Устройство для измерения температуры Советский патент 1993 года по МПК G01K7/32 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к средствам измерения температуры, в которых в качестве чувствительного элемента используется термочувствительный кварцевый резонатор, и предназначено для измерения температуры жидкости и газа в трубопроводах гидрогазодинамических систем.

Цель изобретения - повышение точности измерения температуры в динамическом режиме.

При этом входы управляющих схем подключены к соответствующим выходам дешифратора, а выходы каждой управляющей схемы подключены к управляющему входу соответствующего ключа в каждой из четырех групп масштабирующих цепочек, по- парно включенных в смежные плечи мостовой схемы последовательно и параллельно с соответствующим терморезистором.

Терморезисторы размещены в дополнительной защитной капсуле в центре ее полости и на ее внутренней поверхности.

На чертеже представлена схема устройства для измерения температуры.

Устройство для измерения температуры содержит термочувствительный пьезорезонатор 1. помещенный в защитную капсулу 2 и включенный в частотозадающую цепь измерительного автогенератора 3, подключенного выходом к первому входу блока формирования разностной частоты 4, соединенного вторым входом с выходом опорного автогенератора 5. а выходом подключённого ко входу регистратора 6, мостовую схему 7 с двумя терморезисторами 8 и & в ее смежных плечах, размещенные в дополнительной защитной капсуле 10 в центре ее полости и на ее внутренней поверхности, дифференциальный усилитель 11, вход которого подключен к измерительной диагонали АБ мостовой схемы 7. а выход - ко входу опорного автогенератора 5, деW

Ё

00

00

ел

Јw Ю

шифратор 12, подключенный к выходу регистратора б, четыре группы из п масштабирующих цепочек 13, 14, 15, 16 и п управляющих схем 17.

Масштабирующие цепочки попарно 13, 14 и 15, 16 включены в смежные плечи мостовой схемы 7, причем цепочки 13 и 15 - последовательно с терморезисторами 9 и 8 соответственно, а цепочки 14 и 16 - параллельно с терморезистором 9 и цепочкой 13 и терморезистором 8 и цепочкой 15 соответственно.

Причем каждая из масштабирующих цепочек 13, 14 состоит из последовательно соединенных нормализующих резисторов 18 ii соответствующих ключей 19 K1i...K1n и K2i...K2n, а каждая из масштабирующих цепочек 15, 16 - из последовательно соединенных нормализующих резисторов 20 и соответствующих ключей 20 K3i...K3f1 и K4i...K4n.

Каждая управляющая схема 17 содержит последовательно соединенные триггер 22, элемент 2И-НЕ 23, дифференцирующую цепь 24 и усилитель 25 Усилитель 25 подключен входом к инверсному выходу триггера 22, соединенного установочным входом со вторым входом элемента 2И-ИЕ 23, а входо.м обнуления, - с выходом дифференцирующей цепи 24.

Входы управляющих схем 17 подключены к соответствующим выходам дешифратора 12, а выходы. каждой управляющей схемы 17, подключены к управляющему входу соответствующего ключа 19, 20 в каждой из четырех групп масштабирующих цепочек 13, 14, 15, 16.

Устройство для измерения температуры работает следующим образом.

В установившемся тепловом режиме температура контролируемой среды и температура термочувствительного пьезорезо- нато-ра 1 равны. Температура терморезисторов 8 и 9 также равна .температуре контролируемой среды, а мостовая схема 7 сбалансирована и управляющее напряжение на выходе дифференциального усилителя 11, поступающее на управляющий вход опорного автогенератора 5 устанавливает на его выходе значение номинальной опорной частоты. При этом значение измеренной температуры полностью определяется термочувствительным кварцевым резонатором 1 и вычисляется из соотношения:

T AO+A1-F,

где Т - значение температуры среды, в которую помещен термочувствительный пье- зорезонатор, °С ;

F - значение выходной частоты блока формирования разностной частоты, Гц.;

АО, AU - коэффициенты полинома первой степени, которым аппроксимируется

температурная зависимость частоты F, определяются в процессе индивидуальной градуировки термочувствительного пьезо- резонатора 1, включённого в схему измерительного автогенератора 3.

0 Ори скачкообразном изменении .температуры контролируемой среды возникает перепад между температурой поверхности защитной капсулы 2 термочувствительного пьезорезонатора 1 и температурой самого

5 тела кристалла пьезорезонатора 1, Этот перепад температур приводит к появлению динамической погрешности измерения температуры.

Устранение этой погрешности осущест0 вляетсяс помощью двух терморезисторов 8 и 9, размещенных в центре полости и на внутренней поверхности дополнительной капсулы 10, которая устанавливается в непосредственной близости от защитной кап5 сулы2 термочувствительного пьезорезонатора. Геометрические и тепло- фмзическме параметры дополнительной капсулы 10 выбираются таким образом, чтобы смоделировать перепад температур

0 между терморезисторами 8 и 9, а также изменение его ао времени & полном соответствии с тепловыми процессами, проходящими в защитной капсуле пьезорезонатора 1.

