УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ Российский патент 1997 года по МПК G01K7/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при исследовании распределения температуры вдоль протяженного объекта сложной формы.

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.

Недостатком этих устройств является наличие либо механического сканирующего устройства, либо большого количества соединительных проводов и коммутатора (переключателя).

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.

Недостатком прототипа является необходимость большого количества проводов, соединяющих термочувствительные элементы с коммутатором.

При создании изобретения решалась задача сокращения количества проводов, соединяющих множество дискретных термочувствительных элементов с измерителем.

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.

Таким образом, исследуемый объект связан с измерителем тремя проводами при множестве контролируемых точек, кроме того, исключена необходимость использования коммутатора.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства измерения пространственного распределения температуры. На фиг. 2 пример технической реализации устройства.

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.

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.

Устройство по фиг. 2 работает следующим образом.

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.

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.

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.

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:

Использование: в измерительной технике при исследовании распределения температуры вдоль протяженного объекта сложной формы. Сущность изобретения: устройство содержит последовательную цепочку множества термочувствительных элементов, измеритель, регистратор, регулируемый источник напряжения, источник гармонического сигнала. Термочувствительные элементы соединены в схемы в виде Т. В последовательные плечи каждой схемы включены резисторы Р. В параллельное включены встречно соединенные полупроводниковые диоды. Между первой входной клеммой первого термочувствительного элемента и первой выходной клеммой последнего термочувствительного элемента включен источник постоянного наблюдения Е. Между входными клеммами первого термочувствительного элемента включены последовательно соединенные регулируемый источник напряжения, источник гармонического сигнала и измеритель амплитуды переменного тока. Решается задача сокращения количества проводов, соединяющих термочувствительные элементы с коммутатором. 2 ил.

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.