Устройство для измерения температурных полей Советский патент 1982 года по МПК G01K7/01 G01K13/00 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ Изобретение относится к измерительно технике и может быть применено в приборах для измерения распределения и изменения температуры в различных средах например в грунте, при исследованиях тепловых процессов в вечной мерзлоте. Известныустройства для измерения температуры, принцип действия которых Основан на измерении изменения сопротивления чистых металлов при изменении температуры. Особенно широко используются платиновые термометры. Они облада.юг широким диапазоном рабочих температур, хорошей линейностью, но весьма дорогие 1 . Известны также устройства для измерения температуры, основанные на измерении термо-ЭДС те рмопары С2 . Недостатком устройств являются необходимость компенсации температуры холодного спая и низкая чувствительность Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является устройство для измереПОЛЕЙния температурных полей, содержащее датчик температуры, выполненный в виде блока , коммутатор диодов, управляемый преобразователь напряжение ток, предусилитель, избирательный усилитель, фазочувствительный выпрямитель, вычислительный блок, компенсатор, индикатор, распределитель импульсов. Выходы блока диодов соединены с входами коммутатора диодов, который выходами связан с выходами преобразователя напряжение ток и входами предусилителя, последний выходом подключен к первому входу избирательного усилителя, к выходу которого подклютен сигнальный вход фазочувствительного выпрямителя, связанного вых(Хдом с входом вычислительного блока, который выходами соединен с входом индикатора и с входом компенсатора, выход последнего подключен к второму входу избирательного усилителя, выходы распределителя импульсов связаны с входами фазочувствительного выпрямителя, компенсатора, вычислительного блока управ- .чяемого преобразователя напряжение ток ГЗЗ . Недостатком известного устрюйства является то, что объемное сопротивление базы- дисаа, сопротивление соединительных проводов и остаточное сопротивление коммутатора компенсируются соответствующим выбором соотношений между масштабными резисторами блока компенсации только в том случае, когда эти сопротивления заранее точно известны. Однако в процессе эксплуатации, например при измерении температуры на разных глубинах в сверхглубоких скважинах, когда диод как датчик температуры подключается к коммутатору длинным соединительным кабелем, сопротивление этого кабеля -в зависимости от глубины, температуры, . давления и других факторов начинает меняться. К тому же со временем под действием србствейного веса соединительных проводов происходит деформация и измене ние площади их сечения и, как следствие, изменение сопротивления соединительных приводов, Таким образом, в процессе изменения температуры происходит изменение сопротивления соединительных проводов, которо не компенсируется, что приводит к уменьшению точности измерения температуры. Целью изобретения является повышение точности измерения температуры. Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее датчик тем пературы, выполненный в виде блока диодов, выходами связанный с входами коммутатора, управляющие входы которого подключены к распределителю импульсов, другие выходы которого соединены с индикатором и фазочувствителыым выпрямителем, сигнальный вход которого подклю чен к выходу избирагельногс усилителя, источник опорных напряжений, дополнительно введены блок формирования рабочих сигналов, блок формирования измерительных сигналов, первая цепочка из последовательно соед1шенных второго избирательного усилителя, второго фазочувствительного выпрямителя, интегратора, первого управляемого аттенюатора, вторая цепочка из последовательно соединенных фильтра низких частот, нуль-органа, реверсивного счетчика, второго управляемого аттенюатора, суммирующий усилитель, выход которого связан о входом первого избирательного усилителя, первый и второ

входы через первую и вторую цепочки соответственно - с выходом первого фазочувствительного выпрямителя, а третий 97