5 Перепад температур терморезисторов 8 и 9 вызовет разбаланс мостовой схемы 7, в результате чего на выходе подключенного к ее измерительной диагонали АВ дифференциального усилителя 11 появится управляю0 щее напряжение, поступающее нз вход

опорного автогенератора 5. При этом, зна. чёние частоты на выходе опорного автогенератора 5 изменится на величину,

пропорциональную перепаду температур

5 между терморезисторами 8 и 9 и, соответственно перепаду температур между поверхностью защитной капсулы 2 и пьезррезонатором 1. Изменение выходной частоты опорного автогенератора 5 приве0 дет к изменению частоты F на выходе формирователя разностной частоты 4. Это определит значение измеренной температуры с учетом коррекции инерционности кварцевого датчика.

5 Используемые в устройстве терморезисторы 8 и 9 отличаются большой крутизной зависимости их сопротивления от температуры, Однако, их температурные характеристики имеют большой разброс даже для одной партии. Кроме того, сама температурная характеристика терморезистора имеет сильно выраженную нелинейную форму. Все это приводит к появлению значительной дополнительной погрешности измерения в динамическом режиме, при большом диапазоне измеряемых температур.

Для уменьшения этой погрешности .весь диапазон измерения температуры устройства разбит на п поддиапазонов. В каждом поддиапазоне осуществляется нормализация температурных характеристик терморезисторов 8 и 9 с помощью нормализующих резисторов 18 и 20.

На выходе блока формирования разностной частоты 4 формируется сигнал часто- той F, соответствующей измеряемой температуре. Регистратор 6 производит измерение этой частоты и вычисление по, ее значению измеренной температуры. Процесс измерения осуществляется цикличе- ски, причем по окончании одного цикла, начинается следующий.

На выходе регистратора 6 формируется двоично-десятичный код измеренного значения температуры. Этот код поступает на входы дешифратора 12. Каждому из поддиапазонов измерения устройства соответствует определенный выход дешифратора.

По1,4е каждого цикла измерения на том выходе дешифратора 12, диапазону которо- го соответствует измеренное значение температуры, появляется управляющий сигнал в виде отрицательного перепада напряжения, поступающий на соответствующую управляющую схему 17 на вход 1 триггера 22 и на один из входов элемента 2И-НЕ 23, который после дифференцирования соответствующей НС-цепочкой 24 в виде положительного импульса поступает на вход О триггера 22. На инверсном выходе триггера 22 появляется положительный потенциал, который поступает на вход соответствующего усилителя 25. Триггер 22 остается в этом состоянии до окончания следующего цикла измерения. Управляющее напряже- ние с выхода усилителя 25 поступает на управляющие входы ключей 13, 14 и 15, 16, которые включают в цепи терморезисторов 8 и 9 соответствуют нормализующие резисторы 18 и 20. Нормализующие резисторы для каждого поддиапазона подбираются таким образом, чтобы обеспечивалась заданная идентичность цепей терморезистор - нормализующий резистор, включаемых в плечи моста.

Устройство для измерения температуры позволяет повысить точность измерения температуры в динамическом режиме, за счет уменьшения влияния разброса температурных характеристик терморезисторов и их большой нелинейности.

Формула изобретения Устройство для измерения температуры, содержащее термочувствительный пье- зорезонатор, помещенный в защитную капсулу и включенный в частотозадающую цепь измерительного автогенератора, подключенного выходом к первому входу блока формирования разностной частоты, соединенного вторым входом с выходом опорного автогенератора, а выходом подключенного к входу регистратора, а также мостовую схему с двумя терморезисторами в ее смежных плечах, подключенную измерительной диагональю к дифференциальному усилителю постоянного тока, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены дешифратор, подключенный к выходу регистратора, четыре группы из п масштабирующих цепочек из последовательно соединенных нормализующего резистора и ключа и п управляющих схем, при этом входы управляющих схем подключены к соответствующим выходам дешифратора, а выходы каждой управляющей схемы подключены к управляющему входу соответствующего ключа в каждой из четырех групп масштабирующих цепочек, попарно включенных в смежные плечи мостовой схемы последовательно и параллельно с соответствующим терморезистором, терморезисторы размещены в дополнительной защитной капсуле в центре ее полости и на ее внутренней поверхности, выход дифференциального усилителя подключен к входу опорного автогенератора, при этом каждая управляющая схема содержит последовательно соединенные триггер, элемент 2И-НЕ и дифференцирующую цепь, а также усилитель, подключенный входом к инверсному выходу триггера, соединенного установочным входом с вторым входом элемента 2И-НЕ, а входы обнуления - с входом дифференцирующей цепи.

V t-Ш f--jr

i -&

ИШ

Использование: для измерения температуры жидкости и газа в трубопроводах гидродинамических систем/Сущность: устройство для измерения температуры содержит один термочувствительный пьезорезонатор, две капсулы, два автогенератора, один блок формирования разностной/частоты, один регистратор, одну мостовую схему, два терморезистора, один дифференциальный усилитель постоянного тока, один блок переключения диапазонов измерения, один дешифратор, один триггер, один логический элемент, две RC-це- почки и два усилителя. 1 ил.

ESi .,

«s. « 5