SU742724A1 - Устройство дл регистрации температуры - Google Patents

Description

Изобретение относится к области измерения температуры с помощью термометров сопротивления и может быть использовано для повышения точности регистрации температуры, изменяющейся в широком диапазоне значений. $

Известны устройства для измерения и регистрации температуры [1] и [2].

Однако они не обеспечивают высокой точности из-за наличия в этих схемах усилителей с большим, но нестабильным коэффициентом усиления и неизбежным дрейфом нуля.

Известны также устройства, в которых одновременное питание термометра сопротивления постоянным и переменным токами повышает чувствительность измерительной схемы и облег- ₎₅ чает задачу регистрации результата измерения с помощью регистрирующего милливольтметра постоянного тока [3].

Однако нелинейность преобразования температуры в электрическом напряжении при-больших изменениях температуры снижает точность регистрации.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство, со'дер2 жащее измерительную схему с термодатчиком, подключенную к выходу генератора импульсов, усилитель, ключи и источник постоянного тока, трансформатор, источник, опорного напряжения, резисторы, диоды и транзисторы, включенные определенным образом, в котором регулирование длительности импульсов в зависимости от измеряемой температуры улучшает линейность выходной характеристики устройства [4].

Недостаток такого устройства — неустраненное влияние нелинейное™ и нестабильное™ характеристики самого термодатчика на результат измерения.

Цель изобретения - повышение точности регистрации температуры, изменяющейся в широком диапазоне значений.

Цель достагается тем, что в устройство, содержащее термометр сопротавления, включенный в мостовую измерительную схему, ключи, цепи управления которых подключены к мультивибратору, усилитель, баласгаый резистор и регистрирующий милливольтметр, подключенный параллельно термометру сопротивления, введены интегратор, работающий в режиме ана. 742724 ждущий мультивибратор подключеплечу мультивибратора, с которым цепи управления второго и третьего лотовой памяти, вход которого через первый ключ соединен с выходом мостовой схемы, его выход — с инвертирующим входом усили. теля, делитель напряжения, вход которого через второй ключ соединен с выходом мостовой схемы, его выход - с неинвертирующим входом усилителя, генератор пилообразного напряжения и широтно-импульсный модулятор, первый (управляющий) вход которого соединен с выходом усилителя, ко второму входу подключен генератор пилообразного напряжения, выход через третий ключ и баластный резистор соединен с термометром сопротивления, а цепь управления регистрирующего милливольтметра через введенный на к тому соединены ключей.

На чертеже представлена схема устройства для регистрации температуры.

Устройство содержит термометр 1 сопротивления, выпрямительную мостовую схему 2 переменного тока, ключи 3, 4 и 5, интегратор 6, делитель 7 напряжения, усилитель 8, широтноимпульсный модулятор 9, генератор 10 пилообразного напряжения, мультивибратор 11, резистор 12, регистрирующий милливольтметр 13, ждущий мультивибратор 14.

Устройство работает следующим образом.

Термометр 1 сопротивления включен в плечо моста 2 переменного тока с выпрямителем, выходное постоянное напряжение которого через ключи 3 и 4, интегратор 6 и делитель 7 напряжения воздействует на прямой и инверсный входы усилителя 8. Выходное напряжение усилителя преобразуется широтно-импульсным модулятором 9 с генератором 10 в последовательность прямоугольных импульсов постоянной амплитуды и регулируемой длительности. Сопротивление резистора 12 выбирается многим больше сопротивления термометра 1. Поэтому при замкнутом положении ключа 5 через термометр 1 сопротивления протекает импульсный ток, величина которого определяется сопротивлением резистора 12.

Падение напряжения на термометре 1 измеряется милливольтметром 13, цепь регистрации которого включается импульсами от ждущего мультивибратора 14.

Ключ 3 включен в одно плечо мультивибратора, а ключи 4 и 5 - в противоположное. При замкнутом ключе 3 ключи 4 и 5 разомкнуты, и резистор 12 нагрет до температуры контролируемой среды Θ. Выходное напряжение моста 2 пропорционально приращению сопротивления термометра 1:

Ui = S_QR_o0U, где S — чувствительность мостовой схемы;

а — температурный коэффициент сопротивления термометра;

Ro — сопротивление термометра при 0°С;

U — напряжение питания моста.

