Прецизионное устройство для компенсации влияния изменения температуры свободных концов термоэлектрического преобразователя

 

Использование: измерение температуры с помощью термоэлектрических преобразователей. Сущность изобретения: прецизионное устройство для компенсации влияния изменения температуры свободных концов термоэлектрического преобразователя содержит генератор постоянного тока и четырехплечую мостовую электрическую схему. В противоположные плечи моста включены два неравных по значению термонезависимых резистора, а другие противоположные плечи моста включены два термозависимых резистора. Приводятся расчетные зависимости для выбора значений сопротивлений термонезависимых и термозависимых резисторов. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для измерения температуры с помощью термоэлектрических преобразователей с автоматической компенсацией влияния изменения температуры их свободных концов (холодных спаев).

Известно устройство компенсации (УК), содержащее источник постоянного напряжения с последовательно включенным резистором и электрическую мостовую схему с одним термозависимым и тремя термонезависимыми резисторами, но оно не обеспечивает точную компенсацию. Известны устройства компенсации, содержащие дополнительно к схеме моста второй термозависимый резистор, содержащее генератор постоянного тока и два термозависимых и два термонезависимых резистора, включенных в мостовую схему, что повышает точность УК, характеристики применяемых в этих УК преимущественно медных терморезисторов стабильнее и воспроизводимость их выше, чем у применяемых в ряде устройств с генератором постоянного тока термозависимых полупроводниковых элементов, но точность в широком диапазоне температур компенсации недостаточна.

Из известных устройств наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для измерения температуры, содержащее термоэлектрический преобразователь, четырехплечий электрический мост с двумя идентичными термочувствительными резисторами с линейной зависимостью сопротивления от температуры, включенными в противоположные плечи моста, и двумя термонезависимыми резисторами, включенными в два других противоположных плеча моста, регистратор, включенный последовательно с термоэлектрическим преобразователем (ТП) в одну из диагоналей моста, и генератор постоянного тока, включенный в другую диагональ моста, где сопротивление одного из термонезависимых резисторов в n раз больше, а другого в n раз меньше сопротивлений термочувствительных резисторов при 0^oC, при этом величину n определяют из приведенного уравнения. Известное устройство обеспечивает высокую точность компенсации, но имеет недостаток сложность при изготовлении, т.к. требует намотки и точной подгонки по сопротивлению четырех резисторов из медного и манганинового провода.

Целью предлагаемого изобретения является упрощение устройства с улучшением технологичности изготовления без уменьшения точности компенсации.

Поставленная цель достигается тем, что в прецизионном устройстве для компенсации влияния изменения температуры свободных концов термоэлектрического преобразователя генератор постоянного тока и четырехплечую мостовую электрическую схему с неравными по значениям сопротивлений термонезависимыми резисторами, включенными в противоположные плечи моста, и двумя термозависимыми резисторами с линейной зависимостью сопротивления от температуры, включении в два других противоположных плеча моста, одна из диагоналей которого является выходом устройства, а другая подключена к генератору постоянного тока, отношение p значений сопротивлений большего из термонезависимых резисторов к меньшему ограничивают условием: а отношение m значений сопротивлений термозависимых резисторов определяют из уравнения: А2 коэффициент в уравнении U=A1·Θ·(1+α+Θ/2)/(1+A2·Θ) зависимости выходного напряжения устройства от температуры.

α - температурный коэффициент сопротивления термозависимых резисторов, R2, R3 сопротивления термонезависимых резисторов, Θ - температура свободных концов ТП.

На чертеже показана принципиальная электрическая схема предлагаемого прецизионного устройства компенсации.

Устройство содержит генератор постоянного тока 5 и четырехплечую мостовую электрическую схему с не равными по значению сопротивлений двумя термонезависимыми резисторами 2 и 3, включенными в противоположные плечи моста, и двумя термозависимыми резисторами 1 и 4 с линейной зависимостью сопротивления от температуры, включенными в два других противоположных плеча моста, одна из диагоналей которого является выходом устройства, а другая подключена к генератору постоянного тока 5, значения сопротивлений термонезависимых резисторов 2 и 3 выбраны из стандартного ряда резисторов с малым температурным коэффициентом сопротивления, при этом отношение сопротивлений p большего из них к меньшему ограничено условием (10), а соотношение m термозависимых резисторов определено из уравнения (9).

