УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ
TEMPERATURE MEASUREMENT DEVICE

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системе терморегулирования космических аппаратов (КА), например, в системе термостабилизации стандарта частоты КА.
Известно устройство для измерения температуры, содержащее термопреобразователь сопротивления, образцовые резисторы, переключатели, дифференциальный сумматор, схему линеаризации, источник тока, повторитель напряжения, блок управления, селекторы, источник опорного напряжения (авт. свид. СССР №1154553).
Однако это устройство для измерения температуры недостаточно надежно, так как содержит большое количество элементов.
Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство для измерения температуры, содержащее термометр сопротивления, вычитающий усилитель, усилитель переменного тока, демодулятор, усилитель постоянного тока, генератор прямоугольных импульсов, стабилизатор тока, ключи и компенсационный резистор, который по сути является задающим резистором, определяющим начальную точку измерительного температурного (авт. свид. СССР №717566), которое выбрано в качестве прототипа.
Недостатками прототипа являются недостаточно высокие помехоустойчивость, т.к. усилитель переменного тока усиливает помехи, и надежность из-за большого количества элементов, в первую очередь связанная с тем, что в нем применен источник стабильного тока, гальванически не связанный с шинами питания устройства, что требует применения дополнительного вторичного источника питания и, как следствие, увеличивает количество элементов и габариты устройства минимум в два раза, кроме того, известное устройство имеет низкую долговременную точность из-за старения элементов и ухудшения их параметров.
Целью изобретения является упрощение устройства, повышение помехоустойчивости и надежности при долговременном сохранении точностных параметров прототипа.
Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения температуры, содержащее термометр сопротивления (ТС), задающий резистор (ЗР), генератор стабильного тока (ГСТ), четыре электронных ключа (ЭК), генератор прямоугольных импульсов (ГПИ), три усилителя, дополнительно введены восемь ЭК, RC-фильтр; ЭК разбиты на четыре группы по четыре ЭК в первой и второй группе, по два ЭК в третьей и четвертой группе; входы управления первых трех ЭК первой и второй группы ЭК, входы управления первых ЭК третьей и четвертой группы подключены к прямому выходу ГПИ; входы управления четвертых ЭК первой и второй группы, входы управления вторых ЭК третьей и четвертой группы ЭК подключены к инверсному выходу ГПИ; ГСТ включен между общей шиной устройства и входами всех ЭК первой группы; выход первого ЭК первой группы соединен со входом первого ЭК второй группы ЭК и ТС; выход второго ЭК первой группы ЭК соединен со входом второго ЭК второй группы ЭК и первым выводом введенного резистора нижней калибровочной точки (РНКТ), второй вывод РНКТ соединен с общей шиной; выход третьего ЭК первой группы ЭК соединен со входом третьего ЭК второй группы ЭК и первым выводом резистора верхней калибровочной точки (РВКТ), второй вывод РВКТ соединен с общей шиной; выход четвертого ЭК первой группы ЭК соединен с входом четвертого ЭК второй группы ЭК и ЗР; введен запоминающий конденсатор, который одним выводом соединен с выходами ЭК второй группы ЭК, а другим: с входом инвертирующего усилителя, к объединенным между собой входам ЭК третьей группы ЭК и к выходу первого ЭК четвертой группы ЭК; выходы ЭК третьей группы через помехоподавляющие конденсаторы подключены к общей шине; выход инвертирующего усилителя подключен ко входам ЭК четвертой группы; выход второго ЭК четвертой группы ЭК подключен ко входу RC-фильтра, выход которого подключен ко входу оконечного неинвертирующего усилителя, выход которого, в свою очередь, подключен к выходу устройства; между входом и выходом RC-фильтра включена форсирующая цепочка из двух встречно-параллельно включенных диодов; ГПИ имеет два входа управления внутренней логикой - включение калибровки по нижней или по верхней точке.
На рисунке изображена функциональная схема устройства для измерения температуры.
