ЧАСТОТНО-ИМПУЛЬСНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ СКОРОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ
PULSE-FREQUENCY TEMPERATURE VARIATION RATE METER

Предлагаемое изобретение относится к области температурных измерений.
Известен измеритель скорости изменения температуры, содержащий термодатчик, например термопару, последовательно соединенные регулируемое дифференцирующее звено, выполненное по мостовой схеме, модулятор, разделительный трансформатор, индикаторный блок и нормирующий преобразователь (Авт. свид. СССР №378732, G01K 7/02. Бюл. №19, опубл. 18.04.1973).
Недостатком этого устройства является сравнительно низкое быстродействие и значительная погрешность измерения.
Известен также измеритель скорости изменения температуры, принятый за прототип, (Авт. свид. СССР №403972, G01K 7/22, опубл. 28.10.1973, Бюл. №43), содержащий термопару, горячим спаем через усилитель постоянного тока подключенную к затворам сдвоенного МОП-транзистора, один из которых коммутируется ключом и к которым также подключены запоминающие конденсаторы, а в стоковые цепи МОП-транзисторов включены нагрузочные сопротивления, между которыми подключен индикатор скорости изменения температуры.
Недостатком этого измерителя является сравнительно низкое быстродействие и точность работы.
Техническая сущность предлагаемого изобретения состоит во введении в устройство отрицательной обратной связи для компенсации изменения температуры термопары.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение быстродействия и точности работы устройства.
Технический результат достигается тем, что частотно-импульсный измеритель скорости изменения температуры, содержащий термопару, усилитель, запоминающую емкость и электронный ключ, дополнительно снабжен второй термопарой, блоком выделения модуля, генератором управляемой частоты, блоком задержки, стандартизатором импульсов по длительности и амплитуде, инвертором, двумя селектируемыми пиковыми детекторами, компаратором и логической схемой «НЕ», при этом вторая термопара встречно включена с первой с подключением дифференциальной термопары к входу усилителя, выход которого через последовательно соединенные электронный ключ с запоминающей емкостью на выходе, блок выделения модуля и генератор управляемой частоты соединен с выходом измерителя и через блок задержки подключен к управляющему входу электронного ключа, а также через последовательно соединенные генератор управляемой частоты, стандартизатор импульсов по длительности и амплитуде и инвертор связаны через первый и второй селектируемые пиковые детекторы с электродами второй термопары, при этом выход стандартизатора связан через второй пиковый селектируемый детектор, а выход инвертора - через первый пиковый селектируемый детектор, причем выход электронного ключа с запоминающей емкостью на выходе соединен через последовательно включенный компаратор со знаковым выходом измерителя, управляющим входом первого селектируемого пикового детектора и через логическую схему «НЕ» с управляющим входом второго селектируемого пикового детектора.
Структурная схема частотно-импульсного измерителя скорости изменения температуры приведена на фиг.1.
Измеритель содержит дифференциальную термопару 1 из двух встречно включенных термопар 2 и 3 с различными постоянными времени, связанную с входом усилителя 4, выход которого через последовательно соединенные электронный ключ 5 с запоминающей емкостью 6 на выходе, блок выделения модуля (БВМ) 7 и генератор управляемой частоты (ГУЧ) 8 соединен с выходом измерителя и через блок задержки (БЗ) 9 подключен к управляющему входу электронного ключа 5, а также цепь отрицательной обратной связи через последовательно соединенные выход генератора управляемой частоты 8, стандартизатор импульсов по длительности и амплитуде (САД) 10 и инвертор 11, связанные через селектируемые пиковые детекторы (СПД) 12 и 13 с электродами термопары 2 и входом усилителя 4, при этом выход САД 10 связан через СПД 13, а выход инвертора 11 - через СПД 12, причем выход электронного ключа 5 с запоминающей емкостью 6 соединен через последовательно включенный компаратор 14 со знаковым выходом измерителя, управляющим входом СПД 12 и через логическую схему «НЕ» 15 с управляющим входом СПД 13.
