RU2079822C1 - Device measuring spatial distribution of temperature - Google Patents

Abstract

FIELD: measurement technology, study of distribution of temperature along extended object of complex form. SUBSTANCE: device includes network of aggregate of temperature sensitive elements, A.C. amplitude meter, register, controlled voltage source, harmonic signal source. Temperature sensitive elements are connected into circuits having form of T. Resistors P are placed into series arms of each circuit. Semiconductor diodes connected in opposition are placed into parallel arm. Source E of constant voltage is connected between first input terminal of first temperature sensitive element and first output terminal of last temperature sensitive element. Controlled voltage source, harmonic signal source and A.C. amplitude meter connected in series are placed between input terminal of first temperature sensitive element. EFFECT: decreased number of wires connecting temperature sensitive elements with commutator. 2 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при исследовании распределения температуры вдоль протяженного объекта сложной формы. The invention relates to measuring equipment and can be used to study the temperature distribution along an extended complex-shaped object.

Известны устройства измерения пространственного распределения температур (см. например, патент США N 4875782, кл. G 01 K 7/04; 1990; АС N 1177684, кл. G 01 K 3/02, 1985; N 1223053, G 01 K 7/00, 1986), основанные на измерении электрического сопротивления термочувствительных элементов, размещенных в интересующих точках температурного поля. Known devices for measuring the spatial distribution of temperatures (see, for example, US patent N 4875782, CL G 01 K 7/04; 1990; AC N 1177684, CL G 01 K 3/02, 1985; N 1223053, G 01 K 7 / 00, 1986), based on measuring the electrical resistance of thermosensitive elements located at points of interest in the temperature field.

Недостатком этих устройств является наличие либо механического сканирующего устройства, либо большого количества соединительных проводов и коммутатора (переключателя). The disadvantage of these devices is the presence of either a mechanical scanning device, or a large number of connecting wires and a switch (switch).

Прототипом изобретения выбрана система для многоточечного измерения температуры по заявке Польши N 267058, кл. G 01 K, 1991, содержащая датчик температуры, представляющие собой полупроводниковые переходы, подключенные к преобразователю температура-напряжение и измерительному усилителю. Блок переключения точек измерения в контролируемой зоне состоит из коммутатора и управляющей им электронной схемы. Сигнал измерительного усилителя передается в цифровой милливольтметр. The prototype of the invention selected a system for multi-point temperature measurement according to the application of Poland N 267058, cl. G 01 K, 1991, comprising a temperature sensor representing semiconductor junctions connected to a temperature-voltage converter and a measuring amplifier. The unit for switching measurement points in the controlled area consists of a switch and an electronic circuit controlling it. The signal of the measuring amplifier is transmitted to a digital millivoltmeter.

Недостатком прототипа является необходимость большого количества проводов, соединяющих термочувствительные элементы с коммутатором. The disadvantage of the prototype is the need for a large number of wires connecting the thermosensitive elements to the switch.

При создании изобретения решалась задача сокращения количества проводов, соединяющих множество дискретных термочувствительных элементов с измерителем. When creating the invention, the problem of reducing the number of wires connecting a plurality of discrete heat-sensitive elements with a meter was solved.

