УСТРОЙСТВО ЗИНГЕРА А.М. ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ Российский патент 1995 года по МПК G01K7/24 

Изобретение относится к измерениям температуры подвижных и неподвижных жидких и газовых сред термопреобразователями сопротивления, в том числе полупроводниковыми, включенными в рабочие плечи уравновешенных мостовых измерительных схем, нечувствительных к изменению напряжения в диагонали питания, при равновесном состоянии моста, когда разность потенциалов в измерительной диагонали практически равна нулю.

Известен терморезистивный измеритель температуры с цифровым отсчетом, содержащий мостовую схему с терморезистором (термопреобразователем сопротивления) в одном из ее плеч, подключенную измерительной диагональю к входу усилителя разбаланса мостовой схемы, источник напряжения (регулируемый источник постоянного тока), соединенный с диагональю терморезистивного измерителя температуры, содержащего также генератор опорной частоты, последовательно соединенные
генератор управляемой частоты, вычитатель импульсных последовательностей и измеритель частоты, последовательно соединенные генератор биполярных импульсов и аттенюатор импульсного сигнала, причем выход усилителя разбаланса мостовой схемы соединен с входом генератора управляемой частоты, выход которого соединен с входом формирователя биполярных импульсов, выход генератора опорной частоты по дключен к второму входу выключателя импульсных последовательностей, выход аттенюатора импульсного сигнала подсоединен к диагонали питания моста, а источник напряжения выполнен регулируемым [1]
К недостаткам устр ойства следует отнести существенные методические и инструментальные погрешности. Методические погрешности связаны с тем, что исходное уравнение, связывающее измеряемую температуру с частотой импульсов, питающих уравновешенную мостовую схему, справедливо только для систем стабилизации, работающих в области малых отклонений, в то время как известное устройство является измерительным и работает как следящая система в широком диапазоне возможных значений измеряемых температур. Инструментальные погрешности обусловлены ограниченными возможностями стабилизации амплитуды и длительности питающих импульсов. Источником существенной
погрешности является также и то, что аналоговый датчик (термопреобразователь сопротивления) управляется дискретно (импульсами). В этом cлучае даже при установившемся режиме работы контура регулирования датчик продолжает работать в переходном режиме.

Известное устройство предназначено для измерения температуры неподвижных сред. Их перемещение относительно датчика приводит к изменению условий теплообмена, что также является источником существенной погрешности измерения.

Из известных устройств для измерения температуры наиболее близким по технической сущности является устройство для измерения температуры, содержащее термопреобразователь сопротивления, включенный в одно из плеч равновесной мостовой схемы, измерительная диагональ которой подключена к входу усилителя, а ее диагональ питания к выходу регулируемого источника постоянного тока, и измерительно-вычислительный
блок, причем устройство также содержит термонезависимый резистор, снабженный потенциальными выводами и включенный на выходе регулируемого источника постоянного тока, последовательно с диагональю питания мостовой схемы и квадратор напряжения, вход которого подключен к потенциальным выводам термонезависимого резистора, а его выход к входу измерительно-вычислительного блока, причем выход усилителя подключен к управляющему входу регулируемого источника постоянного тока (2).

К недостаткам устройства, содержащего автобалансный мостовой преобразователь уравновешивания с термопреобразователем сопротивления следует отнести погрешность измерения, вызванную изменением скорости контролируемого потока, что приводит к изменению условий теплообмена между датчиком температуры и контролируемой средой.

Цель изобретения повышение точности измерения температуры путем уменьшения погрешности, вносимой измерением скорости потока.

Для достижения поставленной цели в устройство для измерения температуры, содержащее измерительно-вычислительный блок с показывающим прибором, соединенный входом с выходом автобалансного мостового преобразователя уравновешивания, состоящего из термонезависимого резистора с потенциальными выводами, равноплечей мостовой измерительной схемы с включенным в одно ее плечо термопреобразователем сопротивления и блока стабилизации температуры термопреобразователя сопротивления, вход которого соединен с измерительной диагональю мостовой измерительной схемы, а выход связан с диагональю электропитания этой схемы последовательно с термонезависимым резистором, введены дополнительный автобалансный мостовой преобразователь уравновешивания и общая шина, а измерительно-вычислительный блок выполнен состоящим из последовательно соединенных
функционального модуля отношений, функционального модуля расчета температуры и показывающего прибора, выход дополнительного автобалансного преобразователя уравновешивания соединен с другим входом измерительно-вычислительного блока, входами которого являются входы функционального модуля отношений, величина
сопротивления каждого термонезависимого резистора равна половине корня квадратного из величины сопротивления плеча соответствующей равноплечной мостовой измерительной схемы, один потенциальный вывод каждого термонезависимого резистора подключен к общей шине и общему выходу соответствующей системы стабилизации температуры, а другой к диагонали электропитания соответствующей равноплечной мостовой измерительной схемы и к выходу автобалансного мостового преобразователя уравновешивания.

