преобразования и смещение нуля преобразователя напряжения в код.

Во втором такте блоки ключей 7 и 8 подключают вывод второго термопреобразователя 2 (точка b) к выходу первого источника тока 5 и входу преобразователя 10, а вывод первого термопреобразователя 1 (точка а) - к выходу второго источника 6 тока и входу усилителя 9. В результате потенциал точки а становится равным нулю, и на выходе преобразователя 10 появляется код N₂ = A₁(I₁˙R₂ - I₂˙R₂) + A₀ (3) В третьем такте измерения по командам, поступающим с блока 13 управления, блоки ключей 7 и 8 подключают вывод резистора 3 (точка с) к выходу первого источника 5 тока и входу преобразователя 10, а вывод резистора 4 (точка а) - к выходу второго источника 6 тока и входу усилителя 9. Потенциал точки d становится равным нулю, и на выходе преобразователя 10 появляется код N₃ = A₁(I₁˙R₃ - I₂˙R₄) + A₀ (4) В четвертом такте блоки ключей 7 и 8 подсоединяют точку d к выходу первого источника 5 тока и входу преобразователя 10, а точку с - к выходу второго источника 6 тока и входу усилителя 9. Код на входе вычислительного блока 11 N₄ = A₁(I₁˙R₄ - I₂˙R₃) + A₀ (5) В пятом такте блоки ключей 7 и 8 подключают вывод первого термопреобразователя (точка а) к выходу первого источника 5 тока и входу преобразователя 10, а вывод резистора 3 (точка с - к выходу второго источника 6 тока и входу усилителя 9. Потенциал точки с становится равным нулю, и на выходе преобразователя 10 появляется код N₅ = A₁(I₁˙R₁ - I₂˙R₃) + A₀ (6) В шестом такте аналогично предыдущим блоки ключей 7 и 8 меняют местами в измерительной схеме резисторы 1 и 3. В результате в вычислительный блок поступает код N₆ = A₁(I₁˙R₃ - I₂˙R₁) + A₀ (7) По окончании процесса измерения по команде блока 13 управления вычислительный блок 11 обрабатывает результаты измерения, решая совместно уравнения (2), (3), (4), (5) и (4), (5), (6), (7) с учетом функции преобразования термопреобразователей 1 и 2. R₁ = R₀₁(1 + a˙T₁); (8) R₂ = R₀₂(1 + a˙T₂); (9) где R₀₁, R₀₂ - сопротивление термопреобразователей при 0^оС; а - температурный коэффициент сопротивления; Т₁, Т₂ - температуры, при которых находятся термопреобразователи 1 и 2 соответственно.

Значения температуры и разности температур вычисляются по формулам T₁ = R₃-R₀₁+(R₃-R₄)· (10) T₁-T₂= (R₃-R₄)· - (R₀₁-R₀₂)·(1+aT₁) (11) Результаты измерения индицируются блоком 12 индикации.

Вычислительный блок представляет собой специализированное вычислительное устройство, реализованное на базе однокристальной ЭВМ (например К1816ВЕ51) или любой стандартной микроЭВМ. Блок 13 управления, синхронизирующий работу остальных блоков, реализован на той же ЭВМ. Источники тока выполнены по стандартной схеме на операционных усилителях. Термопреобразователи сопротивления - стандартные медные типа ТСМ. Резисторы 3 и 4 представляют собой прецизионные резисторы с малым ТКС, например С5-60. Блоки ключей 7 и 8 бесконтактные, выполнены на интегральных переключателях К561КТ3, в качестве усилителя используется стандартный операционный усилитель (например К140УД17А). Преобразователь напряжения в код также стандартный с высоким входным сопротивлением (К572ПВ1).

Из выражений (10) и (11) следует, что результат измерения не зависит от значений токов источников 5 и 6, сопротивлений ключей блоков 7 и 8 и сопротивлений проводов, соединяющих термопреобразователи с другими элементами измерительной схемы. От параметров этих элементов требуется только кратковременная стабильность в течение цикла измерения. Кроме того, на результат измерения не влияют смещение и дрейф нуля усилителя и изменение коэффициентов преобразования преобразователя напряжения в код.

Точность измерения определяется главным образом стабильностью образцовых резисторов и точностью градуировки термопреобразователей сопротивления.

Данное устройство используется в качестве канала измерения термоградиента и температуры зонда для геотермических исследований в океане.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ И РАЗНОСТИ ТЕМПЕРАТУР, содержащее первый источник питания, два термопреобразователя сопротивления, первый образцовый резистор, первый блок ключей и блок управления, подключенный к управляющим входам блоков ключей и преобразователя напряжения в код, последовательно соединенные второй блок ключей, преобразователь напряжения в код, вычислительный блок и индикатор, отличающееся тем, что оно снабжено вторым истчником питания, вторым образцовым резистором и операционным усилителем, а источники питания подключены к выходам первого блока ключей, одни выводы термопреобразователей сопротивления и образцовых резисторов соединены между собой, а другие подключены к первому, второму, третьему и четвертому входам первого и второго блоков ключей, при этом первый выход второго блока ключей соединен с первым входом преобразователя напряжения в код, второй выход - с инвертирующим входом операционного усилителя, выход которого подключен к точке соединения термопреобразователей сопротивления, а второй вход преобразователя напряжения в код и неинвертирующий вход операционного усилителя заземлены.

РИСУНКИ

Рисунок 1