Эта задача решена тем, что устройство измерения пространственного распределения температуры, содержащее множество термочувствительных полупроводниковых элементов, расположенных в контролируемых точках, измеритель, к выходу которого подключен регистратор, снабжено регулируемым источником напряжения и источником гармонического сигнала, при этом термочувствительные элементы соединены последовательно друг с другом и представляют собой схемы, соединенные в виде Т, в последовательные плечи каждой включены резисторы R, а в параллельное плечо встречно соединенные полупроводниковые диоды. Между первой входной клеммой первого термочувствительного элемента и первой выходной клеммой последнего термочувствительного элемента включен источник постоянного напряжения Е, между входными клеммами первого термочувствительного элемента включены последовательно соединенные регулируемый источник напряжения, источник гармонического сигнала и измеритель амплитуды переменного тока. This problem is solved in that the device for measuring the spatial distribution of temperature, containing many thermosensitive semiconductor elements located at controlled points, the meter to the output of which the recorder is connected, is equipped with an adjustable voltage source and a harmonic signal source, while the thermosensitive elements are connected in series with each other and are circuits connected in the form of T, resistors R are included in the serial arms of each, and in parallel lecho counter connected semiconductor diodes. A constant voltage source E is connected between the first input terminal of the first heat-sensitive element and the first output terminal of the last heat-sensitive element, an adjustable voltage source, a harmonic signal source and an alternating current amplitude meter are connected in series between the input terminals of the first heat-sensitive element.

Таким образом, исследуемый объект связан с измерителем тремя проводами при множестве контролируемых точек, кроме того, исключена необходимость использования коммутатора. Thus, the object under study is connected to the meter by three wires with a variety of controlled points, in addition, the need to use a switch is eliminated.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства измерения пространственного распределения температуры. На фиг. 2 пример технической реализации устройства. In FIG. 1 is a functional diagram of a device for measuring the spatial distribution of temperature. In FIG. 2 example of a technical implementation of the device.

Устройство по фиг. 1 содержит последовательную цепочку их N термочувствительных элементов 1_n; между первой входной клеммой первого термочувствительного элемента 1₁ и первой выходной клеммой постоянного элемента 1_N включен источник напряжения 2, а между входными клеммами первого элемента 1 включены последовательно соединенные источник гармонического сигнала 3, регулируемый источник напряжения 4 и измеритель амплитуды переменного тока 5, выполненный, например, в виде преобразователя ток-напряжение, к выходу которого подключен регистратор 6.The device of FIG. 1 contains a series of N thermosensitive elements 1 _n ; between the first input terminal of the first heat-sensitive element 1 ₁ and the first output terminal of the constant element 1 _N, a voltage source 2 is connected, and between the input terminals of the first element 1 are connected in series a harmonic signal source 3, an adjustable voltage source 4 and an AC amplitude meter 5, for example, in the form of a current-voltage converter, to the output of which a recorder 6 is connected.

Измеритель 5 амплитуды переменного тока на фиг. 2 содержит токосъемный резистор R₀, разделительный конденсатор C_p, усилитель 7, детектор 8, к выходу которого через устройство ввода-вывода 9 подключена ЭВМ 10. Кроме того, на фиг. 2 генератор гармонического сигнала 3 и генератор пилообразного напряжения 4 подключены ко входам сумматора 11, выход которого подключен к входной клемме первого термочувствительного элемента 1₁.AC amplitude meter 5 in FIG. 2 contains a current collector resistor R ₀ , an isolation capacitor C _p , an amplifier 7, a detector 8, to the output of which a computer 10 is connected via an input-output device 9. In addition, in FIG. 2 a harmonic signal generator 3 and a sawtooth voltage generator 4 are connected to the inputs of the adder 11, the output of which is connected to the input terminal of the first heat-sensitive element 1 ₁ .

Устройство по фиг. 2 работает следующим образом. The device of FIG. 2 works as follows.

На вход термочувствительных элементов 1 с выхода сумматора 11 поступает суммарное напряжение U_Σ=U_гпн+U_msinω_гt, где U_m≪ Φ_т (Φ_т температурный потенциал), частота ω_г гармонического сигнала ГГС 3 выбирается из условия: ω_гпн≪ω_г≪1/NRC,, где ω_гпн верхняя частота спектра сигнала генератора пилообразного напряжения ГПН 4, с входная суммарная емкость параллельного звена Т схем, причем

Напряжение на выходе ГПН 4 изменяется от О до Е, где Е напряжение источника 2, включенного встречно с ГПН 4, вследствие чего вдоль цепочки термочувствительных элементов 1 устанавливается линейное распределение потенциала