Обеспечение возможности использования термопреобразователей сопротивления в схемах автобалансных мостовых преобразователей уравновешивания для измерения движущегося потока контролируемой среды достигается введением второго автобалансного мостового преобразователя уравновешивания с установкой обоих термопреобразователей сопротивления обоих автобалансных мостовых преобразователей уравновешивания в одну зону контролируемой среды с одинаковыми условиями теплообмена, причем заданные температуры стабилизации сопротивления термопреобразователей сопротивления не равны между собой и превышают температуру контролируемой среды.

Повышение точности измерения достигается за счет снижения разности температур между контролируемой средой и чувствительным элементом (термопреобразователем сопротивления).

Кроме того, показания устройства независимы от свойств термометрического вещества.

На чертеже приведена блок-схема устройства.

Устройство для измерения температуры содержит два автобалансных мостовых преобразователя 1 и 2 уравновешивания, а также измерительно-вычислительный блок 3. Автобалансный мостовой преобразователь 1 уравновешивания содержит равновесную, равноплечную мостовую измерительную схему 4, плечи R₁ которой выполнены термонезависимыми, т.е. реализованы на базе термонезависимых резисторов 5. В плечо R_Q1 включен термопреобразователь сопротивления 6, который установлен в трубопровод (не показан) с потоком контролируемой среды. Величина сопротивлений резисторов 5 плечей R₁ мостовой схемы 4 выполнены равными
между собой и равными сопротивлению термопреобразователя сопротивления 6 в равновесном состоянии мостовой схемы 4. Один потенциальный вывод термонезависимого резистора 7 подключен к общей шине, а другой вывод к контакту диагонали электропитания мостовой схемы
4. Величина сопротивления термонезависимого резистора 7 установлена равной 1/2 , в этом случае падение напряжения Δ U₁ на термонезависимом резисторе 7 численно равно корню квадратному из подводимой к нему мощности в режиме равновесия мостовой схемы 4. Блок 8 стабилизации температуры термопреобразователя 6 сопротивления своими входами подключен к контактам b₁ и b₂ мостовой схемы 4, а выходами через контакты а₁ и а₂ и общую шину к последовательно соединенной диагонали питания с контактами а₁ и а₂ мостовой схемы 4 и термонезависимым резистором 7.

Автобалансный мостовой преобразователь 2 уравновешивания содержит равновесную, равноплечную мостовую измерительную схему 9, плечи R₁которой выполнены термонезависимыми (реализованы на базе термонезависимых резисторов 10). В плечо R_Q2 включен термопреобразователь сопротивления 11, который установлен в одну зону контролируемой среды с одинаковыми условиями теплообмена, что и термопреобразователь 6. Величины сопротивлений R₂ термонезависимых резисторов 10 мостовой схемы 9 выполнены такими, чтобы равновесие мостовой схемы 9 соответствовало заданной температуре термопреобразователя R_Q2
сопротивления, установленного в плече мостовой схемы 9, не равной температуре термопреобразователя R_Q2 сопротивления плеча 6 мостовой схемы 4,причем задаваемые температуры термопреобразователей 6 и 11 (соответственно R_Q1 и R_Q2) превышают максимальную температуру контролируемой среды. Величина сопротивления термонезависимого резистора 12 установлена равной 1/2 . В этом случае падение напряжения Δ U₂ на термонезависимом резисторе 12 числено равно корню квадратному из подводимой к нему мощности самонагрева Δ Р₂ в режиме равновесия мостовой схемы 9. Блок 13 стабилизации температуры термопреобразователя 11 мостовой схемы 9 своими входами подключена к измерительной диагонали b₁-b₂ мостовой схемы 9, а выходами подключена к диагонали питания а₁-а₂, включенной последовательно с термонезависимым резистором 12.

Потенциальные выводы термонезависимых резисторов 7 и 12, подключенные к точкам а₂ диагоналей электропитания мостовых схем 4 и 9, соединены с входами функционального модуля отношений 14, выход которого через функциональный модуль расчета температуры 15 соединен с показывающим прибором 16 измерительно-вычислительного блока 3.

Термопреобразователи 6 и 11 сопротивлений обоих автобалансных мостовых преобразователей 1 и 2 выполнены в виде типовых датчиков типа ТСП или ТСМ и размещены в трубопроводе в одной зоне контролируемой среды с одинаковыми условиями теплообмена, причем заданные температуры стабилизации обоих мостов не равны между собой и превышают температуру контролируемой среды.

Величина заданной температуры устанавливается выбором значений сопротивлений резисторов 5 и 7 мостовой схемы 4 и резисторов 10 и 12 мостовой схемы 9. Их значения выбираются по градуировочной характеристике термопреобразователей сопротивления с заданной температурой.

Устройство может быть реализовано путем разработки нового средства измерения с использованием термопреобразователей сопротивления общепромышленного назначения типа ТСП, ТСМ, а также возможна его реализация с использованием полупроводниковых термопреобразователей сопротивления.

Устройство может быть изготовлено и полностью из типовых блоков комплексов КАСКАД или АКЭСР.

При реализации устройства на базе комплекса КАСКАД в качестве блока стабилизации можно использовать прибор регулирующий типа Р25, а вычислительные операции могут быть реализованы с использованием функциональных блоков А04 (сложения и вычитания), А31 (умножения), А32 (деления), А33 (извлечения квадратного корня). Все указанные блоки имеют нормированный выходной сигнал, который может быть использован для дистанционного ввода в ЭВМ (например, микроЭВМ типа "Электроника С5-01").

