Устройство для измерения меняющихся температур Советский патент 1987 года по МПК G01K3/10 

Изобретение относится к температур ным измерениям и может найти применение в информационно-измерительных системах при измерении меняющихся температур газовых потоков в нестационарных условиях теплообмена систем охлаждения энергетических установок высокоскоростного наземйого транспорта.

Цель изобретения - повышение точности измерения, путем уменьшения ошибки измерения, вызванной неточностью коррекции инерционности термопреобразователя ,

его усиливает (.фиг. 2), после чего сигнал поступает на первый вход блока 3 вычитания и вкод активного дифференциатора 4. На выходе ди4 ферен- 5 циатора 4 появляется продифференцированный сигнал (фиг.2б), поступающий на первый вход схемы 6 сравнения и на управляющий вход генератора 12, запуская его. При этом на первом вых де генератора 12 формируется последо вательность импульсов Ф , представля ющая собой перио/дически повторяющееся пилообразное напряжение (фиг.23) а на втором выходе - последовательно

f ft - - - f -.-1 -,,-

На фиг.1 приведена блок-схема уст- ность импульсов Ф,2(фиг.2г) с тем же

ройства; на фиг. 2 - графики, поясня- ющие работу устройства.

Устройство для измерения меняющихся температур содержит термопреобразователь 1 с предварительньгм усилителем 2, выход которого подключен к пер вому входу сумматора блока 3 вь щ-5та- ния и к входу активного дифференциатора 4, регистратор 5, подключенный к выходу блока вычитания, схему б сравнения, первый вход которой подключен к выходу активного дифференциатора 4, триггер 7 5 R-вход которо- го соединен с выходом cxeb-oj б сравнения, а выход - с управляю)щм входом интегратора 8. Устройство содержит также буферный каскад 9, конденсатор 10, 5слюч 11 и генератор J 2 пшгообраз

С приходом первого импульса второ иготульсной последовательности на S- вход триггера 7 последний устанавливается в единичное состояние, разрешая работу интегратора 8, на управляемый вход которого подается постоянное напряжение. В момент равенства сигналов с выходов дифференциатора 4 и генератора 12 импульсов, поступающих на входы схемы 6 сравнения, на -ае выходе появляется сигнал (фиг.2д) переводящий триггер 7 по R-входу в нулевое состояние.. При этом илтегра- тор 8 завершает работу по управляемому входу, так как на его управляющем входе присутствует сигнал О с выхода триггера 7 (фиг.2е). Проинтег рированный сигнал с выхода интегра40

ного напряжения, управляюидаи вход которого соединен с выходом дифференци-З тора 8 (фиг,2ж) поступает на информа атора 4, выход пилообразного напряже- цкокный вход ключа 11 и при появления генератора 12 соединен с вторьн-j входом схемы 6 сравнения, а тактирующий вход - с S-входом триггера 7 и управляющим входом ключа 1, включенного между выходом интегратора 8 и входом буферного каскада 9, к которому от общей шины подключен конденсатор 10, а выход буферного каскада 9 объединен с вторым входом блока 3 вычитания и с йeyпpaвляe н.м входом интегратора 8, на. управляющг гй вход которого подается постоянное напряжение и (источник постоянного напряжения не показан).

45

50

ни-и второго I iMnyjribca второй импульсной последовательности на управляющем входе ключа 11 заряжает конденса тор 10. Затем через буферный каскад 9 этот сигнал поступает на второй вход блока 3 вычитания, а таклсе по цепи обратной связи - на неуправляемый вход интегратора 8.

Блок 3 вычитания формирует сигнал поступающий на регистратор 5 и соот- ветствуюидий сумме сигналов от предварительного усилителя 2 и буферного каскада 9, Под воздействием второго имаульса второй импульсной последовательности триггер 7 снова возвращается в единичное состояние, разрешая работу интегратора 8 до нового момента совпадения напряжений на обоих входах схемы 6 сравнения. Интегратор В в это время выполняет интегрирование как по управляемому, так и постоянно по неуправляемому входам.

Устройство работает следующим образом.

Пусть в начальный момент времени сигнал на выходе термопреобразователя 1 равен нулю, интегратор 8 сброшен, ключ 11 разомкнут, конденсатор 10 разряжен. С появлением сигнала от термопреобразователя усилитель 2

его усиливает (.фиг. 2), после чего сигнал поступает на первый вход блока 3 вычитания и вкод активного дифференциатора 4. На выходе ди4 ферен- циатора 4 появляется продифференцированный сигнал (фиг.2б), поступающий на первый вход схемы 6 сравнения и на управляющий вход генератора 12, запуская его. При этом на первом выходе генератора 12 формируется последовательность импульсов Ф , представляющая собой перио/дически повторяющееся пилообразное напряжение (фиг.23), а на втором выходе - последователь

- - - f -.-1 -,,-

периодом Т.