Устройство для измерения температуры содержит: термометр сопротивления ТС (1) и задающий резистор (ЗР) 2, общая точка которых соединена с общей шиной; четыре группы электронных ключей (ЭК) 3, 4, 5, 6 (на рисунке для наглядности они изображены как контакты реле); в группах 3, 4 ЭК четыре - А, В, С, D; в группах 5, 6 ЭК два - A, D; генератор прямоугольных импульсов (ГПИ) 7, прямой выход которого при штатной работе подключен ко входам управления А всех групп ЭК (при калибровке он подключается ко входам управления ЭК В или С), а инверсный - ко входам управления D всех групп ЭК (для упрощения рисунка выходы ГПИ показаны условно одной пунктирной линией); генератор стабильного тока (ГСТ) 8, который включен между общей шиной устройства и объединенными входами ЭК группы 3; выход ЭК 3А соединен с входом ЭК 4А и ТС 1; выход ЭК 3D соединен со входом ЭК 4D и 3Р 2; резистор нижней калибровочной точки (РНКТ) 9, который включен между общей точкой ТС 1 и 3Р 2 и соединенными между собой выходом ЭК 3В и входом ЭК 4В; резистор верхней калибровочной точки (РВКТ) 10, который включен между общей точкой ТС 1 и 3Р 2 и соединенными между собой выходом ЭК 3С и входом ЭК 4С; выходы ЭК 4А, 4В, 4С, 4D объединены и подключены через запоминающий конденсатор 11 ко входу инвертирующего усилителя 12, входам ЭК 5А, 5D и выходу ЭК 6А; выход усилителя 12 подключен ко входам ЭК 6А, 6D; выходы ЭК 5А и 5D через помехоподавляющие конденсаторы 13 и 14 подключены к общей шине; выход ЭК 6D подключен ко входу RC-фильтра 15; выход RC-фильтра 15 подключен ко входу выходного неинвертирующего усилителя 16, выход которого является выходом устройства; форсирующая цепочка 17, состоящая из двух встречно-параллельно включенных диодов, включена между входом и выходом RC-фильтра 15; ГПИ 7 имеет вход управления 18 (КНТ) - калибровка нижней точки и вход управления 19 (КВТ) - калибровка верхней точки.
Устройство для измерения температуры работает следующим образом:
при подаче питания ГПИ 7 выдает импульс на открытие ЭК А во всех группах ЭК 3, 4, 5, 6; при этом на ТС 1 создается падение напряжения относительно общей шины от протекания тока от ГСТ 8, равное:
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Т</mi><mi>С</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mrow><mi>Г</mi><mi>С</mi><mi>Т</mi><mn>8</mn></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mi>Т</mi><mi>С</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>,</mo><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
TC1
где: U - падение напряжения на ТС1;
ГСТ8
I - ток ГСТ 8;
TC1
R - сопротивление ТС1.
TC1
CM12
Падение напряжения U через открытый ЭК 4А прикладывается к обкладке запоминающего конденсатора 11; на другой обкладке конденсатора 11, которая соединена со входом усилителя 12 и выходом ЭК 6А, за счет обратной связи поддерживается потенциал, близкий к нулю и приблизительно равный напряжению смещения усилителя 12 U и, таким образом, конденсатор 11 зарядится до напряжения:
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>С</mi><mn>1</mn><mn>1</mn></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Т</mi><mi>С</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>С</mi><mi>М</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></mrow></msub><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
3P2
ГСТ8
3P2
При переключении ГПИ 7 в противоположное состояние ЭК А закрываются, а ЭК D во всех группах ЭК открываются, при этом ток от ГСТ 8 создает на 3Р 2 падение напряжения, равное U=(I·R), которое прикладывается через заряженный конденсатор 11 ко входу усилителя 12:
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi><mtext> </mtext><mn>1</mn><mn>2</mn></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mn>3</mn><mi>Р</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>С</mi><mi>М</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></mrow></msub><mo>−</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Т</mi><mi>С</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>С</mi><mi>М</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>3</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
CM12
Из (3) видно, что U при раскрытии скобок сокращается.
вx12
Напряжение U усилитель инвертирует и усиливает в k1-раз и это напряжение через ЭК 6D поступает на вход RC-фильтра 15, а с его выхода на вход оконечного усилителя 16, усиливается им в k2-раз и на выход устройства поступит напряжение, равное:
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mi>K</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>I</mi><mrow><mi>Г</mi><mi>С</mi><mi>Т</mi><mn>8</mn></mrow></msub><mo>⋅</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mi>Т</mi><mi>С</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mn>3</mn><mi>Р</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>,</mo><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>4</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
12
16
где: К - общий коэффициент усиления, равный K·K.
Форсирующая цепочка 17 необходима для уменьшения динамической погрешности устройства при быстром изменении сопротивления ТС 1.
При переключении ГПИ 7 процессы повторяются.
Конденсатор 13 подавляет помехи, могущие попасть на вход усилителя 12, когда открыты ключи А во всех группах ЭК, а конденсатор 14 - когда открыты ключи С во всех группах ЭК.
При проведении калибровки ТС 1 отключается, вместо ТС 1 подключается резистор 9 или 10.
