Устройство для измерения температуры Советский патент 1986 года по МПК G01K7/02 

рательный усилитель 7, демодулятор 8, интегратор 9, выход которого подключен к управляющему входу электрически регулируемого резистора 10, калиброванный резистор 11, зашунти- рованный конденсатором 12, источник постоянного тока 13, ключ 14, мульИзобретение относится к температурным измерениям, а именно к .устройствам для измерения температуры с помощью термоэлектрических преобразователей, и может быть использо- вано для высокоточного измерения температуры в автоматизированных системах управления технологическими процессами.

Цель изобретения - повышение точ- кости измерения путем уменьшения ошибки измерения, вызванной изменением чувствительности термоэлектрического преобразователя и нестабильностью элементов устройства.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства-, на фиг. 2 - эпюры изменений температуры и электрических напряжений.

Устройство содержит термоэлектри- ческие преобразователи 1 и 2 с соединенными рабочими спаями, первый ключ З зашунтированный резистором 4, дифференциальный усилитель 5 с резистором 6 во входной цепи, избиратель- ный усилитель 7, демодулятор 8, интегратор 9 выход которого подключен к управляющему входу электрически регулируемого резистора 10, калиброванный резистор 11, зашунтированный конденсатором 12, источник 13 постоянного тока, второй ключ 14, мультивибратор 15 и одновибратор 16.

Устройство работает следующим образом.

Рабочие спаи термоэлектрических преобразователей (ТП) 1 и 2 соединены стационарно-механически, например, сваркой и помещены в зону изме ряемой температуры 9( .

Термо-ЭДС Е, S9,,где S - чувствительность ТП 1, через периодически размыкаемый ключ 3, шунтированный

1229597

тивибратор 15 и одновиоратор 16. Введение новых элементов и образование новых связей между элементами устройства позволяет уменьшить ошибку измерения, вызванную изменением чувствительности 1 и 2 и нестабильностью элементов устройства, 2 ил.

резистором 4 сопротивлением R,,поступает на вход дифференциального усилителя 5, входное сопротивление которого задается резистором 6 сопротивлением Rj. При замкнутом ключе 3 термо-ЭДС ТП 1 полностью воздействует на вход дифференциального усилителя 5. В разомкнутом состоянии термо-ЭДС ослабляется делителем напряжения, образованным резисторами 4 и 6 . Ввиду модуляции коэффициента передачи К входной цепи дифференциального усилителя, (фиг. 2а) возникает переменная составляющая в усиленном напряжении, первая гармоника которой выделяется и усиливается избирательным усилителем 7 (фиг, 2&).

При замыкании ключа 14, управляемом непосредственно напряжением мультивибратора 15, через ТП 2 начинает протекать постоянный ток I от источника 13 тока, который за счет эф(эекта Пельтье подогревает общий спай ТП 1 и 2. Результирующая температура спая возрастает до значения 0 - 1 uQf Д ®1 температура перегрева спая относительно измеряемой температуры 0, . Температура перегрева u9( определяется дополнительным количеством тепла, выделяемым в спае от эффекта Пельтье, теплоотдачей спая и в установившемся состоянии определяется выражение П

Аб,

С-А

-. I

где П - коэффициент Пельтье; 7 - теплопроводность спая; С - коэффициент, учитывающий геометрические размеры спая и термоэлектродов. В переходном режиме температура спая возрастает п степенно по зкспо3

ненциальному закону в соответствии с выражением

-ii

6 (1-е } ив,

где t, - время нагрева-,

Т - тепловая постоянная времени, зависящая от массы и теплоемкости спая. После размыкания ключа 14 температура спая начинает понижаться по аналогичному закону

в Q

-t2

где tj - время охлаждения спая.

При симметричной работе мультивибратора 15 (tj t) и периоде переключения Т, много меньшем (в 10 - 100 раз) постоянной времени спая

Т (t , t 2-- ), процесс нагрева

и охлаждения спая происходит по ли/ , t нейным зависимостям (.е я: 1 Ji)

t

и максимальная температура перегрева спая к моменту переключения мультивибратора становится равной

Т ТТТ

0 2

(фиг. 2Й).

Результирующая термо-ЭДС ТП 1 Е - S02усиливается дифференциальным усилителем 5. Первая гармоника переменной составляющей напряжения от действия ключа 14 также выделяется и усиливается избирательным усилителем 7 (фиг. 22).

В результате совместной работы ключей 3 и 14 термо-ЭДС ТП 1 подвергается модуляции как в результате пе риодических изменений сопротивления входной цепи дифференциального усилителя 5, так и в результате периодического подогрева спая термопары током источника 13. При этом возрастание термо-ЭДС спая от тока подогрева противоположно действию уменьшения коэффициента передачи входной цепи дифференциального усилителя. Однако ввиду тепловой инерционности спая переменная составляющая термо- ЭДС от периодического нагрева спая отстает по фазе примерно на 90 от переменной составляющей термо-ЭДС, вызываемой периодическими изменениями сопротивления входной цепи дифференциального усилителя.Дня компенсации фазовой задержки от тепловой

295974

инерции ТП ключ 3 управляется напря- жением мультивибратора 13 через одно- вибратор 16 с регулируемой задержкой. Поэтому обе переменные составляйщие 5 на выходе усилителя 7 имеют одинаковую форму за счет его избирательности, а их фазы устанавливаются со сдвигом 180, т.е. в противофазе (фиг. 2 и г ) .

