Многоканальное телеметрическое устройство для измерения температуры Советский патент 1982 года по МПК G01K7/02 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к термо метрии, и может быть использовано для измерения температуры подвижных, например вращающихся, объектов. Известно устройство для телеизмерения температуры, содержащее датчик ки температуры в выносном блоке, слу жащем для дистанционного измерения температуры, источник напряжения с делителем на резисторах, выход которого соединен со входом блока совпадения, конденсатор, включенный между источником напряжения и блоком совпадения, разрядный и образцовый резисторы, триггер с управляющим вентилем, включенные между блоком совпадения и генератором опорной частоты, двоичный счетчик, блок коммутации и блок управления 11. Недостатком известного устройства является низкая точность измерений за счет отсутствия температурной компенсации образцового резистора и конденсатора, сложность подготовки схеМы перед измерением и необходимость .расчета искомой величины по эмпирической формуле. Известно также многоканальное устройство для измерения температуры, содержащее в каждом канале термопару, усилитель, резисторный делитель, выпрямитель, общий для всех каналов генератор высокой частоты, трансформатор со вторичными обмотками по числу каналов измерения, источник образцового напряжения постоянного тока с управляющим входом и ключ с управляющим входом 2, В данном устройстве производится калибровка перед началом измерений всех каналов измерения без отключения их от датчиков температур, что повышает точность измерений. Однако точность измерени1 Т этого устройства недостаточная, так как при этом не учитывается температура холодных спаев термопар. Кроме того, в известном устройстве невозможно проводить калибровку в процессе измерений. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому эффекту является многоканальное устройство для измерения температуры, содержащее блок преобразования и передачи информации, блок, приема и регистрации информации и блок питания. Первый из блоков включает генератор калибровки, выход -которого соединен с первичной обмоткой трансформатора, термопары по числу каналов измерения, один электрод каждой из которых соединен непосредственно со своим модулятором, а второй элект род соединен с модулятором через соответствующую вт оричную обмотку трансформатора, число которых равно числу каналов измерения. Каждый модулятор соединен со свои модуляционным генератором, а выходы всех модуляторов соединены со входом сумматора, выход которого подключен к передающему устройству с антеннЬй. Второй блок содержит приемное уст ройство с антенной, выход которого. соединен со входами каналов регистра ции число которых соответствует числу каналов измерения. Выход каждого канала регистрации соединен с соотве ствующим каналом калибровки и с пере ключателем, к которому также подключен выход канала калибровки. Каждый переключатель соединен с соответству ющим узлом измерения, а к каждому узлу измерения подключен соответству ющий источник опорного напряжения. К-аждый канал регистрации содержит включенные последовательно полосовой фильтр, усилитель и выпрямитель, а каждый канал калибровки содержит вкл ченные последовательно фильтр нижних частот, усилитель и выпрямитель отсутствии сигнала термопары в блоке преобразования и передачи информации с генератора калибровки напряжение сигнала калибровки через трансформатор поступает на электроды термопар, модуляторы, где модулирует ся напряжением высокой частоты, выра батываемым модуляционным генератором С выхода модуляторов напряжение си|- нала калибровки поступает на сумматор и далее на передающее устройство С выхода приемного устройства в блое приема и регистрации напряжение игнала калибровки поступает на вход канала регистрации, с выхода которого оступает на вход сигнала калибровки. С выхода канала калибровки через переключатель, установленный в положение Калибровка, напряжение сигнала каибровки поступает на вход узла .