Напряжение 1½ поступает через ключ 3 на интегратор 6, работающий в режиме аналоговой памяти, где и запоминается. После переключения мультивибратора 11 замыкается ключ 4, и выходное напряжение моста через делитель 7 напряжения поступает на неинвертирующий вход усилителя 8. К инвертирующему входу этого усилителя приложено запомненное напряжение Ui. Так как выходное напряжение меньше запомненного в К раз, то на выходе усилителя 8 появляется напряжение, которое с помощью Модулятора 9 и генератора 10 преобразуется в длительность прямоугольных импульсов тока.

Под действием импульсного тока термометр 1 дополнительно подогревается, что увеличивает выходное напряжение моста 2. В результате подогрева на прямой вход усилителя воздействует напряжение ц

U₂ = S_aR₀ (Θ + ΔΘ) £ , где ΔΘ — температура перегрева, определяемая воздействием импульсного тока; К — коэффициент деления делителя 7.

При возрастании температуры перегрева ΔΘ возрастает напряжение U₂, стремясь к значению Ui. В установившемся режиме, если пренебречь напряжением статизма замкнутой схемы, входные напряжения усилителя уравниваются (Uг = Uj). Из равенства напряжений следует:

θ_ΐ-Αθ = θ

К

Температура перегрева ΔΘ определяется коэффициентом теплоотдачи термометра С, квадратом действующего значения импульсного тока I² и его нагретым сопротивлением

ΔΘ « — Ro ί 1 + α (θ + ΔΘ) ]. С

Подставляя значение венства напряжения, θ =1 (θ ₊1² к I с опсуда квадрат импульсного тока р = ___С£К..- I)_____._θ.

Ro (1 + α (Θ + ΔΘ) ]

Действующее значение тока, состоящего из прямоугольных импульсов одной полярности с постоянной амплитудой, длительностью т и периодом повторения Т, определяется выражением -----

I = = Ιοψ/Τ .

перегрева в условие раполучаем;

R_o [1 + α (θ + ΔΘ)) ,

Учитывая постоянство Т, которое задается генератором 10 фиксированной частоты, регули5 руемая длительность импульсов тока устанав-, ливается равной _т = ____с£к_- 1>.т.. . ,е_ .

Roll + ft (θ + ΔΘ)1 Ρ_ο

Милливольтметром 13 измеряется падение 5 напряжения, создаваемое средним значением импульсного тока на нагретом термометре. Поскольку среднее значение однополярного импульсного тока определяется выражением 'ср = '» ^Г/^Т’ ¹⁰ то соответствующее падение напряжения

С£К—1) ^иср = 'срМ¹ + α(θ + Δθ)) = - ζ- *θ

Установившееся значение падения напряжения и регистрируется милливольтметром после импульса разрешения с задержкой, создаваемой ждущим мультивибратором 14. Время задержки выбирается, исходя из тепловой постоянной времени термометра 1 сопротивления. 20

После переключения мультивибратора 11 повторяется цикл запоминания. В это время ключ 4 разомкнут и среднее значение падения напряжения от импульсного тока равно нулю. При последующем замыкании ключей 4 и 5 после 25 соответствующей задержки в 14 фиксируется ' новое значение напряжения, пропорциональное измеряемой-температуре Θ.

Из выражения для среднего значения напряжения следует, что непостоянство чувствитель- зо ности моста S, напряжения питания моста U, коэффициента усиления усилителя 8, чувстви- . тельности модулятора 9 не влияет на точность измерения.

По сравнению с известным отсутствие в 35 уравнении преобразования температурного коэффициента исключает погрешность,возникающую из-за изменения чувствительности термометра сопротивления, а также погрешность от нелинейности преобразовательной характеристики. ад

Использование предлагаемого устройства позволяет повысить точность регистрации температуры различных сред, изменяющихся в широких пределах. Возможность использования дешевых термометров (медныхцикелевых и др.) 45 с нестабильным температурным коэффициентом вместо термометров сопротивления из драгоценных металлов дает значительный экономический эффект.

Claims (4)

