УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КРИОГЕННЫХ ТЕМПЕРАТУР
DEVICE FOR MEASURING CRYOGENIC TEMPERATURES

Изобретение относится к измерительной технике, а конкретнее к измерениям криогенных температур.
Особенностью измерений температур в области жидкого водорода и других низкокипящих жидкостей (гелий, азот, кислород и т.д.) является малое абсолютное сопротивление чувствительного элемента термометра сопротивления и малая крутизна преобразования выходного параметра. Например, сопротивление платинового термометра сопротивления с сопротивлением 100 Ом при 273,15 К имеет значение 0,406 Ом при 13,15 К и 0,745 Ом при 20,15 К [1, стр. 184]. При столь малых изменениях сопротивления термометра результаты измерений в очень большой мере зависят от влияющих факторов (сопротивления подводящих проводов, их изменения под действием температуры, сопротивления переходных контактов, паразитных термоэдс, наводок и шумов). Указанные факторы не позволяют реализовать измерение криогенных температур с малой погрешностью, что особенно важно при измерении параметров ракетных двигателей с криогенными компонентами топлива (например, жидкий водород - жидкий кислород).
Известно устройство для измерения температуры [2], содержащее термометр сопротивления, источник тока, генератор прямоугольных импульсов, ключи, два образцовых резистора, операционные усилители, фильтр нижних частот. В известном устройстве парируется дрейф усилителей, что несколько снижает погрешность преобразования температуры в электрический сигнал, но не устраняет воздействия влияющих факторов, указанных выше.
Наиболее близким по технической сущности является решение, предложенное в устройстве для измерения температуры [3]. В указанном устройстве [3], содержащем термометр сопротивления, к которому через мультиплексор подключены источник тока с двумя токоустанавливающими сопротивлениями и аналого-цифровой преобразователь, два образцовых сопротивления, процессор и группу ключей, подключающих по командам процессора те или иные образцовые сопротивления к мультиплексору и токоустанавливающие сопротивления к источнику тока. Снижение погрешности преобразования низких (криогенных) температур достигается в устройстве за счет задания в процессоре уровня напряжения, с которым сравнивается текущий сигнал с термометра сопротивления. Если сигнал оказывается ниже заданного уровня, по команде процессора срабатывают ключи и с генератора тока на питание термометра подается ток, как минимум в 10 раз больший предыдущего режима. Большой ток при малых сопротивлениях термометра увеличивает его выходное напряжение, тем самым улучшая соотношение между полезным сигналом и паразитными термоэдс, шумами и помехами, что, в конечном итоге, ведет к снижению погрешности измерения криогенных температур.
Однако предложенное решение, исключая одни составляющие погрешности, ведет к росту других, а именно:
- десятикратный (и более) рост тока в цепи термометра сопротивления ведет к десятикратному росту падения напряжения на подводящих цепях, сопротивление которых точно не известно, но сопоставимо с сопротивлением термометра при криогенных температурах; в рассматриваемом устройстве не представляется возможным оценить, какая часть напряжения определяется сопротивлением термометра, а какая подводящими цепями (сопротивлением мультиплексора, подводящих проводов, переходными контактами);
- большой ток в цепи термометра сопротивления при очень малых значениях сопротивления чувствительного элемента, например, при 0,5 Ом, может быть вполне приемлем, но с ростом сопротивления, например, при 1 Ом, джоулево тепло приведет к недопустимому разогреву чувствительного элемента и росту систематической погрешности измерений.
Кроме того, устройство сложно с точки зрения количества электронных компонентов и программирования. Остановимся на последнем, неочевидном, недостатке.
Дело в том, что после переключения устройства на увеличенный ток питания термометра сопротивления его выходное напряжение скачком превысит порог переключения и процессор должен дать команду на возврат к малому току питания. После этого напряжение с термометра упадет ниже порога переключения и процессор вновь даст команду на увеличение тока питания термометра. Возникает релаксационный автоколебательный процесс, не позволяющий получить достоверные результаты измерений. Чтобы исключить указанный режим, необходимо задать второй порог (порог возврата к малому току), до достижения которого термометр будет греться джоулевым теплом большого тока, что, как было указано выше, ведет к большой систематической погрешности измерений температуры.
Целью изобретения является повышение точности измерения криогенных температур и упрощение схемы устройства. Поставленная цель достигается в устройстве для измерения криогенных температур, содержащем термометр сопротивления, образцовый резистор и источник тока, подключенный к токовому входу термометра сопротивления тем, что источник тока выполняется регулируемым в виде операционного усилителя, к прямому входу которого подключен один выход источника образцового напряжения, а к инверсному - потенциальный выход термометра сопротивления; второй потенциальный выход термометра через повторитель соединен со вторым выходом источника образцового напряжения; токовый выход термометра сопротивления подключен к образцовому резистору и место его подключения является выходом устройства.
