Устройство для измерения температуры Советский патент 1986 года по МПК G01K7/16 

термопреобразователь 1, усилитель 2, регистратор 3, дифференциатор 4, формирователь импульсов 5, схемы совпадения 6 и 7, счетчик импульсов 8,регистр 9, триггер 10, программируемый источник тока 11 (ПИТ), генератор им пульсов 12 и блок управления 13. Измерительный ток, значение которого задается ПИТ 11, протекает через тер мопреобразователь 1, расположенный на объекте контроля. Вследствие разИзобретение относится к области температурных измерений и может найти применение в системах контроля и регулирования температуры поверхности твердых тел, пристенных слоев жидких и газообразных сред.

Цель изобретения - повышение точности измерения и быстродействия устройства путем установки оптимального режима работы термопреобразователя.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства;на фиг. 2 - временные диаграммы изменения тока через термопреобразователь и выходного напряжения усилителя; на фиг.З переходные характеристики дпя диф- ферен иального термоэлектрического преобразователя, терморезистора и термопрербразователя в целом; на фиг. 4 - конструкция термопреоб- разователя и график распределения температур в тепловой системе объект контр.оля - термопреобразователь - окружающая среда.

Устройство содержит термопреобразователь 1, усилитель 2 с регулируемым коэффициентом усиления, регистратор 3, дифференциатор 4, формирователь 5 импульсов, первую схему 6 сов падения, втррую схему 7 совпадения, счетчик 8 импульсов, регистр 9, триггер 10, программируемый источник 11 тока, генератор 12 импульсов, и блок 13 управления.

Устройство работает следующим образом.

При включении питания начинается процесс настройки (адаптации устрой

ности температур между спаями дифференциального термоэлектрического пре- образователя 1 возникает термо-ЭДС. Величина суммарного выходного сигнала зависит от теплового состояния термопреобразователя 1, его электрофизических параметров, значения измерительного тока и начального сопротивления термопреобразователя 1, Устройство обладает свойством адаптации к контролируемому объекту. 4 ил. ства). Блок 13 управления в момент времени t (фиг. 2) вьфабатьтает одиночные короткие импульсы, которые устанавливают на двоичных выходах счетчика 8 код, состоящий из одних нулей, а на выходе триггера 10 и,следовательно, на входе схемы 6 совпадения - логическую единицу. Первый. импульс генератора 12 проходит через схему 6 совпадения и устанавливает на выходе регистра 9 код, состоящий из одних единиц. Этому состоянию соответствует наибольший ток I In, протекающий через термопреобразователь 1, задаваемый программируемым источником 11 тока и соответствуипций ему коэффициент усиления усилителя 2. Величина коэффициента усиления К и значение тока I через термопреоб- разователь связаны соотношением

К

к„ р 0„ )

где Ug - напряжение на выходе усилителя 2,соответствующее максимальной контролируемой температуре в„;

R - сопротивление термопреобразователя при О С; р - температурный коэффициент сопротивления терморезистора т ермопреобразователя.

Термопреобразователь 1 нагревает- ся током 1„ (фиг. 2а). В это время с инверсного выхода генератора 12 подается логический нуль на вход схемы 7 совпадения, которая закрыта и не пропускает импульсы с выхода формирователя 5. Затем логический нуль появляется на прямом выходе генератора , 12, а единица - на инверсном. При этом на выходе триггера 10 устанавливается логический нуль, а на входах регистра 9 - код, соотретствующий коду на вьпсодах счетчика 8. На первом такте он равен 00...О. При этом через термопреобразователь протекает наименьший ток I I и он начинает остывать. Выходной сигнал в виде на- пряжения на выводах термопреобразователя усиливается, затем дифференцируется, и когда первая производная йеняет свой знак с минуса на плюс, в момент временив, (фиг. 2iS), формирователь 5 формирует импульс, который через схему 7 совпадения поступает на счетчик 8. Схема 7 совпадения находи-р ся в открытом состоянии, так как на ее вход с инверсного выхода генератора 12 подана Логическая единцца. Импульс со. схемы 7 совпадения подается также на вход установки единицы триггера 10, что разрешает прохожде- ние импульса генератора 12 через схему 6 совпадения. Этот импульс снова устанавливает единицу на выходах регистра 9, к цикл с нагревом и охлаждением термопреобразователя повторяется с той разницей, что при охлаждении устанавливается значение измерительного тока. I и величина коэффициента усиления К усилителя 2 в соответствии с кодом на выходе регистра 9, соответствующим количеству импульсов, поступивших на счетчик 8. Как только напряжение на выходе дифференциатора 4 не будет изменять своего знака во время охлаждения термопреобразователя, триггер 10 закроет схему 6 совпадения и на управляющих входах программируемого источника 11 тока и усилителя 2 установится постоянный код, соответствующий оптимальному току I 1д„,, через термопреоб- разрватель. На зтом заканчивается процесс настройки и устройство переходит в рабочий режим, в котором обеспечивается повьшение точности и быстродействия.

