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

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано в системах измерения температуры с применением термоэлектрических преобразователей (термопар).

Целью изобретения является повышение точности измерения температуры.

На чертеже приведена функциональная схема предлагаемого устройства.

Устройство для измерения температуры содержит термопару 1, стабилизи- рованньй источник 2 напряжения, усилитель 3, компенсатор температуры свободных концов термопары - мост 4., состоящий из термометра 5 сопротивления, опорного резистора 6 и двух образцовых резисторов 7 и 8, два конденсатора 9 и 10, второй усилитель 11 восемь ключей 12-19, два резистора 20 и 21 в делителе отрицательной обратной связи, первого усилителя 3, нуль- орган 22, блок 23 управления с выводами 24-27, два элемента И-НЕ 28 и 29, четыре элемента И 30-33, инвертор 33, RS-триггер 35 и регистратор 3 с четырьмя входами, в качестве которого может быть использован любой записывающий прибор (например, магнитный или фотооптический) с аналоговым входом по напряжению, резисторы 37 и 38, два ключа 39 и 40. Блок 23 управления включает генератор тактовой частоты, счетчик импульсов и дешифратор (не показаны).

Устройство осуществляет двухтактный алгоритм измерения и работает следующим образом.

По сигналу 24 с блока 23 управления в первом такте измерения преобразования включаются ключи 12-16, 18, 19 и 40, в результате конденсатор 9 через компенсационный мост 4 подключается к термопаре 1 и заряжается до напряжения

Ue, и, ЭДС + и,„, , (1) где и - напряжение на конденсаторе 9,

ЭДС - сигнал термопары; напряжение на выходе компенсационного моста. Конденсатор 10 соединен с неинвертированным входом второго усилителя 1 1 и подключается при этом через ключ 9 к выходу второго усилителя 11 инвертированньй вход которого соединен с выходом усилителей 3 и 11, неинвертированные входы усилителей 3

39413

и 1 подключены через ключи 18 и 40 соответственно к общей точке. В результате конденсатор 10 заряжается до напряжения

5

0

С2

jpi :

5

0

где и. - напряжение на конденсаторе 10;

U- - напряжение дрейфа О первого усилителя;

Unpj- напряжение дрейфа О второго усилителя.

Во втором такте измерения по сигналу 25 с блока 23 управления включаются ключи 17 и 39, а все остальные отключаются, в результате конденсатор 9 через ключ 17 подключается к неинвертированному входу усилителя 3, а конденсатор 10 через ключ 39 - к неинвертированному входу усилителя 11, инвертированньй вход которого соединен с выходом усилителя 3, при . этом на выходе усилителя 11 формируется напряжение

К,- К, + и.р, +

(3)

соответственно коэффициенты передачи усилителей 3 и 11, которые определяются по формулам

11 Т1 .

ВЫХ С1

+ и

где К

fpi и К

- и

0

К,

/Rii

R

20

R.

К,

5j&

К

(4)

37

где , к, и к, , -ъь сопротив- g ления в цепи отрицательной обратной связи усилителей 3 и 11 соответственно.

РМ, К, V.

Подставив значения U из формул (1) (2) и (4) в формулу (З) получаем соотношение

; (ЭДС + u.,,J(i +n-S

и

вых

R

го

R

(5)

7

В котором отсутствует аддитивная составляющая погрешности измерения, вносимая дрейфом усилителей 3 и 11. Результат записи на регистраторе при этом определяется соотношением

0

N. К.

и.

К

X ОбШ,

и.

(6)

0&UI, : : обш, где N - показание на регистраторе;

и. - ЭДС + и,,,„;

К, - общий коэффициент передачи ОБЩ

измерительного тракта.

