АВТОНОМНЫЙ БОРТОВОЙ МНОГОКАНАЛЬНЫЙ РЕГИСТРАТОР ТЕМПЕРАТУР НА ВНЕШНЕЙ ПОВЕРХНОСТИ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно, к системам измерения и регистрации температур в диапазоне -150°C … +150°C в условиях открытого космического пространства. Предлагаемое устройство используется для контроля температур в контейнерах научной аппаратуры, предназначенных для проведения экспериментов и устанавливаемых на внешней поверхности космического аппарата (КА).
Известно устройство измерения пространственного распределения температуры в заданных точках контролируемого объекта (патент РФ №2079822, кл. G01K 7/00; 1994), содержащее последовательную цепочку множества термочувствительных элементов, измеритель, регистратор, регулируемый источник напряжения, источник гармонического сигнала. Термочувствительные элементы соединены в Т-образную схему. В последовательные плечи каждой такой схемы включены резисторы, а в параллельное - встречно соединенные полупроводниковые диоды. Между первой входной клеммой первого термочувствительного элемента и первой выходной клеммой последнего термочувствительного элемента включен источник постоянного напряжения. Между входными клеммами первого термочувствительного элемента включены последовательно соединенные регулируемый источник напряжения, источник гармонического сигнала и измеритель амплитуды переменного тока. Недостатками данного устройства являются недостаточный диапазон измеряемых температур для работы в условиях открытого космического пространства, невысокая точность измерений, связанные с выбранным способом измерения температуры.
Известен также способ измерения пространственного распределения температуры и устройство для его осуществления, описанные в патенте РФ №2194956 кл. G01K 7/00; 2001. Устройство содержит термочувствительные кварцевые пьезорезонансные датчики с различными резонансными частотами, соединенные параллельно двухпроводной линией, которая, в свою очередь, соединяется с регистратором и источником переменного напряжения. Недостатками этого устройства являются узкий диапазон измеряемых температур, сложность реализации процесса измерения, а также необходимость обеспечения электромагнитной совместимости устройства с бортовыми системами КА.
Задачей предлагаемого технического решения является расширение арсенала технических средств в данной области, а также удовлетворение ряда требований предъявляемым к подобным устройствам, устанавливаемым на борт КА. В связи с этим необходимо достижение совокупности следующих технических результатов: расширение диапазона измеряемых температур (до ±150°С); обеспечение высокой точности измерений; сокращение количества соединительных проводов, связывающих датчики температуры с блоком измерения и регистрации данных.
Технический результат достигается тем, что в предлагаемом устройстве для расширения диапазона измеряемых температур в качестве датчиков температуры используются тонкопленочные платиновые термометры сопротивления, для повышения точности измерений температуры используются датчики температуры с номинальным сопротивлением превышающим сопротивление соединительных проводов не менее чем на три порядка, для устранения влияния внутреннего сопротивления ключей коммутатора используется схема коммутации с двумя ключами - «токовым» и «измерительным», для сокращения количества соединительных проводов датчики температуры подключаются по двухпроводной схеме, причем один вывод каждого датчика заземлен.
На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства. Устройство содержит: датчики температуры Rt1 … Rtn; коммутатор - пары полупроводниковых ключей {K1.1, K1.2} … {Kn.1, Kn.2}; прецизионный преобразователь напряжения в ток 1; источник опорного напряжения 2; аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 3; микроконтроллер 4; устройство энергонезависимой памяти 5.
Датчики температуры Rt1 … Rtn закрепляются в заданных точках контролируемых объектов. Каждый датчик одним проводом подключается к паре ключей {Ki.1, Ki.2}, где i - номер выбираемого канала (i=1, 2 … n), а другим - к общей шине устройства. Ключи в каждой паре {Ki.1, Ki.2} замыкаются и размыкаются одновременно. Рабочий ток опрашиваемого (i-го) датчика протекает через первый «токовый» ключ Ki.1. Прецизионный преобразователь напряжения в ток 1 вместе с источником опорного напряжения 2 задает постоянное значение силы тока в цепи Ki.1-Rt1. Сила тока в указанной цепи не зависит ни от сопротивления замкнутого ключа, ни от текущего значения сопротивления датчика температуры. Вход АЦП 3 подключается непосредственно к выводу датчика температуры через второй «измерительный» ключ Ki.2. Учитывая, что входное сопротивление АЦП значительно (обычно, более чем на 6 порядков) превосходит сопротивление замкнутого «измерительного» ключа, сопротивлением последнего можно пренебречь. Таким образом, значения сопротивлений как «токовых», так и «измерительных» ключей и их разброс не будут оказывать влияния на точность преобразования сопротивления датчика в двоичный код.
Для повышения точности преобразования температуры в код опорное напряжение источника 2 является одновременно входным напряжение преобразователя напряжения в ток 1 и опорным напряжением АЦП 3. Обычно выходной сигнал преобразователя «напряжение-ток» определяется так:
оп
0
I=U/R,
оп
0
где U - входное напряжение преобразователя «напряжение ток», R - сопротивление образцового резистора, входящего в состав преобразователя. Выходной двоичный код АЦП определяется следующим образом:
,
оп
где N - разрядность АЦП, U - опорное напряжение АЦП, U - входное напряжение АЦП. В данном случае входным напряжением АЦП служит напряжение на датчике температуры, которое определяется так:
,
T
T
где U - падение напряжения на датчике температуры, R - сопротивление датчика температуры.
Таким образом, выходной код АЦП, соответствующий текущей температуре, будет равен:
.
Отсюда видно, что результат преобразования температуры в двоичный код не зависит от величины опорного напряжения, а определяется только значением сопротивления датчика температуры и величиной образцового сопротивления преобразователя «напряжение-ток». Таким образом, требования к точности задания величины и стабильности опорного напряжения существенно снижаются.
Микроконтроллер 4 вырабатывает управляющие сигналы, необходимые для работы коммутатора каналов, АЦП 3, и устройства энергонезависимой памяти 5, а также производит считывание данных из АЦП, обработку полученных данных и их запись в энергонезависимую память.