Устройство для измерения температурных полей Советский патент 1982 года по МПК G01K7/01 

Изобретение относится к измерител ной технике и может быть использовано для измерения распределения и измене НИИ температуры в различных средах, например в грунте, при исследованиях тепловых процессов в вечной мерз лоте. Известны устройства для измерения температуры, принцип действия которых основан на измерении изменения сопротивления чистых металлов при изменении температуры и в которых наиболее широкое использование получили платиновые термометры 1. Эти устройства обладают широким диапазоном рабочих температур, хорошей линейностью, но весьма дорогие. Известны устройства для измерения температуры, в которых используется зависимость температурного потенциала L.p - п-перехода от температуры. Так, в датчике температуры LX 5700 фирмы National semiconductor (США ) измеряется разность напряжений AUpg база-эмиттер двух согласованных транзисторов, работающих при разных токах коллектора Ц и Для двух идеально согласованных транзисторов, имеющих одинаковые температуры переходов, можно записать, 3м су 3, -постоянная Больцмана; -абсолютная температура; -заряд электрона. Из приведенной зависимости видно, что напряжение 41инейно связано с температурой р - п-перехода .. Однако изготовить идеально согласованные транзисторы невозможно. Кроме того, изменение параметров двух диодов и транзисторов в результате старения, даже расположенных на одном кристалле, происходит различно, что является другим фактором, ограничивающим точность этих.устройств. Именно этим можно объяснить большую долговременную погрешность + 3,8°С за 30 дней. Наличие теплового сопротивления между р - п-переходами также увеличивает погрешность измерения. И,наконец, смещение нуля и температурный дрейф последующих усилителей также снижает точность измерения. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является устройство для измерения температуры, содержащее источник опорного напряжения,. Масштабный резистор, соединяющий источник опорного напряжения с диодом, и усилитель постоянного тока, подключенный к диоду, к выходу кото рого подключен индикатор ЗТ К недостаткам предлагаемого изоб ретения следует отнести разброс коэ фициентов пропорциональности между температурой и напряжением, снижени точности из-за смещения нуля и дрей фа нуля усилителя. Кроме того, это устройство может работать только с одним диодом, так как при замене диода необходима настройка, возникнут весьма существенные ошибки из-за большого разброса начальны токов и объемных сопротивлений диодов. Целью изобретения является повышение точности измерения температур Поставленная цель достигается те что в устройство для измерения температурных. полей, содержащее индика тор, блок диодов, выходы которого подключены к коммутатору, связанному со входами предусилителя, введены распределитель импульсов, управляемый преобразователь напряжениеток, избирательный усилитель, фазочувствительный выпрямитель, вычисли тельный блок и компенсатор, причем выходы распределителя импульсов связаны со входами вычислительного блока, компенсатора, с управляющим входом фазочувствительного выпрямителя и со входами преобразователя напряжение-ток, выходы последнего соеди.нены со входами предусилителя, выход которого подключен к первому вхо ду избирательного усилителя, к выхо.ду которого подключен вход фазочувст вительного выпрямителя, связанного выходом со входом вычислительного блока, к выходам которого подключены вход индикатора и вход компенсатора, который выходом связан со вторым входом избирательного усилителя. Кроме того, вычислительный блок содержит первый и второй коммутаторы, первый и второй интеграторы и вычитающий блок, причем выходы первого коммутатора соединены со входами первого и второго интеграторов, выходы которых подключены ко входам вычитающего блока и входам второго коммутатора. Распределитель импульсов содержит генератор, источник опорного напряжения, первый, второй и третий масштабные резисторы, ключ и усилитель, причем выход источника опорного напряжения соединен с первым и вторым масштабными резисторами, при этом второй конец одного из резисторов Ьоединен с входом усилителя непосред)ственно, а другого резистора - через ключ, управляющий вход которого подключен к генератору, а третий масштабный резистор включен в цепи отрицательной обратной связи усилителя. На чертеже приведена функциональная схема устройства для измерения температурных полей. Устройство для измерения температурных полей содержит блок диодов 1, коммутатор диодов 2, управляемьй преобразователь напряжение-ток 3, предусилитель , избирательный усилитель 5, фазочувствительный выпрямитель 6, вычислительный блок 7, компенсатор 8, индикатор 9, распределитель импульсов 10. Выходы блока диодов 1 соединены со входами коммутатора диодов 2, который выходами связан с выходами преобразователя напряжение-ток 3 и со входами предусилителя k, последний выходом подключен к первому входу избирательного усилителя 5 к выходу которого подключен сигнальный вход фазочувствительного выпрямителя 6, связанного выходом со входом вычислительного блока, который выходами соединен со входом индикатора и со входом компенсатора 8, выход последнего подключен ко второму входу избирательного усилителя 5. Выходы