Устройство для измерения температуры Советский патент 1987 года по МПК G01K7/02 

1

Изобретение относится к температурным измерениям, а именно к устройствам для измерения температуры посредством термоэлектрического преоб- разователя с компенсацией термо-ЭДС свободного спая преобразователя.

Целью изобретения является повьше ние точности измерения температуры и надежности устройства путем обес- печения контроля работоспособности и термокомпенсации температурного ухода параметров элементов устройства.

На чертеже приведена структурная схема предлагаемого устройства.

Устройство для измерения температуры содержит блок 1 контроля, генератор 2 частоты, термоэлектрический преобразователь 3, схему 4 управле- ния модулятор 5, схему 6 термокомпенсации, усилитель 7 переменного тока, демодулятор 8 и регистратор 9. В состав блока I контроля входят коммутатор 10 фазы, схема 11 опорного напряжения и делитель 12 частоты.

Схема 4 управления выполнена на операционном усилителе 13, усилитель

7переменного тока - на операционном усилителе 14, а демодулятор 8 - на операционном усилителе 15.

В состав коммутатора 10 фазы входят два инвертора 16 и 17, элемент 2-2И-2ИЛИ-НЕ 18 и элемент И 19, один вход которого соединен с выходом элемента 18, а другой вход соединен с Ьиной Сигнал контроля. Выход элемента И 19 соединен с базой транзистора 20 схема 11 опорного напряжения коллектор данного транзистора через первичную обмотку трансформатора 21, диод 22 и резистор 23 подключен к выходу источника питания (не показан) . Выводы вторичной обмотки трансформатора 21 через диоды 24 и 25 подключены к резистивному делителю 26 модулятора, соединенному через ключи 27 и 28 с крайними выводами первой обмотки выходного трансформатора 29.

8схеме 6 термокомпенсации, предназ наченной для термокомпенсации термо- ЭДС свободных выводов термоэлектрического преобразователя 3 и температурного ухода параметров радиоэлементов устройства и выполненной на использовании свойства изменения падения напряжения на Р-п переходах диодов 30,1,...,30.п под воздействием окружающей температуры, вывод подвиж

5

1

0

5

0

0

5

0

5

0

5

622

ного контакта резистора 31 через вторичную обмотку трансформатора 29 подключен к неинвертирующему входу опе- рационого усилителя 14 усилителя 7 переменного тока. Два оставшихся вывода резистора 31 подключены к выводам последовательно соединенных диодов 30.1,...ЗО.п, при этом один из выводов резисто,ра 31 соединен с плюсом диода 30«1 и через резистор 32 - с минусом стабилитрона 33 в точ- ке соединения последнего с резисторами 32 и 34, а. второй вывод резистора 31 соединен с минусом диода ЗО.п и плюсом стабилитрона 33 и шиной Корпус. Минус стабилитрона 33 через резистор 34 подключен к плюсу источника питания Е|. (не показано).

Выход генератора 2 частоты подключен к неинвертирующему входу операционного усилителя 13, второй вход которого соединен с шиной Корпус, а выход - через резистор 35, переход база-эмиттер транзистора 36, резистор 37 подключен к последовательно соединенным первичным обмоткам трансформаторов 38 и 39 соответственно. При этом точка соединения эмиттера транзистора 36 и резистора 37 подключена через резистор 40 к плюсу источника питания, а коллектор транзистора 36 соединен с минусом источника питания, Второй вывод первичной обмотки трансформатора 39 подсоединен к шине Корпус. Вторичные обмотки трансформаторов 38 и 39 соединены по двухпроводной линии связи с управляющими входами ключей 26 и 27 модулятора 5 и ключа 41 демодулятора 8 соответственно.

Усилитель переменного тока предназначен для усиления переменного напряжения, поступающего с выхода модулятора 5, и вьтолнен на базе операционного усилителя 14, резисторов 42 - 44 и конденсатора 45.

Демодулятор предназначен дпя преобразования импульсного напряжения в .постоянное и выполнен на следующих элементах: ключе 41, конденсаторах 46 и 47, резисторах 48 - 52 и операционном усилителе 15.

В качестве регистратора 9 можно использовать любое устройство, позволяющее фиксировать постоянное напряжение .

Устройство работает следующим образом.

