Калориметр Советский патент 1991 года по МПК G01K17/02 

о

00

а со

(Ј

Изобретение относится к теплофизи- ческим измерениям и предназначено для регистрации тепловых потоков и тепловыделений.

Цель изобретения - расширение диапазона измерений.

На чертеже представлена блок-схема калориметра.

Калориметр содержит дифференциальную термобатарею 1, первый ключ 2, вход которого соединен с выходом термобатареи 1, усилитель 3, подключенный входом к выходу ключа 2, компаратор (устройство сравнения) 4, соединенный неинвертирующим входом с выходом усилителя 3, первый потенциометр 5, подключенный входом к источнику опорного напряжения, а выходом - к инвертирующему .входу компаратора А, первый формирователь 6, соединенный входом с выходом компаратора, элемент ИЛИ-НЕ 7, подключенный первым входом к выходу формирователя 6, а выходом - к управляющему входу ключа 2, второй 8 и третий 9 ключи, входы которых соединены между собой и подключены к входу ключа 2, управляющий вход ключа 8 соединен с выходом формирователя 6, а управляющий вход ключа 9 - с вторым входом элемента ИЛИ-НЕ 7, второй потенциометр 10, подключенный входом к источнику опорного напряжения, а выходом - к выходу ключа 8, второй формирователь 11, соединенный выходом с управляющим входом ключа 9. гене- ратор 12 импульсов, подключенный выходом к входу формирователя 11, третий формирователь 13, подключенный входом к выходу генератора 12 импульсов, аналого- цифровой преобразователь (АЦП) 14, соеди- ненный информационным входом с выходом усилителя, а управляющим входом - с выходом формирователя 13, четвертый формирователь 15, подключенный входом к управляющему входу АЦП (Конец цикла преобразования), счетчик 16, счетный вход , которого соединен с выходом формирователя 6, а вход сброса - с выходом формирователя 15, регистр 17, первая группа входов которого подключена к цифровым выходам АЦП 14, вторая группа входов - к выходам счетчика 16, а управляющий вход - к управляющему выходу АЦП 14.

Калориметр работает следующим образом.

Сигнал термобатареи 1 через ключ 2, находящийся в открытом состоянии (при отсутствии на входах логического элемента ИЛИ-НЕ 7 уровней логической единицы), усилитель 3 поступает на неинвертирующий вход компаратора 4. При нарастании сигнала термобатареи 1 выходной сигнал усилителя 3 возрастает пропорционально, так как емкость конденсатора, включенного параллельно входу усилителя 3, не сказывается ввиду малого сопротивления термобатареи

1, шунтирующего эту емкость. Импульсы генератора 12, поступающие через формирователь 11 на управляющий вход ключа 9 и через логический элемент ИЛИ-НЕ 7 на управляющий вход ключа 2, коммутируют выход термобатареи 1 поочередно на вход и на выход усилителя 3. В период подключения термобатареи 1 к входу усилителя возникает сигнал, скорость нарастания которого пропорциональна воздействующему тепловому

потоку. Так как частота импульсов генератора 12 стабильна во времени, то величина амплитуды сигнала на выходе усилителя 3 в одинаковые фазы работы генератора, например в момент начала импульса - команды переключения термобатареи с выхода усилителя 3 на его вход, однозначно связана- с величиной воздействующего на термобатарею теплового потока. В момент подключения выхода усилителя 3 к термобатарее 1

на его входе остается заряд конденсатора, а на выходе - напряжение, пропорциональное выходному сигналу в момент отключения входа усилителя 3 от термобатареи 1. Ток, возникающий в спаях термобатареи 1,

под воздействием выходного напряжения усилителя 3 создает встречный тепловой поток за счет эффекта Пельтье, тем самым охлаждая спаи термобатареи 1, компенсируя измеряемый тепловой поток. Сигнал с выхода усилителя 3 поступает на информационный вход АЦП L и по сигналу с выхода формирователя 13, запускаемого импульсами генератора 12, преобразуется в цифровой код. Этот код поступает на первую

группу входов регистра 17 и по сигналу с управляющего выхода АЦП 14 запоминается в регистре.

Таким образом, устройство работает в случае, если величина сигнала с выхода усилителя 3 не превышает уровня, задаваемого порогом срабатывания компаратора 4, т.е. внутри оптимального динамического диапазона усилительно-регистрирующего тракта, соответствующего максимальной точности

0 измерений.

При достижении верхней границы срабатывания компаратора 4 (сигнал с выхода термобатареи 1 достиг и начинает превышать верхнюю границу оптимального диа5 пазона усилительно-регистрирующего тракта) выход компаратора 4 переходит в состояние логической единицы и формирователь 6 по переднему фронту процесса этого перехода вырабатывает импульс

нормированной длительности и амплитуды.