распределителя импульсов 10 связаны со входами фазочувствительного выпрямителя 6, компенсатора 8, 58 вычислительного блока 7, управляемого преобразователя 3 напряжение-ток. Вычислительный блок 7 содержит первый коммутатор 11, выходами соеди ненный со входами первого 12 и второ го 13 интеграторов, выходы которых подключены ко входам второго коммутатора Tt и ко входам вычитающего блока 15. Распределитель импульсов 10 содержит генератор 16 источник опорного напряжения 17, к выходу которого подключены объединенные концы первого и второго масштабных резисторов 18 и 19 последний вторым концом связан со входом ключа 20, выход которого соединен со входом первого усилителя 21, в цепи отрицательной обратной связи которого установлен третий масштабный резистор. Компенсатор 8 содержит четвертый, пятый и шестой масштабные резисторы 23 25. второй и третий усилители 2б и 27, первый и второй полевые транзисторы 28 и 29 и конденсатор 30 Устройство для измерения температурных полей работает следующим образом. Опорное напряжение источника опорного напряжения 17 поступает на вход первого усилителя 21 через первый масштабный резистор 18,и, через последовательно соединенные второй масштабный резистор 19 и ключ 20. На управляющий вход ключа 20 поступает с выхода генератора 16, модулирующий сигнал Uc-f с частотой f . На выхо де усилителя 21 образуется пульсирующее напряжение с частотой f , которое поступает на вход управляемого преобразователя 3 напряжение-ток. Крутизна преобразователя 3 зависит от сигнала на управляющем входе, на который с выхода генератора 16 поступает модулирующий сигнал UcjB виде меандра с частотой f, которая много меньше частоты f , Таким образом, преобразователь 3 попеременно принимает два значения крутизны преобразования и на выходе преобразователя формируется пульсирующий ток, у которого отношение максимального тока к минимальному, изменяемого с частотой f , постоянно, а среднее значение изменяется с частотой f, С помощью коммутатора диодов 2, управляемого извне или по прог рамме, осуществляется подключение требуемого диода к выходам преобразователя напряжение-ток 3. выходной 6 ток которого проходя через диод, вызывает соответствующее падение на р - ппереходе диода. Переменная составляющая усиливается предусилителем , с выхода которого поступает на первый вход избирательного усилителя 5, на второй вход которого подается напря-. жениё с выхода компенсатора 8, находящееся в противофазе и разность между ними усиливается избирательным усилителем 5, выходной сигнал которого детектируется фазочувствительным выпрямителем 6. В зависимости от того какая величина больше (сигнал с предусилителя Ц или с выхода компенсатора 8) полярность сигнала на выходе фазочувствительного выпрямителя меняется, который, проходит через первый кеммутатор 11 на вход первого или второго интегратора 12 и 13, в зависимости от величины управляющего сигнала Ujj, , вызывает уменьшение или увеличение напряжения на выходе интегратора. Выходное напряжение интегратора через 2-й коммутатор И, переключаемый синхронно с первым коммутатором, поступает на вход второго усилителя 26, вызывая соответствующее изменение коэффициента передачи компенсатора, что уменьшает разностный сигнал, усиливаемый избирательным усилителем 5. Этот процесс идет до тех пор, пока разностный сигнал не станет равным нулю, т.е. пока не сравняются напряжения на первом и втором входах избирательного усилителя. При изменении значения управляющего сигнала происходит изменение крутизны преобразователя 7 напряжение-ток 3 и к выходу фазочувствительного выпрямителя подключается вход другого интегратора, выход которого соединяется вторым коммутатором со входом второго усилителя 2б, а другой интегратор переходит в режим хранения, и процесс измерения повторяется с частотой fa. Напряжения с выходов интеграторов 12 и 13 поступают на входы вычитающего блока 15, где определяется разность между напряжением на выходе первого интегратора 12 и промасштабированным напряжением второго интегратора 13, а полученная разность поступает на индикатор 9. В качестве индикатора может быть использован вольметр и/1и аналогоцифровой преобразователь с и-ндикацией. На выходе первого усилителя напряжение принимает два занчения 7 k К и Upp- Kg, где К и коЗГф фициенты передачи, кодга кЛюч 20 зак рыт и открыт соответственно. Выходной ток преобразователя напряжениеток 3 равен 1„ , и 1 где S и S2 - крутизна преобразова теля, управляемая сигналом .Напря жение на диоде Цд в зависимости от величин управляемых сигналов U принимает четыре значения: Т cnKie.Rg;. V М и..Ко J.ev,.,, § Y 9 и - Lg aUonSa :3о , где R. - объемное сопротивление дио да. Переменная, составляющая диод с частотой f , усиленная предусилителем Ц и поступающая на первый вход избирательного усилителя 5, принимает два значения, которые изменяются с частотой f : (,,) bUon,Rg-U2.-K,) Лио-4-и,,)к„-.еу,-. + Uon5iV i- l H где К - коэффициент передачи предусилителя В установившемся режиме напряжение на выходе компенсатора U0 равно напряжению на выходе предусилителя, следовательно 01 и . .Г Ч у 2-.Сопротивление канала первого полевого транзистора 28 в установившемся режиме с учетом того, что полярность напряжения Ц, противоположна полярности напряжения U и Ug на выходе интеграторов 12 и 13 равно

