Устройство для измерения температуры Советский патент 1986 года по МПК G01K7/00 

f

Изобретение относится к области измерения температуры и может быть использовано при построении высокоточных быстродействующих средств измерения температуры поверхностей труднодоступных объектов.

Цель изобретения - иовьшение точности измерения при повышенном быстродействии.

На фиг. 1 представлен датчик- теплового потока устройства; на фиг.2 - структурная схема устройстваj на фиг. 3 - схема блока извлечения квадратного корня.

Устройство содержит датчик теплового потока, который состоит из чувствительного элемента 1, в качестве которого, например, используются термоэлектрические преобразователи, контактирующего через образцовую теплопроводную пластину 2 с нагревателем 3, которые размещены в теплоизоляционном корпусе 4.

Чувствительный элемент датчика подключен к входу усилителя 5-постоянного тока, выход которого под- ключен к одному входу блока сравне- . НИН 6, второй вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения 7, который совместно с бло- ком сравнения служит для задания нижнего предела измерения темпера- . туры, В частном случае в качестве опорного напряжения, подаваемого на второй вход блока сравнения -6, может использоваться нулевой уровень. Выход блока сравнения связан с выходом устройства, а также через блок извлечения квадратного корня 8 и усилитель мощности 9, подключен к нагревателю 3 датчика.

Устройство работает следуюпщм образом.

После осуществления контакта исследуемого объекта и датчика Т(эп- лового потока устройства на выходе последнего появляется ЭДС, обусловленная, разностью температур объекта и теплопроводной пластины 2. Эта ЭДС усиливается усилителем постоянного тока 5, выходное напряжение которого сравнивается с опорным от источника 7 опорного напряжения посредством блока сравнения 6, выходной сигнал которого поступает через блок 8 и усилитель мощности 9 к нагревателю 3, Выделяющееся при этом тепло обуславливает выравнивание

12049672

температуры объекта и теплопроводной пластины 2. Это приводит к уменьшению выходной ЭДС датчика Теплового потока. При достижении равенства

5 преобразуемой температуры и температуры теплопроводной пластины 2, что обеспечивается большим значением коэффициента усиления усилителя 5, эта ЭДС стремится к нулю, а

И) следовательно, стремится к .нулю и погрешность статизма устройства.

Использование блока .извлечения квадратного корня 8 в цепи отрицательной обратной связи обусловлено

15 необходимостью получения линейной зависимости выходного напряжения от измеряемой температуры Ту, При равенстве температуры объекта Т; температуре, создаваемой нагревателем

20 Т,, она пропорциональна мощности, выделяемой нагревателем, т.е,

k . R«

т - т

X - №

(1)

25 где

k - коэффициент пропорционaльнocтиj

UH и Rj, - соответственно напряжение на нагревателе и его сопротивление.

30

Для получения линейной зависимости между выходным напряжением устройства , формируемым на выходе блока сравнения (входе блока извлечения квадратного кррня), и тем- 35 (пературой Tj необходимо, чтобы Uj, и были связаны зависимостью

и

К

и

6W

(2)

40

Усилитель мощности, 9 необходим для усиления сигнала с выхода блока 7 до уровня, достаточного для работы нагревателя, и может быть выполнен в виде повторителя напряжения с усилением по току (т.е. в общем случае по мощности). Поскольку сопротивление нагревателя должно быть неизменньм во времени и независимым от температуры, то блоки 8

к 9 могут быть объединены и тогда схема цепи от;рицательной обратной связи может быть выполнена в виде блока извлечения квадратного корня с усилителем мощности на выходе,

55 охваченных местной отрицательной обратной связью, один из вариантов реализации которого представлен на фиг. 3.

k . R«

- т

- №

(1)

где

k - коэффициент пропорционaльнocтиj

UH и Rj, - соответственно напряжение на нагревателе и его сопротивление.

30

Для получения линейной зависимости между выходным напряжением устройства , формируемым на выходе блока сравнения (входе блока извлечения квадратного кррня), и тем- 35 (пературой Tj необходимо, чтобы Uj, и были связаны зависимостью

и

6W

(2)

Усилитель мощности, 9 необходим для усиления сигнала с выхода блока 7 до уровня, достаточного для работы нагревателя, и может быть выполнен в виде повторителя напряжения с усилением по току (т.е. в общем случае по мощности). Поскольку сопротивление нагревателя должно быть неизменньм во времени и независимым от температуры, то блоки 8

к 9 могут быть объединены и тогда схема цепи от;рицательной обратной связи может быть выполнена в виде блока извлечения квадратного корня с усилителем мощности на выходе,

охваченных местной отрицательной обратной связью, один из вариантов реализации которого представлен на фиг. 3.

.Блок извлечения квадратного корня (фиг. 3) содержит резисторы 10 и 11, соотношение которых задает значение коэффициента k, операционный усилитель 12, коэффициент усиления которого при. разомкнутой обратной связи стремится к бесконечности-, усилитель мощности 13 и квадратор 14, Усилитель мощности может -быть реализован на транзисторах по схе ме двухтактного усилителя мощности, работающего в режиме эмиттерного повторителя.

Поскольку датчик теплового потока выполняет роль нуль-индикатсфа теплового потока-(равенство нулю градиента температур по обе стороны чувствительного элемента датчика теплового потока), то нестабильность его параметров не влияет на погрешность измерения. Чувствительность датчика теплового потока к градиентной разности температур може достигать сотых долей градуса, дрейф эквивалентного напряжения смещения современных усилителей постоянного тока - десятые доли микровольта;, что даже при выходных ЭДС чувствительного элемента датчика, равных нескольким милливольтам, составляет доли процента, а нестабильность сопротивления нагревателей при использовании для их создания манганина или константана достигает сотых долей процента при изменении

температуры нагревателя на сто градусов, т.е. результирующая-погрешность устройства может быть менее 0,1% при широком диапазоне измерений положительных температур. Погрешностью от рассеивания тепла в окружающее датчик пространство можно пренебречь, так как при такой конструкции датчика теплового потока краевые эффекты незначительны.

|Также пренебрежимо мала погрещность от изменения коэффициента усиления усилителя 5, поскольку он охвачен глубокой отрицательной обратной связью через элементы 6, 8 и 9.

Погрешность блока извлечения квадратного корня 8 может быть незначительной при достаточно высо-, ких уровнях выходного сигнала усилителя 5 и при реализации этого

устройства по схеме, изображенной на фиг. 3, определяется погрешностью отношения резисторов 11 и 10, которая может быть ничтожно малой (сотые доли процента), и погрешкостью квадратора, которая может быть меньше 0,1%.

3

иВык

UtM

UH

Составитель В. Куликов Редактор 0. Колесникова Техред И.Асталош Корректор В. Синицкая

Заказ 8517/42Тирйж 896 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

11

т