МНОГОКАНАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ
MULTI-CHANNEL DEVICE FOR MEASUREMENT OF TEMPERATURE

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системе терморегулирования и телеметрии космических аппаратов (КА).
Известно многоканальное устройство для измерения температуры (SU 1229599), содержащее термопреобразователи, опорные резисторы, ключи, источник тока, блок управления, генератор тактовой частоты, блок памяти, цифроаналаговые преобразователи, RS-триггеры, схему задержки, схему ИЛИ, RC-цепочки, диоды.
Однако это устройство недостаточно надежно, так как содержит большое количество элементов.
Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности (прототипом) является многоканальный вариант одноканального устройства для измерения температуры (RU 2447412), содержащее термометр сопротивления (ТС) и задающий резистор (ЗР), общая точка которых соединена с общей шиной, генератор стабильного тока (ГСТ), четыре электронных ключа (ЭК), генератор прямоугольных импульсов (ГПИ), три усилителя, дополнительно введены два ЭК, RC-фильтр, ЭК разбиты на три группы ЭК по два ЭК в каждой группе - первый и второй, входы управления первых ЭК всех групп ЭК подключены к прямому выходу ГПИ, а входы управления вторых ЭК всех групп ЭК подключены к инверсному выходу ГПИ, ГСТ включен между общей шиной устройства и входами ЭК первой группы ЭК, выход первого ЭК первой группы соединен с входом первого ЭК второй группы и ТС, выход второго ЭК первой группы ЭК соединен с входом второго ЭК второй группы ЭК и ЗР, введен запоминающий конденсатор, который одним выводом подключен к объединенным между собой выходам ЭК второй группы ЭК, а другим - к входу первого усилителя на операционном усилителе (ОУ), включенному по схеме повторителя, выход первого ОУ подключен к входу второго усилителя на ОУ, включенному по схеме инвертирующего усилителя, выход второго усилителя подключен к объединенным между собой входам ЭК третьей группы, выход первого ЭК третьей группы ЭК подключен к входу первого усилителя, выход второго ЭК третьей группы ЭК подключен к входу RC-фильтра, выход RC-фильтра подключен к входу третьего усилителя на ОУ, выход которого является выходом устройства.
Недостатками прототипа являются:
- недостаточно высокая надежность из-за большого количества элементов, т.к. количество элементов умножается на число каналов;
- недостаточно высокая долговременная точность из-за неучета изменения параметров элементов при их старении.
Целью изобретения является упрощение устройства, повышение надежности и долговременной точности.
Поставленная цель достигается тем, что в многоканальном устройстве для измерения температуры, содержащем термометры сопротивления (ТС), задающие резисторы (ЗР), общая точка которых соединена с общей шиной; генератор стабильного тока (ГСТ), один из выводов которого подключен к общей шине; три усилителя, соединенные последовательно, выход последнего усилителя является выходом устройства; схему управления (СУ); дополнительно введены восемь многопозиционных однополюсных электронных переключателей (МОЭП); другой вывод ГСТ подключен к полюсному выводу первого МОЭП; позиционные выводы первого и второго МОЭП объединены попарно и подключены к ТС; полюсной вывод третьего МОЭП подключен к полюсному выводу первого МОЭП; позиционные выводы третьего и четвертого МОЭП объединены попарно и через вновь введенные цепочки из двух последовательно соединенных калибровочных резисторов подключены к общей шине; точки соединения калибровочных резисторов соединены с позиционными выводами пятого МОЭП; полюсные выводы второго, четвертого и пятого МОЭП объединены вместе и подключены к неинвертирующему входу первого усилителя, который выполнен инструментальным; введен дополнительный ГСТ, который включен между общей шиной и полюсным выводом шестого МОЭП; позиционные выводы шестого и седьмого МОЭП объединены попарно и подключены к ЗР; полюсной вывод седьмого МОЭП подключен к инвертирующему входу первого усилителя; второй усилитель выполнен с переключаемым коэффициентом  усиления восьмым МОЭП; выходы СУ соединены с входами разрешения и адреса всех МОЭП.
На чертеже изображена функциональная схема многоканального устройства для измерения температуры.
Многоканальное устройство для измерения температуры содержит: восемь многопозиционных однополюсных электронных переключателей (МОЭП) 1-8 (на рисунке для наглядности они изображены как электромеханические переключатели, и, кроме того, чтобы не затенять рисунок, не показано подключение элементов 9-12 по трехпроводной схеме); термометры сопротивлений (ТС) 9, задающие резисторы (ЗР) 10, общая точка которых соединена с общей шиной; генератор стабильного тока (ГСТ) 13, который подключен к общей шине и полюсным выводам МОЭП 1 и 3; позиционные выводы МОЭП 1 и 2 объединены попарно, и каждый МОЭП 1, 2 подключен к соответствующему ТС 9; позиционные выводы МОЭП 3 и 4 объединены попарно и через цепочки из двух последовательно соединенных калибровочных резисторов 11 и 12 подключены к общей шине; точки соединения калибровочных резисторов 11 и 12 соединены с позиционными выводами МОЭП 5; ГСТ 14 включен между общей шиной и полюсным выводом МОЭП 6; позиционные выводы МОЭП 6 и 7 объединены попарно и подключены к ЗР 10; полюсные выводы МОЭП 2, 4, 5 объединены и подключены к неинвертирующему входу инструментального усилителя 15; инвертирующий вход усилителя 15 соединен с полюсным выводом МОЭП 7; выход усилителя 15 соединен со входом усилителя 16, который выполнен с переключаемым МОЭП 8 коэффициентом усиления; выход усилителя 16 подключен ко входу выходного усилителя 17; схему управления (СУ) 18, выходы которой подключены ко входам разрешения и адреса всех 1-8 МОЭП.
