Устройство для измерения температуры Советский патент 1980 года по МПК G01K3/10 

теля термической инерционности термообразователя и фор.мирует управляющее li--пряжение. Это напряжение воздействует па управляемый резистор операционного усилнтеля, изменяя его коэффициент ус 1леиия и тем самым обеспечивая условие оптимальной кор/скцми (равенство постоян:;ой времени цепи коррекции i показателя т рмической инерционности термопреобразователя - Т,, е) 2.

Недостатком известного устройства является низкая точность измерения вслздствие того, что погрешность измерения нарастающей температуры, зависящая от степени обеспечения оптимальной настройки цепи коррекции велика, так как управляющее напрял ение, обеспечивающее это условие, является результатом двойного дифференцирования выходного сигнала термопреобразователя. Кроме того, известное устройство обладает малым быстродействием, обусловленным конечным временем нарастания выходного сигнала дифференцирующего звена и дифференциатора.

Целью нзобретения является повышение точности и увеличение быстродействия процесса измерения.

Для достижения поставленной цели в устройство введены блок задержки и вычитающий блок, причем вход блока задер 1 ки подключен к выходу логарифмического усилителя, а выход - к первом.у входу вычитающего блока, второй вход которого соединен с выходом логарифмического усилителя, а ВЫХОД вычитающего блока подключен к управляюще.му резистору операционого усилителя.

На фиг. показана блок-схема опись- ваемого устройства; на фиг. 2 - график, поясняющий работу устройства.

Устройство для измерения температуры содержит термопреобразователь /, предварительный усилитель 2, дифференцирующее звено (например, активный дифференциатор) 3, операционный усилитель 4 с управляемым резистором 5, выполненным, например в виде полевото транзистора, сумматор 6, блок регистрации 7, логарифмический усилитель 8, вычитающий блок 9, Который может быть выполнен на основе дифференциального онерационщого усилителя, работающего в режиме усиления разностиого сигнала, и блок за.держки 10, в качестве которого может быть использована, например, схема запаздывания с регулируемым временем на операционных усилителях. Логарифмический усилитель 8, вычитающий блок 9 и блок задержки Ю образуют контур настройки корректирующей цепи, обеспечивающий в начальный Мрмент работы устройства режим перекоррекции (постоянная времени корректирующей цени бодьще показателя термической инерционности термопреобразователя ), переходяиигй затем в режим оптимальной корj/екции.

На фиг. 2 по осн абсцисс отложено текуидее значение времени, по оси ординат - )ровеиь выходных сигналов тер.мопреобр,-.зозателя /, дифференцирующего звена 3,

зы мпающего блока 9, сумматора 6, а такке величина постоянной времени корректируюн1,ей цепн. Устройство для измерения быстронараciaioHuix температур работает следующим

образом.

Скачок нарастающей температуры, возде ств ющ,ий на вход термоиреобразователя /, вызывает на его выходе налряжентте.

изменяющееся в регуляторном тепловом

режиме по экспоненциальному закону (см.

фиг. 2. кривая //).

//

, - и.

де / -- текущее значение времени;

Uc - установившееся значение выходного наиряжения термопреобразо3 а те л я / (при / - -ее ); 8 - показатель термической инерционности термопреобразователя. Усиленное в Ki раз нредварнтельным усилителем 2 напряжение приобретает вид

и,-- /-{,и.,{ - //ОДалее сигнал поступает на первый вход сумматора 6 и одновременно на вход диффореицирующего звена 3. На выходе дифференцирующего звена сигнал имеет следующий вид (см. фиг. 2, кривая 12)

и,-.к,и,-к,1где т - постоянная времени дифференцирующего звена;

45KZ - коэффициент передачи дифференцирующего звена.

Если выполнить условие т С е, что на практике соблюдается, то, пренебрегая величиной т, выражение (3) :можно упрос50 тить

и,. К.,1 .

Затем сигнал поступает на вход оиерационного усилителя 4 с управляемым резистором 5 и, одновременно, на вход логарифмического усилителя 8.

На выходе логарифмического усилителя

8 напряжение имеет вид

U,K,l,U,{t} K,l,,lK,U,K,

где /Сз - коэффициент пропорциональнос65ти.

Выходное напряжение логарифмического Зсилителя 8 поступает на. первый вход вычитающего блока 9 и одновременно на вход блока задержки 10. На выходе блока задержки напряжение имеет следующий вид

fy,(/.,())

где /S - время задержки. С выхода блока задержки 10 сигнал поступает на второй вход вычитающего блока 9, который производит вычитание сигналов L/4 и t/-,. В результате этой операции на выходе вычитающего блока 9 формируется управляющее напряжение, соответствующее показателю термической инерционности термопреобразователя / (см. фиг. 2, кривая J3).

и,к-Ш,,.

