Модуль стабилизации температуры холодного спая термопар для прецизионных систем измерения температуры

Полезная модель относится к устройствам для измерения температуры, а именно к схемам для компенсации холодных спаев устройств, основанных на использовании термочувствительных электрических элементов, непосредственно воспринимающих тепло, и может быть использована в установках для прецизионного измерения температуры.
Из существующего уровня техники различают методы компенсации, которые принято разделять на пассивные и активные. Наибольшее распространение нашли схемы с активной компенсацией температуры с помощью интегральных микросхем. Известны несколько устройств, компенсирующих температуру холодного спая (патенты US7144155 B2, JP2012063355 A, RU2623196 C1, US8647340 B2, US3956686 A, US4936690 A, SU31513 A1), в которых в соответствии с сигналом, полученным с терморезистора, измеряющим температуру холодного спая, добавляется противодействующее компенсирующее напряжение, таким образом, измерительный прибор получает только изменение сигнала с горячего конца термопары. Недостатком вышеуказанных средств компенсации является высокая погрешность ±0.8°С, что является достаточно большим для систем, измеряющих температурные эффекты.
Наиболее близким по техническому решению к заявляемой полезной модели является встроенная схема компенсации холодного спая для термопар (патент на изобретение JP2012063355 A), в которой датчик температуры присоединен вплотную к холодному спаю термопары, что повышает точность определения температуры холодного спая.
Недостатком данного изобретения является использование ЭДС обратной полярности для компенсации колебаний температуры холодного спая, что вносит существенную погрешность в измерения и не позволяет использовать данное решение для прецизионных измерений.
Цель полезной модели - уменьшение погрешности при поддержании температуры холодного спая термопар.
Поставленная задача решается за счет того, что термопара помещается на термоэлектрический элемент Пельтье, ток через который регулируется по принципу пропорционально-интегрального-дифференцирующего регулятора в зависимости от сигнала, получаемого с терморезистивного датчика, находящегося вблизи термопары, при этом регулятор собран на основе операционных усилителей; каскада биполярных n-p-n транзисторов включенных по схеме с общим эмиттером, отвод тепла с которых происходит посредством вентиляторов; цифро-аналогового преобразователя и 16-битного сигма-дельта аналого-цифрового преобразователя, управляемых микроконтроллером.
Техническим результатом, обеспеченным приведенной совокупностью признаков, является колебания после достижения заданной температуры в пределах ±0.003°С.
Сущность устройства демонстрируется на фигурах 1 и 2. Определение температуры с помощью терморезистивного датчика 2 заключается в измерении его сопротивления и дальнейшего преобразования в температуру. Измерение сопротивления осуществляется 4-х контактным методом с целью повышения точности измерений. В связи с этим на датчик подается ток 1 мА, полученный с источника тока, собранного на базе регулируемого стабилизатора напряжения 12. Измерение напряжения происходит с использованием 16-битного сигма-дельта аналого-цифрового преобразователя 20, управляемого микроконтроллером. В зависимости от сопротивления, полученного с терморезистора, осуществляется подача тока на элемент Пельтье 3. Для этого собран регулируемый линейный источник тока, управляемый напряжением. Блок управления током включат в себя цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) 23, каскад биполярных n-p-n транзисторов 18 и 27 и операционные усилители 26. Входное напряжение задается с помощью 16-битного цифро-аналогового преобразователя, управление которым осуществляется микроконтроллером. Каскад биполярных n-p-n транзисторов, собранный по схеме с общим эмиттером, значительно увеличивает ток в нагрузке операционного усилителя, следовательно и мощность, которая зависит от подводимого напряжения. Таким образом, данная схема позволяет управлять низковольтными сигналами током, проходящим через Пельтье элементы.
При работе устройства происходит нагрев транзисторов, для этого они помещены на радиатор 4, отвод тепла с которых также осуществляется с помощью вентиляторов 5.
Тепловая ячейка (фиг. 1) представляет собой помещенный на радиатор 4 термоэлектрический элемент Пельтье 3, на котором закреплены термопара 1 и датчик температуры 2. Для отвода тепла используется вентилятор 5. Изоляция места контакта термопары и терморезистора осуществляется за счет помещения сборки в пористый теплоизолирующий материал 6.
Достоинствами устройства являются:
1) корпус прибора позволяет монтировать его в стойки измерительных установок;
2) модуль способен работать со всеми известными типами термопар;
3) созданное программное обеспечение позволяет в автоматическом режиме производить выставление и поддержание заданной температуры в течение долгого времени;
4) заданная температура выставляется в течение 15 минут после включения модуля;
5) модуль работает от сети 220 В, что не требует дополнительных устройств для подключения;
6) для начала температурных измерений устройство не требует дополнительной подготовки и калибровки.
Устройство поясняется чертежами. На фиг. 1 показана схема тепловой ячейки, где: 1 - холодный спай термопары, 2 - терморезистивный датчик температуры, 3 - термоэлектрический элемент Пельтье, 4 - радиатор, 5 - вентилятор, 6 - камера из теплоизолирующего материала.
На фиг. 2 приведена принципиальная электрическая схема модуля, где 2 - терморезистивный датчик M213 Pt1000, 3 - термоэлектрический элемент Пельтье, 5 - вентиляторы, 7 - входное напряжение 9 В для питания источника тока терморезистивного датчика и микроконтроллера, 8 - входное напряжение 12 В для питания регулируемого источника тока, операционных усилителей, вентиляторов, 9 - входное напряжение 5 В для питания аналого-цифрового преобразователя, 10 - входное напряжение 24 В для питания термоэлектрических элементов Пельтье, 11 - резистор 1 Ом, 12 - регулируемый стабилизатор напряжения LM317, 13 - конденсатор 100 мкФ, 14 - резистор 5.2 Ом, 15 - резистор 100 Ом, 16 - конденсатор 4.7 мкФ, 17 - диод 1.5КЕ12, 18 - транзистор BD243C, 19 - резистор 470 Ом, 20 - аналого-цифровой преобразователь AD7715, 21 - кварцевый резонатор 2.4576 МГц, 22 - резистор 100 Ом, 23 - цифро-аналоговый преобразователь AD420, 24 - конденсатор 100 нФ, 25 - конденсатор 10 нФ, 26 - операционный усилитель LM358N, 27 - транзистор BD135, 33 - амперметр.
На фиг. 3 представлена фотография передней панели устройства, где: 32 - экран для вывода температуры холодного спая, 33 - амперметры.
На фиг. 4 представлена задняя панель модуля, где 34 - разъемы для подключения термопар.