УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ
TEMPERATURE MEASURING DEVICE

Предлагаемое изобретение относится к области температурных измерений и может быть использовано в качестве датчика температуры биологических и физических объектов.
Известны устройства для измерения температуры с термопарами, присоединенные к мостовой потенциометрической схеме с усилителем разбаланса и следящим электродвигателем (М.В. Кулаков. Технологические измерения и приборы. -М.: Машиностроение, 1974, 464 с.).
Недостатком этих устройств является низкое быстродействие, малая надежность работы и ограниченные функциональные возможности, в частности невозможность определения скорости изменения температуры.
Известно также устройство для измерения температуры, принятое за прототип, содержащее мостовую схему для компенсации температуры холодного спая, источник стабилизированного питания, термопару и измерительный прибор, снабженное также делителем напряжения, состоящим из потенциометра и резистора, включенного в диагональ питания моста, причем движок потенциометра через усилитель соединен с положительным электродом термопары, а отрицательный электрод и средняя точка делителя напряжения подключены к измерительной диагонали моста (Авт. свид СССР №433358, G01K 7/02, опубл, 25.06.74, Бюл, №23).
Недостатком этого устройства является также низкое быстродействие, малая надежность работы из-за использования электродвигателя, трущихся элементов ползунка реохорда и механического редуктора, а также ограниченные функциональные возможности, в частности невозможность определения скорости изменения температуры.
Техническая сущность предлагаемого изобретения состоит в исключении из устройства следящего электродвигателя, трущегося ползунка реохорда и редуктора с целью повышения быстродействия и надежности работы, а также формирования дополнительного выходного сигнала, прямо пропорционального скорости изменения измеряемой температуры.
Техническим результатом предполагаемого изобретения является повышение быстродействия и надежности устройства, а также расширение функциональных возможностей - определение наряду с измеряемой температурой скорости ее изменения.
Технический результат достигается тем, что устройство для измерения температуры, содержащее мостовую схему для компенсации температуры холодного спая, источник стабилизированного питания, термопару, делитель напряжения, состоящий из потенциометра и резистора, включенного в диагональ питания моста, причем отрицательный электрод термопары и средняя точка делителя напряжения подключены к измерительной диагонали моста, дополнительно снабжено преобразователем напряжения в частоту, реверсивным счетчиком импульсов, двоичным умножителем частоты, делителем частоты, вычитающим устройством, двухвходовой логической схемой «ИЛИ» и двумя цифровыми управляемыми сопротивлениями, кодовые входы которых соответственно связаны с выходами прямого и обратного кодов реверсивного счетчика, а движок потенциометра через входную цепь преобразователя напряжения в частоту соединен с положительным электродом термопары, второй вход схемы вычитания связан с выходом двоичного умножителя, входы одного операнда которого связаны с выходами реверсивного счетчика, а входы другого операнда связаны с выходами делителя частоты, вход которого связан с шиной опорной частоты, суммирующий вход реверсивного счетчика связан с выходом преобразователя напряжения в частоту, а вычитающий вход реверсивного счетчика соединен с выходом двоичного умножителя, при этом первый вход вычитающего устройства подключен к выходу преобразователя напряжения в частоту, два выхода вычитающего устройства соединены с входами двухвходовой логической схемы «ИЛИ» и знаковыми выходами скорости изменения температуры устройства, а выход схемы «ИЛИ» соединен с выходом регистрации величины скорости изменения температуры, выход прямого кода реверсивного счетчика подключен к выходу регистрации значения измеряемой температуры устройством, одно цифровое управляемое сопротивление включено между первым выводом потенциометра и средней точкой делителя напряжения, а второе - последовательно между вторым выводом потенциометра и клеммой питания делителя источника стабилизированного питания.
стаб.
