УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ Российский патент 2001 года по МПК G01K7/02 G01K7/04 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности для измерения температуры с помощью термопары в комплекте с серийно выпускаемыми промышленностью приборами автоматического следящего уравновешивания типа КСП (см. Г. С. П. Приборы автоматические следящего уравновешивания КСМ4, КСМ4И, КСП4, КСП4И, КСУ4. Техническое описание и инструкция по эксплуатации 3.9026.171. ТО. 1980). Объем применения таких устройств в промышленности исчисляется десятками тысяч.

Так как при измерении температуры с помощью термопар уровень помех промышленной частоты (50 Гц) может в несколько раз превосходить максимальные значения термоЭДС, применяют различные методы подавления помех (см. А.Н. Серьезнов, М.П. Цапенко. Методы уменьшения влияния помех в термометрических целях. М.: Энергия, 1968). Это: экранирование и скручивание электродов термопар и компенсационных проводов, статистическая обработка результатов измерений, компенсация помех, фильтрация, осреднение (интегрирование) и т.д.

Метод экранирования и скрутки проводов позволяет на частоте 50 Гц обеспечивать подавление помех не более чем на 15 дБ. Кроме этого изготовление экранов является сложной, трудоемкой операцией. Метод статистической обработки результатов измерений не нашел широкого применения, т.к. требует сложного дорогостоящего оборудования с высоким быстродействием и применением ЭВМ для обработки результатов измерений.

Устройство противофазной компенсации помехи путем ее выделения из входного сигнала с последующим суммированием инвертированной помехи с основным сигналом не позволяет получить высокую помехоустойчивость из-за значительной инерционности узла выделения помехи на частотах, близких к 50 Гц.

Применение RC- и LC-фильтров во входных цепях измерительных устройств не обеспечивает достаточную фильтрацию помехи, вызывает существенное запаздывание и ослабление полезного сигнала. Метод осреднения (интегрирования), при котором время осреднения выбирается близким к периоду помехи, нашел применение в цифровых измерительных приборах, большинство из которых - это приборы с фиксированным временем интегрирования, а т.к. частота сети (а стало быть и помехи) изменяется в пределах 50 ± 1 Гц, то эти приборы имеют степень подавления помехи не более 40 дБ.

Наиболее эффективным является метод интегрирования с применением запоминающего конденсатора, который поочередно подключается с помощью управляемых ключей сначала к электродам термопары, где происходит его подзарядка до уровня термоЭДС, затем конденсатор отключают от термопары и подключают к входу измерительного устройства. Применение запоминающих конденсаторов полностью исключает помехи, которые могут достигать несколько десятков вольт, связанные с разностью потенциалов точек заземления рабочего спая термопары и измерительного устройства. Помехи (достигающие нескольких десятков милливольт), связанные с наводками на контур, образованный электродами термопары и входом измерительного устройства, эффективно уменьшают за счет интегрирования входного сигнала на конденсаторе в течение времени, кратного периоду помехи.

Известна многоканальная измерительная информационная система (ИИС), в которой используется метод интегрирования измеряемых сигналов с помощью запоминающих конденсаторов с временем интегрирования, кратным периоду помехи (см. а. с. N 1441899, 1.08.1988, кл. G 01 K 7/02. Многоканальное устройство для измерения температуры - прототип). Система содержит блок запоминающих конденсаторов, количество которых равно количеству термопар, два коммутатора, один из которых подключает одновременно электроды термопар к соответствующим конденсаторам на отрезок времени, кратный периоду помехи, а другой осуществляет затем поочередную коммутацию конденсаторов к входу быстродействующего измерительного устройства, откуда измеренные значения ЭДС каждой термопары передают в память ЭВМ для последующей обработки. Схема содержит также блок формирования интервалов интегрирования, кратных периоду помехи, и центральное устройство управления и обмена для формирования сигналов управления и синхронизации работы узлов системы.

Недостаток этого устройства состоит в том, что сигналы с запоминающих конденсаторов на вход измерительного устройства поступает в форме импульсов через промежутки времени, кратные периоду помехи. Если считывание измерительной информации с запоминающих конденсаторов, измерение и регистрация производится с помощью быстродействующих устройств (до нескольких тысяч/с), система обеспечивает необходимую точность и достоверность результатов измерений со всего массива термопар. Приборы типа КСП используют для регистрации сигналов, непрерывно поступающих на их вход. В случае импульсной формы сигнала на входе КСП, возникают затруднения в расшифровке записанных сигналов. Ухудшается достоверность и точность измерений.

Задача состоит в том, чтобы обеспечить регистрацию термоЭДС с помощью прибора автоматического следящего уравновешивания (КСП), поступающего с запоминающего конденсатора, без потери достоверности и точности измерений.

