УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ Российский патент 1998 года по МПК G01K7/02 

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться в различных отраслях промышленности при измерении высоких температур.

Например, термическая обработка высококачественных сталей, специальных керамик и др. в процессе их производства осуществляется с длительной выдержкой при 1200-1400^oC в нагревательных печах с газовыми горелками. Продукты неполного сгорания газов загрязняют окислительную среду печей, что приводит к существенному снижению сроков службы стандартных термопепечей с термоэлектродами из платины и ее сплавов.

В связи с высокой стоимостью платиновых термопар, малым сроком их службы в окислительной среде печей и небольшой длиной термоэлектродов, которые находятся в печи при высоких температурах, естественным является желание применять термопары с малым расходом драгметаллов за счет укорачивания длины термоэлектродов и измерения температуры горячих спаев термопар стандартными приборами, применяемыми для стандартных термопар. При этом основной особенностью условий работы укороченных термопар является относительно высокая (600-800^oC) температура свободных концов укороченных термопар, что требует специальных мер для компенсации ЭДС "холодных спаев" (свободных концов) термопар.

Известны выпускаемые промышленностью автоматические электронные потенциометры (см. Серьезнов А.Н. Измерения при испытаниях авиационных конструкций на прочность. М: Машиностроение, 1976, с. 148-149), в которых при изменении измеряемой температуры на вход электронного усилителя подается разность между напряжением на выходе мостовой схемы и термо-ЭДС, развиваемой термопарой. Это напряжение усиливается, преобразуется в напряжение переменного тока и приводит в движение двигатель, управляющий передвижением движка реохорда и каретки отсчетного устройства, снабженного указателем, пером и устройством перемещения диаграммой ленты. Изменение температуры свободных концов термопары вызовет уменьшение термо-ЭДС, которое компенсируется падением напряжения на сопротивлении соответствующим образом подобранных резисторов плеч моста, одно из которых является температурозависимым и выполнено из меди.

Недостатком известных приборов является невозможность их применения для измерения температуры горячих спаев высокотемпературной термопары с укороченными термоэлектродами. Это объясняется тем, что компенсационных проводов, которыми подсоединяют свободные концы стандартной термопары в зоне комнатных температур к измерительному прибору для подсоединения свободных концов укороченной термопары в зоне 600-800^oC не существует. Для подсоединения свободных концов укороченной термопары к прибору требуются удлинительные проводники из жаропрочных сплавов. Эти проводники не являются компенсационными, поэтому прибор будет измерять не температуру горячего спая укороченной термопары, а изменяющуюся во времени разность между термо-ЭДС горячего спая и свободных концов термопары.

Известны устройства для измерения температуры [1], в которых компенсация ЭДС холодных спаев термопары осуществляется с помощью моста, называемого компенсационным так же, как и в автоматических потенциометрах. Мост питается от источника постоянного напряжения. Одно сопротивление плеча моста является температурозависимым. Сопротивление плеч моста подгоняют так, чтобы выходное напряжение моста изменялось при изменении температуры холодных спаев по тому же закону, что и термо-ЭДС холодного спая.

Недостатком этих устройств является также невозможность их применения для измерения термо-ЭДС горячего спая укороченной термопары при относительно высокой температуре (600-800^oC) холодных спаев укороченной термопары, так как даже для платинового термометра сопротивления, если его использовать в качестве температурозависимого сопротивления моста, диапазон измеряемых температур не превышает 500^oC, что ниже требуемой для измерения температуры холодных спаев укороченной термопары (см. Баранов А.Н., Белозеров Л.Г., Ильин Ю.С., Кутьинов В.Ф. Статические испытания на прочность сверхзвуковых самолетов. М.: Машиностроение, 1974, с. 240).