теля соединен с третьим масштабным резистором непосредственно и через ключ с вторым масштабным резистором, вторые 54 вход подключен к выходу блока формирсппния рабочих сигналов, опии rsxon которого соединен с одним выходом источника опорных напряжений, другой выход которого связан с входом блока формирования измерительных сигналов, первый выход которого подключен к входу второго управляемого аттенюатора, а второй выход одновременно - к входу первого управляемого аттенюатора и второму входу блока формирования рабочих сигналов, третий и четвертый входы которого соединены с выходами коммутатора, причем, выходы распределителя импульсов подключены к соответствующим управляющим входам блока формирования измерительных сигналов, блока формирования рабочих сигналов, второго фазочувствительного выпрямителя, нуль-органа и реверсивного счетчика, выходы которого дополнительно связаны с индикатором; При этом блок формирования измерительных сигналов содержит первый и второй усилители, первый и второй управляемые ключи, щесть масщтабных резисторов, причем вход блока соединен с одним из выводов первого и второго масщтабных резисторов, вторые выводы которых связаны с входом первого усилителя у одного резистора непосредственно, а у второго резистора через ключ, третий масщтабный резистор включен в цепи отрицательной обратной ..связи первого усилителя, выход которого подключен к четвертому и пятому масщтабным резисторам, вторые выводы которых связаны с входом второго усилителя, один - непосредственно, а другой - через ключ, щес- той масштабный резистор включен в цепи отрицательной обратной связи второго усилителя. Кроме того, блок формирования рабочих сигналов содержит диод, управляемый ключ, три усилителя, щесть масщтабных резисторов, причем один вход блока через последовательно соединенные первый резистор, первый усилитель четвертый резистор подключен к входу третьего усилителя, в цепи отрицательной обратной связи которого включен шестой масштабный резистор, вход третьего .усилителя дополнительно через пятый масштабный резистор связан с выходом второго усилителя, в цепи отрицательной обратной связи которого включен диод, вход второго усили.5

выводы этих резисторов связаны с другим входом блока.

На чертеже приведена функциональная схема устройства для измерения температурных полей.J

Устройство для измерения температурных полей содержит датчик температуJbi в виде блока диодов 1, коммутатор 2, блок 3 формирования рабочих сигналов, распределитель 4 импульсов, исгочшпс 5 tO опорных напряжений, блок 6 формирования измерительных сигналов, индикатор 7, первый и второй избирательные усилители 8 и 9, первый и второй фазочувст- витальные выпрямители 1О и 11, фильтр 5 12 низкой частоты, нуль-орган 13, интегратор 14, первый и второй управляемые аттенюаторы 15 и 16, реверсивный счетчик 17, сумматор 18, выполненный в виде суммирующего усилителя. Блок 20 диодов 1 через коммутатор 2 связан с входами блока 3 формирования рабочих сигналов, выход которого через послёдо-вательно соединенные сумматор 18, первый избирательный усилитель 8,первый . 25 фазочувствительный выпрямитель 10, фильтр 12 низкой частоты, нуль-орган 13, реверсивный счетчик 17 одновременно подключен к индикатору 7 и к управляющему входу аттенюатора 16. Выход перво-ад го фазочувствительиого выпрямителя 1О через последовательно соединенные второй избирательный усилитель 9, вторюй фазо- чувствительный выпрямитель 11 и интегратор 14 связан с управляющим входом 35 первого аттенюатора 15. Источник 5 опорных напряжений соединен с входом блока 6 формирования измерительных сигналов, один выход которого через управляющий аттенюатор 16 связан с вторым входом 40 сумматора 18, другой третий вход кото- рюго через управляемый аттенюатор 15 подключен к другому выходу блока 6 формирования измерительных сигналов и входу блока 3 формирования рабочих сигналов, 5 другой вход которого соединен с источником 5 опорных напряжений. Выходы распределителя 4 импульсов соединены с управляющими входами коммутатора 2, блока 3 формирования рабочих сигналов, ,. блока 6 формирователя измерительных сирналов, первого и второго фазочувствительных выпрямителей 10. и 11, нуль-органа 13, реверсивного счетчика 17 и индика- тора 7.JJ