где /Со - коэффициент проиорциональности.

Это управляющее напряжение поступает на управляемый резистор 5, изменяя его сопротивление, а следовательно, и коэффициент усиления операционного усилителя 4 таким образом, что практически мгновенно обеспечивается режим перекоррекции, переходящий при достижении управляющим напряжением некоторого значения в режим оптимальной коррекции.

Процесс управления корректирующей цепью происходит следующим образом.

При воздействии на вход термоиреобразователя / скачка температуры на вьгаоде вычитающего блока 9 практически мгновенно появляется большое напряжение (в приведенном примере оно отрицательно). Под воздействием этого напряжения сопротивление резистора 5 будет иметь минимальное значение (режим насыщения транзистора), что приведет к увеличению коэффициента усиления операционного усилителя 4, а следовательно, и постоянной времени корректирующей цепи, т. е. наступит реЖИМ перекоррекции (см. фиг. 2, кривая 14).

При таком режиме работы корректирующей цепи CKjOpocTb нарастания выходного сигнала корректирующей цепи, а значит, и выходного сигнала устройства максимальна. По мере поступления на второй вход вычитающего блока 9 напряжения с выхода блока задержки 10 управляющее напряжение будет изменяться таким образом, что сопротивление управляем;ого резистора 5 будет возрастать, обуславливая уменьшение коэффициента усиления операционного усилителя 4, а также постоянной времени корректирующей цепи.

Таким образом, степень перекоррекции будет уменьшаться по мере роста управляющего напряжения, а выходной сигнал устройства, достигнув номинального значения, будет оставаться на прежнем уровне. Режим перекоррекции прекратится, когда на выходе блока 9 напряжение достигнет значения, соответствующего показателю термической инерционности термопреобраг зователя 1, которое обеспечит переход в режим оптимальной коррекции. Затем выходной сигнал корректирующей цепи поступает на второй вход сумматора 6, на выходе которого формируется скорректированный по времени сигнал термопреобразова теля. Выходной сигнал сумматора, пропорциональный величине воздействия на термопреобразователь нарастающей температуры, регистрируется устройством 7. По окончании пере.ходного процесса сигнал на выходе устройства будет определяться только усиленным сигналом термопреобразователя, а Корректирующая цепь и контур

автоматической настройки в стационарном тепловом режиме на результат измерения влияния не оказывает.

Описываемое устройство, благодаря введению в его состав вычитающего блока и

блока задержки, позв-рляет уменьшить погрешность измерений. Так, погрешность вычитающего блока составляет около 0,1%, блока задержки - около 0,5%, дифференциатора - не менее -10%.

Предлагаемое устройство уменьшит погрешность измерений по сравнению с известным примерно в четыре раза.

Кроме того, благодаря новой совокупности блоков и функциональных связей, сокращается время измерения температуры, так как интервал времени от начала воздействия положительного скачка температуры на входе термопреобразователя / до появления полезного сигнала на выходе устройства определяется в основном только постоянной времени дифференцирующего звена, а в известном устройстве это время определяется также и постоянной времени дифференциатора.

Увеличение быстродействия объясняется еще и тем, что процесс измерения по времени, благодаря режиму перекоррекции, т. е. большей форсировке сигнала, начинается на возрастающем участке выходного

сигнала дифференцирующего звена, а в известном устройстве - на ниспадающем участке (см. фиг. 2, кривые 12 и 13).

Как видно из графика, который построен на основе экспериментальных исследоваНИИ, сигнал на выходе описываемого устройства появляется через 0,12 с, а на выходе известногоустройства - не ранее чем через 0.24 с. Следовательно, заявляемое устройство ускоряет процесс измерения, не

менее, чем в два раза.

Формула к 3 о б р е т е н Т я

Устройство для измерения температуры, содержащее термопреобразователь с предварительным усилителем, выход .которого подключен соответственно к первому вхо ду сумматора и через последовательно включенные дифференцирующее звено н рперационный усилитель с управляемым резистором - ко второму входу сумматора, логарифмический усилитель, вход которого подключен к выходу дифференцирующего звена, и блОк регистрации, отличающееся тем, что, с целью повыщения точности измерения и увеличения быстродействия, в него введены блок задержки и вычитающий блок, причем вход блрка задержки подключен к выходу логарифмического

усилителя, а выход - к первому входу вычитающего блока, второй вход которого соединен с выходом логарифмического усилителя, а выход вычитающего блока подключен к управляющему резистору операционного усилителя.

Источники информации,

пр инятые во. внимание при экспертизе: 1. Авторское свидетельство СССР оЛ 346598, кл. G 01 К 3/10, 1970.

2. Авторское свидетельство СССР № 596793, кл. G 01 К 3/10, 1975 (прототип) .

-o,z

-0,

0,6

0,8

-10

Фиг. 2