Q

Kt

и,

о Uon l Ka--ц-

тающем блоке 15 равен К , то его выходнее напряжение и.-равно

ы иГ к и а

Ог)

Учитывая (12), получим и.

W - 6 - (-14) 8 При использовании в компенсаторе 8 левых транзисторов с идентичными раметрами коэффициент передачи комнсатора 8 равен Яь R6 5 ЩГ е R, Rg- и R - сопротивления четртого, пятого и шестого масштаб..„, „, „ ,. . х резисторов 23 - 25. Подставив (4) в (5), получим у . Кдиа ., Uon К - .М- о . R6. ременное напряжение на выходе комнсатора 8 равно и и -( к)-к, Jc) , -у учетом (6) и (7) (,Н1,+ ); (в, a,(4) Приравняв соответственно (1) (8) (2) , (9), получим U,,-k,)U,.). ° UonO 2-veK,--0)- - Uon -aRg- i- tJ Умножим (11) на ft,. 5 м из (10) и после преобразований лучим lJ.K5U4-- -|jU-)en .) Если масштабный коэффициент в вычи - Jl. И (л ./ лп., 2. ь CV )еи , lJk-- on H-KgXKi-K-,)Как видно из выражения (1), выхо ное напряжение Ugj,,x линейно связано температурой р - п-перехода и не зависит от объемного сопротивления дио да и от начального тока диода. Если необходимо получить большую разрешаю щую способность при измерении неболь ших колебаний температуры около сре него значения температуры TCP, то изменяя коэффициент К путем замены пятого масштабного резистора, установливают нулевую точку отсчета на среднее значение р. При этом должно выполняться следующее условие TCP К 6 UK Следует отметить, что это имеет большое значение при использовании устройства в качестве многозондового медицинского термометра или при испо зовании его для измерения тепловых полей в вечной мерзлоте, когда темпе туры колеблются около нуля градусов Существенным достоинством предлагаемого устройства является то, что точность практически определяемся разбросом пассивных элементов. Кроме того, разброс и изменение в результа те старения, теплового тока и объемного сопротивления диодов, смещения нуля и дрейф усилителей не влияют на точностные характеристики устройства Экономический эффект заключается в повышении разрешающей способности и точности устройства. Формула изобретения 1. Устройство для измерения температурных полей, содержащее индикатор, блок диодов, выходы которого подключе ны к коммутатору диодов, связанному, со входами предусилителя, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения температуры в него введены распределитель 8 6О импульсов, управляемый преобразователь напряжение-ток, выходы последнего соединены со входами предусилителя, выход которого подключен к первому входу избирательного усилителя, к выходу которого подключен вход фазочувствительного выпрямителя, связаннрго выходом со входом вычислительного блока, к выходам которого подключены вход индикатора и вход компенсатора, который выходом связан со вторым входом избирательного усилителя. 2.Устройство по п.1, о т п и ч аю щ е е с я тем, что вычислительный блок содержит первый и второй коммутаторы, первый и второй интеграторы и вычитающий блок, причем выходы первого коммутатора соединены со входами первого и второго интеграторов, выходы которых подключены по входам вычитающего блока и входам второго коммутатора. 3.Устройство по п. 1, о т л ичающееся тем, что распределитель импульсов содержит генератор, источник опорного напряжения, первый, второй и третий масштабные резисторы, ключ и усилитель, причем выход источника опорного напряжения соединен с первым и вторым масштабными резисторами, при этом второй конец одного из резисторов соединен с вхо{ ол усилителя непосредственно, а другого резистора - через ключ, управляющий вход которого подключен к генератору, а третий масштабный резистор включен в цепи отрицательной обратной связи усилителя. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Современное состояние и тенденции развития измерительных преобразователей температуры в электричесКИЙ сигнал. - Экспресс-информация. Контрольно-измерительная техника, 1980, ff 1, с.23-31. 2.Ризенман. Интегральные температурные датчики. - Электроника (пер. с англ.) т. , № 23, 1974, с. 57. 3. Патент США № 3780585, кл. , опублик. 1973 (прототип).