Блок формирования измерительных сипналов содержит первый и второй управляемые ключи 19 и 2О, первый и второй усилители 21 и 22, первый, второй, тре979895

тий, четвертый, пятый и шестой масщтабные резисторы 23 - 28. Вход блока соединен с одними из выводов первого и, второго масщтабных резисгоров 23 и 24, вторые выводы которых связаны с вхтаом первого усилителя 21 у резистора 24 непосредственно, а у резистора 23 через первый ключ 19, Третий масштабный резистор 25 включен в цепи отрицательной обратной связи первого усилителя 21, выход, которого подключен к четвертому и пятому масштабным резисторам 26 и 27, вторые выводы которых связаны с входом второго усилителя 22 у резистора 27 непосредственно, а у резистора 26 через второй ключ 2О. Шестой масштабный резистор 28 включен в цепи отрицательной обратной связи второго усилителя 22.

Блок формирования рабочих сигналов содержит диод 29, управляемый ключ 30, первый, второй и третий усилители 31-33 первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой масштабные резисторы 34 - 39 Один вход блока через последовательно соединенные первый резистор 34, первый усилитель 31 и четвертый резистор 37 подключен к входу третьего усилителя 33 в цепи отрицательной обратной связи которого включен щестой резистор 39, вход третьего усилителя 33 дополнительно через пятый резистор 38 связан с выходом второго усилителя 32, в цепи отри.дательной обратной связи которого включен диод 29, вход второго усилителя 32 соединен с третьим резистором 36 непосредственно и через ключ ЗО - с вторым резистором 35, вторые концы этих резисторов связаны с другим входом блока. Устройство для измерения температурных полей работает следующим образом. Опорное напряжение UQ, с источника 5 опорных напряжений поступает на вход усилителя 21 через масштабный . резистор 24 к через последовательно соединенные масштабный резистор 23 и управляемый ключ 19. На управляющий вход ключа 19 поступает модулирующий сигнал J. с частотой f с выхода распределителя 4 импульсов. На выходе усилителя 21 образуется пульсирующее напряжение с частотой f , которое поступает на сигнальный вход управляемого аттенюатора 16 и на вход усилителя 22 через масштабный резистор 27 и последовательно соединенные масштабный резистор 26 и управляемый ключ 2О. На управляющий вход ключа 20 с выхода распределителя 4 импульсов поступает модулирующий сигнал виде меандра с частотой f, которая много меньше частоты f . На выход усилителя 22 образуется пульсирующее напряжение, у когорого оМошение максимального напряжения к минимальному, изменяемое с частотой f , постоянно, а среднее значение изменяется с частотой f д, . Это напряжение с выхода усилителя 22 блока 6 формирования измерительных сигналов поступает на управляемый аттенюатор 15 и через масштабный резистор 34на вход усилителя 31 блока 3 форми рователя рабочих сигналов. С помощью коммутатора 2, управляемого извне или по программе,осуществляется подключение. требуемого диода в цепь отрицательной обратной связи усилителя 31, Пульсирующий ток, протекающий через масштабный резистор 34, пропорциональный напряжени с выхода усилителя 22, вызывает соответствующее падение напряжения на переходе диода блока диодов 1. Эта переменная составляющая через масщтабный резистор 37 поступает на вход усилителя 33, на который одновременно подается через масштабный резистор 38 компенсирующее, пульсирующее с частотой f п напряжение с выхода усилителя 32, приче минимальное и максимальное значения этого наггряжеяия должны быть равны cpiinним значениям напряжения на выходе усилителя 31, изменяемого также с частотой f .