Действительно, измерительный ток I, значение которого задается программируемым источником тока, протекает через термопреобразователь,55 расположенный на объекте контроля, имеющего температуру® . На терморезисторе при этом падает напряжение

; 0 5 0 5 д

0

5

(фиг. 3, кривая и ), равное + + .f-( 0,5ae.j), (фиг. 4$), а вследствие разности температур (Аб,) между спаями дифференциального Термоэлектрического преобразователя возникает термо-ЭДС (кривая I), равная З Лб., 5 яе S - чувствительность термоэлектрического преобразователя. Величина суммарного выходного сигнала (кривая III) зависит от теплового состояния термопреобразователя (оно определяется параметрами 0 &Q ийб ,фиг.4&),его электрофизических параметров (Р , 3), значения измерительного тока I и начального сопротивления терморезистора Ё.

Из изложенного вьше следует, что методическая погрешность, условленная теплоотводом по корпусу термопреобразователя (лб, ) и термическим сопротивлением ( д0 ), может быть сведена к минимуму (нулю) при значении измерительного тока, равном

I S К„ (,+ 0,5)1.

Падение напряжения на термопреобразователе при выполнении этого уело .ВИЯ равно +р0), т.е. однозначно и линейно связано с температурой поверхности.

Таким образом, в зависимости от характера поверхности контролируемого объекта и условий эксплуатации устройства максимальное быстродействие и минимальная погрешность предлагаемого устройства обеспечивается при вполне определенном токе через термопреобразователь. Величина этого тока определяется автоматически, т.е. (устройство обладает свойством адаптации к контролируемому объекту.

Соответствие оптимального значения измерительного тока, при котором рассматриваемая методическая погрешность сводится к нулю, и момента времени, когда производная сигнала с термопреобразователя не изменяет знак, подтверждается результатами моделирования переходных процессов предлагаемого термопреобразователя на ЭВМ и экспериментальном исследовании на макетном образце устройства.

Формула изобретения

Устройство для измерения температуры, содержащее термопреобразователь.

усилитель, последовательно соединенные дифференциатор и формирователь импульсов, счетчик, управляющий вход которого соединен с первьм выходом блока управления, и регистратор, о т- личающееся тем, что, с целью повьшения точности измерения и быстродействия путем установки оптимального режима работы термойреоб- разователя, в него введены две схемь совпадения, генератор импульсов, программируемый источник тока, регистр и триггер, входа Установка единицы которого соответственно соединены с вторым выходом блока управления и счетным входом счетчика, выход подключен к первому входу первой схемы совпадения, второй вход которой соединен с прямым выходом генератора импульсов, инверсный выход которого подключен к входу Установ 0

ка нуля триггера и первому входу второй схемы совпадения, второй вход которой соединен с выходом формирователя импульсов, а выход подключен к счетному бходу счетчика ЕМКОДЫ которого подключены к входам регистра, установочный вход которого соединен с выходом первой схемы совпадения,

а выходы подключены к управляющим входам программируемого источника тока и входам управления коэффициентом усиления усилителя, выход которого соединен с входами регистратора и днф{ференциатора, а вход подключен к термопреобразователю, соединенному с выходом источника тока, при этом термопреобразователь выполнен в внде да фференциального термоэлектрического преобразователя, общим электродом которого является терморезистор.

Jonm

to

Фиг.2

Фмг.3

Объект квнтрОАЯ

Терморезис тор f ТепАоизоЛятор L

Теплоизолятор

В изме/я/ льмун схему

TcMnepaffiyija Окружающего воздуха