Устройство для измерения криогенных температур

Авторы патента:

G01K7/16 - с использованием резистивных термоэлементов (резисторы как таковые H01C,H01L)

Владельцы патента RU 2602400:

Каплан Борис Юхимович (RU)

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для криогенных температур. Предложено устройство для измерения криогенных температур, содержащее термометр сопротивления, образцовый резистор и источник тока, подключенный к токовому входу термометра сопротивления. Источник тока выполняется регулируемым в виде операционного усилителя, к прямому входу которого подключен один выход источника образцового напряжения, а к инверсному - потенциальный выход термометра сопротивления. Второй потенциальный выход термометра через повторитель соединен со вторым выходом источника образцового напряжения, а токовый выход термометра сопротивления подключен к образцовому резистору и место его подключения является выходом устройства. Технический результат - повышение точности измерения криогенных температур и упрощение схемы устройства. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, а конкретнее к измерениям криогенных температур.

Особенностью измерений температур в области жидкого водорода и других низкокипящих жидкостей (гелий, азот, кислород и т.д.) является малое абсолютное сопротивление чувствительного элемента термометра сопротивления и малая крутизна преобразования выходного параметра. Например, сопротивление платинового термометра сопротивления с сопротивлением 100 Ом при 273,15 К имеет значение 0,406 Ом при 13,15 К и 0,745 Ом при 20,15 К [1, стр. 184]. При столь малых изменениях сопротивления термометра результаты измерений в очень большой мере зависят от влияющих факторов (сопротивления подводящих проводов, их изменения под действием температуры, сопротивления переходных контактов, паразитных термоэдс, наводок и шумов). Указанные факторы не позволяют реализовать измерение криогенных температур с малой погрешностью, что особенно важно при измерении параметров ракетных двигателей с криогенными компонентами топлива (например, жидкий водород - жидкий кислород).

Известно устройство для измерения температуры [2], содержащее термометр сопротивления, источник тока, генератор прямоугольных импульсов, ключи, два образцовых резистора, операционные усилители, фильтр нижних частот. В известном устройстве парируется дрейф усилителей, что несколько снижает погрешность преобразования температуры в электрический сигнал, но не устраняет воздействия влияющих факторов, указанных выше.

Наиболее близким по технической сущности является решение, предложенное в устройстве для измерения температуры [3]. В указанном устройстве [3], содержащем термометр сопротивления, к которому через мультиплексор подключены источник тока с двумя токоустанавливающими сопротивлениями и аналого-цифровой преобразователь, два образцовых сопротивления, процессор и группу ключей, подключающих по командам процессора те или иные образцовые сопротивления к мультиплексору и токоустанавливающие сопротивления к источнику тока. Снижение погрешности преобразования низких (криогенных) температур достигается в устройстве за счет задания в процессоре уровня напряжения, с которым сравнивается текущий сигнал с термометра сопротивления. Если сигнал оказывается ниже заданного уровня, по команде процессора срабатывают ключи и с генератора тока на питание термометра подается ток, как минимум в 10 раз больший предыдущего режима. Большой ток при малых сопротивлениях термометра увеличивает его выходное напряжение, тем самым улучшая соотношение между полезным сигналом и паразитными термоэдс, шумами и помехами, что, в конечном итоге, ведет к снижению погрешности измерения криогенных температур.

Однако предложенное решение, исключая одни составляющие погрешности, ведет к росту других, а именно:

- десятикратный (и более) рост тока в цепи термометра сопротивления ведет к десятикратному росту падения напряжения на подводящих цепях, сопротивление которых точно не известно, но сопоставимо с сопротивлением термометра при криогенных температурах; в рассматриваемом устройстве не представляется возможным оценить, какая часть напряжения определяется сопротивлением термометра, а какая подводящими цепями (сопротивлением мультиплексора, подводящих проводов, переходными контактами);

- большой ток в цепи термометра сопротивления при очень малых значениях сопротивления чувствительного элемента, например, при 0,5 Ом, может быть вполне приемлем, но с ростом сопротивления, например, при 1 Ом, джоулево тепло приведет к недопустимому разогреву чувствительного элемента и росту систематической погрешности измерений.