Опорное напряжение с источника 5 опорных напряжений поступает на вход усилителя 32 блока 3 формирования рабо- чих сигналов через масштабные резисторы 35и 36 и управляемый ключ ЗО. На управляющий вход ключа ЗО с распределите ля 4 импульсов поступает модулирующий сигнал Uc2 виде меандра с частотой f J . В результате на выходе усилителя 32 образуется пульсирующее с частотой напряжение, которое через резистор 38 поступает на вход усилителя 33 и . имеет полярность, противоположную полярности напряжения, поступающего на вход усилителя 33, с выхода усилителя 31, среднее значение которого также изменяется с частотой f -В результате да вдходв усипитедз 33 появляется пульеяруювдер чаететей напряжение, поетеййная еошта чяющая кдаорагр равна «ул№, Это ндпряжвнне в уоилителя аз пекзтупвет на один из выходов сумматора 18. Ни другие два входа су Гматора 18 через второй и первый аттенюаторы 16 и 15 о выходов блока 6 формирования измерительных сигналов постут1ак1Т соот- аетствуюише пульсирующие нппряжения: 97 5 одно - изменяющееся с частотой , , и другое, у которого отношение максимального значенияк минимальному, изменяемое с частотой , постоянно, а среднее значение.изменяется с частотой f . С выхода сумматора 18 разность этих напряжений поступает- на первый избирательный усилитель 8, который настроен на частоту ,, . С выхода усилителя В переменное напряжение с частотой f модулировано по. амплитуде напряжением с частотой, f 2 и поступает на первый фазочувствительный выпрямитель 10, на управляющий вход которюго с распределителя 4 импульсов поступает опортое напряжение с частотой . Напряжение с выхода избирательного усилителя 8 детектируется фaзoчyвcтвитeльньпvI выпрямителем 10. В зависимости от того, какая величина больще (сигнал с выхода второго аттенюатора 16, изменяющийся с частотой , или сигнал с выхода усилителя 33, также изменяющийся с частотой ), полярность сигнала на выходе фазочувст- вительного выпрямителя 10 меняется, и этот сигнал, пройдя через фильтр 12 низких частот, поступает на вход стробируемого с частотой f нуль-органа 13. В зависимости от полярности сигнала на выходе фильтра 1.2. с выхода нуль-органя 13 на управляющий вход реверсивного счетчика 17 поступают импульсы прямого или обратного счета, при этом код на выходе счетчика 17 меняется и управляет коэффициентом передачи второго -управляемого аттенюатора 16. С выхода первого фазочувствительного выпрямителя 10 сигнал дополнительно поступает на второй избирательнг11й усилитель 9, настроенный на частоту fn . Усиленный избирательным усилителем 9 сигн ш детектируется вторым фазочувстви- тельным выпрямителем 11, на управляющий вход которого подается опорное напряжение с частотой f . В зависимости от того, какая величина.больше (сигнал с выхода первого аттенюатора 15 или сигнал с выхода усилителя 33), полярность сигнала на выходе фазочувствительного выпрямителя 11 меняется, при этом нвпршфние на выхед© интегратора 14 уменьшается ллк увеличивается и изменяет коэффициент передачи первого управляемого аттенюатора 15. Изменение коэффициентов передачи aTTe(fv-)aTopo.B 15 и 16 происходит до тех пор, пока разностный сигнал с выхода c.vvjr.-taTopa 18, усиливаемый избирательимми усилит 9 97989510

пямя 8 и 9, не станет равным нулю,таточное сопротивление ком-

при этом зкачене цифрового кода на выхо.мутатора я другие потери;

де реверсивного счетчика 17, поступающее3 - обратный ток яиода;

на индикатор 7, пропорционально измеря-4

емой температуре. Распределитель 4 , резистора 34;

импушсов управляет работой всего уст-(j „ величина опорного напряжвройства.„яя

На выходе первого усилителя 21 напря-Напряжение на выходе усилителя-32

жение принимает два значенияи соответственно на диоде 29 прявймает

. (1) значения

оп-К2, С5. ,.(

где K;i и Kj - коэффициенты передачи,- о 11 с .