На фигуре представлена схема предлагаемого устройства, на которой условно не показаны цепи питания операционных усилителей и источника образцового напряжения.
Согласно схеме источник образцового напряжения (например, микросхема AD780 BNZ с резистивным делителем напряжения на выходе) 1 подключен к неинвертирующему входу операционного усилителя 2, выход которого соединен с токовым входом термометра сопротивления 3. Потенциальный выход термометра сопротивления 3 подключен к инвертирующему входу усилителя 2. Токовый выход термометра сопротивления подключен к образцовому сопротивлению 4, падение напряжения на котором является выходным сигналом схемы. Второй потенциальный выход термометра сопротивления 3 через повторитель 5 на базе операционного усилителя подключен к общей точке источника образцового напряжения 1. Все электронные элементы смонтированы в электронном узле, обозначенном на схеме пунктирными линиями, а места подключения соединительных проводов к электронному узлу и термометру сопротивления 3 обозначены кружками.
0
d
d
0
d
d
Схема работает следующим образом. Источник образцового напряжения 1 задает на неинвертирующем входе усилителя 2 постоянное образцовое напряжение U. Указанное напряжение создает на выходе усилителя 2 ток I, протекающий через сопротивление термометра 3 и образцовое сопротивление 4. В каждый момент времени величина тока I имеет такое значение, что падение напряжения на сопротивлении термометра 3 точно равно образцовому напряжению U. Следовательно, зависимость между величиной тока I и текущим значением сопротивления термометра R, функционально связанным с измеряемой температурой, равна:
d
d.
d
Поскольку числитель правой части выражения является постоянной величиной, то получается однозначная зависимость тока через сопротивление термометра I и величиной сопротивления R. При этом выходной ток тем больше, чем меньше сопротивление термометра, другими словами, в области криогенных температур, когда сопротивление термометра R мало, выходной сигнал преобразователя сопротивления в ток максимален.
d
ВЫХ
0
Ток I, протекая через образцовое сопротивление 4, создает на нем падение напряжения U, являющееся выходным сигналом устройства. Если номинальное значение образцового сопротивления равно R, то выходной сигнал устройства, с учетом выражения (1), равен:
0
d
0
Выражение (2) точно описывает выходной сигнал устройства только в том случае, когда образцовое напряжение U сравнивается только с падением напряжения на сопротивлении термометра R, исключая падение напряжения на образцовом сопротивлении 4 и сопротивлении провода, соединяющего токовый выход термометра 3 с образцовым сопротивлением 4. Для реализации указанного требования второй потенциальный выход термометра сопротивления через повторитель 5 подключен к общему выходу источника опорного напряжения 1, создавая на неинвертирующем входе операционного усилителя 1 образцовое напряжение U не относительно общей шины устройства, а относительно второго потенциального выхода термометра 3.
0
0
d
Как видно из выражения (2), выходной сигнал устройства обратно пропорционален сопротивлению термометра и при криогенных температурах выходной сигнал имеет максимальное значение и чувствительность преобразования. Для примера предположим, что измеряются криогенные температуры платиновым термометром сопротивления с сопротивлением 100 Ом при 273,15 К. Зададим образцовое напряжение U равным 40 мВ и образцовое сопротивление R равным 50 Ом. При температуре термометра 13,15 К сопротивление R=0,4 Ом, и согласно выражению (2) выходной сигнал схемы равен
ВЫХ 1
-3
U=40·10·50/0,4=5 В.
d
При температуре 20,15 К R=0,745 Ом и
ВЫХ 2
-3
U=40·10·50/0,745=2,68 В.
Таким образом, предлагаемое устройство для измерения криогенных температур обеспечивает большой выходной сигнал при низких температурах, существенно улучшая отношение сигнала к помехам, шумам и паразитным термоэдс, снижая тем самым погрешность измерения температур. Все устройство может быть реализовано на двух микросхемах (источник образцового напряжения AD780 BNZ и два операционных усилителя в одном корпусе, например, AD8532AR) и нескольких образцовых резисторах, что существенно проще схемы прототипа.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Геращенко О.А., Гордов А.Н., Лах В.И. и др. Температурные измерения. Справочник. Киев: «Наукова думка», 1984, 496 с.
2. Устройство для измерения температуры. Патент РФ №2492436, МПК G01K 7/16.
3. Устройство для измерения температуры. Патент РФ №2253846, МПК G01K 7/16.