Кроме того, устройство сложно с точки зрения количества электронных компонентов и программирования. Остановимся на последнем, неочевидном, недостатке.

Дело в том, что после переключения устройства на увеличенный ток питания термометра сопротивления его выходное напряжение скачком превысит порог переключения и процессор должен дать команду на возврат к малому току питания. После этого напряжение с термометра упадет ниже порога переключения и процессор вновь даст команду на увеличение тока питания термометра. Возникает релаксационный автоколебательный процесс, не позволяющий получить достоверные результаты измерений. Чтобы исключить указанный режим, необходимо задать второй порог (порог возврата к малому току), до достижения которого термометр будет греться джоулевым теплом большого тока, что, как было указано выше, ведет к большой систематической погрешности измерений температуры.

Целью изобретения является повышение точности измерения криогенных температур и упрощение схемы устройства. Поставленная цель достигается в устройстве для измерения криогенных температур, содержащем термометр сопротивления, образцовый резистор и источник тока, подключенный к токовому входу термометра сопротивления тем, что источник тока выполняется регулируемым в виде операционного усилителя, к прямому входу которого подключен один выход источника образцового напряжения, а к инверсному - потенциальный выход термометра сопротивления; второй потенциальный выход термометра через повторитель соединен со вторым выходом источника образцового напряжения; токовый выход термометра сопротивления подключен к образцовому резистору и место его подключения является выходом устройства.

На фигуре представлена схема предлагаемого устройства, на которой условно не показаны цепи питания операционных усилителей и источника образцового напряжения.

Согласно схеме источник образцового напряжения (например, микросхема AD780 BNZ с резистивным делителем напряжения на выходе) 1 подключен к неинвертирующему входу операционного усилителя 2, выход которого соединен с токовым входом термометра сопротивления 3. Потенциальный выход термометра сопротивления 3 подключен к инвертирующему входу усилителя 2. Токовый выход термометра сопротивления подключен к образцовому сопротивлению 4, падение напряжения на котором является выходным сигналом схемы. Второй потенциальный выход термометра сопротивления 3 через повторитель 5 на базе операционного усилителя подключен к общей точке источника образцового напряжения 1. Все электронные элементы смонтированы в электронном узле, обозначенном на схеме пунктирными линиями, а места подключения соединительных проводов к электронному узлу и термометру сопротивления 3 обозначены кружками.

Схема работает следующим образом. Источник образцового напряжения 1 задает на неинвертирующем входе усилителя 2 постоянное образцовое напряжение U₀. Указанное напряжение создает на выходе усилителя 2 ток I_d, протекающий через сопротивление термометра 3 и образцовое сопротивление 4. В каждый момент времени величина тока I_d имеет такое значение, что падение напряжения на сопротивлении термометра 3 точно равно образцовому напряжению U₀. Следовательно, зависимость между величиной тока I_d и текущим значением сопротивления термометра R_d, функционально связанным с измеряемой температурой, равна:

Поскольку числитель правой части выражения является постоянной величиной, то получается однозначная зависимость тока через сопротивление термометра I_d и величиной сопротивления R_d.. При этом выходной ток тем больше, чем меньше сопротивление термометра, другими словами, в области криогенных температур, когда сопротивление термометра R_d мало, выходной сигнал преобразователя сопротивления в ток максимален.

Ток I_d, протекая через образцовое сопротивление 4, создает на нем падение напряжения U_ВЫХ, являющееся выходным сигналом устройства. Если номинальное значение образцового сопротивления равно R₀, то выходной сигнал устройства, с учетом выражения (1), равен:

Выражение (2) точно описывает выходной сигнал устройства только в том случае, когда образцовое напряжение U₀ сравнивается только с падением напряжения на сопротивлении термометра R_d, исключая падение напряжения на образцовом сопротивлении 4 и сопротивлении провода, соединяющего токовый выход термометра 3 с образцовым сопротивлением 4. Для реализации указанного требования второй потенциальный выход термометра сопротивления через повторитель 5 подключен к общему выходу источника опорного напряжения 1, создавая на неинвертирующем входе операционного усилителя 1 образцовое напряжение U₀ не относительно общей шины устройства, а относительно второго потенциального выхода термометра 3.