Для исключения мультипликативной составляющей погрешности, вносимой g изменением коэффициента передачи измерительного тракта, устройство калибруется в четыре такта по командам 26 и 27, вьщаваемым с блока 23 управления. При этом в первом такте

313394

калибро вкн включаются ключи 12, 14- 16, 18, 19 и 40, а ключ 13 по сигналу 26 через элемент И 31 отключается, в результате конденсатор 9 заряжается до напряжения

и,,,, ЭДС - и„, (7) где и - напряжение на конденсаторе 9 в первом такте калибРОБКИ;

ЭДС - сигнал термопары; и - напряжение на опорном резисторе компенсационного

моста,

а конденсатор 10 заряжается до на- пряжения, определяемого по формуле (2), Во втором такте калибровки включаются ключи 17 и 39, а все остальные отключаются, и напряжение на выходе усилителя I1, определяемое по формуле (3), имеет значение

и.ь,х (ЭДС-и,)(|-. I). (8}

Одновременно на выходе нуль-органа 22 определяется знак выходного напряжения, если на его выходе появляется сигнал логическая 1, что соответствует знаку +, то открывается элемент И 33 и триггер 35, сигнал с которого в третьем такте калибровки через элементы 28 и 30 отключается ключ 12, при этом ключи 13-16, 18, 19 и 40 включены, в результате кон-, денсатор 9 заряжается до напряжения

ис,., ЭДС, (9) где и., j- напряжение на конденсаторе 9 в третьем такте калибровки, а конденсатор 10 при этом заряжается до напряжения, определяемого по формуле (2). В четвертом такте калибровки ключи находятся в том же состоянии, как во втором такте, т.е. включены ключи 17 и 39, а все остальные отключены. Тогда напряжение на выходе усилителя 11 в четвертом такте калиб- ровки с учетом формулы СЗ) имеет величину

и

R

R8ЫХ

ЭДС.(| + 1).5-. (10)

R

R,

20 3

Разность выходных напряжений, по- лученных во втором и четвертом тактах калибровки и вычисленных по формулам (8) и (10), составляет величину, определяемую по формуле

аи u.( -ь 1). |- S , (11)

° «го Kji

где и - напряжение на опорном резисторе Rg, определяемое по формуле

3

.1 Е R.

R,,. + R.

(12)

Обр о

где Е - напряжение стабилизированного источника, включенного в диагональ моста; R - сопротивление образцового реQop

зистора, включенного в другое плечо моста, смежное с опорным резистором,

а результат записи на регистраторе при этом определяется соотношением

N,

К.

Uo.

(13)

NO

--, подстав ОБЫ, о

откуда определяем К

ляем его в формулу (6) и получаем значение измеряемой величины

(14)

и. о

Если на выходе нуль-органа 22 появляется логический О, то элемент И 33 не открывается и триггер 35 остается в закрытом состоянии, а сигнал с его инверсного выхода в третьем такте через элементы 29 и 32 вы рслючает ключ I 4 , при этом ключи I 2, 13, 15, 16, 18, 19 и 40 включены, в результате конденсатор 9 заряжается до напряжения

и

С KJ

ЭДС -ь и,„„„+ и, , (15)

где и, |., напряжение на конденсаторе 9 в третьем такте калибровки;

UI Q - напряжение на выходе компенсационного моста; Ug - напряжение на втором резисторе.

Напряжение на втором конденсаторе 10 определяется по формуле (2), В четвертом такте калибровки ключи I7 и 39 включаются, все остальные отключаются и напряжение на выходе усилителя II в соответствии с форьгулой (З) имеет величину

и„ (ЭДС + и,„„„-ь Uj.( +1

«о

X 5л

R

(16)

37

Разность выходных напряжений, полученных по формулам (16) и (5), составляет величину, определяемую по формуле (11), т.е. независимо от знака калибровочного напряжения, полученного во втором такте, калибровочный перепад напряжения остается постоянным в том и другом случаях, определяемом напряжением по формуле .(l2), а результат измерения определи51

тся ПО формуле (14) и не зависит от коэффициента передачи измерительного тракта, а следовательно, не имеет мультипликативную составляющую погрешности. Точность измерения согласно формуле (14) определяется стабильностью опорного напряжения Ug, а так как эта величина согласно формуле 12) является мерой образцовой, то и результат измерения имеет соответственно высокую точность измерения .

