Устройство для измерения малых разностей температур
DEVICE FOR MEASURING SMALL TEMPERATURE DIFFERENCES

Устройство относится к измерительной технике, а именно, к измерению градиента температуры объектов с помощью термопар, и может быть использовано в отраслях промышленности и научного эксперимента в составе автоматизированных систем управления (АСУ) в условиях высокого уровня электрических помех. Как правило, задача АСУ сводится к автоматической регулировке температуры объекта таким образом, чтобы значение градиента между выбранными точками имело минимальное значение или поддерживалось на заданном уровне.
Известно техническое решение, изложенное в работе А.В. Губин, П.Г. Ковадло и др. «Исследование влияния температурных режимов оптики БСВТ на волновой фронт». Сибирский институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн СО АН СССР. Март 1989 г. В этом техническом решении температура измеряется в двух точках независимыми термопарами, а разностный сигнал регистрируется потенциометром, изменяя сопротивление реохорда, включенного в плечо порогового устройства. Технические характеристики термопар и используемая схема измерения, при которой погрешности термопар, потенциометра, реохорда и порогового устройства суммируются, не могут обеспечить высокую точность измерения.
Недостатком известного технического решения является низкая точность измерения температуры.
Известно техническое решение, представленное в устройстве для измерения малых разностей температур (Патент на полезную модель №135798 «Устройство для измерения малых разностей температур», МПК G01K 7/02, опубликованный 20.12.2013 г., в которой используется дифференциальная многоспайная термопара, обеспечивающая точность 0.15°С. Однако, устройство может использоваться для дистанционного контактного измерения температуры образца в ограниченном пространстве зазора магнита и не может быть применено для других случаев.
Недостатком известного технического решения является невозможность оперативного влияния на температуру образца и не может использоваться в составе АСУ.
Известны технические решения, представленные в группе однотипных устройств для измерения разности температур (Патент RU №2254559 «Устройство для измерения разности температур», МПК G01K 3/08, G01K 7/24, опубликовано 20.06.2005 г., Патент RU №2265195 «Устройство для измерения разности температур», МПК G01K 3/08, G01K 7/20, опубликовано 27.11.2005 г, Патент RU №2311621 «Устройство для измерения разности температур», МПК G01K 3/08, G01K 7/20, опубликовано 27.11.2007 г, Патент RU №2317531 «Устройство для измерения разности температур», МПК G01K 3/08, G01K 7/24 опубликовано 20.02.2008 г.) с вариантами технических отличий. Общим, для которых является наличие двух терморезисторов, включенных в соседние плечи моста, усилитель, включенный в измерительную диагональ моста, индикатор или регистрирующий прибор.
Недостатком известных технических решения является то, что они не могут работать с термопарами, не имеют средств температурного воздействия на регулируемый объект и не могут использоваться в составе АСУ.
Известно техническое решение, представленное в устройстве для измерения разности температур (Патент RU №2534427 «Устройство для измерения разности температур», МПК G01K 3/08, G01K 7/02 опубликовано 27.11.2014 г.) содержащее два встречно включенных термоэлектрических преобразователя, (которыми может быть дифференциальная термопара) дополнительный преобразователь, резистивный делитель напряжения, включающий в себя реохорд, измерительный прибор, усилитель, предназначенное для наземных испытаний элементов летательных аппаратов.
Недостатками известного технического решения является низкая надежность, необходимость введения коррекции на нелинейность термопар, нет температурного воздействия на объект, нет сопряжения с ЭВМ. Не может использоваться в составе АСУ.
Известно техническое решение, представленное в устройстве для измерения температуры и разности температур (Патент RU №2025675 «Устройство для измерения температуры и разности температур», МПК G01K 3/08 опубликовано 30.12.1994 г.) с использованием термопреобразователей сопротивления. Сущность изобретения: процесс измерения состоит из шести тактов. В каждом такте выводы термопреобразователей и образцовых резисторов поочередно и попарно-переменно подключаются с помощью блоков ключей соответственно к первому и второму источникам тока и входам преобразователя напряжения в код и операционного усилителя. Значения кодов с выхода преобразователя напряжения в код поступают на вычислительный блок. Блок обрабатывает результаты измерения по представленным зависимостям. Результаты измерения температуры и разности температур отображаются блоком индикации.