Многоканальное устройство для измерения температуры работает следующим образом: при подаче питания и работе устройства в режиме измерения СУ 18 выдает на входы адреса всех МОЭП 1-8 сигналы поочередного опроса всех температурных каналов и сигналы разрешения для всех МОЭП, кроме 3-5, при этом на вход инструментального усилителя будет поступать следующее дифференциальное напряжение при равных токах ГСТ 13 и 14
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi><mn>15</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mi>т</mi><mi>с</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mi>з</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>⋅</mo><msub><mi>I</mi><mrow><mi>г</mi><mi>с</mi><mi>т</mi></mrow></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
тс
где R - текущее значение сопротивления опрашиваемого ТС;
зр
R - сопротивление опрашиваемого ЗР, которое определяет нижнюю границу измерительного диапазона;
гст
I- ток ГСТ.
Инструментальный усилитель 15 это напряжение усилит в К1 раз и преобразует в однополярное. На выходе устройства будет однополярное напряжение, равное
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mi>т</mi><mi>с</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mi>з</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>⋅</mo><msub><mi>K</mi><mn>1</mn></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>K</mi><mn>2</mn></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>K</mi><mn>3</mn></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
1
где K - коэффициент усиления инструментального усилителя 15;
2
К - коэффициент усиления усилителя с переключаемым коэффициентом усиления 16;
3
К - коэффициент усиления выходного усилителя 17.
При проведении калибровки СУ 18 снимает сигнал разрешения с МОЭП 1 и 2 и выдает его на МОЭП 3 и 4 или 5, при подаче его на МОЭП 4 происходит замер резисторов нижней калибровочной точки 11, а при подаче его на МОЭП 5 происходит замер резисторов верхней калибровочной точки - последовательное соединение резисторов 11 и 12.
При использовании в устройстве прецизионных резисторов С2-29 В класса точности 0,05% нестабильность, гарантируемая техническими условиями на резисторы (см. ОЖО.467.099 ТУ, л.11, п.2.3.2.1.) при суммарном времени включения менее 2000 ч составляет ±0,05%, при превышении этого времени - возрастает до ±0,5%, т.е. в десять раз, но распределяя эти 2000 ч на весь ресурс равномерно, можно сохранить высокую точность устройства при введении калибровки на весь срок активного существования КА.
Суть калибровки заключается в том, что в момент ее проведения выполняется соотношение
<mrow><msub><mi>R</mi><mi>в</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>R</mi><mi>н</mi></msub><mo>/</mo><msub><mi>U</mi><mi>в</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>U</mi><mi>н</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>R</mi><mi>t</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>R</mi><mi>н</mi></msub><mo>/</mo><msub><mi>U</mi><mi>t</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>U</mi><mi>н</mi></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>3</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
н
где R - калибровочное сопротивление нижней калибровочной точки - резисторы 11;
в
R - калибровочное сопротивление верхней калибровочной точки - суммарное сопротивление резисторов 11 и 12;
t
R - текущее значение ТС 9;
в
н
t
U, U, U - выходные напряжения устройства в верхней и нижней калибровочных точках и текущее значение.
t
t
Преобразовав выражение (3) для определения R (зная R, можно по тарировочной характеристике на конкретный ТС 9 определить температуру), получим:
<mrow><msub><mi>R</mi><mi>t</mi></msub><mo>=</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>R</mi><mi>в</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>R</mi><mi>н</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>U</mi><mi>t</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>U</mi><mi>н</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>/</mo><msub><mi>U</mi><mi>в</mi></msub><mo>+</mo><mi>R</mi><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>4</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
При старении устройства может появиться напряжение смещения ΔU и измениться на α-коэффициент передачи по напряжению. Перепишем выражение (4) с учетом появления ΔU и α:
<mrow><msub><mi>R</mi><mi>t</mi></msub><mo>=</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>R</mi><mi>в</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>R</mi><mi>н</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">[</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>α</mi><msub><mi>U</mi><mi>t</mi></msub><mo>+</mo><mi>Δ</mi><mi>U</mi><mo>−</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>α</mi><msub><mi>U</mi><mi>t</mi></msub><mo>+</mo><mi>Δ</mi><mi>U</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">]</mo><mo>/</mo><mi>α</mi><msub><mi>U</mi><mi>н</mi></msub><mo>+</mo><mi>Δ</mi><mi>U</mi><mo>−</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>α</mi><msub><mi>U</mi><mi>н</mi></msub><mo>+</mo><mi>Δ</mi><mi>U</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mi>н</mi></msub><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>5</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
н
в
В выражении (5) при раскрытии скобок ΔU взаимно вычитаются, α  выносятся за скобки в числителе и знаменателе и сокращаются, а выражение (5) приобретает вид (4), что говорит о невлиянии процессов деградации на точность устройства при идеальных R и R. Предложенное устройство проще, так как содержит меньше элементов и, следовательно, его надежность выше; в десять раз повышена долговременная точность устройства за счет введения калибровки.
Было изготовлено более 100 устройств, все они отличались хорошей повторяемостью, точностью, разрешающей способностью ±0,005°С. Устройства собраны на элементах: К10-17С, С2-29 В, 1127КН6, 2С198Е, 2П304А, 140УД1701АСАР, Н5503ХМ5-171.
Из известных заявителю патентно-информационных материалов не обнаружены признаки, сходные с совокупностью признаков заявляемого объекта.