0
На фиг. 1 изображена схема предлагаемого устройства. Устройство содержит мост, собранный на резисторах R1, R2, R3, R4, питаемый через резисторы R5 и R6 от источника стабилизированного напряжения U, к которому подключен делитель напряжения на резисторах R7 и R8, R9, R10; к измерительной диагонали моста (точки a, d) подключены отрицательный электрод термопары и средняя точка f делителя. Движок потенциометра R9 через входную цепь преобразователя напряжения в частоту 11 связан с положительным электродом термопары, а выход преобразователя 11 соединен с суммирующим входом реверсивного счетчика 12, потенциальные выходы которого связаны с потенциальными входами двоичного умножителя частоты 13, токовые входы которого подключены к выходам делителя опорной частоты 14 F, при этом выход умножителя частоты соединен с вычитающим входом реверсивного счетчика 12 и вторым входом вычитающего устройства 15, первый вход которого подключен к суммирующему входу реверсивного счетчика импульсов 12, а выходы вычитающего устройства 15 с положительными и отрицательными значениями производной от выходного сигнала преобразователя 11 через двухвходовую схему «ИЛИ» 16 соединены с входом устройства по определению скорости изменения температуры, выходы вычитающего устройства 15 подключены также к знаковым выходам скорости изменения температуры, резисторы 8 и 10 выполнены в виде цифровых управляемых сопротивлений (ЦУС), кодовые входы управления которых подключены, соответственно, к выходам прямого и обратного кодов реверсивного счетчика импульсов 12, соединенного также выходной шиной прямого кода с выходом устройства по измерению температуры.
0
Назначение вновь введенных элементов: цифровых управляемых сопротивлений (ЦУС) R8 и R10, преобразователя напряжения в частоту 11, реверсивного счетчика (PC) импульсов 12, двоичного умножителя частоты 13, делителя 14 опорной частоты F, вычитающего устройства 15, двухвходовой логической схемы «ИЛИ» 16 понятно из их названий.
Устройство для измерения температуры работает следующим образом. При подборе резисторов выполняется соотношение
В этом случае мост и делитель работают независимо один от другого, несмотря на наличие между ними перемычки «d ƒ». Сумма сопротивлений ЦУС R8 и R10 всегда постоянна, т.к. изменение одного сопротивления всегда компенсируется противоположным изменением другого сопротивления за счет управления их прямым и обратным кодами с выходов реверсивного счетчика импульсов 12. В результате этого потенциал ползунка резистора R9 может изменяться в широких пределах, хотя сам ползунок остается неподвижным.
На входе преобразователя напряжения в частоту следования импульсов 11 действует напряжение разбаланса между измерительной диагональю моста, термопарой и точкой g (ползунок R9) делителя напряжения R7 и R8, R9, R10. Изменяющаяся частота F(τ) поступает на суммирующий вход реверсивного счетчика (PC) 12 и на первый вход вычитающего устройства 15. Двоичный умножитель частоты 73 и делитель частоты 14 формируют поток импульсов, поступающий на вычитающий вход PC 12 и на второй вход вычитающего устройства 15.
Выходная частота двоичного умножителя 13 вычитается из выходной частоты преобразователя напряжения в частоту 11 вычитающим устройством 15 будучи задержанной на время, пропорциональное постоянной времени Т следящей системы автоматического управления. На выходе вычитающего устройства 15 формируется поток импульсов, пропорциональный производной  и, соответственно, скорости изменения температуры , т.к. код PC 12 определяется зависимостью в форме Лапласа
oc
где р - оператор Лапласа; F(p) - частота на выходе преобразователя 11; F(p) - частота на выходе двоичного умножителя 13 (обратной связи). При этом
где  - постоянная времени системы следящей системы;
n - число разрядов реверсивного счетчика 12;
0
F - опорная частота делителя частоты 14.
Отсюда следует, что
Частота на выходе схемы «ИЛИ» может быть определена как
Таким образом, после окончания переходного процесса на выходе схемы «ИЛИ» формируется значение производной F(τ), погрешность которой зависит только от точности задания постоянной времени Т системы.
Следящая система автоматического управления стремится ликвидировать возникающий разбаланс на входе преобразователя 11 путем изменения прямого и обратного кодов с выхода PC 12 на ЦУС R8 и R10. На выходе PC 12 прямой код несет информацию об измеряемой температуре t.
Применение следящей системы автоматического управления частотно-импульсного типа и двух цифровых управляемых сопротивлений позволило исключить следящий электродвигатель, редуктор и перемещение ползунка потенциометра в процессе измерений по сравнению с прототипом, что существенно повысило быстродействие и надежность работы устройства для измерения температуры, а также позволяет сформировать дополнительный выходной сигнал, прямо пропорциональный скорости изменения температуры.