Недостатком известного технического решения является то, что оно не может работать с термопарами, не имеет средств температурного воздействия на регулируемый объект, не имеет связи с ЭВМ и не может использоваться в составе АСУ.
Известно техническое решение, представленное в устройстве для измерения малых разностей температур (Патент RU №2337333 «Устройство для измерения малых разностей температур» МПК G01K 7/02, H01L 35/00 опубликовано 10.01.2008 г.) в котором используется дифференциальная многоспайная термопара из термоэлектродной проволоки, причем термоэлектроды в парах выбраны из одного класса партий проволоки хромеля и копеля и подвергнуты отжигу при температуре 750-770 К путем протяжки через печь со скоростью 0,06-0,08 м/с, а раскроены и промаркированы термоэлектроды таким образом, чтобы при сборке они оказались в той же последовательности, что и в заводской бухте проволоки, путем применения специальной технологии подбора и подготовки термоэлектродов хромель-копель. Техническим результатом изобретения является то, что после 200 циклов нагрев - охлаждение отклонение измеренной предлагаемым устройством температуры от индивидуальной градуировочной характеристики не превышают 0,05%, а точность измерения разности температур повышается до 0,5%.
Недостатком известного технического решения является трудоемкая технология подбора и подготовки термоэлектродов, требующее дополнительное оборудование.
Известно техническое решение, представленное в устройстве для измерения разности температур с терморезистивными датчиками (Патент RU №2405131 «Устройство для измерения разности температур с терморезистивными датчиками» МПК G01K 3/08, G01K 7/16 опубликовано 27.11.2010 г.), которое включает в себя два терморезистивных датчика, два источника тока и аналого-цифровой преобразователь с внешним источником опорного напряжения, что обеспечивает возможность последовательного подключения источников тока к терморезистивным датчикам. К точке объединения этих датчиков введен дополнительный резистор, через который протекает суммарный ток обоих источников. Падение напряжения на этом резисторе используется в качестве опорного напряжения АЦП, за счет чего результат суммы двух последовательных измерений разности температур не зависит от нестабильности источников тока.
Недостатком известного технического решения является невозможность работы с термопарами, не имеет средств температурного воздействия на регулируемый объект, не имеет связи с ЭВМ и не может использоваться в составе АСУ.
Известно техническое решение, представленное в устройстве измерения температур (Патент JPH 09152379 «Temperature measuring apparatus employing thermocouple», МПК G01K 7/02, опубликован 10.06.1997) в котором используются две отдельные термопары, одна измеряет абсолютную температуру, а другая включенная встречно с первой измеряет разность температур. Следовательно, абсолютная температура и разность температур между указанными частями могут быть измерены одновременно с использованием только двух термопар, а малая разность температуры относительно абсолютной температуры, может быть измерена с высокой точностью.
Недостатками известного технического решения является низкая помехозащищенность, нет средств температурного воздействия на объект, нет возможности дистанционного контроля работоспособности, не может быть использовано в составе АСУ.
Известно техническое решение, представленное в устройстве обнаружения разницы температур (Патент JP2011038951 «Temperature difference detection device by seebeck current integration», МПК G01K 7/02; H01L 35/28, опубликовано 21.02.2011) в котором для обнаружения разности температур и повышения чувствительности применительно к тепловым инфракрасным датчикам, датчикам атмосферного давления, датчикам газа, датчикам расхода или тому подобное, используется интегрирование тока короткого замыкания термопары в течение заданного времени и средства сброса полученного значения интеграла. При этом обеспечивается высокая помехоустойчивость и точность. Разность температур определяется с использованием выходного напряжения из двух значений интегралов.
