Устройство для измерения температуры Советский патент 1985 года по МПК G01K7/16 

Изобретение относится к темпера- турным измерениям, а именно устройствам для измерения температуры тер мопреобразователями сопротивления, и может быть использовано при измерении быстро меняющихся температур. Цель изобретения - повьшение точ ности измерений быстро меняющихся температур за счет уменьшения саморазогрева термопреобразователя сопротивления путем стабилизации на минимальном уровне мощности, рассеиваемой термопреобразователем во всем диапазоне измеряемых температур . На фи.г. приведена блок-схема устройства; на фиг. 2 - временные диаграммы напряжений на выходе интегратора устройства. Устройство для измерения темпер туры содержит источник 1 напряжения последовательно соединенные термо- преобразователь 2 сопротивления и образцовый резистор 3, первый 4 и второй 5 усилители, первый 6 и второй 7 инверторы, аналоговый перем- ножитель 8, схему 9 сравнения, аналоговые ключи }0 и II, выходы которых объединены, токозадагсщие резисторы 12 и 13, интегратор 14, пер вый 15 и второй 16 компараторы, RS-триггер 17 и блок 18 регистрации Устройство для измерения температуры работает следующим образом. Источник t напряжения вырабатывает стабильное напряжение, поступающее на прямой вход схемы 9 сравнения. В начальный момент напряжение на инверсном входе схемы 9 срав нения равно нулю, вследствие чего напряжение на ее вькоде возрастает Через термопреобразователь 2 сопротивления при этом начинает протекать ток, который вызывает падение напряжения на термопреобразочателе 2, пропорциональное его сопротивлению. Это напряжение усиливается пер вым усилителем 4 и через инвертор 6 который необходиг для изменения полярности напряжения, поступает на первый вход аналогового перемножи- теля 8. Термопреобразователь 2 сопротивления подключается к схеме устройства с помощью четырехпро водной линии. Образцовый резистор 3 включается в цепь обратной связи вт рого 5, напряжение на ин82вертирующем входе которого поддерживается равным нулю относительно корпуса за счет обратной связи. При этом на выходе усилителя 5 образуется напряжение, равное падению напряжения на образцовом резисторе 3 и пропорциональное току через термопреобразователь, которое поступает на второй вход аналогового перемножитепя 8. На выходе последнего формируется сигнал, пропорциональный произведению тока, протекающего через термопреобразователь 2, и напряжения, падающего на нем, т.е. пропорциональный мощности Р, рассеиваемой на термопреобразователе: UBMX К. Uf и, PJ (1) напряжение на выходе ана- логового перемножителя 8; Uj- - напряжение на выходе усилителя 5; К - коэффициент передачи аналогового перемножителя 8; и, - напряжение на выходе первого инвертора 6. Сигнал с выхода аналогового перемножителя 8 поступает на инверсный вход схемы 9 сравнения. Если в начальный момент времени мощность, рассеиваемая на термопреобразователе 2, ниже значения, поддерживаемого схемой в стационарном режиме, то на инверсном входе схемы 9 сравнения, соединенном с выходом аналогового перемножителя 8, уровень напряжения ниже, чем на прямом входе, соединенном с выходом источника 1 напряжения. При этом на выходе схемы сравнзгния появляется сигнал, пропорциональный разности напряжений на ее входах, что вызывает увеличение тока через термопреобразователь и, соответственно, мощности, рассеиваемой на термопреобразователе, а следовательно и напряжения на выходе перемножителя В, Скорость изменения напряжения на выходе аналогового перемножителя 8 ограничена инерционностью усилителей 4 и 5, инвертора 6 и аналогового -перемножителя 8. По мере приближения уровня напряжения с выхода аналогового перемножителя 8 к уровню напряжения, поступающего с выхода источ- ника 1 напряжения, разность между этими уровнями уменьшается, что приводит к уменьшению скорости нарастания напряжения на выходе аналогового

перемножителя 8. Процесс продолжается до тех пор, пока напряжение на вы ходе аналогового перемножителя 8 не станет равным напряжению, поступающему на прямой вход схемы 9 сравнения с источника 1 напряжения (без учета астатической ошибки регулирования). Таким образом, мощность, рассеиваемая на термопреобразователе по истечении времени переходного процесса, принимает значение, определяемое напряжением с источника 1 напряжения.