Назначение вновь введенных элементов: термопары 2, блока выделения модуля 7, генератора управляемой частоты 8, блока задержки 9, стандартизатора импульсов по длительности и амплитуде 10, инвертора 11, селектируемых пиковых детекторов 12 и 13, компаратора 14, логической схемы «НЕ» 15 попятно из их названий.
Частотно-импульсный измеритель скорости изменения температуры работает следующим образом.
3
2
3
2
2
3
2
3
С точки зрения динамики переходных процессов термопары 2 и 3 являются апериодическими звеньями первого порядка. Постоянная времени T термопары 3 больше постоянной времени T термопары 2 (T>T), а коэффициенты чувствительности K и K обеих термопар одинаковы K=K=K.
При изменяющейся контролируемой температуре ϑ выходной сигнал дифференциальной термопары 1 в форме Лапласа имеет вид
<mrow><mi>ϑ</mi><mrow><mo>(</mo><mi>p</mi><mo>)</mo></mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mi>K</mi><mrow><msub><mi>T</mi><mn>2</mn></msub><mi>p</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></mfrac><mo>−</mo><mfrac><mi>K</mi><mrow><msub><mi>T</mi><mn>3</mn></msub><mi>p</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>ϑ</mi><mrow><mo>(</mo><mi>p</mi><mo>)</mo></mrow><mfrac><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>T</mi><mn>3</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>T</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>p</mi></mrow><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>T</mi><mn>2</mn></msub><mi>p</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>T</mi><mn>3</mn></msub><mi>p</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mi>K</mi></mrow>
,
где p - оператор Лапласа.
Таким образом, на входе усилителя 4 действует выходной сигнал дифференцирующе-сглаживающего звена второго порядка (дифтермопары).
вых
вых
<mrow><mi>s</mi><mi>i</mi><mi>g</mi><mi>n</mi><mfrac><mrow><mi>d</mi><mi>ϑ</mi></mrow><mrow><mi>d</mi><mi>τ</mi></mrow></mfrac></mrow>
Выходной сигнал усилителя 4 через замкнутый ключ 5 запоминается емкостью 6 и через БВМ 7 управляет частотой F ГУЧ 8. Импульсы с выхода ГУЧ 8 стандартизируются по длительности и амплитуде САД 10 и инвертируются инвертором 11. В зависимости от знака напряжения (полярности) на запоминающей емкости 6 компаратор, второй вход которого соединен с корпусом (условно не показан), формирует на своем выходе логическую единицу «1» или «0», открывая этим СПД 12 для прохождения импульсов отрицательной полярности или через логическую схему «НЕ» 15 СПД 13 для прохождения импульсов положительной полярности. При этом через горячий спай термопары 2 протекает импульсный ток от САД 10 в одну сторону или от инвертора 11 - в другую. На основании эффекта Пельтье при протекании тока в одну сторону происходит нагрев горячего спая, а в другую - его охлаждение. Значение выходного сигнала компаратора 14 несет информацию о знаке производной температуры по времени
, а частота F - о величине этой производной. Время задержки БЗ 9 выбирается из условия замыкания ключа 5 во время паузы между импульсами с выходов САД 10 или инвертора 11. Генератор ГУЧ 8 изменяет свою частоту так, чтобы ликвидировать разность напряжений на выходе дифференциальной термопары 1.
СПД 12 и 13 конструктивно могут быть выполнены подобно электронному ключу 5.
Таким образом, предложенная следящая система автоматического управления обеспечивает высокие точность и быстродействие работы измерителя скорости изменения температуры за счет поддержания равенства температур горячих спаев термопар 2 и 3 при их различных значениях постоянной времени с погрешностью, определяемой статической ошибкой следящей системы (обратно пропорциональной ее коэффициенту усиления).