С приходом первого импульса второй иготульсной последовательности на S- вход триггера 7 последний устанавливается в единичное состояние, разрешая работу интегратора 8, на управляемый вход которого подается постоянное напряжение. В момент равенства сигналов с выходов дифференциатора 4 и генератора 12 импульсов, поступающих на входы схемы 6 сравнения, на -ае выходе появляется сигнал (фиг.2д) переводящий триггер 7 по R-входу в нулевое состояние.. При этом илтегра- тор 8 завершает работу по управляемому входу, так как на его управляющем входе присутствует сигнал О с выхода триггера 7 (фиг.2е). Проинтегрированный сигнал с выхода интегратора 8 (фиг,2ж) поступает на информа цкокный вход ключа 11 и при появле

тора 8 (фиг,2ж) поступает на информа цкокный вход ключа 11 и при появле

ни-и второго I iMnyjribca второй импульсной последовательности на управляющем входе ключа 11 заряжает конденсатор 10. Затем через буферный каскад 9 этот сигнал поступает на второй вход блока 3 вычитания, а таклсе по цепи обратной связи - на неуправляемый вход интегратора 8.

Блок 3 вычитания формирует сигнал, поступающий на регистратор 5 и соот- ветствуюидий сумме сигналов от предварительного усилителя 2 и буферного каскада 9, Под воздействием второго имаульса второй импульсной последовательности триггер 7 снова возвращается в единичное состояние, разрешая работу интегратора 8 до нового момента совпадения напряжений на обоих входах схемы 6 сравнения. Интегратор В в это время выполняет интегрирование как по управляемому, так и постоянно по неуправляемому входам.

В дальнейшем под воздействием очередных импульсов второй импульсной последовательности работа устройства полностью повторяется до тех пор, пока выходной сигнал активного диффе- ренциатора 4 не становится равным нулю.

В основу построения устройства положен принцип получения выходного сигнала устройства, пропорционального как входному сигналу, так и его производной с учетом тепловой инерции термопреобразователя на основе развертывающего преобразования экспоненциального продифференцированного входного снгнала в относительную длительность широтно модулированных сигналов, управляющих периодическим интегрированием напряжения, харак

-

теризугощего тепловую инерцию термо преобразователя с учетом предыдущего результата, благодаря чему компенсация реализуется более точно, чем при отсутствии модуляции.

При изменени температуры на входе термопреобразователя 1 напряжение на его выходе нарастает не мгновенно, а в соответствии с выражением

и.. (1-е )и„,()

-

напряжение на выходе термопреобразователя 1 ; установившееся значение по окончании переходного процесса;35постоянная инерции термопреобразователя 1; текущее время. усиления усилителем 2 сигнал, имеющий вид

-tie

и, К,и(1-:е ),

где Ку - коэффициент усиления усилителя 2,

поступает на первый вход блока 3 вычитания и на вход дифференциатора 4. На выходе дифференциатора 4 сигнал имеет вид

„ Га / -tfe -ta/e

аи. ,К, -(е

-е

) (3)

где - напряжение на выходе дифференциатора 4;

t - постоянная времени дифференциатора 4;

К.

- коэффициент передачи диф- 55

ференциатора 4.

На практике ta , то выражение (3) можно упростить

и, К и„ -7--К,е

dtKf Ч ° t о

(4)

Продифференцированный сигнал поступает на первый вход cxebtbi 6 сравнения и на управляющий вход генератора 12, запуская одновременно две импульсь-ые последовательности Ф и Ф2 с одинаковым периодом Т, выбранным из условия . Последовательность Ф представляет собой периодическое линейно изменяющееся напряжение вида

20

u У--.

(5)

где и„

-Т амплитуда изменяющегося

напряжения.

Последовательность Ф - это последовательность коротких импульсов такая, что выполняется условие t с т.

где са.

Г длительность одного импуль

Начиная с некоторого момента трИ1- гер 7 первым импульсом последовательности Ф устанавливается в единичное состояние, тем самым разрешая работу интегратора 8 по управляемому входу. Через интервал времени

С т (6)

иогл

на обоих входах схемы сравнения 6 сигналы равны. Разделив обе части выражения (6) на Т, получим

Q yiafL аУо1э К е

:-Vf

и.

EU

(7)

40

45

50

55

35егде 0 - относительная длительность.

Таким образом, относительная длительность времени интегрирования на протяжении всего процесса дифференцирования изменяется по экспоненциальному закону.

Сигнал на выходе блока вычитания имеет вид

USM и. - и, , (8) где UgK - выходное напряжение с буферного каскада 9, пропорциональное производной входного сигнала (фиг.2, 3).