Как видно из выражения (2), выходной сигнал устройства обратно пропорционален сопротивлению термометра и при криогенных температурах выходной сигнал имеет максимальное значение и чувствительность преобразования. Для примера предположим, что измеряются криогенные температуры платиновым термометром сопротивления с сопротивлением 100 Ом при 273,15 К. Зададим образцовое напряжение U₀ равным 40 мВ и образцовое сопротивление R₀ равным 50 Ом. При температуре термометра 13,15 К сопротивление R_d=0,4 Ом, и согласно выражению (2) выходной сигнал схемы равен

U_{ВЫХ 1}=40·10^-3·50/0,4=5 В.

При температуре 20,15 К R_d=0,745 Ом и

U_{ВЫХ 2}=40·10^-3·50/0,745=2,68 В.

Таким образом, предлагаемое устройство для измерения криогенных температур обеспечивает большой выходной сигнал при низких температурах, существенно улучшая отношение сигнала к помехам, шумам и паразитным термоэдс, снижая тем самым погрешность измерения температур. Все устройство может быть реализовано на двух микросхемах (источник образцового напряжения AD780 BNZ и два операционных усилителя в одном корпусе, например, AD8532AR) и нескольких образцовых резисторах, что существенно проще схемы прототипа.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Геращенко О.А., Гордов А.Н., Лах В.И. и др. Температурные измерения. Справочник. Киев: «Наукова думка», 1984, 496 с.

2. Устройство для измерения температуры. Патент РФ №2492436, МПК G01K 7/16.

3. Устройство для измерения температуры. Патент РФ №2253846, МПК G01K 7/16.

Устройство для измерения криогенных температур, содержащее термометр сопротивления, образцовый резистор и источник тока, подключенный к токовому входу термометра сопротивления, отличающееся тем, что источником тока является операционный усилитель, к прямому входу которого подключен один выход источника образцового напряжения, к инверсному - потенциальный выход термометра сопротивления, второй потенциальный выход термометра через повторитель соединен со вторым выходом источника образцового напряжения, а токовый выход термометра сопротивления подключен к образцовому сопротивлению и место подключения является выходом устройства.

Изобретение относится к области измерительной техники и может найти применение в многоканальных устройствах для измерения температур с помощью термопреобразователей сопротивления.

Цифровой измеритель температуры // 2549255

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения температуры контактными резисторными датчиками в окружающей среде и в технологических процессах. Техническим результатом изобретения является повышение точности за счет уменьшения динамической погрешности измерения, обусловленной тепловой инерцией датчика, снижения случайной и систематической погрешностей вторичного измерительного преобразователя схемно-алгоритмическим способом. Измеритель выполнен в составе измерительного моста 1, блока преобразования и обработки 2 и источника питания 3.

Способ для определения неисправности датчика температуры и устройство формирования изображения, использующее его // 2546722

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для определения неисправности датчика температуры, используемого в устройстве формирования изображения.

Многоканальное устройство для измерения температуры // 2526195

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системе терморегулирования и телеметрии космических аппаратов (КА). Многоканальное устройство для измерения температуры содержит термометры сопротивления (ТС), задающие резисторы (ЗР), общая точка которых соединена с общей шиной, генератор стабильного тока (ГСТ), один из выводов которого подключен к общей шине, три усилителя, соединенные последовательно, схему управления (СУ), восемь многопозиционных однополюсных электронных переключателей (МОЭП).

Датчик температуры для измерения температуры тела // 2525568

Изобретение относится к области термометрии и может быть использовано для измерений температуры тела. Датчик температуры изготавливается из нескольких слоев, где первый слой имеет центральный нагревательный элемент, встроенный в него.

Резистивный датчик температуры // 2521726

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для измерения температуры объекта. Заявлен резистивный датчик (10) температуры с первым элементом (6) датчика температуры и вторым элементом (7) датчика температуры.