Недостатками известного устройства является то, что разность температур измеряется в одной точке, если температура меняется во времени, не может измеряться градиент температуры в разных точках объекта, нет средств температурного воздействия на объект, нет возможности дистанционного контроля работоспособности, не может быть использовано в составе АСУ.
Известно техническое решение, представленное в устройстве для дифференциального термического анализа (Патент RU №116238 «Устройство для дифференциального термического анализа», МПК G01N 25/00 опубликовано 20.05.2012 г.), которое выбрано в качестве прототипа. Техническое решение содержит источник нагрева с расположенными внутри измерительной и эталонной ячейками, измерителями разности температур, блок сравнения, блок смещения нулевого уровня и блок управления температурой микронагревателя, причем измерители разности температур и блок смещения подключены к входу блока сравнения, выход которого соединен с блоком управления температурой.
Недостатком известного технического решения является то, что источник нагрева с расположенными внутри измерительной и эталонной ячейками, может использоваться исключительно для исследований экзотермических и эндотермических реакций, например, термического разложения энергонасыщенных веществ и не может быть использован в составе АСУ.
Перед авторами ставилась задача разработать устройство для измерения малых разностей температур с возможностью автоматического измерения градиента температур объекта с обеспечением минимального значения градиента между выбранными точками и с поддерживанием его на заданном уровне.
Поставленная задача решается тем, что устройство для измерения малых разностей температур, содержащее дифференциальную термопару, блок управления, блок температурного воздействия на регулируемый объект, дополнительно оснащено двумя идентичными резисторами, выполненные эквивалентными сопротивлениям дифференциальной термопары, управляемым реле, инструментальным усилителем разности, блоком анализа, измерительным узлом, который выполнен содержащим в себе аналого-цифровой преобразователь и узел сопряжения, причем, средняя точка дифференциальной термопары выполнена подключенной к общей точке инструментального усилителя разности, а сигнальные концы дифференциальной термопары подключены к нормально замкнутым контактам управляемого реле, при этом нормально разомкнутые контакты управляемого реле подключены к двум идентичными резисторам, вторые концы которых подключены к общей точке инструментального усилителя разности, далее выход инструментального усилителя разности подключен к входу измерительного узла, а выход измерительного узла подключен к входу блока анализа, который выполнен осуществляющим корректировку к показаниям значений разности температур посредством квантования измерительным узлом и обмен данными с блоком анализа, выход которого подключен к входу блока управления, который выполнен переключающим управляемое реле и запускающим процедуру измерения в измерительном узле посредством блока анализа, выходы блока управления подключены к измерительному узлу, управляемому реле и блоку температурного воздействия на регулируемый объект, при этом блок температурного воздействия выполнен с возможностью нагрева либо охлаждения регулируемого объекта.
Технический эффект заявляемого устройства заключается в увеличении помехоустойчивости по отношению к внешним электромагнитным воздействиям, в повышении чувствительности и точности измерений малых разностей температур, в обеспечении возможности температурного воздействия на объект, в упрощении конструкции, а также в расширении ассортимента устройств данного назначения.
Заявляемое устройство поясняется блок-схемой, представленной на фиг. 1, где 1  -дифференциальная термопара, 2 - резисторы, 3 - управляемое реле, 4 - инструментальный усилитель разности, 5 - измерительный узел, 6 - аналого-цифровой преобразователь, 7 - узел сопряжения, 8 - блок управления, 9 - блок анализа, 10 - блок температурного воздействия, 11 - регулируемый объект.
Заявляемое устройство для измерения малых разностей температур работает следующим образом. Средняя точка дифференциальной термопары 1, подключена к общей точке инструментального усилителя разности 4, а сигнальные концы дифференциальной термопары 1, подключены к нормально замкнутым контактам управляемого реле 3, при этом нормально разомкнутые контакты управляемого реле 3 подключены к двум идентичным резисторам 2, эквивалентным сопротивлениям дифференциальной термопары 1, вторые концы которых подключены к общей точке инструментального усилителя разности 4. Выход инструментального усилителя разности 4 подключен к входу измерительного узла 5, содержащего в себе аналого-цифровой преобразователь 6 и узел сопряжения 7, а выход измерительного узла 5 подключен к входу блока анализа 9. Блок анализа 9 связан с блоком управления 8, управляющим работой измерительного узла 5, управляемого реле 3 и запускающим процедуру измерения в измерительном узле посредством блока анализа 9, при этом, выходы блока управления 8 подключены к измерительному узлу 5, управляемому реле 3 и блоку температурного воздействия 10 на регулируемый объект 11, нагревая или охлаждая последний.