Известно устройство для измерения температуры [2]. Устройство позволяет измерять высокие температуры и состоит из короткой основной термопары из дорогостоящего материала, к одному из свободных концов которой присоединен рабочий спай компенсирующей термопары, а к другому - одиночный компенсирующий термоэлектрод из материала, идентичного материалу одного из электродов компенсирующей термопары. Выходы термопар подсоединены к измерительно-вычислительному комплексу, который предназначен для определения температуры рабочего спая основной термопары. Для этого по измеренной величине термо-ЭДС рабочего спая компенсирующей термопары из ее градуировочной характеристики находится температура рабочего спая компенсирующей термопары. Для этой температуры по градуировочной характеристике основной термопары вычисляется термо-ЭДС. Вычисленная термо-ЭДС складывается с измеренной разностью термо-ЭДС рабочего спая и свободных концов основной термопары и вычисляется термо-ЭДС рабочего спая основной термопары. По вычисленному значению термо-ЭДС из градуировочной характеристики находится температура рабочего спая основной термопары.

Для выполнения такого алгоритма с применением программного обеспечения измерительно-вычислительный комплекс должен иметь в своем составе коммутатор термопар, измерительный усилитель, аналого-цифровой преобразователь, устройство управления коммутатором, ЭВМ и устройство связи ЭВМ с измерительной частью комплекса. При этом для измерения термо-ЭДС рабочего спая компенсирующей термопары необходимо осуществлять компенсацию ЭДС свободных спаев термопары, что обеспечивается последовательным включением компенсационного мостика в один из электродов компенсирующей термопары в месте подсоединения свободных концов термопары к входу коммутатора. Такие измерительно-вычислительные комплексы известны [1].

Недостатком известного устройства является невозможность применения составной термопары, состоящей из основной и компенсирующей термопар, для автоматического измерения температуры в составе регистрирующих измерительных приборов, например, автоматических электронных потенциометров типа КСП, которые нашли широкое применение для контроля температурного режима в ряде технологических процессов. Это обусловлено тем, что указанные приборы не имеют в своем составе вычислительных устройств, которые могли бы выполнять описанный алгоритм вычисления температуры рабочего спая основной термопары по результатам измерений температуры рабочего спая компенсирующей термопары и разности термо-ЭДС между рабочим спаем и свободными концами основной термопары. А почему нельзя применять прибор, подсоединенный через удлинительные проводники к основной термопаре, описано в критике аналога.

Задача состоит в том, чтобы сократить количество драгметаллов, из которых изготовлены термоэлектроды основной термопары при измерении температуры с помощью измерительных регистрирующих приборов.

Техническим результатом изобретения является компенсация термо-ЭДС свободных концов основной термопары.

Технический результат достигается тем, что устройство для измерения температуры, содержащее основную термопару, к одному из свободных концов которой присоединен рабочий спай компенсирующей термопары, а к другому - одиночный компенсирующий термоэлектрод из материала, идентичного материалу одного из электродов компенсирующей термопары, дополнено первым измерительным усилителем с компенсационным мостиком, вторым измерительным усилителем, формирователем термо-ЭДС свободных концов основной термопары, сумматором, устройством согласования и измерительным регистрирующим прибором, при этом первый свободный конец компенсирующей термопары соединен через компенсационный мостик с первым входом первого измерительного усилителя, а второй свободный конец компенсирующей термопары соединен со вторым входом первого измерительного усилителя и первым входом второго измерительного усилителя, второй вход которого соединен с одиночным компенсирующим термоэлектродом, присоединенным ко второму свободному концу основной термопары, выход первого измерительного усилителя соединен со входом формирователя термо-ЭДС свободных концов основной термопары, выход которого соединен с первым входом сумматора, второй вход которого соединен с выходом второго измерительного усилителя, а выход - с входом устройства согласования, выход которого соединен с входом измерительного регистрирующего прибора. Формообразователь термо-ЭДС свободных концов основной термопары выполнен в виде усилителей с кусочно-линейной аппроксимацией коэффициентов усиления и делителей напряжения, обеспечивающих с помощью аналоговых ключей по сигналам с компараторов напряжения в диапазоне температур рабочего спая компенсирующей термопары от нуля до максимума кусочно-линейную аппроксимацию градуировочной характеристики основной термопары по градуировочной характеристике компенсирующей термопары.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства для измерения температуры; на фиг. 2 - принципиальная схема формирователя термо-ЭДС свободных концов основной термопары.

Изобретение (фиг. 1) состоит из составной термопары 1, компенсационного мостика 2, первого измерительного усилителя 3, формирователя термо-ЭДС свободных концов основной термопары 4, второго измерительного усилителя 5, сумматора 6, устройства согласования 7 и измерительного регистрирующего прибора 8.