3

Сигнал с выхода термоэлектрического преобразователя 3 в виде напряжения постоянного тока, величина которого пропорциональна значению температуры в контролируемой среде, через модулятор 5, преобразующий постоянное напряжение термопреобразователя 3 в переменное и выделяющееся на вторичной обмотке трансформатора 29, поступает на неинвертирующий вход усилителя 7 переменного тока, где оно усиливается и поступает на вход демодулятора 8. Необходимая величина коэффициента усиления устанавливает- ся путем регулирования величины сопротивления резистора 42 усилителя переменного тока. Демодулятор 8 преобразует отрицательный полупериод напряжения в постоянное напряжение, пропорциональное измеряемой температуре, поступающее на регистратор 9.

Сигналы с выхода генератора 2 частоты через операционный усилитель 13 и змиттерный повторитель на транзис- торе 36 схемы А управления поступают на последовательно соединенные первичные обмотки трансформаторов 38 и 39. Со вторичных обмоток трансформатора 38 сигналы управления подаются на управляющие входы ключей 28 и 27 модулятора 5, а со вторичной обмотки трансформатора 39 - на управляющий вход ключа 41 демодулятора 8.

Ключи 27 и 28 включаются сигналами управления в противоположные полупериоды, вследствие этого в первичных обмотках трансформатора 29 возникает переменный ток.

Ключ 41 включается синфазно с ключом 27 в моменты времени, соответствующие отрицательному полупериоду переменного напряжения на вторичной обмотке трансформатора 29.

На неинвертирующий вход усилителя 7 переменного тока через вторичную обмотку трансформатора 29 модулятора 5 поступает сигнал с выхода схемы 6 термокомпенсации, компенсирующий тер мо-ЭДС свободного спая термоэлектрического преобразователя 3 и темпера- турньгй уход элементов схемы устройства. Этот сигнал в виде напряжения постоянного тока передается усилителем 7 переменного тока без изменения на вход демодулятора 8. Поскольку на этот же вход демодулятора 8 с выхода усилителя 7 одновременно поступает и усиленное переменное напряжение.

g о

5 о

0

5

5

162отрицательный полупериод которого преобразуется в постоянное напряжение , то в демодуляторе 8 происходит их суммирование, в результате чего на выходе последнего устанавливается постоянное напряжение, из которого исключено напряжение ощибки, обусловленное температурной нестабильностью элементов схемы. Перемещая подвижной вывод потенциометра 31, можно уста-. навливать различные уровни выходных напряжений схемы 6 термокомпенсацин и соответственно получать различные, пропорциональные им, температурные приращения напряжений.

Регулирование и первоначальная установка выходного сигнала устройства осупдествляется путем установки с помощью переменного резистора 49 демодулятора 8 необходимого уровня выходного сигнала при предельном значении выходного сигнала термоэлектрического преобразователя 3.

Проверка работоспособности устройства на неработающем объекте осуществляется посредством блока 1 контроля, для чего на один из входов элемента И 19 коммутатора 10 фазы подается внещний сигнал Контроль в виде потенциала с уровнем логической 1. На другой вход элемента И 19 с момента включения питания устройства че-. рез элемент 2-2И-2ИЛИ-НЕ 18 коммутатора 10 фазы поступают сигналы с выхода генератора 2 частоты.

С выхода элемента И 19 коммутатора 10 фазы управляющие сигналы с частотой генератора 2 частоты начинают поступать на вход транзистора 20 схемы 11 опорного напряжения, что приводит к возникновению на вторичной обмотке трансформатора 21 переменного напряжения, которое вызывает протекание тока через делитель 26 напряжения в течение одного полупериода сигнала с выхода генератора 2 частоты.

При открытом ключе 28 ток протекает по цепи: диод 25, ключ 28, первичная обмотка трансформатора 29, термоэлектрический преобразователь 3, средняя точка резистивного делителя 26, диод 25, а когда открыт ключ 27 по другой дополнительной цепи: средняя точка резистивного делителя 26, термоэлектрический преобразователь 3, первичная обмотка трансформатора 29, ключ 27, диод 25.

Дополнительные токи через ключ 28 и первичную обмотку трансформатора 29 или через первичную обмотку трансформатора 29 и ключ 27 соответственно уменьшают или увеличивают величину токов в первичных обмотках трансформатора 29, обусловленных действием сигнала с выхода термоэлектрического преобразователя 3.

Если время возникновения и дополнительного протекания тока совпадает т.е. происходит синфазно со временем вкл1эчения ключа 27,то величина тока 1ерез первичную обмотку трансформато ра 29 модулятора 5 возрастает, вследствие чего выходной сигнал демодулятора 8 возрастет..