1. Изобретение относитс  к области измерени  температуры с помощью термометров сопротивлени  и может быть использовано дл  повышени  точности регистра1даи температуры, измен ющейс  в широком диапазоне значений. Известны устройства дл  измерени  и регистрации температуры 1 и 2. Однако они не обеспешвагот в тсокой точности из-за наличи  в этих схемах усилителей с большим, но нестабильным коэффициентом усилени  и неизбежным дрейфом нул . Известны также устройства, в которых одновременное питание термометра сопротивле1ш  посто нным и перемегатым токами повышает чувствительность измерительной схемы и облегчает задачу регистрации результата измерени  с помощью регистрирующего милливольтметра посто нного тока 3. Однако нелинейность преобразовани  температуры Е злектрическом напр жении при-большкх измегсии х температуры снижает точность регистрации. Наиболее близким к предлагаемому по техШ1чес;--ой сущности  вл етс  устройство, содержащее измерительную схему с термодатчиком, подключенную к выходу генератора импульсов, усилитель, ключи и источник пост о нного тока, трансформатор, источник, опорного напр жени , резисторы, диоды и транзисторы, включенные определенным образом, в котором регулирова ше длительности илшульсов в зависимости от измер емой температуры улучшает линейность выходной характерисппси устройства 4. Недостаток такого устройства - неустраненное вли ние иелииейносп и нестабильности характеркстикн самого термодатчика на результат измерени . Цель изобретени  - повыше{ше точности регистрации телшерагуры, измен ющейс  в широком диапазоне значений. Цель достигаетс  тем, что в устройство, содержащее термометр сопротивле1ш , включенный в мостовую измерительную схему, ключи , цепи управлени  которых подключены к мультивибратору, усилитель, баластный резистор и регастрирующкй милливольтметр, подключенный параллельно термометру сопротквлени , введены интегратор, работающий в режиме ана3 . логовой пам ти, вход которого через первый ключ соединен с выходом мостовой схемы, его выход - с инвертирующим входом усилител , делитель напр жени , вход которого чере второй ключ соединен с выходом мостовой схемы, его выход - с неинвертирующим входо усилител , генератор пилообразного напр жени  и пшротно-импульсньш модул тор, первый (управл ющий ) вход которого соедннен с выходом усилител , ко второму входу подключен генератор пилообразного напр жени , выход через третий ключ н баластный резистор соедннен с термометром сопротивлени , а цепь управлени  регистрирующего милливольтметра через введенный ждущий мультивибратор подключена к тому плечу мультивибратора, с которым соединены цепи управлени  второго и третьего ключей. На чертеже представлена схема устройства дл  регнстрацин температуры. Устройство содержит термометр 1 сопротивлени , вьшр мительную мостовую схему 2 переменного тока, ключи 3, 4 н 5, интегратор 6, делнтель 7 напр жени , усилитель 8, щиротноимпульсный модул тор 9, генератор 10 пилооб разного напр жени , мультивибратор 11, рез стор 12, регистрирующий милливольтметр 13 ждущий мультивибратор 14. Устройство работает следующим образом. Термометр 1 сопротивлени  включен в плечо моста 2 переменного тока с вьшр мителем, выходное посто нное напр жение которого через ключи 3 и 4, интегратор 6 и делитель 7 напр жени  воздействует на пр мой и инверсный входы усилител  8. Выходное напр жение усилител  преобразуетс  широтно-импульсным модул тором 9 с генератором 10 в последовательность пр моугольных импульсов посто нной амплитуды и регулируемой длительности. Сопротивление резистора 12 выбираетс  многим больше сопротивлени  термометра 1. Поэтому при замкнутом положении ключа 5 через термометр 1 сопротивлени  протекает импульсный ток, величина которого определ етс  сопротивлением резистора 12. Падение напр жени  на термометре 1 измер етс  милливольтметром 13, цепь регистрации которого включаетс  импульсами от ждущего мулы вибратора 14. Ключ 3 включен в одно плечо мультивибратора , а ключи 4 и 5 - в противоположное. При замкнутом ключе 3 ключи 4 н 5 разомкнуть , и резистор 12 нагрет до температуры контролир)гемой среды в. Выходное напр жение моста 2 пропорционально приращению сопротивлени  термометра 1: 8дВови, где S - чувствительность мостовой схемы; 4 а - температурный коэффициент сопротивлени  термометра; RO - сопротивление термометра при 0°С; и - напр жение питани  моста. Напр жение Ui поступает через ключ 3 на интегратор 6, работающий в режиме аналоговой пам ти, где и запоминаетс . После переключени  мультивибратора И замыкаетс  ключ 4,   выходное напр жение моста через делнтель 7 напр жени  поступает на неинвергирующнй вход усилител  8. К инвертирующему входу этого усилител  приложено запомненное напр жение Ui. Так как выходное напр