Устройство для измерения температурных полей

Устройство для измерения температурных полей

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

О П И С А Н И Е (,)898266

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советскик

Социалистическик

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свнд-ву(22) Заявлено 16. 05. 80(21) 2925967/18-10 с присоединением заявки ¹ (23) П рноритет(51)М. Кл.

G 01 К 7/20

Воударотееииый комитет

СССР до делан иаооретеиий и открытий

Опубликовано 15,01.82- Бюллетень № 2 (53) УЙК 536.532 (088.8) Дата опубликования описания15.01..82

B.H.Ëàïåíêo, А.И.Берпев н И.К.ГерасйЪ"

j « р.

Московский институт электро ой техники (72) Авторы изобретения (7I) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ

ПОЛЕЙ

1о

1

Изобретение относится к измеритель ной технике и может быть использовано для измерения распределения и измене-. ния температуры в различных средах, например в грунте, при исследованиях тепловых процессов в вечной мерзлоте.

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, хоро-. шей линейностью, но весьма дорогие.

Известны устройства для измерения температуры, в которых используется зависимость температурного потенциала 1 р - и-перехода от температут ры.

Так, в датчике температуры LX

5700 фирмы Nationa1 semiconductor (США ) измеряется разность напряжений л.U база-эмиттер двух согласо ванных транзисторов, работающих при разных токах коллектора й1К,1 и 1 1 2, Для двух идеально согласованных транзисторов, имеющих одинаковые температуры переходов, можно записать

КТ )К

„Cnn где К - постоянная Больцмана;

Т - абсолютная температура, q " заряд электрона.

Из приведенной зависимости видно, что напряжение линейно связано с температурой р - и -перехода (й) ., Однако изготовить идеально согласованные транзисторы невозможно. Кроме того, изменение параметров двух диодов и транзисторов в результате старения, даже расположенных на од898266 ном кристалле, происходит различно, что является другим фактором, ограничивающим точность этих: устройств.

Именно этим можно объяснить большую долговременную погрешность + 3,8 С эа 30 дней. Наличие теплового сопротивления между р - n -переходами также увеличивает погрешность измерения. И,наконец, смещение нуля и температурный дрейф последующих 10 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, рр подключенный к диоду, к выходу которого подключен индикатор 13 1.

К недостаткам предлагаемого изобретения следует отнести разброс коэффициентов пропорциональности между И температурой и напряжением, снижение точности из-за смещения нуля и дрейфа нуля усилителя. Кроме того, это устройство может работать только с одним диодом, так как при замене 5g диода необходима настройка, иначе возникнут весьма существенные ошибки из -за большого разброса начальных токов и объемных сопротивлений диодов. 35

Целью изобретения является повышение точности измерения температуры.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения температурных, полей, содержащее индикатор, блок диодов, выходы которого подключены к коммутатору, связанному со входами предусилителя, введены распределитель импульсов, упраа45 ляемый преобразователь напряжениеток, избирательный усилитель, фазочувствительный выпрямитель, вычислительный блок и компенсатор, причем выходы распределителя импульсов связаны со входами вычислительного блока, компенсатора, с управляющим вхоФ дом 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 выходу 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 соединен 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 функциональ6 ная схема устройства для измерения температурных полей . !

Устройство для измерения температурных полей содержит блок диодов 1, коммутатор диодов 2, управляемый преобразователь напряжение -ток 3, предусилитель 4, избирательный усилитель 5, фазочувствительный выпрямитель 6, вычислительный блок 7, компен сатор 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 4, последний выходом подключен к первому входу избирательйого усилителя, к выходу которого подключен сигнальный вход фазочувствительного выпрямителя 6, связанного выходом со входом вычислительного блока, ко— торый 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, 66

5 8982 вычислительного блока 7, управляемого преобразователя 3 напряжение"ток.

Вычислительный блок 7 содержит первый коммутатор 11, выходами соединенный со входами первого 12 и второ- s го .13 интеграторов, выходы которых подключены ко входам второго коммутатора 14 и ко входам вычитающего блока 15.

Распределитель импульсов 10 со- 10 держит генератор 16 источник опорного напряжения 17, к выходу которого подключены обьединенные концы первого и второго масштабных резисторов 18 и 19, последний вторым концом связан и со входом ключа 20, выход которого соединен со входом первого усилителя 21, в цепи отрицательной обратной связи которого установлен третий масштабный резистор. 20

Компенсатор 8 содержит четвертый, пятый и шестой масштабные резисторы 23 - 25, второй и третий усилители 26 и 27, первый и второй полевые транзисторы 28 и 29 и конденсатор 30.25

Устройство для измерения температурных полей работает следующим образом.

Опорное напряжение U пс источника оп 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 с частотой fq . На выходе 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 0с В 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 У, . С помощью коммутатора

И диодов 2, управляемого извне или по программе, осуществляется подключение требуемого диода к выходам преобразователя напряжение-ток 3, выходной ток которого проходя через диод, вызывает соответствующее падение на р - ппереходе диода. Переменная составляющая усиливается предусилителем 4, с выхода которого поступает на первый вход избирательного усилителя 5, на второй вход которого подается напря-. жение с выхода компенсатора 8, находящееся в противофазе и разность между ними усиливается избирательным

4 усилителем 5, выходной сигнал которого детектируется фазочувствительным выпрямителем 6. В зависимости от того какая величина больше (сигнал с предусилителя 4 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 Оо, вызывает уменьшение или с увеличение напряжения на выходе интегратора. Выходное напряжение интегратора через 2-й коммутатор 14, 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 Uz происходит изменение крутизны преобразователя 7 напряжение-ток 3 и к выходу фазочувствительного выпрямителя подключается вход другого интегратора, выход которого соединяется вторым коммутатором 14 со входом второго усилителя 26, а другой интегратор переходит в режим хранения, и процесс измерения повторяется с частотой fq . Напряжения с выходов интеграторов 12 и 13 поступают на входы вычитающего блока 15, где определяется разность между напряжением на выходе первого интегратора I2 и промасштабированным напряжением второго интегратора 13, а полученная разность поступает на индикатор 9. В качестве индикатора может быть использован вольметр или аналогоцифровой преобразователь с индикацией.