При использовании в устройстве прецизионных резисторов С2-29В класса точности ±0,05% нестабильность, гарантируемая ТУ, при суммарном времени включения менее 2000 ч составляет ±0,05%, при превышении этого времени - возрастает до ±0,5%, т.е. в десять раз, но распределяя эти 2000 ч на весь ресурс равномерно, можно сохранить высокую точность устройства при введении калибровки на весь срок активного существования КА.
Суть калибровки заключается в том, что в момент ее проведения выполняется соотношение:
<mrow><mfrac><mrow><mi>R</mi><mi>в</mi><mo>−</mo><mi>R</mi><mi>н</mi></mrow><mrow><mi>U</mi><mi>в</mi><mo>−</mo><mi>U</mi><mi>н</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>R</mi><mi>t</mi><mo>−</mo><mi>R</mi><mi>н</mi></mrow><mrow><mi>U</mi><mi>t</mi><mo>−</mo><mi>U</mi><mi>н</mi></mrow></mfrac><mo>,</mo><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>5</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где: Rн - калибровочное сопротивление нижней калибровочной точки, равное РНКТ 9;
Rв - калибровочное сопротивление верхней калибровочной точки, равное РВКТ 10;
Rt - текущее значение ТС 1;
Uв, Uн, Ut - выходные напряжения устройства в верхней калибровочной точке, нижней и текущее значение.
Преобразовав выражение (5) для определения Rt (зная Rt, можно по тарировочной характеристике на конкретный ТС 1 определить температуру), получим:
<mrow><mi>R</mi><mi>t</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>R</mi><mi>в</mi><mo>−</mo><mi>R</mi><mi>н</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>U</mi><mi>t</mi><mo>−</mo><mi>U</mi><mi>н</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mi>U</mi><mi>в</mi><mo>−</mo><mi>U</mi><mi>н</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><mi>R</mi><mi>н</mi><mtext>                                                  </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>6</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
При старении устройства может появиться напряжение смещения ΔU и измениться на α-коэффициент передачи по напряжению. Перепишем выражение (6) с учетом появления ΔU и α:
<mrow><mi>R</mi><mi>t</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>R</mi><mi>в</mi><mo>−</mo><mi>R</mi><mi>н</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">[</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>α</mi><mi>U</mi><mi>t</mi><mo>+</mo><mi>Δ</mi><mi>U</mi><mo>−</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>α</mi><mi>U</mi><mi>t</mi><mo>+</mo><mi>Δ</mi><mi>U</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">]</mo></mrow><mrow><mo stretchy="false">[</mo><mi>α</mi><mi>U</mi><mi>в</mi><mo>+</mo><mi>Δ</mi><mi>U</mi><mo>−</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>α</mi><mi>U</mi><mi>н</mi><mo>+</mo><mi>Δ</mi><mi>U</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">]</mo></mrow></mfrac><mo>+</mo><mi>R</mi><mi>н</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>R</mi><mi>в</mi><mo>−</mo><mi>R</mi><mi>н</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>α</mi><mi>U</mi><mi>t</mi><mo>+</mo><mi>Δ</mi><mi>U</mi><mo>−</mo><mi>α</mi><mi>U</mi><mi>t</mi><mo>−</mo><mi>Δ</mi><mi>U</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>α</mi><mi>U</mi><mi>в</mi><mo>+</mo><mi>Δ</mi><mi>U</mi><mo>−</mo><mi>α</mi><mi>U</mi><mi>н</mi><mo>−</mo><mi>Δ</mi><mi>U</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mfrac><mo>+</mo><mi>R</mi><mi>н</mi><mo>.</mo><mtext>           </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>7</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
В выражении (7) ΔU взаимно вычитаются, α - выносятся за скобки в числителе и знаменателе и сокращаются, а выражение (7) приобретает вид (6), что говорит о не влиянии процессов деградации на точность устройства при идеальных Rн и Rв.
Предложенное устройство проще, так как содержит меньше элементов и, следовательно, его надежность выше, помехоустойчивость устройства повышена за счет введения RC-фильтра 15 и помехоподавляющих конденсаторов 13 и 14, точность устройства обеспечивается введением запоминающего конденсатора 11, на котором приведенное ко входу эквивалентное напряжение смещения усилителя 12 складываются с разными знаками, т.е. происходит компенсация, кроме того, в десять раз повышена долговременная точность устройства за счет введения калибровки.
Было изготовлено 200 устройств, все они отличались хорошей повторяемостью, точностью, разрешающей способностью ±0,005°С. Устройства собраны на элементах 140УД1701АСАР, 1526ЛЕ5, 1526ЛА7, 1526КТ3, 2С117В, 2П304А, С2-29В.
Из известных заявителю патентно-информационных материалов не обнаружены признаки, сходные с совокупностью признаков заявляемого объекта.