изерения, на другой вход которого поается опорное напряжение. На выходе зла измерения получают уровень сигнаа калибровки. При переключении переключателя в положение Измерение на выходе узла измерения опять получают уровень сигнала калибровки при отсутствии сигнала с термопар. При наличии сигнала с термопары амплитуда напряжения сигнала калибровки будет арифметически складываться с термо-ЭДС термопары и при положении переключателя Измерение на выходе узла измерения получают уровень сигнала, развиваемого термопарой, т, е. температуру измеряемого объекта. Известное устройство позволяет калибровать все каналы перед измерениеу( и в процессе измерения, что повышает точность измерения. Однако точность измерения известного устройства недостаточная, так как в процессе измерения не учитывается температура холодных спаев термопар, которая к тому же изменяется в зависимости от температуры окружающей среды. Кроме того, известнее устройство при большом числе точек замера температур значительно усложняется за счет наличия модуляционных генераторов в каждом канале измерения и большом количестве каналов регистрации и калибровки. Цель изобретения - повышение точности измерения и упрощение устройства. Поставленная цель достигается тем, что в многоканальном устройстве для измерения температуры, включающем блок питания, блок преобразования и передачи информации, содержащий генератор калибровки, выход которого соединен с первичной обмоткой трансформатора, модуляционные генераторы, модуляторы по числу каналов измерения, к входу каждого из которых подключена термопара одним электродом непосредственно, а другим через вторичную обмотку трансформатора, при этом выходы всех модуляторов через сумматор подключены к передающему устройству с антенной, и блок приема и регистрации, содержащий антенну с приемным устройством, к выходу которого под лючены каналы регистрации каждый из которых содержит соединенные последовательно фильтр, усилитель и выпрямитель, канал калибровки, включающий соединенные последовательно фильтр нижних частот, усилитель и выпрямитель, и блок измерения, в блок преобразования и передачи инфор мации вверен канал измерения темпера туры холодных спаев термопар, содержащий измерительный мост, в одно пле чо которого включен терморезистор, охватывающий холодные спаи термопар, а диагональ моста через вторичную обмотку упомянутого трансформатора подключена к модулятору, выход которого через сумматор подключен к пере дающему устройству с антенной, при этом один из модулированных генераторов подключен непосредственно к модулятору канала регистрации температуры холодных спаев термопар, а другой общий модуляционный генератор соединен через избирательные электрон ные ключи с модуляторами каналов измерения температуры горячих спаев термопар, в блок приема и регистрации введен сумматор с дистанционным переключателем и канал управления, содержащий последовательно соединенHbie блок целевого опроса, электронный коммутатор, блок генераторов управле ния каналами измерения и усилитель мощности, выход которого через блок питания подключен к избирательным электронным ключам блока преобразова ния и передачи информации, при этом входы сумматора с дистанционным пере ключателем соединены с выходами блок целевого опроса, электронного коммутатора, канала регистрации температу ры горячих спаев термопар, канала ре гистрации температуры холодных спаев термопар, канала калибровки, а выходы сумматора с дистанционным переключате лем соединены с входом канала калибровки и входом блока измерения, причем блок питания дополнительно содер жит трансформатор, в каждой обмотке которого подключен развязывающий индуктивно-емкостный фильтр, при этом первичная обмотка трансформатора расположена вне объекта последования, а вторичная обмотка трансформатора расположена на подвижном объекте. Благодаря введению канала измерения температуры холодных спаев термопар устройство измеряет истинную температуру объекта, что повышает достоверность и точность измерений. Наличие следящих полосовых фильтров в каналах регистрации блока приема и регистрации также способствует « повышению точности измерений. За счет введения в блок преобразования и передачи информации общего модуляционного генератора для всех каналов измерения температуры горячих спаев термопар, а в блок приема и регистрации общего канала калибровки для всех каналов измерения и общего канала регистрации температуры горячих спаев термопар, устройство упрощается, что особенно существенно при большом числе каналов измерения. На фиг. 1 приведена блок-схема устройства; на фиг. 2 - принципиальная