Технология изготовления и подгонки чувствительного элемента термопреобразователя сопротивления (варианты) // 2519834

Область применения: системы измерительной техники. Сущность изобретения: предлагаются варианты изготовления серии чувствительных элементов из участков моноспирали или прямого термочувствительного провода с заданными параметрами сопротивления, осуществляют подгонку параметра пробной группы из партии готовых чувствительных элементов к номинальному значению, а затем в выбранном режиме осуществляют подгонку всей партии.

Термометр сопротивления // 2513654

Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано в приборостроении, в технологии изготовления пленочных термометров сопротивления с температурным коэффициентом сопротивления платины.

Способ измерения температуры // 2509990

Изобретение относиться к термометрии и может быть использовано при измерении быстроменяющихся температур с централизованной обработкой информации на микропроцессорной технике.

Способ изготовления термопреобразователя сопротивления // 2509989

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для анализа жидких и газообразных сред. Заявлен способ изготовления термопреобразователя сопротивления, согласно которому после герметизации стеклянного чехла с установленным внутри термочувствительным элементом кассету повторно приближают к нагревателю и после заданной выдержки по времени, обеспечивающей размягчение стекла, удаляют кассету в исходное положение, а в вакуумную камеру подают воздух.

Интеллектуальное средство измерений температуры // 2617458

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для увеличения длительности межкалибровочного интервала (МКИ) интеллектуального средства измерений температуры. Интеллектуальное средство измерений температуры (ИСИТ) содержит термочувствительный элемент, включающий два термометра сопротивления, а также блок измерения и обработки, подключенный к термочувствительному элементу. Термометры сопротивления имеют различную чувствительность к основному фактору, влияющему на изменение градуировочной характеристики по мере старения термочувствительного элемента. ИСИТ дополнительно снабжено нагревателем термочувствительного элемента и источником его питания, обеспечивающими в диапазоне рабочих температур одновременный одинаковый нагрев двух термометров сопротивления термочувствительного элемента относительно рабочей температуры на значение, превышающее утроенную допустимую погрешность измерения температуры. Источник питания нагревателя соединен с блоком измерения и обработки. Технический результат - обеспечение автоматической оценки уровня составляющих погрешности, не входящих в состав критической составляющей. 3 ил.

Способ определения температурного поля // 2622094

Изобретение относится к области термометрии и может быть использовано при тепловых испытаниях печей, применяемых для высокотемпературных обработок материалов, например карбонизации, для определения температурных полей внутри печи. Предложен способ определения температурного поля в области пространства рабочего объема печи при нагреве, заключающийся в том, что в область пространства рабочего объема печи помещают датчик температурного поля разового использования и создают подлежащее определению температурное поле, воздействующее на датчик температурного поля. После прекращения воздействия температурного поля на датчик температурного поля определяют характеристики датчика температурного поля, зафиксированные элементами датчика под воздействием температурного поля. Определяют температуру в области пространства расположения элементов датчика, а по значениям температуры и значениям координат точек определения температуры в области пространства рабочего объема печи судят о распределении температурного поля в рабочем объеме печи. Причем датчик температурного поля, выполненный в виде гибкой электропроводящей нити на основе углерода, состоящей из элементов, образующих единое целое в составе нити и фиксирующих максимальную температуру в области пространства их расположения из диапазона температур создаваемого температурного поля, размещают в области пространства рабочего объема печи с последующим заполнением рабочего объема печи химически инертной к датчику средой. Температуру создаваемого температурного поля задают в диапазоне от 600 до 3000°C и определяют значения электрического сопротивления по длине датчика в выбранных точках, соответствующих точкам с координатами точек определения температурного поля в области пространства рабочего объема печи, с точностью по длине от 0,4 мкм. Определяют значения температур в выбранных точках по длине датчика путем сравнения полученных результатов электрического сопротивления датчика с предварительно построенной градуировочной кривой зависимости электрического сопротивления датчика от температуры и на основе определенных ранее значений температур в выбранных точках и координат этих точек, соответствующих координатам точек определения температурного поля в области пространства рабочего объема печи, определяют температурное поле в области пространства рабочего объема печи с точностью по температуре до 0,267×10-7°C. Технический результат - повышение точности измерения температурного поля. 8 табл., 16 ил.