Составная термопара 1 содержит основную и компенсирующую термопары. Рабочий спай компенсирующей термопары соединен со свободным концом электрода основной термопары. Свободный конец электрода компенсирующей термопары через измерительную диагональ компенсационного мостика 2 соединен с первым входом первого измерительного усилителя 3, а свободный конец электрода компенсирующей термопары соединен со вторым входом первого измерительного усилителя 3. Компенсационный мостик 2 состоит из резисторов R и термосопротивления R_T, питание мостика осуществляется от источника постоянного напряжения U. Выход первого усилителя 3 соединен со входом формирователя термо-ЭДС свободных концов основной термопары 4, выход которого соединен с первым входом сумматора 6. Второй вход сумматора 6 соединен с выходом второго измерительного усилителя 5. Выход сумматора 6 соединен со входом устройства согласования 7, выход которого соединен со входом измерительного регистрирующего прибора 8.

Электрод основной термопары равен по длине электроду . Свободный конец электрода соединен с компенсирующим электродом таким же, как и электрод d компенсирующей термопары. Свободный конец электрода d соединен со вторым входом второго измерительного усилителя 5, что обеспечивает подсоединение электрода через электрод d по второму входу усилителя 5. Электрод основной термопары через электрод d компенсирующей термопары соединен с первым входом усилителя 5.

Формирователь 4 (фиг. 2) состоит из повторителя напряжения ДА1, усилитель ДА2-ДА4, компараторов напряжения ДА5- ДА7, аналогового сумматора ДА8, аналоговых ключей ДК1-ДК9, логических элементов НЕ ДД1-ДД3, резисторов R1-R36 и конденсаторов C1-C3. Входной сигнал с выхода усилителя 3 подается на неинвертирующие входы компараторов ДА5-ДА7 и через резисторы R1, R5, R9 неинвертирующие входы усилителей ДА2-ДА4 и неинвертирующий вход повторителя напряжения ДА1.

Инвертирующие входы компараторов ДА5-ДА7 соединены с делителями напряжения +E₁, выполненных на резисторах P20, P21, P24, P25, P28, P29. Для подавления колебательных переходных процессов во время срабатывания компараторов применяются конденсаторы C1-C3. Резисторы P32-P34 одним выводом соединены с выходами компараторов ДА5-ДА7, а вторым выводом - с источником напряжения +E и предназначены для формирования уровня запирания ключа ДК1 и входного сигнала для схем НЕ. Выходы компараторов ДА5-ДА7 соединены через схемы НЕ ДД1-ДД3 с управляющими входами ключей ДК2-ДК9. При этом связь схем НЕ ДД1 и ДД2 с управляющими входами ключей ДК2, ДК3 и ДК4, ДК5 соответственно осуществлена через нормально-замкнутый ключевой элемент этих ключей, нормально-разомкнутый ключевой элемент которых соединен с одной стороны с управляющими входами ключей ДК2, ДК3 и ДК4, ДК5, а с другой стороны - с источником напряжения +E₂. Схема НЕ ДД3 соединена с управляющими входами ключей ДК6, ДК7 непосредственно, а управляющий вход ключа ДК1 соединен с выходом компаратора ДА5. Ключевые элементы ключей ДК1-ДК7 предназначены для поочередного подключения выходов усилителей ДА2-ДА4, повторителя ДА1 и соответственно выходов делителей напряжения E₁, выполненных на резисторах R22, R23; R26, R27; R30, R31, через резисторы соответственно R13-R19 к инвертирующему входу аналогового сумматора ДА8. Ключевые элементы ключей ДК8, ДК9 предназначены для отключения управляющих входов ключей ДК2, ДК3 и ДК4, ДК5 при срабатывании последующего за предыдущим коммутатора напряжения с тем, чтобы обеспечить подключение к сумматору ДА8 только одного повторителя ДА1, одного из усилителей ДА2-ДА4 и соответственно одного из делителей R22, R23; R26, R27 и R30, R31. В начале, когда компаратор ДА5 не сработал (температура T₂ ниже заданной на нулевом участке кусочно-линейной аппроксимирующей нелинейную зависимость U_вых=f(U_вх), чему соответствует значение входного сигнала U_вх меньше заданного делителем R20, R21, к входу сумматора ДА8 подсоединен через ключевой элемент ключа ДК1 выход повторителя ДА1, что обеспечивается соединением выхода компаратора ДА5 с управляющим входом ключа ДК1. В начале последнего участка кусочно-линейной зависимости U_вых=f(U_вх) срабатывает компаратор ДА7 и ключи ДК6, ДК7 остается включенными.