Техническим результатом изобретения является обеспечение непрерывности сигнала с термопары на вход регистрирующего устройства и сохранение достоверности и точности измерений. Технический результат достигается тем, что в устройство для измерения температуры, содержащее термопару, первый запоминающий конденсатор, первую и вторую пару управляемых ключей, введены второй запоминающий конденсатор, третья и четвертая пары управляемых ключей, повторитель, регистратор типа автоматического электронного потенциометра, узел формирования сигналов управления ключами, содержащий диод, делитель напряжения на резисторах, транзисторный ключ и триггер, при этом электроды термопары соединены через первую пару ключей с первым конденсатором и через третью пару ключей со вторым конденсатором, первый конденсатор через вторую пару ключей и повторитель соединен с входом регистрирующего прибора, который соединен через повторитель и четвертую пару ключей со вторым конденсатором, управляющие входы первой и четвертой пары ключей соединены с первым выходом триггера, второй выход которого соединен с управляющими входами второй и третьей пары ключей, счетный вход триггера соединен с выходом транзисторного ключа, вход которого через делитель напряжения на резисторах и диод соединен с источником нагревательной установки, являющимся источником помехи.

Принципиальная схема устройства для измерения температуры с помощью термопары приведена на чертеже, где T_n - термопара, 1, 2, 3, 4 - соответственно первая, вторая, третья и четвертая пары управляемых ключей, 5 - повторитель, выполненный на операционном усилителе ОУ и резисторе R₁, 6 - регистрирующий прибор, C₁ и C₂ - первый и второй запоминающие конденсаторы, D - диод, R₂/R₃ - делитель напряжения на резисторах R₂ и R₃, R₄ - нагрузка на транзисторный ключ, выполненный на транзисторе T, Tг - триггер, A и B - первый и второй выходы триггера Tг, C - счетный вход триггера Tг.

Устройство работает следующим образом:
Сигналы от источника питания нагревательной установки через диод D (выделяющий сигнал нужной полярности) и делитель напряжения на резисторах R₂/R₃ поступает на базе транзисторного ключа T, формирующего на выходе серию однополярных импульсов, которые подаются на счетный вход C триггера Tг. Триггер изменяет состояние на выходах A и B через каждый интервал времени, равный периоду помехи. В течение первого периода с выхода A подаются сигналы управления, открывающие первую 1 и четвертую 4 пары ключей, а с выхода B сигналы управления на вторую 2 и третью 3 пары ключей запирают их. При этом конденсатор C₁ подключается к электродам термопары T_n, а конденсатор C₂ отключается от электродов термопары и подключается через повторитель 5 к входу регистрирующего прибора 6.

В течение первого периода происходит заряд конденсатора C₁ до уровня ЭДС термопары T_n и регистрация сигнала термоЭДС, который был зафиксирован на конденсаторе C₂ в предыдущем периоде. Поступающий на счетный вход C триггера Tг последующий импульс (с выхода транзисторного ключа T) перебрасывает его в противоположное состояние, при котором сигнал с выхода A переводит первую 1 и четвертую 4 пары ключей в запертое состояние, а сигнал с выхода B вторую 2 и третью 3 пары ключей отпирает.

При этом конденсатор C₁ отключается от электродов термопары и подключается к входу регистрирующего прибора 6 (через повторитель 5), где происходит регистрация сигнала термоЭДС, а конденсатор C₂ отключается от регистрирующего прибора 6 и подключается к электродам термопары, где подзаряжается до уровня термоЭДС. В последующем времени цикл работы устройства повторяется.

Предложенное устройство позволяет обеспечить непрерывность поступления сигнала с термопары на вход регистрирующего устройства и сохранить достоверность и точность измерений с помощью приборов типа КСП.

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться при измерении температуры с помощью термопар в условиях промышленных помех в комплекте с регистрирующим прибором автоматического следящего уравновешивания. Устройство для измерения температуры содержит термопару, два запоминающих конденсатора, четыре пары управляемых ключей, повторитель, регистратор и узел формирования сигналов управления ключами. Электроды термопары соединены через первую пару ключей с первым конденсатором, а через третью пару ключей - со вторым конденсатором. Первый конденсатор через вторую пару ключей и повторитель соединен со входом регистратора. Второй конденсатор через четвертую пару ключей и повторитель также соединен со входом регистратора. Такое выполнение устройства обеспечивает непрерывность выходного сигнала на входе регистрирующего прибора и повышает достоверность и точность измерения температуры. 1 ил.

Устройство для измерения температуры, содержащее термопару, первый запоминающий конденсатор, первую и вторую пары управляемых ключей, отличающееся тем, что в него введены второй запоминающий конденсатор, третья и четвертая пары управляемых ключей, повторитель, регистратор типа автоматического электронного потенциометра и узел формирования сигналов управления ключами, содержащий диод, делитель напряжения на резисторах, транзисторный ключ и триггер, при этом электроды термопары соединены через первую пару ключей с первым конденсатором, а через третью пару ключей - со вторым конденсатором, первый конденсатор через вторую пару ключей и повторитель соединен с входом регистратора, который соединен через повторитель и четвертую пару ключей со вторым конденсатором, управляющие входы первой и четвертой пары ключей соединены с первым выходом триггера, второй выход которого соединен с управляющими входами второй и третьей пары ключей, счетный вход триггера соединен с выходом транзисторного ключа, вход которого через делитель напряжения на резисторах и диод соединен с источником питания нагревательной установки.