схема избирательного электронного ключа; на фиг. 3 выходная амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) триггера Шмитта в точке А избирательного электронного ключа. Многоканальное телеметрическое устройство для измерения температуры содержит блок 1 преобразования и передачи информации, блок 2 приема и регистрации информации и блок 3 питания. Блок 1 расположен наподвижном бъекте и снабжен термопарами 4...4, енератором5 калибровки, трансформаором 6 с первичной обмоткой 1, соеиненной с выходом генератора 5. и торичными обмотками 8 и 8, модуляорами 9,...,9, с каждым из которых оединена соответствующая термопара дним электродом непосредственно, а ругим через вторичную обмотку 8 транформатора 6. избирательными электроными ключами 10,... 10, выход каждоо из которых соединен с соответстующим модулятором, общим модуляционым генератором 11, выход которого чеез ключи 10I,..., 10 подключен к кажому модулятору ,.-.9 каналов изерения, температуры холодных спаев ермопар V,...-,4, содержащим измеительный мост 12, соединенный чеез вторичную обмотку В трансформаора 6 с модулятором 13, к которому подключен свой модуляционный генератор 1+. Выходы модуляторов 9,.--,9 и 13 соединены мерез сумматор 15 с передающим устройством 16. В одно плечо измерительного моста 12 включен терморезистор, охватывающий холодные спаи термопар ,... Этот терморезистор с положительным ТКР, имеющим линейную зависимость сопротивления от температуры (до ), может быть выполнен в виде кольца из п витков медного провода марки ПЭВ. Для повышения точности измерения вторичная обмотка 8 трансформатора 6 выполнена из материала, из которого выполнен электрод термопары соеди ненный с ней. Блок 2 расположен вне объекта исследований и содержит приемное устройство 17 с антенной, выход которого соединен со входом общего канала 18 регистрации температуры горячих спаев термопар и канала 19 регистрации температуры холодных спаев термо пар, сумматор 20 с дистанционным переключателем, канал 21 калибровки, канал 22 управления и блок 23 измере ния. Канал 18 содержит последовательно соединенные следящий полосовой фильт 2k, усилитель 25 и выпрямитель 26, выход которого является выходом канала 18. Канал 19 аналогичен каналу 18 и также содержит последовательно соединенные следящий полосовой фильтр 2k, усилитель 25 и выпрямитель 26 Следящие полосовые фильтры 2 и 2k настроены на частоту модуляционных генераторов 11 и 14 соответствен но. Канал 21 калибровки содержит последовательно соединенные фильтр 27 нижних частот, усилитель 28 и выпрямитель 2$, выход которого является выходом канала 21. Канал 22 управления содержит соединенные последовательно блок 30 цел вого опроса, электронный коммутатор 31, блок 32 генераторов управления каналами измерения и усилитель 33 мо ности, выход которого, являющийся вы ходом канала 22 управления, через блок 3 питания подключен ко входам избирательных электронных ключей 10. . .10. Блок измерения 23 содержит преобразователь З напряжение-код, цифроВОЙ указатель 35 номера канала, вход которого соединен с одним из выходов электронного коммутатора 31, и цифровой указатель 36 температуры, вход которого подключен к выходу преобразователя з. На входы сумматора 20 с дистанционным переключателем подключены выходы канала 18 регистрации температуры горячих спаев термопар, канала 19 регистрации температуры холодных спаев термопар, канала 21 калибровки, одни из выходов блока 30 целевого опроса и электронного коммутатора 31. Выходы сумматора 20 с дистанционным переключателем соединены со входом канала 21 калибровки и со входом преобразователя 3 напряжение-код блока 23 измерений. Блок 3 питания содержит преобразователь 37 напряжения, вход которого подключен к питающей сети, стабилизатор 38 напряжения, вход которого подключен к одному из выходов преобразователя 37 воздушный трансформатор 39 с первичной неподвижной обмоткой АО и вторичной подвижной обмоткой 1, высокочастотный дроссель Ц2, че,-. рез который преобразователь 37 соедин§н с одним КОНЦОМпервичной обмотки kO, который через конденсатор 43 соединен с выходом канала 22 управления. Один конец вторичной обмотки 41 трансформатора 39 через последовательно соединенные высокочастотный дроссель 42 и выпрямитель 44 соединен со стабилизатором 38 напряжения. Этот же конец вторичной обмотки 41 