При изменении сопротивления термпреобразователя воледствии изменения измеряемой температуры, благодаря наличию цепи отрицательной обратной связи, образованной усилителями 4 и 5, инвертором 6, аналоговым перемножителем 8, схемой 9 срайнения и источником 1 напряжения, ток через термопреобразователь изменяется таким образом,что обеспечивает постоянство мощности, рассеиваемой на термопреобразователе.

Формирование частотного сигнала, пропорционального сопротивлению термопреобразоватёля, осуществляется следующим образом.

Пусть в начальный момент RS-триг- гер 17 устанавливается в одно из устойчивых состояний, в. котором, например, на его инверсном выходе формируется логический сигнал О, а

на прямом выходе - логический сигнал 1. Наличие логического сигнала 1 на прямом вькоде RS-триггера I7 приводит к открыванию второго аналогового юшдча 11, вследствие чего выход первого усилителя 4 через второй токозадакнций резне- тор 13 соединяется с входом интегратора 14, который выполнен таким образом, что его входное соцротивление практически равно нулю,-а выходное напряжение пропорционально количеству заряда с обратным знаком протекшему через его входную клемму. Поскольку входное сопротивление интегратора 14 практически равно нулю, то напряжение на его входе также может быть принято равным нулю. Ущ1 тывая малую величину падения напряжения на аналоговом ключе 11,.можно считать, что ток через второй токозадающий резистор 13 определяется в этот момент времени только значением напряжения на выходе первого усилителя 4, имеющего положительную полярность, и номиналом токозадающего резистора 13.

При этом напряжение, которое с выхода интегратора 14 поступает на неинвертирующий вход первого компаратора 15 и на инвертирующий вход второго компаратора 16, начинает линейно падать. При достижении выходным напряжением интегратора 14 уровня, равного порогу переключения компаратора 15, пропорционального току, протекающему через термопреобразователь 2, так-как его неин- вертирующий вход соединен с выходом усилителя 5, компаратор 15 переключается в другое состояние, при котором на его выходе появляется напряжение, соответствующее уровню логического сигнала О, которое поступает на R-вход RS-триггера 17. При этом RS-триггер 17 переключается в другое устойчивое состояние и на его прямом выходе устанавливается логический сигнал О, а на инверсном выходе логический сигнал 1. Напряжение логического сигнала с инверсного выхода RS-триггера 17 поступает на управляншдай вход первого аналогового ключа 10, аналогичного второму ключу 11, и открывает его. Одновременно напряжение логического сигнала О с прямого выхода RS-триггера 17, поступающее на управляющ1Й вход второго аналогового ключа I}, закрывает этот ключ.

Таким образом, вход интегратора 1 через первый токозадающий резистор 1 и аналоговый ключ 0 соединяется с выходом первого инвертора 6. Изменение полярности входного тока интегратора 14 после закрьшания аналсГгового ключа 1I и открывания аналогового ключа 10 приводит к тому, что напряжение на его выходе начинает линейно нарастать, достигая уровня, равного порогу срабатьшания второго комларатора I6,пропорционального измерительному току термотфеобразователя 2, так как его неинвертирующий вход через инвертор 7,.подключен к выходу усилителя 5. При зтом компаратор 16 переключается, на S-вход RS-триггера 17 начинает поступать напряжение логического а1гнала О, что приводит к опрокидыванию триггера, который устанавливается в устойчивое состояние, при котором на его прямом выходе формируется логический сигнал 1, а на инверсном выходе - логический сигнал О. Далее процесс повторяется.