Формула изобретения

Устройство для измерения температуры, содержащее термоэлектрический преобразователь, измерительный усилитель, компенсатор температуры свободных концов термоэлектрического преобразователя, выполненньш в виде четырехплечего резистивного моста с термометром сопротивления в одном из его плеч, включенного последовательно своей измерительной диагональю с термоэлектрическим преобразователем, стабилизированный источник напряжения , подключенный к питающей диагонали резистивного моста, и регистратор, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены два конденсатора, второй измерительный усилитель, десять управляемых электронных ключей, нуль-орган, два логических элемента И-НЕ, четыре логических элемента И, инвертор, RS-триггер и блок управления, при этом первый электронный ключ включен в диагональ моста последовательно с источником стабилизированного напряжения, второ и третий электронные ключи включены по одному последовательно с резисторами моста в его симметричные относительно питающей диагонали плечи, один из конденсаторов подключен через четвертый и пятый электронные ключи параллельно цепи последовательно соединенных термоэлектрического преобразователя и компенсатора темпе ратуры его свободных концов и через щестой электронный ключ подключен к неинвертирующему входу первого измерительного усилителя, инвертирующий вход которого соединен с его выходом через резистивньш делитель напряжения, а его неинвертирующий вход соединен через седьмой электронный

136

ключ с общей шиной устройства, второй измерительный усилитель выполнен по дифференциальной схеме и подключен своим инвертирующим входом через резистор цепи его отрицательной обратной связи к выходу первого измерительного усилителя, второй конденсатор подключен через восьмой электронный ключ к выходу второго измерительного усилителя и через девятый электронный ключ - к его неинвертирующему входу, который через десятый электронный ключ соединен с общей шиной устройства, нуль-орган своим входом включен на выходе второго измерительного усилитешя, одни входы первого, второго и третьего логических элементов И подключены к первому выходу блока управления, соединенному с управляющими входами четвертого, пятого, седьмого, восьмого и десятого электронных ключей, второй выход блока управления соединен с управляющими входами шестого и девятого электронных ключей и первым входом четвертого логического элемента И, выходы первого, второго и третьего логических элементов И соединены соответственно с управляющими входами первого, второго и третьего электроН11ых ключей, второй вход первого логического элемента И соединен с выходом первого логического элемента И-НЕ, первый вход которого соединен с выходом RS-триггера, второй вход второго логического элемента И соединен с третьим выходом блока управления,второй вход третьего логического элемента И соединен с выходом второго логического элемента И-НЕ, первый вход которого соединен с инверсным выходом RS-триггера, вторые входы логических элементов И-НЕ соединены с четвертым выходом блока управления, второй вход четвертого логического элемента И подключен к выходу нуль-органа, а его выход соединен с S-входом RS-триггера, R-вход которого через инвертор подключен к третьег гу выходу блока управления, первый вход регистратора подключен к выходу второго измерительного усилителя, второй вход к второму выходу блока управления, а третий и четвертый входы регистратора подключены к выходам первого и второго логических элементов И-НЕ соответственно.

Изобретение относится к приборостроению. Цель изобретения - повышение точности измерения температуры, Устройство осуществляет двухтактный алгоритм измерения, оно содержит термопару 1, стабилизированный источник 2 напряжения, усилители 3 и 11, мост 4, состоящий из термометра 5 сопротивления, опорного резистора 6, образцовых резисторов 7 и 8, конденсаторы 9 и 10, ключи 12-19, резисторы 20 и 21, 37 и 38, нуль-орган 22, блок 23 управления, элементы И-НЕ 28, 29, элементы И 30-33, инвертор 34, RS-триггер 35, регистратор 36 и ключи 39 и 40. Для исключения мультипликативной составляющей погрешности, вносимой изменением коэффициента передачи измерительного тракта, устройство калибруется в четыре такта по командам с блока 23 управления. 1 ил. С/) J... 00 ;о 4 00 ЩТ