Усилители ДА2-ДА4 имеют идентичные схемы и выполнены на резисторах R1-R4, R5-R8, R9-R12 соответственно. Коэффициент усиления задают отношением резистора соответственно R3 к R2; R7 к R6; R11 к R10. Для усилителей выполняется соотношение
R1/R4 = R2/R3; R5/R8 = R6/R7; R9/R12 = R10/R11
Выход сумматора ДА8 соединен с первым входом сумматора 6.

Усилители 3 и 5 аналогичны по принципиальной схеме и выполнены на операционных усилителях. На входах каждого из усилителей подключено устройство подавления помех (см. , например, Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. Л.: Энергия, 1980).

Сумматор 6 представляет собой сумматор аналоговых сигналов, выполненный на операционном усилителе (см. например, Алексеенко А.Г., Коломбет Е.А., Стародуб Г. Н. Применение прецизионных аналоговых ИС. М.: Радио и связь, 1981) и аналогичен сумматору ДА8.

Устройство согласования 7 предназначено для согласования сигналов сумматора 6 и прибора 8 по уровню и нагрузке с учетом входной цепи прибора 8. В состав устройства согласования входит делитель напряжения и повторитель напряжения. На делителе напряжение делится во столько раз, во сколько был усилен сигнал с основной термопары усилителем 5.

Измерительный регистрирующий прибор 8 представляет собой стандартный прибор для измерения температуры, например КСП4.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Рабочий спай основной термопары помещают в зону измеряемой температуры T₁, при этом ее свободные концы находятся при температуре T₂ (см. фиг. 1). Поэтому измеряемая термо-ЭДС на входе усилителя 5 равна
l₁(T)=l₁(T)₁-l₁(T₂),
а на выходе усилителя:
U₁(T)=K₁[l₁(T₁)-l₁(T₂)],
где K₁ - коэффициент усиления усилителя 5. Рабочий спай компенсирующей термопары находится при температуре T₂, а свободные концы - при температуре T₃.

Поэтому термо-ЭДС компенсирующей термопары равна
l₂(T)=l₂(T₂)-l₂(T₃).

Для компенсации термо-ЭДС холодных спаев компенсирующей термопары применен компенсационный мостик 2. Поэтому на входе первого измерительного усилителя 3 измеряемый сигнал равен l₂(T₂), а на выходе - U₂(T)=K₂l₂(T₂), где K₂ - коэффициент усиления усилителя 3. Этот сигнал поступает на вход формирователя 4.

Для того, чтобы измерить температуру рабочего спая основной термопары, необходимо компенсировать составляющую выходного сигнала второго усилителя U₁(T), равную K₁l₁(T₂).

Компенсация осуществляется на сумматоре 6 путем суммирования сигнала U₁(T) с сигналом U₃(T)= U_вых, вырабатываемым формирователем 4 и равным по величине K₁l₁(T₂). В результате на выходе сумматора измеряемый сигнал в заданном масштабе равен термо-ЭДС рабочего спая основной термопары. После устройства согласования 7 на вход прибора 8 поступает сигнал, равный термо-ЭДС рабочего спая основной термопары. Прибор 8 измеряет этот сигнал. Так как шкала прибора проградуирована в градусах Цельсия, то на отсчетном устройстве прибора будет зарегистрирована температура рабочего спая основной термопары.