когда ключ 19 закрыт и открыт соответ-js(, « оп -j- ®)

ственно.На выходе второго усилителя 22 напря-,,д 5,, (У)5 крутизна преображение принимает четыре значения2 зования, когпа ключ .K,. Кз.MVKJS, .30 закрыт; ,. V tf . () -г крутизна преобра 4 оп- йования, когда ключ

,. 30 открыт.

U t 0n 2 4Вычитая из (5) (7) и из (6) (8), i

где kj и К - коэффициенты передачи, блока 1 ( Кд , JQ ДР- ) равны, получакогда ключ 20 закрыт и открыт соответ-чаем ственно. , Напряжение на одном из диодов блока диодов 1 и соответственно на выходеуси-;„ лителя 31 в зависимости отв величины из-1., бирательных сигналов на выходе усилителя 22 принимает четы-. ре значения V vv on-vwf ,е„ on N 5, . .( , . . V . п J- .у ОА () .. «(п , (fe) R. tRQ .

полагая, то параметры диопа 29 я диоаа 30 объемное сопротивление ба-.-, ./а . в i/ / i/ kT- S ЗЫ диода; А а Ч о «4)2- 35iUon резистор, характеризующийц суммарное сопротивление dii o ) соединительного кабеля, осfy (j )U Г(К +R Ж К 5 R S I 41 45 Ч 5 ч 4 J д.т п I / I О) VSo (U -Uj, ) ,),2 к ч . (ЧЛь- оЛ(, К К 5 tV4fe 0 K ° S 2 l4 J f- Вычитая из (9) (10), а из (11) (12), получаем величину переменной составляюшей на выходе усилителя 33, принимающую два значение е чаететой fI I У кегерой поетрянная бФетавляшшя рена нупкэ Иэхюрггельные сигналы U , Ь и з 4 S соответстч вуюших аттенюаторов 16 и 15 принима следующие значения on 1 (, 2 onЧЧ: и; оп КзК5| 4 oпЧЬ 5j . i(jj -коэффициенты передачи где Ki аттенюаторов 16 и 16 соответственно. Вычитая (15) из (17) и (16) из (18), полученные выражения соответст но из (13) и (14), получаем переменн напряжение f , принимающее два значе ния с частотой -(KjKj-Ke)f( (19) м onCKJ-к)t(VS 4 14K4KrKb)en-jj. (20) в установившемся режиме U i-Ujj тогда приравняв (19) и (20), получаем оп (() (V)U 0 V 4 1- 4K5-Ko). Делая соответствующие преобразования, получаем КГ ( Подставив (21) в (19) получаем ) Из (21) видно, что коэффициент передачи аттенюатора 15 Ъ установивщем ся режиме автоматически устанавливает СЯ пропорциональным паразитным conpolHB512neHHevi/соединительного кабеля, объемного сопротивления базы диода и их изме нениям, т.е. происходит полная компенсация их. Следует также отметить, что даже . ;йначигельныЙ разбросу в объемных I сопротивлениях базы блока диодов 1 уже не влияет на точность работы предлагаемого устройства. Как видно из выражения (22), коэф- фициент передачи аттенюатора 16 и соответственно выходной код реверсивного счетчика 17 линейно связаны с температурой мт перехода и не зависят от объемного сопротивления базы диода, сопротивления соединительного кабеля и других вносимых сопротивлений и их изменений и от начального тока диода. Существенным достоинством предлагаемого устройства явлйется то, что точность практически определяется разбросом пассивных элементов. Кроме того, смещение нуля и дрейф усилителей не влияет на точностные характеристики устройства. Устройство обладает рядом существен- ных преимуществ: - имеет в несколько раз более широкий диапазон измеряемых температур от -2ОО С до + 1ОО°С при использовании кремниевых диодов, а при использовании диодов из арсинид-галлия - от -20О С до + - построено иа серийно выпускаемых микросхемах, и стоимость его как минимум в три раза меньще стоимости известного устройства; -на точность его работы не влияет сопротивление соединительного кабеля и его изменение, что повышает точностные характеристики предлагаемого устройства по сравнению с известным. Экспериментальные и теоретические исследования устройства для измерения температурных полей подтвердили его высокие метрологические характеристики. Формула изобретения 1. Устройство для измерения температурных полей, содержащее датчик температуры, выполненный в виде блока диодов, выходами связанный с входами коммутатора, управляющие входы которого подключены к распределителю импульсов, а другие. выходы .