Порог срабатывания компаратора 3 задается потенциометром 5, равным верхней границе оптимального диапазона усилительно-регистрирующих блоков схемы усилителя 3 и АЦП 14. По сигналу форми- рователя 6, поступающему на ключ 8, к термобатарее подключается потенциометр 10, одновременно этот же импульс формирователя 6 через логический элемент ИЛИ-НЕ 7 отключает вход усилителя 3 от термобата- реи 1. Напряжение с выхода потенциометра 10 поступает на термобатарею в течение времени импульса с выхода одновибратора и ток. протекающий под действием этого напряжения, создает тепловой поток, на- правленный навстречу воздействующему на термобатарею потоку и компенсируй - щий его. По окончании импульса формирователя 6 вход усилителя 3 соединяется ключом 2 с термобатареей 1, а выход потен- циометра 10 отключается от термобатареи.

В случае больших по величине тепловых потоков переключение термобатареи 1 с входа усилителя на его выход и обратно происходит многократно до тех пор, пока импульс с выхода генератора 12 через формирователь 11 не подключит выход усилителя 3 к термобатарее 1, отключив ее через логический элемент ИЛИ-НЕ 7 с помощью ключа 2 от входа усилителя. При этом встречный тепловой поток, возникающий в спаях термобатареи 1 под действием тока, протекающего при подаче на термобатарею 1 напряжения с выхода усилителя 3, пропорционального сигналу термобатареи 1, в мо- мент переключения термобатареи 1 на выход усилителя 3 компенсирует тепловой поток, поступающий в калориметр, а величина сигнала усилителя 3, как и ранее, через АЦП записывается в регистр 17. Одновре- менно в регистр на вторую группу входов считывается цифровой код счетчика 16, индицирующий количество переключений термобатареи с входа усилителя 3 на его выход, т.е. полное число циклов точной компенса- ции поступающего в калориметр теплового потока. По окончании записи выходных цифровых кодов счетчик обнуляется.

В устройстве обеспечивается автоматическое поддержание сигнала с выхода тер- мобатареи 1 в пределах оптимального динамического диапазона усилительно-регистрирующего тракта, соответствующего

максимальной точности измерений теплового потока, несмотря на то, что амплитуда измеряемого теплового потока может существенно ( в 10 раз) превышать величину теплового потока, соответствующего верхней границе диапазона измерительно-регистрирующего тракта известных устройств. Формула изобретения Калориметр, содержащий дифференциальную термобатарею, размещенную в рабочей и опорной ячейках, усилитель, генератор импульсов и первый кл.о чающийся тем. что, с целью расширения диапазона измерений, в него введены компаратор, подключенный к выходу усилителя, второй и третий ключи, первый, второй, третий и четвертый формирователи, элемент ИЛИ-НЕ, аналого-цифровой преобразователь, счетчик, регистр и первый и второй потенциометры с источником опорного напряжения, при этом первый потенциометр включен между источником опорного напряжения и инвертирующим входом к,омпаратора. выходом через первый формирователь подключенного к счетному входу счетчика, лервому входу элемента ИЛИ-НЕ и управляющему входу второго ключа, вход которого объединен с входами первого и третьего ключей и подключен к выходу дифференциальной термобатареи, а выход соединен с источником опорного напряжения через второй потенциометр, выходы первого и третьего аналоговых ключей, соединены соответственно с входом и выходом усилителя, подключенным к входу аналого-цифрового преобразователя, выход управления которого подключен к входу управления регистра непосредственно, а к входу сброса счетчика - через четвертый формирователь, выходы счетчика соединены с второй группой входов регистра, подключенного первой группой входов к выходам аналого-цифрового преобразователя, вход управления которого через третий формирователь соединен с выходом генератора импульсов, подключенного через второй формирователь к управляющему входу третьего ключа и к второму входу элемента ИЛИ-НЕ, выходом подключенного к управляющему входу первого ключа, а третьи выводы первого и второго потенциометров соединены с общей шиной калориметра.

Изобретение относится к теплометрии и позволяет расширить диапазон измерений калориметра. Для этого задается уровень срабатывания компаратора 4, равный верхнему пределу оптимального диапазона усилительного тракта. По достижении выходным сигналом дифференциальной термобатареи 1 указанного уровня компаратор 4 срабатывает, и формирователь 6 вырабатывает импульс нормированной амплитуды и длительности. Этот импульс открывает ключ 8, подключая через потенциометр 10 и дифференциальную термобатарею (ДТ) 1 источник опорного напряжения. По спаям ДТ 1 течет ток, создающий тепловой поток, компенсирующий измеряемый. В результате сигнал с выхода термобатареи не превышает верхнего предела диапазона в процессе измерения. Число полных циклов компенсации фиксируется, после чего фор- MMpyefCR окончательный результат измерения. 1 ил. со