жение меньше запомненного в К раз, то на выходе усилител  8 по вл етс  напр жение, которое с помощью Модул тора 9 и генератора 10 преобразуетс  в длительность пр моугольньгх импульсов тока. Под действием импульсного тока термометр 1 дополнительно подогреваетс , что увеличивает выходное напр жение моста 2. В результате подогрева на пр мой вход усилител  воздействует напр жение у U2 (в + Д0) -j, где Дв - температура перегрева, определ ема  воздействием импульсного тока; К - коэффициент делени  делител  7. При возрастании температуры перегрева Лв возрастает напр жение Uj, стрем сь к значению Uj. В установнвщемс  режиме, если пренебречь напр жением статизма замкнутой схемы, входные напр жени  усилител  уравниваютс  (и2 Uj). Из равенства напр жений следует: в + де емпература перегрева Дв определ етс  коэфнцнентом теплоотдачи термометра С, квадраом действующего значени  импульсного тока и его нагретым сопротивлением Дв Roll + а (в + Д0). одставл   значенне перегрева в условие раенства напр жени , получаем; в 1 Гв + RO II + а (в + Дв)1 , К I С ткуда квадрат импульсного тока I С(К - 1).Q. RO 1 +а (0 +Дв) Действующее значение тока, состо щего из р моугольных импульсов одной пол рности посто нной амплитудой, длительностью т н ериодом повторени  Т, определ етс  выражеием I лЦ Г l(t)dt читьюа  посто нство Т, которое задаетс  геератором 10 фиксированной частоты, регулируема  длительность импульсовтока устанав-, ливаетс  равной т С(К - 1)Т,в Roll + а (в + Ав) Милливольтметром 13 измер етс  падение иапр жеии , создаваемое средним значением импульсиого тока на нагретом термометре. Посколь ку среднее значение однопол рного импульсного тока определ етс  выражением ср о /Т. то соответствукйцее падение напр жени  С{К-1) и.„ + а(0 + Д0) | ср -срУстановившеес  значение падени  напр жени  регистрируетс  милливольтметром после импул са разрешени  с задержкой, создаваемой ждущим мультивибратором 14. Врем  задержки выб1фаетс ,исход  из тепловой посто нной вре мени термометра 1 сопротивлени . После переключени  мультивибратора 11 по втор етс  цикл запоминани . В это врем  клю 4 разомкнут и среднее значение падени  напр  жеии  от импульсного тока равно нулю. При последующем замыкании ключей 4 и 5 после соответствующей задержки в 14 фиксируетс  иовое значение напр жени , пропорциональное измер емой-температуре 0. Из выражени  дл  среднего значени  напр  жени  следует, что непосто нство чувствительнести моста S, напр жени  питани  моста U, коэффициента усилени  усилител  8, чувствительности модул тора 9 не вли ет на точность измерени . По сравнению с известным отсутствие в уравнении преобразовани  температурного коэф фициента исключает погрешностъ,возникающую из-за изменени  чувствительности термометра сопротивлени , а также погрещность от нелинейности преобразовательной характеристики. Использование предлагаемого устройства позвол ет повысить точность регистрации температуры различных сред, измен ющихс  в пш роких пределах. Возможность использовани  дещевых термометров (медныхршкелевых и др. с нестабильным температурным коэффициентом вместо термометров сопротивлени  из драгоценных металлов дает значительный экономический эффект. Формулаизобретени  Устройство дл  регистрации температуры, содержащее tepMONteip сопротивлени , включенный в мостовую измерительную схему, ключи , цепи которых подключены к мультивибратору , усилитель, баластный резистор и регистрирующий милливольтметр, подключенный параллельно термометру сопрогивлеии , отличающеес  тем, что, с целью повышени  точности регистрации температуры, измен ющейс  в ишроком диапазоне значеиий, в него введены ждущий мультивибратор, интегратор , работающий в режиме аналоговой пам ти , вход которого через первый ключ соединен с выходом мостовой схемы, его выход - с инвертирующим входом усилител , делитель напр жений, вход которого через второй ключ соединен с выходом мостовой схемы, его выход - с неинвертирующим входом усилител , генератор нилообразного напр жени  и широтно-импульсный модул тор, первый (управл ющий) вход которого соединен с выходом усилител , ко второму входу подключен генератор пилообразного напр жени , выход через третий ключ и баластный резистор соединен с термометром сопроттголе1ш , а цепь управлени  регистрирующего милливольтметра через ждущий мультивибратор подключена к плечу мультивибраторау соедине1шому с цепью управлени  второго и третьего ключей. Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе 1.Патент США N 3924470, кл. G 01 К 7/24, опублик. 1975.
2. 2.Патент Великобритании по за вке N 1406770, кл. G 01 К 7/30, опублик. 1975.
3. 3.Патент США N 3964315, кл. G 01 К 7/20, опублик. 1976.
4. 4.Авторское свидетельство СССР N 407200, кл. G 01 К 7/20, опублик. 1972 (прототип).