При реализации устройства на базе АКЭСР в качестве блока стабилизации может быть реализован модуль типа МИС3.08.00.00.00 совместно с блоком динамических преобразований.

При реализации устройства для измерения температуры на базе комплектующих элементов агрегатного комплекса электрических средств регулирования в микроэлектронном исполнении используется блок вычислительных операций БВО и модуль формирования законов регулирования типа МФЗР.00.00.05.00.

Устройство для измерения температуры работает следующим образом.

Автобалансные мостовые преобразователи 1 и 2 уравновешивания работают одинаково. При изменении температуры контролируемой среды изменяются условия теплообмена термопреобразователей 6 и 11 сопротивления, изменяется их температура, а следовательно, и сопротивление, что приводит к разбалансу мостовых схем 4 и 9. С выходов b₁-b₂ измерительных диагоналей обоих мостов 4 и 9 на вход соответствующих блоков 8 и 13 стабилизации температуры термообразователей сопротивления поступит сигнал небаланса, что приведет к изменению напряжения на выходе блоков 8 и 13. Изменение напряжения в диагоналях электропитания а₁-а₂ мостовых схем 4 и 5 приводит к изменению тока самонагрева термопреобразователей 6 и 11 сопротивления. Новой температуре контролируемой среды соответствует новое состояние равновесия мостовых схем 4 и 9. Падение напряжения на резисторах 7 и 12 пропорционально корню квадратному из мощности, выделяемой на термопреобразователях 6 и 11.

Действительно, через термонезависимые резисторы 7 и 12 в условиях равновесия равноплечных измерительных мостовых схем 4 и 9 проходят токи диагонали электропитания мостовых схем. Они равны удвоенному значению измерительного тока i, проходящего через термопреобразователь сопротивления. Тогда падения напряжения Δ U₁ и Δ U₂ на термонезависимых резисторах будут численно равны мощности самонагрева Δ Р₁ и Δ Р₂, необходимого для обеспечения заданного превышения температур Q₁-Q_ср и Q₂-Q_ср соответственно термопреобразователей 6 и 11 сопротивления. Тогда
ΔU₁= 2i₁
ΔU₂= 2i₂ где i₁ и i₂ соответственно величины измерительного тока, проходящего через термопреобразователи сопротивления 6 и 11;
R₁ и R₂ соответственно
величины сопротивлений термонезависимых резисторов 5 и 10.

На выходе функционального модуля отношений 14 выдается сигнал К_р:
K_p= . В функциональном модуле расчета температуры 15 определяется температура Т_ср или Q_ср контролируемой среды соответственно в градусах Цельсия и Кельвина:
T_ср= или
Q_ср= , где Т₁, Q₁ и Т₂, Q₂ температуры термопреобразователей 6 и 11 в градусах Цельсия и Кельвина.

По сравнению с прототипом-устройством для измерения температуры исключено влияние коэффициента конвективной теплопередачи на показаниях прибора.

Использование: термометрия, измерение температуры подвыжных и неподвижных жидких и газовых сред. Сущность изобретения: устройство содержит два автобалансных мостовых преобразователя 1 и 2 уравновешивания, измерительно-вычислительный блок 3, равноплечие мостовые схемы 4 и 9, термонезависимые резисторы 5, 7, 10, 12, термопреобразователи сопротивления 6 и 11, блоки стабилизации температуры 8 и 13; функциональный модуль отношений 14, функциональный модуль расчета температуры 15, показывающий прибор 16. 1 ил.

Устройство для измерения температуры, содержащее измерительно-вычислительный блок с показывающим прибором, соединенный входом с выходом автобалансного мостового преобразователя уравновешивания, состоящего из термонезависимого резистора с потенциальными выводами, равноплечей мостовой измерительной схемы с включенным в одно ее плечо термопреобразователем сопротивления, и блока стабилизации температуры термопреобразователя сопротивления, вход которого соединен с измерительной диагональю мостовой измерительной схемы, а выход с диагональю электропитания этой схемы последовательно с термонезависимым резистором, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения температуры путем уменьшения погрешности, вносимой изменением скорости потока, в него введены дополнительный автобалансный мостовой преобразователь уравновешивания и общая шина, а в измерительно-вычислительный блок последовательно соединенные функциональный модуль отношений и функциональный модуль расчета температуры, выход которого подсоединен к входу показывающего прибора, выход дополнительного автобалансного мостового преобразователя уравновешивания связан с другим входом измерительно-вычислительного блока, входами которого являются входы функционального модуля отношений, один потенциальный вывод каждого термонезависимого резистора подключен к общей шине и общему выходу соответствующей системы стабилизации температуры, а другой к диагонали электропитания соответствующей равноплечей мостовой измерительной схемы и к выходу автобалансного мостового преобразователя уравновешивания, при этом величина сопротивления каждого термонезависимого резистора равна половине корня квадратного из величины сопротивления плеча соответствующей мостовой измерительной схемы.