последнего соединены с индикатором и фазочувствительньгм выпрямителем, сигнальный вход которого подключен к выходу избирательного усилителя, источник опорных напряжений, отличающеe с я тем, что, с целью повышения TO IHOсти измерения температур1.1, в устройство введены блок формирования рабочих сигналов, блок формирования измерительных сигналов,первая цепочка из последователь- но соединенных второго избирательного усилителя, второго фазочувствительного выпрямителя, интегратора, первого управляемого аттенюатора, вторая цепочка из последовательно соединенных фильгра низких частот, нуль-органа, реверсивного счетчика, второго управляемого аттенюатора, суммирующий усилитель, выход которого связан с входом первого избирателььного усилителя, первый и вторсй входы через первую и вторую цепочки соответственно - с выходом первого фазочувствительного выпрямителя, а третий вход подключен к выходу блока формирования рабочих сигналов, один вход которого соединен с одним из выходов источника опорных напряжений, другой выход которого связан с входом блока формирования измерительных сигналов, первый которого подключен к входу второго управляемого аттенюатора, а второй выход одновременно - к входу первого управляемого аттенюатора и втором; входу блока формирования рабочих сигналов, третий и четвертый входы которого соединены с выходами коммутатора, причем выходы распределителя импульсов подключены к соответствующим входам блока формирования измерительных сигналов, блока формирования рабочих сигналов, второго фазо чувствительного выпрямителя, нуль-органа и реверсивного счетчика, выходы которого дополнительно связаны с индикатором. 2. Устройство по п. 1, о т л и ч а ю . щ е е с я тем, что блок формирования измерительных сигналов содержит первый и второй усилители, первый и второй управляемые ключи, шесть масштабных резисторов, причем вход блока соединен с одним из выводов пе{жого и второго мае - штабных резисторов, вторые выводы кото07П рых связаны с входом первого усилителя у одного резистора непосрепстпенно, а у второго резистора через ключ, третий масштабный- резистор включен в иепи отрицательной обратной связи первого усилителя, выход которого подключен к четвертому и пятому масштабным резисторам, вторые выводы которых связаны с входом второго усилителя у одного непосредственно, а у другого через ключ, шестой масштабный резистор включен в цепи отрицательной обратной связи второго усилителя. 3. Устройство по п. 1, отличающее с я тем, что блок формирования рабочих сигналов содержит диод, управляемый ключ, три усилителя, шесгь масшгабных резисторов, причем один вход блока через последовательно соединенные первый резистор, первый усилитель и четвертый резистор подключен к входу третьего усилителя, в цепи отрицательной обратной связи которого включен шестой масштабный резистор, вход третьего усилителя дополнительно через пятый масштабный резистор связан с выходом второго усилителя, в цепи ст(жцательной обратной связи которого включен диод, вход второго усилителя соединен с третьим масштабным резистором непосредственно и через управляемый ключ с BTOfHjiM масштабным резистором, вторые выводы этих резисторов связаны с другие входом блока. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Современное состояние и тенденции . развития измерительных преобразователей температуры в электрический сигнал. Экс п ресс-информа ция, контрольно-изме рительная техника. 198О, № 1, с. 23-31. 2.Сосновский А. Г. , Столярова. Н.И. Измерения температуры. М., 1970. 3.Авторское свидетельство СССР по заявке № 2925967/18-10, кл. G 01 К 7/2О, 16.05.8О (прототип).