На выходе первого усилителя напряжение U принимает два занчения 0 „х

Н40а

К =К, +

OA (7) где

7 8982 х КЛ и Ооп г где K< и К -- ко =)Ф фицйенты передачи, кодга кЛюч 20 закрыт и открыт соответственно. Выходной ток преобразователя напряжениеток 3 равен I = U„ S и 1 = Q S,s где бл и S> - крутизна преобразователя, управляемая сигналом U .Напряс жение на диоде 0А в зависимости от величин управляемых сигналов U u U принимает четыре значения: !0 к(цщ%

0 =Кт Е К 4с" 0 K 5 ц г. g»,1, on г ) г, !

« )оп И

1 Оп 2 )

KT Кг Оопп

Я4 Я; 3 Оп 2

20 где R - объемное сопротивление диода °

Переменная, составляющая диод с частотой fz, усиленная предусилителем 4 и поступающая на первый вход избирательного усилителя 5, принимает два значения, которые изменяются с частотой

2 (u«-() .„)к,= (" ь +

+ U „s„R< (K -к1 ))ки (0 4-О,)К„=(" ЕИ „ „+

66 8

При использовании в компенсаторе 8 полевых транзисторов с идентичными параметрами коэффициент передачи компенсатора 8 равен 6 R6 к (5) где R<, R< и R< - сопротивления четвертого, пятого и шестого масштабных резисторов 23 - 25.

Подставив (4) в (5), получим

Х401

Х --К u ), (6) R6. Д к,=

1 5 4

Переменное напряжение на выходе компенсатора 8 равно

U U {К " К. ) К,„ с учетом {6) и 7) имеем

U>--О„„(К -К„)(К,+ л); (я) (9) Приравняв соответственно (1) (8) и (2), (9), получим

U,и„(к»-к„)(к о „) =

Y.4 0

=к,(кт еи к +Uo„s,к!.Ж,и„)1 Ио) ю Ка Кg

"0 — (.1-K5) (К2.-1 л ) о" К4 (1г) Если масштабный коэффициент в вычи тающем блоке 15 равен К, то его выходу ное напряжение U равно (М

Q!)) = U y K5 Ug (qg)

Учитывая (12), получим

= T K6 - K5Uf<, ()оп а4. ) к)оп k4

К Uê, (4) + оп Р х(КгК ) )1Ки ) где К - коэффициент передачи предусилителя. В установившемся режиме напряжение на выходе компенсатора 0< .g0 равно напряжению на выходе предусилителя, следовательно

45 (Сопротивление канала первого полевого транзистора 28 в установившемся режиме с учетом того, что полярность напряжения Ц. ппротивоположна полярности напряжения 0„ и U, на выходе интеграторов 12 и 13 равно

0 (кг к )(къ+ )»

K4Ug, ОП "on

Ки(g uu K ()оиЪ д.(Ккк ))

Умножим (11) на К = ------, вычел

5 S2 тем иэ (10) и после преобразований получим

Хт Ки

И-к о = — — (<-к )еи в 2. q K 5

66 l0 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, связанного выходок со входом вычислительного блока, к выходам которого подключены вход индикатора и вход компенса8982 г е !< ки

И-a ) l?

К ь Ср "4

ОК оп (." КБ) ®й-К )

S

Как видно из выражения (14), выходное напряжение U,„ линейно связано с температурой р — n-перехода и не зависит от объемного сопротивления диода и от начального тока диода. Если 1О необходимо получить большую разрешающую способность при измерении небольших колебаний температуры около среднего значения температуры Тс, то изменяя коэффициент К путем замены пятого масштабного резистора, установливают нулевую точку отсчета на среднее значение „ При этом должно выполняться следующее условие тора, который выходок связан со вторым входом избирательного усилителя.

2. Устройство по п.1, о т л 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 и. 1, о т л ич а ю щ е е с я 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 входом 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, М 1, с.23-31.

Формула изобретения

1. Устройство для измерения темпе4S ратурных полей, содержащее индикатор, блок диодов, выходы которого подключены к коммутатору диодов, связанному. со входами предусилителя, о т л иSO ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения температуры в него введены распределитель

2.Ризенман. Интегральные температурные датчики. — "Электроника" (пер. с англ.) т. 47, N 23, 1974, с. 57.

3, Патент США < 3780585, кл. 73-362, опублик, 1973 (прототип).

Следует отметить, что это имеет большое значение при использовании устройства в качестве многозондового медицинского термометра или при использовании его для измерения тепловых полей в вечной мерзлоте, когда температуры колеблются около нуля градусов

Существенным достоинством предлагаемого устройства является то, что точность практически определяется

1взбросом пассивных элементов. Кроме того, разброс и изменение в результате старения, теплового тока и объем35 ного сопротивления диодов, смещения нуля и дрейф усилителей не влияют на точностные характеристики устройства.

Экономический эффект заключается в повышении разрешающей способности о и точности устройства.

898266

Составитель H. Горшкова

Техред A.Áàáèíåö 1(орректор Г.Назарова

Редактор А. Гул ько филиал ППП Патент", г.ужГород, ул.ПроектнаЯ>

Заказ 11936/57 Тираж 882 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, 8-35, Раушская наб., д, 4!