0
0
0
и
и
При установленной температуре регулируемого объекта 11, заданной блоком температурного воздействия 10 переключается управляемое реле 3, подключая два идентичных резистора 2, которые выполнены эквивалентными сопротивлениям дифференциальной термопары 1, к входу измерительного узла 5, причем средняя точка дифференциальной термопары 1 и вторые концы двух идентичных резисторов 2 остаются подключенные к общей точке инструментального усилителя разности 4, при этом измерительные цепи остаются симметричными и условия помехозащищенности не нарушаются. Затем инициируется процедура измерения в измерительном узле 5 посредством блока анализа 9 и регистрируется U1=U, где U - выходной сигнал инструментального усилителя разности 4 представляющий собственную погрешность усилителя, которая зависит от значения окружающей температуры, старения элементов измерительного узла 5 и др. Этот сигнал квантуется измерительным узлом 5 и поступает в блок анализа 9. Блок анализа 9 запоминает этот сигнал и использует его как корректировку к показаниям значений разности температур. Одновременно блок анализа 9 анализирует значение U и если это значение не выходит за установленные требованием измеряемого процесса пределы, принимает решение о проведении измерения градиента температуры. В противном случае выдается сообщение об аварии. Для измерения градиента температур управляемое реле 3 переводится в исходное состояние при котором сигнальные концы дифференциальной термопары 1, подключенные к нормально замкнутым контактам управляемого реле 3, оказываются подключенными ко входу инструментального усилителя разности 4. Затем инициируется процедура измерения в измерительном узле 5 посредством блока анализа 9 и регистрируется значение U2=U, где U - измеренное значение. Точное значение градиента вычисляется как U2-U1 и передается в блок анализа 9.
В предлагаемом устройстве используются однотипные дифференциальные термопары 1 Т-типа (медь - константан) имеющие чувствительность около 43 мкВ/°С. В качестве управляемого реле 3 применено реле РЭК11 ЯЛ4.550.005-02. Материал контактов - сплав П-1, покрытие - 3л1тв. Гарантированное сопротивление электрических контактов не более 0,25 Ом. Инструментальный усилитель разности 4 выполнен на основе микросхемы усилителя AD620, абсолютная симметрия входов которого совместно с симметрией входных измерительных цепей гарантирует высокую степень помехоустойчивости устройства. В качестве измерительного узла 5 используется микросхема AD7651 включающая в себя 16-разряный аналого-цифровой преобразователь 6 и узел сопряжения 7.
Абсолютная погрешность устройства для измерения малых разностей температур не превышает 0.1°С в диапазоне абсолютных температур от -28 до +24°С при уровне подавления помех общего вида 100 дБ, что не обеспечивается известными устройствами подобного назначения.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для измерения малых разностей температур средняя точка соединения дифференциальной термопары подключена к общей точке измерительного узла, в качестве которого установлен инструментальный усилитель разности с симметричными входами, а межу дифференциальной термопарой и инструментальным усилителем разности установлено переключающее управляемое реле с возможностью отключения дифференциальной термопары и подключения вместо нее резисторов, значения которых эквивалентные сопротивлениям термопары.
В предлагаемом устройстве решаются следующие технические задачи: снижение влияния помех за счет абсолютной симметрии измерительных цепей; повышение чувствительности и точности измерения разности температур; разработка устройства адаптированного для использования в АСУ, т.е. допускающего дистанционную проверку работоспособности.
Кроме того, упрощается конструкция заявляемого устройства за счет неиспользования технологии подбора и подготовки термоэлектродов, требующая дополнительного оборудования.