Временные диаграммы напряжения на выходе интегратора 14(фиг.2) показьшают, что частота на выходе КЗ-триггера 17 прямо пропорциональна напряжению

и обратно пропорциональна току через

термопреобразователь сопротиапения,

Допустим, что напряжения порогов срабатывания (+Up; -Un) компараторов 15 и 16 не изменяются вовремени. В этом случае (фиг.2а) частота колебаний прямо пропорциональна ско росуги мпрастания напряжения на выход ,i;: i. ; i;J ора i4, которая, в свою оче ре/(ь, иропорциональна напряжению на термсятрообразователе 2, При увеличении напряжения на термопреобразо- нателе 2 в момент времени t период колебаний Т уменьшается (Т,,-, ),

сд ти

а частота соответственно увеличивается,

Допустим, что скорость нарастания выходного напряжения интегратора 14 не изменяется во времени. Тогда период колебаний прямо пропорционален абсолютному значению пороговых напря жений компараторов 15 и 16. Уменьшение пороговых напряжений (по абсолютному значениюj в момент времени t от значения ( ; -U ) до ( ; П7 приводит к уменьшениш периода колебаний иа выходе интегратора 14 (.г)и к соответственному увеличению частоты (фиг,26) Частота колебаний в этом случае

обратно пропорциональна току, проте кающему через термопреобразователь 2.

В реальной схеме (фиг.1) мощность на термопреобразователе 2 стабилизирована и изменение его сопротивления в момент времени t влечет за собой как изменение тока, так и изменение напряжения на нем под воздействием температуры. Соответственно изменяются как пороги срабатьшания компараторЬв 15 и 16, так и скорость нарастания выходного напряжения интегратора 14. В этом случае (фиг.2 в) частота колебаний пропорциональна скорости нарастания выходного напряжения интегратора 14 , т.е. напряжению иа термопреобразователе 2, и обратно пропорциональна значению пороговых напряжений компараторов 15 и J6, т.е. току через термопреобразователь 2.

Поскольку частота ач„ на выхооьч

де триггера 17 равна частоте пилообразного напряжения на выходе интегратора 14, то

Ug(V)

Btix

т.е. пропорциональна величине сопротивления термопреобразователя 2. Импульсы с выхода т-риггера 17 поступают на блок 18 регистрации который преобразует поступающий сигнал в такой вид, которьй удобен для наблюдения или для использования в других устройствах регистрации и обработки информации.

иг. V } Tfd i. .

Фиг. г V Y ,I

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ, содержащее последовательно соединенные термопреобразователь сопротивления и образцо-вый резистор, два инвертора, интегратор, блок регистрации, аналоговые ключи, вьпсоды которых подключены к входу интегратора, и источник напряжения, отличающееся тем, что, с целью повьшения точности измерений быстро меняющихся температур, в него введены два усилителя, аналоговый перемножитель, два компаратора, RS-ТриГ гер, дна токозадающих резистора и схема срав нения, входы которой соответственно подключены к источнику напряжения и выходу аналогового пе- ,ремножителя, а вьпсод соединен с выводом термопреобразователя сопротивления, подключенным к неинвертирующему входу первого уснлителя, инвертирующий вход которого подключен к нулевой щине, а выход через первый инвертор соединен с первым входом аналогового перемножителя и через первый токозадающий резистор подключен к входу первого анапогоБО1 лэ ключа, управляю1ций вход которого соединен с инверсным выходом RS-.триггера, входы которого соединены с выходами компараторов, а прямой выход подключен к блоку регистрации и управляющему входу второго аналогового ключа, вход которого через второй токозадающий резистор подключен к выходу первого усилителя, при этом точка соединения термопреобразователя сопротивления и образцового резистора подключена к инвертирующему входу второго усилителя, неинвертирующий вход которого подключен к нуле вой шине, а выход связан с противоположным выводом образцового резистора и подключен к второму входу анаО логового перамножителя,к иивертируюл;ену входу первого компаратора и чеэ ю рез второй инвертор к неинвертирующейу входу второго компаратора, инверг тирующий вход которого соединен с 30 выходом интегратора и неинвертируюпшм входом первого компаратора.