0 Коэффициент передачи входной цепи дифференциального усилителя К,, при разомкнутом ключе 3 устанавливают близким (но не равным) единице К

i % 0,95-0,99 (R,« кр. 5 RZ 1

Поэтому для компенсации переменной

составляющей. термо-ЭДС от действия ключа 3 достаточны небольшие перегревы спая ТП 1, создаваемые током „ I при замыкании ключа 14 (46 0,01 0,05 в,).

При малых перегревах спая можно считать, что амплитуда переменной составляющей термо-ЭДС от действия 5 ключа 3 пропорциональна только измеряемой температуре

(-. .|7%e.-|t-s0,,

а амплитуда переменной составляющей от действия ключа 14

Т П S

0

и,, Здб

2tC

I .

35

40

45

50

Напряжение первой гармоники переменной составляющей с прямоугольной формой огибающей (фиг. 2с|), выделенной и усиленной избирательным усилителем 7,

,

где К, и Kj - коэффициенты усиления соответственно усилителей 6 и 7, - коэффициент первой гармоники разложения в ряд Фурье прямоугольно огибающей.

Напряжение первой гармоники переменной составляющей с треугольной формой огибающей

4 1Г

2 If tf II - ,ТП5

2 -/ г / -1г Z

с

;

где - - коэффициент разложения в

ряд Фурье.

При неполной компенсации противофазных напряжений U и U разностное

напряжение U (фиг 2 q ) выпрямляется и сглаживается демодулятором 8, который синхронизируется выходным напряжением одновибратора 16, Постоянное напряжение U (U, -, U ) , где ,4 коэффициент передачи демодулятора, заряжает интегратор 9, выходное напряжение которого уменьшает сопротивление RX электрически управляемого резистора 10, например сопротивление перехода транзистора, С уменьшением R увеличивается ток I, протекающий через ТП 2, увеличивая амплитуду-компенсирующего напряжения и (фиг. 2 и). Процесс регулирова- ния сопротивления резистора 10 длится до тех пор, пока вьгходное напряжение демодулятора не станет, равным нулю (Ug 0) и заряд интегратора 9 не прекратится. Из равенства амплитуд противофазных напряжений (Ug и) следует

-Ei R,

f Э, - Kj, к,

т п S

ГС л

откуда получаем

, 1Ггс;

ТП

9,.

Падение напряжения от пульсирующего тока I на калиброванном резисторе 11 с сопротивлением R сглаживается конденсатором 12 и используется в качестве выходного напряжения термоэлектрического преобразователя

и, IfTCA

Из полученного выражения видно, что выходное напряжение Uy пропорционально измеряемой температуре б, и не зависит от чувствительности. S ТП, коэффициентов усиления Кg и К усилителей 5 и 7 и коэффициента передачи К демодулятора 8,

Входящие в уравнение преобразования коэффициенты C,t, П, период соммутации Т и сопротивления резисторов R|, R и R являются постоянными, а теплопроводность спая It при использовании термоэлектричес- 5 кого преобразователя для стабилизации температуры технологического объекта, т.е, при малых отклонениях те:мпературы, также величина постоянная, 10 Формула изобретения

Устройство для измерения температуры,, содержащее два термоэлектрических преобразователя с соединенны15 ми рабочими спаями, первый ключ,вход которого соединен с первь м выводом первого термоэлектрического преобразователя, второй ключ, выход которого соединен с первым выводом ис20 точника тока, мультивибратор и Два резистора, отличающееся тем, что, с целью повьшения точности измерения путем уменьшения ошибки измерения, вызванной изменением чув5 ствительности термоэлектрического преобразователя и нестабильностью элементов устройства, в него введены одновибратор, третий резистор, .конденсатор, управляемый резистор и

0 последовательно включенные дифферен- циальньй усилитель, избирательный усилитель, демодулятор и интегратор, выход которого соединен с входом управляемого резистора, первый вывод

- которого .соединен с вторым выводом источника тока, а второй вывод через первый резистор, зашунтированный конденсатором, подключен к первому выводу второго термоэлектрического

п преобразователя, второй вывод которого подключен к входу второго ключа, .управляющий вход которого подключен к первому выходу мультивибратора, второй выход которого подключен через одновибратор к управ5

ляющим входам демодулятора и первого ключа, выход которого через

второй и третий резисторы соединены соответственно с выводами первого термоэлектрического преобразовате- ля, при этом вход дифференциального усилител.я соединен с выводами третьего резистора.

Изобретение относится к температурным измерениям и может быть использовано для высокоточного измерения температуры в АСУ технологическими процессами. Цель изобретения - повьшение точности измерения. Устройство содержит термоэлектрические преобразователи (ТП) 1 и 2 с соединенными рабочими спаями, ключ 3, зашунтированный резистором 4, дифференциальный усилитель 5 с резистором 6 во входной цепи, изби(Л

Составитель В.Куликов Редактор В.Петраш Техред Н.Бонкало Корректор С.Шекмар

Заказ 2444/41 Тираж 778 . Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР

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

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Фиг. 2 .