В связи с тем, что градуировочные характеристики основной и компенсирующей термопар нелинейны, формирователь термо-ЭДС свободных концов основной термопары должен быть рассчитан так, чтобы обеспечить преобразование входного нелинейного сигнала U₂(T)=U_вх в выходной нелинейный сигнал U₃(T)=K₁l₁(T₂) в диапазоне рабочих температур от нуля до максимума. Для этого градуировочную характеристику основной термопары в диапазоне температур 0-T_2max разбиваются на участки ΔT_i=T_i+1-T_i (i=0, 1, 2, ..., n), заменяя градуировочную характеристику основной термопары - кусочно-линейной, обеспечивая на каждом линейном участке приращения термо-ЭДС в зависимости от температуры заданную точность аппроксимации. Из градуировочных характеристик основной и компенсирующей термопар для заданных значений T_i находят значения термо-ЭДС в начале каждого i-го участка кусочно-линейной аппроксимирующей градуировочной характеристики основной термопары l₁(T_i) и компенсирующей термопары l₂(T_i). Эти значения умножают на соответствующие коэффициенты K₁ и K₂ и строят зависимость U_вых= f(U_вх). Если по оси абсцисс отложить значение U_вх, а по оси ординат соответствующие им значения U_вых, то можно увидеть, что зависимость начинается с нуля и имеет монотонно возрастающий вид. Нулевой участок (i=0) для абсцисс K₂l₂(T_i=1) заканчивается ординатой K₁l₁(T_i=1), которая соответствует началу первого (i=1) участка зависимости U_вых=f(U_вх).

Учитывая, что на нулевом участке зависимость начинается с нуля, вычислим из зависимости

величину коэффициента K₁:

где Δl₂(T_i=0), Δl₁(T_i=0) - приращение входного и выходного сигналов формирователя,
K_3i=0 - коэффициент усиления усилителя на нулевом участке зависимости. Примем K_3i=0 = 1.

Поэтому в формирователе 4 на нулевом участке к сумматору ДА8 подсоединяется повторитель напряжения ДА1, имеющий коэффициент усиления, равный единице.

Первый участок зависимости U_вых = f(U_вх) заканчивается для абсцисс K₂l₂(T_i=2) ординатой K₁l₁(T_i=2). С этих значений абсциссы и ординаты начинается второй участок.

Зависимость U_вых = f(U_вх) на первом участке можно представить в виде

линейное приращение выходного сигнала в функции входного на первом участке при увеличении температуры T₂ от величины T_i=1 до T_i=2.

Аналогично можно представить выходной сигнал на каждом из участков вплоть до n-го.

Для аппроксимации в заданном диапазоне температур с заданной точностью достаточно 6-7 участков вместе с нулевым. На фиг. 2 представлена схема формирователя 4 для 4-х участков (i = 0,1,2,3).

Формирователь 4 работает следующим образом. Входной сигнал U_вх = U₂(T) поступает на входы компараторов ДА5-ДА7, вход повторителя ДА1, входы усилителей ДА2-ДА4. Делители напряжения на резисторах R20, R21; R24, R25; R28, R29 формируют напряжение K₂l₂(T_i=1), K₂l₂(T_i=2) и K₂l₂(T_i=3) соответственно. Делители напряжения на резисторах R22, R23; R26, R27; R30, R31 формируют напряжения K₁l₁(T_i=1), K₁l₁(T_i=2) и K₁l₁(T_i=3). На нулевом участке зависимости U_вых = f(U_вх) на выходах компараторов ДА5-ДА7 напряжение равно нулю, ключи ДК2-ДК9 закрыты, поэтому выходы усилителей ДА2-ДА4 и выходы делителей напряжения к входу сумматора ДА8 не подсоединены. Подсоединен к ДА8 только повторитель ДА1, выходной сигнал которого равен K₁Δl₁(T_i=0) . При достижении температуры T₂ значения T_i=1 выходной сигнал сравнится с заданным делителем на резисторах R20, R21 срабатывает компаратор напряжения ДА5. На выходе компаратора сформируется напряжение +E₂. Это приведет к тому, что закроется ключ ДК1 и отсоединит выход повторителя ДА1 от входа сумматора ДА8. Со схемы НЕ ДД1 через нормально-замкнутый ключевой элемент ключа ДК8 напряжение, равное нулю, поступает на управляющие входы ключей ДК2 и ДК3, которые откроются и подсоединят к входу сумматора ДА8 выход усилителя ДА2 и делитель напряжения на резисторах R22, R23. Так как усилитель ДА2 является дифференциальным, то на его входе из напряжения U_вх вычтется напряжение K₂l₂(T_i=1) и сформируется сигнал
K₂Δl₂(T_i=1) = U₃(T_i=1)-K₂l₂(T_i=1),
который преобразуется в сигнал
K₁Δl₁(T_i=1) = K_3i=1•K₂Δl₂(T_i=1) ,
где K_3i=1 - коэффициент усиления усилителя ДА2. Этот сигнал вначале равен нулю, а по мере роста T₂ на i=1 участке увеличивается, складывается в сумматоре ДА8 с сигналом K₁e₁(T_i=1), сформированным делителем на резисторах R22, R23 и на выходе сумматора ДА8 появится напряжение
.