При изменении напряжения ГПН 4 значение потенциала U(n) становится равным нулю поочередно на входе каждого параллельного плеча Т-схемы 1n. При этом общее дифференциальное сопротивление встречно включенных диодов Д₁ и Д₂ минимально, и ток в цепи измерителя определяется n-ым термочувствительным элементом и пропорционален значению температуры в точке установки n-го термочувствительного элемента 1n. Известно (см. Викулин И.М. Стахеев В.И. Физика полупроводниковых приборов М. Радио и связь, 1990, с.23, 204), что зависимость обратного тока насыщения p-n перехода от температуры Т определяется выражением

где E_g потенциальный барьер p-n перехода,
K постоянная Больцмана,
А коэффициент пропорциональности.The input of the thermosensitive elements 1 from the output of the adder 11 receives the total voltage U _Σ = U _GPN + U _m sinω _g t, where U _m ≪ Φ _t (Φ _{t is the} temperature potential), the frequency ω _{g of the} harmonic signal of the GHS 3 is selected from the condition: ω _gp ≪ω _g ≪1 / NRC, where ω _{GPN is the} upper frequency of the signal spectrum of the sawtooth voltage generator GPN 4, with the input total capacitance of the parallel link T of the circuits, and

The voltage at the output of the GPN 4 varies from O to E, where E is the voltage of the source 2 connected in opposite to the GPN 4, as a result of which a linear potential distribution is established along the chain of heat-sensitive elements 1

When the voltage of the GPN 4 changes, the value of the potential U (n) becomes equal to zero alternately at the input of each parallel arm of the T-circuit 1n. In this case, the total differential resistance of the on-board diodes D ₁ and D _{2 is} minimal, and the current in the meter circuit is determined by the nth heat-sensitive element and is proportional to the temperature at the installation point of the n-th heat-sensitive element 1n. It is known (see Vikulin I.M. Staheev V.I. Physics of semiconductor devices M. Radio and Communications, 1990, p.23, 204) that the dependence of the return saturation current pn of the transition on temperature T is determined by the expression

where E _{g is the} potential barrier of the pn junction,
K Boltzmann constant,
And the coefficient of proportionality.

Дифференцирование суммарного тока насыщения диодов Д₁ и Д₂ дает пик, уровень которого пропорционален температуре в точке установки термочувствительного элемента 1n, потенциал U(n) которого в данный момент изменения напряжения ГПН 4 равен нулю. Использование гармонического сигнала позволяет заменить операцию дифференцирования.Differentiation of the total saturation current of the diodes D ₁ and D ₂ gives a peak whose level is proportional to the temperature at the installation point of the thermosensitive element 1n, the potential U (n) of which at the moment of the change in voltage of the ГПН 4 is zero. Using a harmonic signal allows you to replace the differentiation operation.

При подаче на термочувствительный элемент U_Σ через R₀ протекает ток 1 (U_Σ)

откуда
I_m(U)sinω_гt)=I(U+U_msinω_гt)-I(U)
При sinω_гt= ± 1 зависимости изменения (дифференциала) тока I_Σ от напряжения ГПН 4 определяется выражением
DI(U)=2I_m(U).
Таким образом, измеряя амплитуду переменного тока в цепи измерителя, можно определить температуру в точках установки термочувствительных элементов 1n. Резистор R₀ на фиг. 2 осуществляет преобразование переменного тока в переменное напряжение. Через конденсатор C_p проходит только переменная составляющая. С выхода детектора 8 значение напряжения, пропорциональное амплитуде переменного тока, через устройство ввода-вывода 9 поступает в ЭВМ 10. Через другой канал устройства 9 в ЭВМ 10 поступает соответствующее значение напряжения ГПН 4. В память ЭВМ 10 предварительно заносится экспериментально найденная зависимость амплитуды переменного тока 1_m от температуры.When applying to the heat-sensitive element U _Σ through R ₀ flows current 1 (U _Σ )