через конденсатор 43 соединен со входами из бирательных электронных ключей 10,..., 10 блока 1 преобразования и передачи информации. Выходы стабилизаторов 38 и 38 соединены соответственно с элементами блока 2 и 1 {разводка питающей сети на чертежах не показана). Элементы 37, 38, 40, 42, 43 блока 3 питания расположены вне объекта, а элементы 41, 42 , 43 , 44, 38 расположены на объекте. Избирательный электронный ключ 10 (фиг. 2) содержит триггер 45 Шмитта с двоичным Т-образным мостом, диодноемкостной выпрямитель (удвоитель) 46, ключ 47, эмиттерный повторитель 48 и первичную обмотку 49 трансформатора, находящегося в модуляторе 9- На фиг. 3 представлена амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) в точке А избирательного электронного ключа 10 с релейной АЧХ, где и,, - выходное напряжение в точке А; f - часто та управления. Устройство работает следующим образом. При включении устройства со стаби лизаторами 38 и 38 поступает на все элементы схемы напряжение питания, при этом начинает работать генератор 5 калибровки и модуляционные генерат ры 11 и . При отсутствии сигнала с термопар, т. е. когда холодные и горячие спаи термопар +,..., имеют одинаковую термопару, напряжение сиг нала калибровки с частотой сигнала калибровки f поступает от генератора 5 калибровки на первичную обмотку 7 трансформатора 6, которое наводится во вторичной обмотке 8 являющейся общей для всех термопар, и вторичной обмотке 8, которая подклю чена к каналу измерения температуры холодных спаев термопар. При этом напряжение сигнала калиб ровки составляет не более 1 мВ и жестко фиксировано по амплитуде, т. е. Уц const, а частота сигнала калибровки составляет 200 Гц и может изменяться на +20-30. Напряжение сигнала калибровки Uj( со вторичных обмоток 8 и 8 поступает на входы модуляторов Э,-,3 и 13 нагрузкой которых являются транс форматоры (расположены в схеме модулятора) . Общий модуляционный генератор 11 каналов измерения температуры горячи спаев термопар подает напряжение модуляции с частотой fj. на входы избирательных электронных ключей Ю,... 10. Модуляционный генератор Ш подает напряжение модуляции с частотой f непосредственно на модулятор 13, где происходит модуляция сигнала калибровки холодного спая темопар Ц ,.. .Ц Частота fp должна отличаться от частоты fj, при этом отличие может составлять сотни или тысячи Гц, а частота fK должна быть меньше минимальной из частот fr или f., в 1015 раз. Оператор с помощью блока 30 целевого опроса задает режим Калибровка или Измерение и выбирает канал для опроса ли последовательность опроса всех каналов, включая канал измерения температуры холодных спаев термопар. При этом сигнал задания от блока 30поступает на электронный коммутатор. 31и сумматор 20 с дистанционным переключателем, при помощи которого подключается в режим Калибровка канал 21 калибровки к выходам каналов 18 и 19 регистрации температуры горячих и холодных спаев термопар. Электронный коммутатор 31 отраба;тывает сигнал задания от блока 30 и выдает сигнал с информацией о канале опроса на цифровой указатель номера канала 35 и на блок 32 генераторов управления каналами, подключая соответствующий генератор выбранного канала к усилителю 33 мощности. ,В блоке 32 число генераторов управления соответствует числу избирательных электронных ключей Ю ,... ,10, при этом каждый генератор вырабатывает управляющий сигнал на своей частоте, соответствующей только одному из ключей 10,.,, 10. С выхода усилителя 33 мощности сигнал управления U поступает в блок 3 питания, в котором через конденсатор З попадает на первичную неподвижную обмотку Q трансформатора 39- -ЭДС напряжения управления U наводится во вторичной подвижной обмотке трансформатора 39 и через конденсатор З подается на один из избирательных электронных ключей 10,.... релейной АЧХ в зависимости от того, какой канал избран электронным коммутатором 31 . При поступлении сигнала управления и один из избирательных электронных ключей 10,...10 подключает соответствующий модулятор 9,.. выходу общего модуляционного генератора 11. Напряжение сигнала калибровки U с частотой fyc модулируется в подключенном модуляторе и поступает через сумматор 15 на передающее устройст-. во 16. . По заданию с блока 30 целевого опроса через избирательные электронные ключи 10,... , 10 могут последовательно