ИЗМЕРИТЕЛЬ ТЕМПЕРАТУРЫ

Полезная модель относится к области измерительной техники и, в частности, к датчикам, предназначенным для ракетного температурного зондирования высоких слоев атмосферы.
В известных ракетных термометрах сопротивления (см. В.Н. Киселев, А.Д. Кузнецов «Методы зондирования окружающей среды») достаточная температурная чувствительность достигается применением чувствительного элемента из проволоки длиной около 2,5 м с общим сопротивлением порядка 500 Ом. Из-за большой длины чувствительного элемента в нем наводятся значительные помехи от внешних полей, телеметрической и другой имеющейся на борту аппаратуры. Производимая фильтрация помех ухудшает быстродействие термометра, поэтому она осуществляется с ограничениями, сказывающимися на точность измерения. В результатах измерения также учитывается выполняемая с конечной точностью расчетная поправка на нагревание чувствительного элемента джоулевым теплом от протекающего по нему тока. Большие габариты конструкции, удерживающей чувствительный элемент, налагают ограничения на выбор класса используемых ракет-носителей.
Одним из факторов, влияющих на точность измерений в известных ракетных термометрах сопротивления, является теплообмен чувствительного элемента с элементами его крепления с токоподводами. В известных ракетных термометрах сопротивления для уточнения результатов измерений в уравнение теплового баланса чувствительного элемента вводятся расчетные поправки на теплообмен с токоподводами ми и системой крепления. Для вычисления этих поправок температуры элементов крепления и токоподводов измеряются их температуры с помощью установленных на них термисторов. Задача вычисления поправок на теплообмен усложняется тем, что необходимая для этого температура чувствительного элемента сама является искомым параметром. Поправки, таким образом являются оценочными.
Наиболее близкий по технической сущности к предлагаемому измерителю температуры является измеритель температуры, содержащий проволочный термочувствительный элемент, закрепленный на каркасе, блок питания и контроллер для управления работой измерителя температуры и расчета температуры (см. патент RU 2099675 от 25.10.1995, заявитель (патентообладатель) Государственный космический научно-производственный центр им. М.В. Хруничева). К недостаткам известного измерителя температуры следует отнести все те недостатки, которые присущи известным ракетным измерителям температуры.
Задачей полезной модели являлось устранение влияния температуры токоподводов и элементов крепления термочувствительного элемента на результаты измерения. Кроме того, задача полезной модели состояла в исключении влияния разогрева термочувствительного элемента за счет джоулева тепла на результаты измерения.
Указанная задача решается тем, что в цепи питания термочувствительного элемента установлен электронный ключ, прерывающий ток на время между циклами и змерения, входы которого соединены с контроллером и блоком питания.
0
n
n
Другим отличием измерителя является то, что последовательно с термочувствительным элементом в цепи питания на выходе электронного ключа установлены два сопротивления (R и R), причем выходы сопротивления R через аналого-цифровые преобразователи соединены со входами контроллера.
Благодаря отмеченным выше особенностям выполнения измерителя температуры обеспечивается технический результат, который состоит в том, что исключается влияние джоулева разогрева термочувствительного элемента на результаты измерения температуры и, как следствие, повышается точность измерения температуры.
Сущность полезной модели поясняется чертежом (Фиг. 1), на котором представлена блок-схема предлагаемого измерителя температуры.
Предлагаемый измеритель температуры содержит термочувствительный элемент 1. закрепленный на каркасе 2 в виде двухслойной п-образной печатной платы из стеклотекстолита. В качестве термочувствительного элемента предлагаемого измерителя температуры используется отрезок платиновой проволоки длиной 176 мм и диаметром 30 мкм. Общее сопротивление термочувствительного элемента при температуре 0°C составляет 10 Ом. Проволока термочувствительного элемента 1 смонтирована на каркасе 2 через выравнивающие температуру петли 3 из той же проволоки, чтобы минимизировать ее теплообмен с каркасом 2 и тем самым максимально исключить негативное влияние элементов крепления термочувствительного элемента 1 на результаты измерения. С той же целью концы термочувствительного элемента 1 соединены с токоподводами через приваренные к ним выравнивающие температуру отрезки проволоки 4 того же сечения, что и у термочувствительного элемента, но из материала с минимальным термическим коэффициентом сопротивления, например из манганина.
Для обеспечения работы измерителя температуры в него введены блок питания 5 в виде источника постоянного напряжения 5.1 V и контроллер 6 для управления работой измерителя температуры и расчета измеряемой температуры.
x
n
0
n
Токопроводы термочувствительного элемента 1 (R) через нормирующий резистор 7 (R) с минимальным термическим коэффициентом сопротивления, через токоограничивающий резистор 8 (R) и через электронный ключ 9 последовательно соединены с источником постоянного напряжения 5. Для оптимизации точности измерений значение нормирующего резистора 7 (R) выбрано равным сопротивлению чувствительного элемента при 0°C, т.е. 10 Ом. Значение токоограничивающего резистора 8 выбрано 36 Ом, так, чтобы вызвать достаточный в импульсе ток в измерительной цепи, обеспечивающий приращение напряжения на чувствительном элементе более 5 мВ/°C, и тем самым - получить температурное разрешение не хуже 0.2°C без использования ухудшающих точность измерения усилителей.
x
x
n
x
n
n
Для обеспечения пренебрежимо малого среднего по времени тока через измерительную цепь, электронный ключ 9 управляется от контроллера 6 короткими импульсами с длительностью около 10 мкс и с периодом следования около 0.5 с. При этом средняя мощность джоулевого нагрева на порядок меньше мощности радиационного потока, исходящего от термочувствительного элемента 1. За время длительности каждого импульса от контроллера 6 с тактовой частотой 1 МГц по 10 раз синхронно оцифровывает падения напряжений U на термочувствительном элементе 1 (R) и общее падение напряжения U на термочувствительном элементе 1 (R) и нормирующем сопротивлении 7 (R). В паузах между импульсами контроллер 6 вычисляет средние значения этих двух напряжений за время длительности импульса  и , а также их соотношение , значение которого является функцией текущей температуры чувствительного элемента. Выходы нормирующего сопротивления 7 (R) через аналого-цифровые преобразователи 10 и 11 соединены со входом контроллера 6, который осуществляет расчет определяемой температуры по формуле:
где: t°C - измеряемая температура;
x
x
U - падение напряжения на термочувствительном элементе 1 (R)
n
n
U - падение напряжение на термочувствительном элементе 1 и нормирующем сопротивлении 7 (R)
α - температурный коэффициент сопротивления материала термочувствительного элемента 1.
Для платины он составляет 0,0039. Внутри контроллера 6 встроены блоки 12 памяти, расчетный блок 13, осуществляющий расчет температуры по формуле (1) и выходной цифровой порт 14.