При достижении температуры T₂ величины T_i=2 (в начале второго участка) сработает компаратор ДА6. С выхода схемы НЕ ДД2 напряжение, равное нулю, откроет ключи ДК4, ДК5 и ДК8. В результате нормально-замкнутый ключевой элемент ключа ДК8 отключается, подключится нормально-разомкнутый ключевой элемент и управляющие входы ключей ДК2, ДК3 подсоединятся к источнику напряжения +E₂.

Ключи ДК2 и ДК3 закроются и отсоединят выход усилителя ДА2 и делитель R22, R23 от входа сумматора ДА8. Одновременно к входу сумматора ДА8 подсоединятся выход усилителя ДА3 и делитель на резисторах R26, R27. По мере роста T₂ на участке i=2 на выходе сумматора будет формироваться напряжение

При достижении температуры T₂ величины T_i=3 сработает компаратор ДА7. Он отключит выходы усилителя ДА3 и делителя R26, R27 от входов сумматора ДА8 и подключит вместо них к входам сумматора ДА8 выход усилителя ДА4 и делитель напряжения на резисторах R30, R31, которые будут подсоединены до того момент пока будет выполняться условие T₂>T_i=3.

При этом на выходе сумматора выходной сигнал равен

Применение предложенного устройства позволяет использовать на предприятиях имеющийся парк измерительных регистрирующих приборов для измерения высоких температур и при этом обеспечит экономию дорогостоящих материалов, из которых изготавливаются термоэлектроды.

Использование: измерение высоких температур. Сущность изобретения: устройство состоит из составной термопары, компенсационного мостика, первого измерительного усилителя, формирователя термо-ЭДС свободных концов основной термопары, второго измерительного усилителя, сумматора, устройства согласования и измерительного регистрирующего прибора. Обеспечивается экономия дорогостоящих материалов при изготовлении термоэлектродов. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для измерения температуры, содержащее основную термопару, к одному из свободных концов которой присоединен рабочий спай компенсирующей термопары, а к другому одиночный компенсирующий термоэлектрод из материала, идентичного материалу одного из электродов компенсирующей термопары, отличающееся тем, что в него введены первый измерительный усилитель с компенсационным мостиком, второй измерительный усилитель, формирователь термоЭДС свободных концов основной термопары, сумматор, устройство согласования и измерительный регистрирующий прибор, при этом первый свободный конец компенсирующей термопары соединен через компенсационный мостик с первым входом первого измерительного усилителя, а второй свободный конец компенсирующей термопары соединен с вторым входом первого измерительного усилителя и первым входом второго измерительного усилителя, второй вход которого соединен с одиночным компенсирующим термоэлектродом, присоединенным к второму свободному концу основной термопары, выход первого измерительного усилителя соединен с входом формирователя термоЭДС свободных концов основной термопары, выход которого соединен с первым входом сумматора, второй вход которого соединен с выходом второго измерительного усилителя, а выход с входом устройства согласования, выход которого соединен с входом измерительного регистрирующего прибора. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что формирователь термоЭДС свободных концов основной термопары выполнен в виде усилителей с кусочно-линейной аппроксимацией коэффициентов усиления и делителей напряжения, обеспечивающих с помощью аналоговых ключей по сигналам с компараторов напряжения в диапазоне температур рабочего спая компенсирующей термопары от нуля до максимума кусочно-линейную аппроксимацию градуировочной характеристики основной термопары по градуировочной характеристике компенсирующей термопары.