подключаться все модуляторы , ...9 к модуляционному генератору 11. Через сумматор 15 на передающее устройство 16 все время поступает модулированное напряжение сигнала калибровки от модулятора 13 канала измерения температуры холодных спаев термопар 41,...,4. Так как частоты модуляционных генераторов 11 и Н разные, то сигналы с каналов измерения хблодных и горячих спаев поступают в передающее устройство 16 независимо друг от друга. С выхода приемного устройства 17 блока 2 приема и регистрации информации напряжение сигнала калибровки U модулированное частотами fp и f, поступает на следящие полосовые фильт ры 2k и 24 каналов 18 и 19 регистрации температуры горячих и холодных спаев термопар «,...,4. Следящие фильтры 2k и 24 обеспе-чивают отслеживание сигнала измерения на вершине резонансной кржвой следящего фильтра при колебаниях частоты модуляционных генераторов 11 и14 в зависимости от изменений параметров среды, в которой работает блок 1 пре образования и передачи информации (например при изменении температуры, давления, влажности). После следящих фильтров 24 и 24 напряжение сигнала калибровки U поступает на усилитель 25 и далее на выпрямитель 26 (по горячим спаям). и на усилитель 25 и выпрямитель 2б (по холодным ) . С выхода выпрямителей 26 и 27 напряжение сигнала калибровки Uj поступает на сумматор 20 с дистанционным переключателем, в котором происходит подключение выходов выпрямителей 2б и 26 ко входу канала 21 калибровки. Напряжение сигнала калибровки U проходит через канал 21 калибровки, состоящий из фильтра 27 нижних частот, который пропускает удвоенную частоту калиброванного сигнала и из которого выделяется синусоидальный сигнал, усилители 28 и выпрямители 29, и через сумматор 20 с дистанцион ным переключателем поступает на преобразователь34 напряжение -код бло ка 23 измерения и далее на цифровой указатель ЗЬ температуры(преое разователь код-цифра), В это же время цифровой указатель номера канала 35 фиксирует выбранный канал. По заданию блока 30 целевого опроса можно откалибровать любой канал измерения, включая канал измерения температуры холодных спаев термопар как до начала измерения температуры, так и в процессе измерения. При измерении температуры оператор переводит устройство в режим Измерение с помощью блока 35 целевого опроса, который может работать как в автоматическом режиме последовательного опроса каналов измерения так и ручном режиме, выбирая один из каналов. При этом по команде блока 30 целевого опроса и электронного коммутатора 31 сумматор 20 с дистанционным переключателем отключает канал 21 калибровки от выходов каналов 18 и 19 регистрации и от преобразователя 34. В режиме измерения горячие спаи термопар выделяют ЭДС, которая суммируется с сигналом калибровки и проходит до цифрового указателя 36 температуры аналогично описанному. В сумматоре 20 осуществляется суммирование напряжения горячего и холодного спая термопар для получения истинного значения температуры. По заданию оператора можно опрашивать любой канал измерения температуры, горячих спаев с учетом температуры холодных спаев и отдельно температуру холодных спаев термопар, которая будет характеризовать температуру блока 1 преобразования и передачи информации. В процессе работы устройства блок 3 питания обеспечивает стабилизированным напряжением постоянного тока блок 1 преобразования и передачи информации и блок 2 приема и регистрации информации. Кроме того, с помощью блока 3 питания происходит передача сигналов управления с блока 2 в блок 1 на избирательные электронные ключи 10,... Для развязки напряжения питания и сигналов управления в блоке 3 питания установлен развязывающий фильтр, содержащий высокочастотный дроссель 42 и конденсатор 43, подключенные к первичной обмотке и аналогичный фильтр, содержащий высокочастотный дроссель 42 и конденсатор 4з , подключенный ко вторичной обмотке 41 трансформатора 39Высокочастотные дроссели 42 и 42 препятствуют прохождению напряжения сигнала управления в блок 37 преобразования и выпрямитель 44. На фиг. 2 показана принципиальная схема избирательного электронного ключа 10 с релейной АЧХ, который работает следующим образом. 