Интегратор 8, ключ П, конденсатор 10, буферный каскад 9 формируют сигнал . Ключ I1 замыкается периО К

одически в моменты времени t , t ,. .,, t , определяемые последовательностью Ф. Тогда с учетом условия (6) в момент времени t напряжение на выходе буферного каскада 9 равно

SK

4

(h), (n-D- I I udt t

Г

(n-i)dt,

2 -t где и

- зна h- 1

ек(п) 6R( ходкого напряжения соответ

моменты времени t и t,,,,

Т| и L . - постоянные вания интегратора по управ неуправляемому входам. Введем обозначения -tr

(t)dt;.

Sb 1 Г

. -f I и 1 J

«

Учитывая, что Ug ,,, зависит только от номера цикла и не зависит от вре- мени, представим выражение в виде

и.

(1-)и

BKCh-l)

.

SK(M) 5

Выражение (10) является линейныностным неоднородным уравнением вого порядка. Регаение этого ура .следующее:

8„ S,, (1- I )

и

4-S

h--2

6К(.- 1

(I )Ч Т,

..s,( и(о) (I- i )

to

где и(о) - напряжение на выходе буферного каскада в начальный момент времени t .

Если п одобрать параметры цепи обратной связи интегратора 8 так, чтобы вьшолнялось условие

Т г Т,,(12)

то решение этого уравнения следующее

тт ;

6Ч(к) г

-гТ JX(t)dt

,

4judt -Iu,

где и - постоянное напряжение на управляемом выходе интегратора 8.

Подставив выражение (8) в (13), получим

(13)

. KjiklaMe

-f/.

и„

„, . у

(14)

в соответствии с выражением (9) на выходе блока 3 вычитания имеем

Us. - .

-t/g

K.y,r..

1..,.

и

(15)

При настройке корректирующей цепи J3 соответствии с условием

с- .

и

о г,

на выходе регистратора 5 получим

(6)

и.

- К,и

ру - - ч - о(17)

Таким образом, выходной сигнал принимает установившееся значение в момент времени t -Т. По окончании переходного процесса выходной сигнал сумматора-вычитателя 3 определяется только составляющей с усилителя 2.

Формула изобретения

20

50

Устройство для измерения меняю- щгтхся температур,, содержащее термопреобразователь с предварительной усилителем, выход которого ттодключен

25 к входу активного дифференциатора и первому входу блока вычитания, выход которого соединен с регистратором,, схему сравнения, первый вход которой подключен к выходу активного дифференциатора , а выход соединен с дом триггера, выход которого подключен к управляющему входу интегратора; отличающееся тем. что, с целью повышения точности изм€;ренил

.,- путем уменьшения ошибки измерени ч, вызванной неточностью коррекции инерционности термопреобразователя, в устройство введены буферный каскад, ключ, конденсатор и генератор пилообразного

40 напряжения, управляюгций вход которого соедине1ь с выходом дифференциатора, выход пилообразного напряжения генератора соединен с вторым входом схемы сравнения, а тактирующий выход 45 подключен к S-входу триггера и управляющему входу ключа, вход которого соединен с ,ом интегратора, а выход через буферный каскад соединен с вторым входом блока вычитания и с

0 не правляемым входом интегратора, управляемый вход которого соединен с источником постоянного напряжения,при этом конденсатор включен между входом буферного каскада и обшей згяной

55 устройства.

JLLU

Фи.г..

Изобретение относится к температурным измерениям. Цель изобретения- повьппение точности измерения путем уменьшения ошибки измерения, вызванной неточностью коррекции инерционности термопреобразователя. Устройство содержит термопреобразователь 1, усилитель 2, блок 3 вычитания, дифференциатор 4, регистратор 5, схему 6 сравнения, триггер 7, интегратор В, буферный каскад 9, конденсатор 10,ключ 11 и генератор 12 пилообразного напряжения. Введение новых элементов и образование новых связей между элементами устройства позволяет на его выходе получить сигнал, пропорциональный как входному сигналу, так и его производной, с учетом тепловой инерции термопреобразователя 1 на основе развертывающего преобразования экспоненциального продифференцированного входного сигнала в относительную длительность широтно-модулированных сигналов, управляющих периодическим интегрированием напряжения, характеризующего тепловую инерцию термопреобразователя 1 с учетом предыдущего ре- -. зультата, благодаря чему компенсация - реализуется более точно, чем при отсутствии модуляции. 2 ил. S сл ./

Редактор С.Лисина

Составитель В.Куликов

Техред М.Ходанич Корректор С.ШекмарЗаказ 766/42 Тираж 777Подписное

ВНШШИ 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