where from
I _m (U) sinω _g t) = I (U + U _m sinω _g t) -I (U)
For sinω _g t = ± 1, the dependence of the change (differential) of the current I _Σ on the voltage of the GPN 4 is determined by the expression
DI (U) = 2I _m (U).
Thus, by measuring the amplitude of the alternating current in the meter circuit, it is possible to determine the temperature at the installation points of the thermosensitive elements 1n. The resistor R ₀ in FIG. 2 converts AC to AC voltage. Through the capacitor C _p passes only the variable component. From the output of the detector 8, the voltage value proportional to the amplitude of the alternating current passes through the input-output device 9 to the computer 10. Through the other channel of the device 9, the corresponding voltage of the tap-changer 4 is supplied to the computer 10. The experimentally found dependence of the amplitude of the alternating current is preliminarily stored in the memory of the computer 10. 1 _m from the temperature.

Опытный образец термочувствительных элементов 1 был выполнен на диодах типа КД104А и резисторах типа С2-29В с номиналом 100 Ом. Диоды подобраны по обратному току насыщения с погрешностью не более 1% В качестве источника 2 использовался ТЕС-20, генератора гармонического сигнала 3-Г3 118, ГПН 4-Г6-27. Усилитель 7, детектор 8 выполнены на основе операционных усилителей, тип К140УД17, К140УД6. В качестве ЭВМ 10 может быть использована любая персональная ЭВМ, с соответствующим устройством ввода, включающим в себя АЦП. ГПН 4 может перестраиваться плавно со скоростью, допускаемой инерционностью используемых элементов, или ступенчато с шагом

, кроме П 1:

A prototype of thermosensitive elements 1 was performed on diodes of the type KD104A and resistors of type C2-29V with a nominal value of 100 Ohms. The diodes are selected according to the return saturation current with an error of not more than 1%. As a source 2, TEC-20, harmonic signal generator 3-G3 118, GPN 4-G6-27 were used. Amplifier 7, detector 8 are based on operational amplifiers, type K140UD17, K140UD6. As a computer 10 can be used with any personal computer, with the appropriate input device, including an ADC. GPN 4 can be tuned smoothly at a speed allowed by the inertia of the elements used, or stepwise in steps

except P 1:

Claims (1)

Устройство измерения пространственного распределения температуры, содержащее множество термочувствительных полупроводниковых элементов, расположенных в контролируемых точках, измеритель, к выходу которого подключен регистратор, отличающееся тем, что в него введены регулируемый источник напряжения (O ≅ U ≅ E) и источник гармонического сигнала, при этом термочувствительные полупроводниковые элементы соединены последовательно друг с другом и представляют собой схемы, соединенные в виде T, в последовательные плечи каждой включены резисторы R, а в параллельное плечо встречно соединенные полупроводниковые диоды, между первой входной клеммой первого термочувствительного элемента и первой выходной клеммой последнего термочувствительного элемента включен источник постоянного напряжения E, между входными клеммами первого термочувствительного элемента включены последовательно соединенные регулируемый источник напряжения, источник гармонического сигнала и измеритель амплитуды переменного тока. A device for measuring the spatial distribution of temperature, containing a lot of thermosensitive semiconductor elements located at controlled points, a meter to the output of which a recorder is connected, characterized in that an adjustable voltage source (O ≅ U ≅ E) and a harmonic signal source are introduced into it, while thermosensitive semiconductor elements are connected in series with each other and are circuits connected in the form of T, the resis tori R, and counter-connected semiconductor diodes in the parallel arm, a constant voltage source E is connected between the first input terminal of the first heat-sensitive element and the first output terminal of the last heat-sensitive element, an adjustable voltage source, harmonic signal source and meter are connected in series between the input terminals of the first heat-sensitive element amplitudes of alternating current.

Images