Если время возникновения и протекания дополнительного - тока происхо- дит синфазно со временем включения ключа 28, то величина тока, протекающего через первичную обмотку трансформатора 29модулятора 5, обусловленная величиной сигнала с выхода термо- электрического преобразователя 3, уменьшается, вследствие чего выходной сигнал демодулятора 8 также уменьшается. Поэтому при известном заранее уровне опорного напряжения вторичной обмотки трансформатора 21 регистратор 9 зафиксирует пропорционально этому уровню увеличение или уменьшение уровня выходного сигнала демодулятора 8.

Длительность времени выдачи увеличенного или уменьшенного выходного сигнала демодулятора 8 определяется длительностью сигнала с уровнем логической 1, поступающего на один из входов элемента 2-2И-2ИЛИ-НЕ 18 коммутатора 10 фазы непосредственно с выхода делителя 12 частоты или через инвертор 16 коммутатора 10 фазы блока 1 контроля.

Например, когда на один из входов элемента 2-2И-2ИЛИ-НЕ 18 сигнал с уровнем логической 1 поступает непосредственно с выхода делителя 12 частоты, то на выходе демодулятора 8 будет увеличенный сигнал, так как в это время выходной сигнал коммутатора 10 фазы формируется элементом 2 2-2И-2ИЛИ-НЕ 18 из проинвертированно- го инвертором 17 выходного сигнала генератора 2 частоты. При этом блоком 1 контроля вырабатывается сигнал приводя1ций к уменьшению выходного

Q

5

0 5 Q

5

5

0

5

62

сигнала демодулятора 8. Если на выходе делителя 12 частотыустанавливается, сигнал с уровнем логического нуля, то, поступая на один из входов И элемента 2-2И-2ИЛИ-НЕ 18, он запрещает прохождение сигналов с выхода генератора 2 частоты через эти входы. Однако сигнал, проинвертированный инвертором 16 и поданный на один из другой пары входов И элемента 18, разрешает сигналам с выхода генератора 2 ча(;тоты проходить на выход элемента 18, что ведет к увеличению выходного напряжения демодулятора 8.

Формула изобретения

Устройство рдя измерения температуры, содержащее термоэлектрический преобразователь, модулятор, усилитель переменного тока, выход которого через демодулятор подключен к регистратору, генератор частоты, о т- личающееся тем, что, с целью повышения точности измерения и надежности устройства, в него введены схема термокомпенсации, схема управления, блок контроля, состояш 1й из последовательно включенных делителя частоты, коммутатора фазы и схемы опорного напряжения, при этом модулятор состоит из двух транзисторных ключей, резистивного делителя и вы- ,. ходного трансформатора, крайние выводы первичной обмотки которого соответственно через транзисторные ключи соединены с крайними выводами резистивного делителя, средняя точка которого соединена с первым выводом термоэлектрического преобразователя, второй вьгоод которого подключен к среднему выводу первичной обмотки выходного трансформатора, выводы вторичной обмотки которого подключены соответственно к выходу схемы термокомпенсации и входу усилителя переменного тока, причем крайние выводы резистивного делителя соединены с выходом схемы опорного напряжения блока контроля, а входы его делителя частоты и второй вход коммутатора фазы соединены с выходом генератора частоты и входом схемы управления выходы которой соединены соответственно с управляющими входами ключей модулятора и управляющим входом демодулятора.

Изобретение относится к температурным измерениям. Цель изобретения - повышение точности измерения температуры и надежности устройства путем обеспечения контроля работоспособности и термокомпенсадии температурного ухода параметров элементов устройства. Когда на один из входов элемента 2-2И-2ИЛИ-НЕ 18 сигнал с уровнем логической 1 поступает с выхода делителя 12 частоты, на выходе демодулятора 8 увеличивается сигнал, т.к. в это время выходной сигнал коммутато-. ра 10 фазы формируется элементом 2-2И-2ИЛИ-НЕ 18 из проинвертированно- го инвертером 17 выходного сигнала генератора 2 частоты. Блок 1 контроля вырабатывает сигнал, приводящий к уменьшению выходного сигнала демодулятора 8. Если на выходе делителя 12 частоты устанавливается сигнал с уровнем логического О, то поступая на один из входов элемента 2-2И-2ИЛИ- НЕ 18, он запрещает прохождение сигналов с выхода генератора 2 частоты через эти входы. 1 ил. (/)