13Э Напряжение сигнала управления U.. с усилителя 33 мощности через блок 3 питания поступает в избирательный электронный ключ 10 на двойной Т-образный мост триггера 5 Шмитта, кото рый имеет выходную релейную амплитудно-частотную характеристику, показанную на фиг. 3 (точка А). С выхо да триггера Шмитта сигнал поступает на диодно-емкостной выпрямитель (удвоитель) k6, с которого подается на участок база-эмиттер транзистора ключа 7Ключ kj подключает эмиттерный повторитель 48, к выходу которого подсоединена первичная обмотка Э трансформатора, находящегося в модул торе 9На вход эмиттерного повторителя 41 подается модуляционное напряжение Uj- от генератора 11 . Каждый избирательный электронный ключ 10,..., 10 настроен на свою частоту, 1оэтому напряжение U,. от мо дуляционного генератора 11 поступает сна обмотки 9 того модулятора, избирательный электронный ключ которого настроен на частоту пришедшего сигна ла управления. Таким образом, в устройстве за счет введения канала измерения температуры холодных спаев и следящих полосовых фильтров в каналах регистрации точность измерений повышается и погрешность при этом составляет 0,05-0,П. Кроме того, устройство за счет введения общего модуляционного генератора для каналов измерения температуры горячих спаев, общего канала калибровки для всех измерительных каналов и общего канала регистрации те пературы горячих спаев термопар упрощается, .что особенно сказывается при большом числе каналов измерения Формула изобретения 1. Многоканальное телеметрическое устройство для измерения температуры включающее блок питания, блок преобразования и передачи информации, содержащий генератор калибровки, выход которого соединен с первичной обмоткой трансформатора, модуляционные генераторы, модуляторы по числу каналов измерения, к входу каждого из которых подключена термопара одним 30 ло Q электродом непосредственно, а другим через вторичную обмотку трансформатора при этом выходы всех модуляторов через сумматор подключены к передающему устройству с антенной, и блок приема и регистрации, содержащий антенну с приемным устройством, к выходу которого подключены каналы регистрации, каждый из которых содержит соединенные последовательно фильтр, усилитель и выпрямитель, канал калибровки, включающий соединенные последовательно фильтр нижних частот, усилитель и выпрямитель, и блок измерения, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения и упрощения устройства, в блок преобразования и передачи информации введен канал измерения температуры холодных спаев термопар, содержащий измерительный мост, в одно плечо которого включен терморезистор, охватывающий холодные спаи термопар, а диагональ моста через вторичную обмотку упомянутого трансформатора подключена к модулятору, выход которого через сумматор подключен к передающему устройству с антенной, при этом один из модуляционных генераторов подключен непосредственно к модулятору канала регистрации температуры холодных спаев термопар, а другой общий модуляционный генератор соединен через избирательные электронные ключи с модуляторами каналов измерения температуры горячих спаев термопар, в блок приема и регистрации введен сумматор с дистанционным переключателем и канал управления, содержащий последовательно соединенные блок целевого опроса, электронный коммутатор, блок генераторов управления каналами измерения и усилитель мощности, выход которого через блок питаНИЯ подключен к избирательным электронным ключам блока преобразования и передачи информации, при этом входы сумматора с дистанционным переключателем соединены с выходами блока целевого опроса, электронного коммутатора, канала регистрации температуры горячих спаев термопар, канала рег41страции температуры холодных спаев, канала калибровки, а выходы сумматора с дистанционным переключателем соединены с входом канала калибровки и входом блока измерения. 2. Устройство по п. 1, сг т л и мающееся тем, что блок питания дополнительно содержит трансформатор, к каждой обмотке которого подключен развязывающий индуктивно-емкостный фильтр, при этом первичная обмотка трансформатора расположена вне объекта исследования, а вторичная обмотка трансформатора расположена на подвижном объекте.

Источники ин рмации, принятые во внимание при экспертизе

1, Авторское свидетельство СССР

N- , кл. G 05 D 23/2. 1970.,

2. Авторское свидетельство СССР , кл. G 01 D 18/00, 1972.

3. Авторское свидетельство CCCf « 690328, кл. G 01 К 15/00, 1975 (прототип).

.

I

n

;{/