Датчик измерения температурного поля // 2622236

Изобретение относится к области термометрии и может быть использовано при тепловых испытаниях печей, применяемых для высокотемпературных обработок материалов, например графитации, для определения температурных полей внутри печи. Заявлен датчик измерения температурного поля в точках пространства расположения элементов датчика разового использования для высокотемпературных печей со средой, химически инертной по отношению к датчику измерения температурного поля, состоящий из элементов, фиксирующих температуру в области пространства, где они расположены, меняющий свое состояние в процессе нагрева температуры температурного поля. Причем датчик измерения температурного поля выполнен в виде гибкой электропроводящей нити на основе углерода из полиакрилонитрила, состоящей из элементов, образующих единое целое в составе нити, меняющий свое физико-химическое состояние под действием температурного поля, фиксирующий максимальную температуру температурного поля от 1500 до 3000°C в области пространства определения температурного поля в точках пространства с координатами вдоль расположения нити с точностью по длине от 0,4 мкм. Технический результат - повышение температурной границы определения температурного поля до 3000°C за счет использования гибкой электропроводящей нити на основе углерода, полученной из полиакрилонитрила, при одновременном повышении точности измерения температурного поля в малых объемах и возможности определения температурного поля в точках пространства с координатами вдоль расположения нити с точностью по длине от 0,4 мкм, а также с точностью по температуре до . 3 табл., 8 ил.

Устройство для измерения температуры // 2622490

Изобретение относится к области термометрии и может быть использовано для измерения температуры окружающей среды. Устройство для измерения температуры содержит резистивный датчик температуры 1, включенный в управляющую цепь ждущего мультивибратора 2, выход которого через последовательно соединенные управляемый мультивибратор 3, электроакустическую линию задержки 4 и усилитель 5 подключен к управляющему входу ждущего мультивибратора 2, выход которого также соединен с первым входом логической схемы И 6, второй вход которой связан с выходом генератора опорной частоты 7. При этом выход схемы И 6 соединен со счетным входом реверсивного счетчика импульсов 8 (СЧ), выходы которого через логическую схему ИЛИ 9 связаны со счетным входом триггера 10, соединенного своими выходами со входами управления режимами работы реверсивного счетчика импульсов 8. Устройство позволяет получать результаты измерений с высокой точностью непосредственно в цифровом виде приращений длительности импульса относительно длительности при нулевом значении температуры. Технический результат - повышение точности работы устройства путем исключения учета нестабильности работы управляемого мультивибратора и линии задержки. 1 ил.

Комбинированный сигнализатор давления и температуры фильтра // 2625043

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к двигателестроению, и может быть использовано для сигнализации о возрастании гидравлического сопротивления топливного фильтра до заданного критического значения, служащего критерием для его замены или очистки, а также о падении давления на входе фильтра и чрезмерном нагреве топлива. Cигнализатор фильтра содержит корпус с цилиндрической камерой, снабженной подпружиненным цилиндрическим поршнем, разделяющим камеру на две полости, и магнитом, прикрепленным к поршню. В корпусе со стороны магнита расположены неподвижный и подвижный контакты сигнализации о перепаде давления, причем подвижный контакт выполнен магнитоуправляемым. Первая полость камеры выполнена с возможностью соединения с входом фильтра, вторая полость со стороны пружины выполнена с возможностью соединения с выходом фильтра. Магнит закреплен на противоположном от пружины торце поршня. В корпусе выполнена вторая камера, снабженная мембраной, разделяющей вторую камеру на две полости. Первая полость второй камеры выполнена с возможностью соединения с входом фильтра, а во второй полости второй камеры расположены неподвижный и подвижный контакты сигнализации о давлении на входе, причем подвижный контакт соединен с мембраной. В корпусе закреплен терморезистор, снабженный контактами сигнализации о температуре. Технический результат - расширение функциональных возможностей сигнализатора фильтра. 1 ил.