Устройство работает следующим образом. Напряжение на выходе устройства изменяется при изменении температуры свободных концов ТП и равной ей температуры термозависимых резисторов. Параметры устройства выбирают таким образом, чтобы зависимость выходного напряжения УК от температуры было близка к зависимости термоЭДС от температуры. Компенсирующее напряжение U на выходе устройства равно: U I·(R1·R4-R2·R3)/(R1+r2+R3+R4) (1) где I ток генератора,
R1, R2 значения сопротивлений термозависимых резисторов,
R2, R3 значения сопротивлений термонезависимых резисторов.

Термозависимые резисторы имеют линейную зависимость сопротивления от температуры
R1=R0(1+α·Θ) (2)
где
R0 значение сопротивления R1 при 0^oC,
Θ - температура свободных концов ТП,
α - температурный коэффициент сопротивления
Введя обозначения
R2=R0·n (3)
R3=R0·m/n (4)
R4=R0·m (5)
из выражения (1) получим

m, n коэффициенты в уравнениях (3), (5).

Анализ всех возможных решений уравнений (6), (7) и (8) и сравнение получаемых при различных значениях температуры значений выходного напряжения U со значениями термоЭДС при тех же температурах показывает, что существует оптимальные значения коэффициентов А1 и А2, обеспечивающие максимально возможную точность компенсации, которые могут быть получены при различных сочетаниях значений тока и сопротивлений резисторов мостовой схемы.

Определив, например, с использованием метода наименьших квадратов оптимальные значения коэффициентов А1 и А2 и считая значения сопротивлений R2 и R3 термонезависимых резисторов 2 и 3 известными, получим схему четырех уравнений (3), (4), (7) и (8) с четырьмя неизвестными, решив которую получим значение m

При этом из (9) следует, что отношение сопротивлений большего к меньшему термонезависимых резисторов 2 и 3, значениями сопротивлений которых из стандартного ряда резисторов задаемся в начале расчета, не может быть менее значения p, определяемого из выражения

Определив значение m по формуле (9), находим затем значения остальных параметров электрической схемы устройства компенсации:

I=A1·(m+1)/(2·A2·R0·m)
Таким образом в предлагаемом устройстве, в отличие от прототипа, сопротивления термозависимых резисторов не равны друг другу, но не только не равны, их значения выбирают из дискретного ряда, определяемого выражением (9) и (11), задавшись предварительно значениями термонезависимых резисторов из стандартного ряда резисторов с учетом ограничения (10). Отношение m термозависимых резисторов для достижения поставленной цели не может быть задано произвольно или определено по известной методике.

Термонезависимые резисторы выбирают стандартными, например, C2-29 с малым температурным коэффициентом сопротивления, соизмеримым, а при температуре более 20^oC меньшим, чем у резисторов из манганина.

Предлагаемое устройство компенсации проще в изготовлении, чем прототип (требуется намотка и точная подгонка по сопротивлению вместо четырех только двух проволочных резисторов), имеет одинаковую с ним точность и отвечает всем требованиям к прецизионным измерительным устройствам.

Формула изобретения

Прецизионное устройство для компенсации влияния изменения температуры свободных концов термоэлектрического преобразователя, содержащее генератор постоянного тока и четырехплечевую мостовую электрическую схему с не равными по значениям сопротивлений двумя термонезависимыми резисторами, включенными в противоположные плечи моста, и двумя термозависимыми резисторами с линейной зависимостью сопротивления от температуры, включенными в два других противоположных плеча моста, одна из диагоналей которого является выходом устройства, а другая подключена к генератору постоянного тока, отличающееся тем, что отношение р значений сопротивления большего из термонезависимых резисторов к меньшему ограничивают условием

и отношение m значений сопротивлений термозависимых резисторов определяют из уравнения

где

А₂ коэффициент в уравнении U=A₁·Θ·(1+α·Θ/2)/(1+A₂·Θ) зависимости выходного напряжения устройства от температуры;
α - температурный коэффициент сопротивления термозависимых резисторов;
R₂, R₃ сопротивления термонезависимых резисторов;
Θ - температура свободных концов ТП.

РИСУНКИ

Рисунок 1