Многоканальное устройство контроля температуры // 2631018

Устройство относится к измерительной технике, в частности к техническим средствам измерения температуры зерна во время сушки и хранения. Заявлено многоканальное устройство контроля температуры, содержащее блок питания, преобразователь сопротивления в длительность импульсов, блок коммутации, формирователь сигналов, блок индикации информации. При этом преобразователь содержит ключ, вход которого соединен с источником питания, управляющий вход соединен с входом разряда таймера, а выход с его информационным входом и входами датчиков, а через образцовый конденсатор с общей шиной, вход опорного напряжения таймера соединен с выходом блока питания, а выход таймера, являющийся выходом преобразователя, соединен с первым входом формирователя, второй вход которого соединен с выходом тактового генератора, являющегося выходом коммутатора. Блок коммутации содержит мультиплексор, информационные входы которого соединены с выходами соответствующих датчиков, и выход с общей шиной, а управляющий вход с выходом счетчика и через дешифратор с индикатором кода канала, вход счетчика соединен с выходом тактового генератора, и счет выполняется циклически с модулем счета, равным числу каналов. Первый вход формирователя соединен с входами синхронизации первого и третьего триггеров и через инвертор с входом синхронизации второго триггера. Второй вход формирователя соединен с первыми входами первого и второго элементов «И», выходы которых соединены с информационными входами соответственно третьего и первого триггеров, а вторые входы соответственно с прямым и инверсным выходами второго триггера. Информационный вход второго триггера соединен с выходом элемента «ИЛИ», входы которого соединены с прямыми выходами первого и третьего триггеров. Входы третьего элемента «И» соединены с прямыми выходами первого и второго триггеров, а выход является первым выходом формирователя и соединен с первым входом блока индикации, являющегося первым входом пятого элемента «И», второй вход которого соединен с выходом генератора контрольной частоты, а выход с входом калибратора, содержащего последовательно соединенные счетчики - масштабирующий и двоично-десятичный, выход калибратора соединен с последовательно соединенными дешифратором и индикатором, входы сброса счетчиков калибратора соединены с вторым входом блока индикации и вторым выходом формирователя, являющимся выходом четвертого элемента «И», входы которого соединены с прямым выходом первого триггера и инверсным выходом второго триггера. Технический результат - повышение точности измерений, расширение функциональных возможностей устройства. 4 ил.

Датчик измерения температурного поля // 2633652

Способы и устройства для обнаружения тока утечки в резистивном датчике температуры // 2640126

Изобретение относится к области измерения температур с помощью резистивного датчика температуры. Способ обнаружения тока утечки в резистивном датчике температуры, включающий следующие этапы: обеспечение контура резистивного датчика температуры первым резистивным контуром и вторым резистивным контуром; измерение начального напряжения на первом резистивном контуре в ответ на подачу начального тока на первый резистивный контур; измерение последующего напряжения на втором резистивном контуре в ответ на подачу последующего тока на второй резистивный контур; сопоставление начального и последующего напряжений для определения разностной величины; и определение того, что в контуре резистивного датчика температуры существует утечка тока, когда разностная величина не находится в пределах первого диапазона. 3 н. и 21 з.п. ф-лы, 5 ил.

Измерение однородной температуры катушки путем увеличения сопротивления провода // 2645900

Изобретение относится к способу измерения температуры намотанного компонента, содержащему подачу известного постоянного тока в калибровочный провод (1) из резистивного материала; причем сопротивление калибровочного провода меняется вместе с температурой согласно известному закону; измерение разности потенциалов между зажимами (7a, 7b) упомянутого калибровочного провода; и этап вычисления, в ходе которого разность потенциалов преобразуется в среднюю температуру калибровочного провода; причем упомянутый калибровочный провод (1) намотан внутри катушки и уложен в ряд витков «Вперед» (5) и в ряд витков «Обратно» (6), объединенных попарно по существу с одинаковыми геометрической формой и местом расположения. Оно также относится к компоненту, выполненному для обеспечения возможности осуществления данного способа и совокупности измерительного устройства. Технический результат - повышение точности определения температуры для снижения рисков превышения критической температуры или образования ложных сигналов опасности. 4 н. и 9 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.