УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ КОНТРОЛИРУЕМОГО ОБЪЕКТА
DEVICE FOR MEASURING THE TEMPERATURE OF A CONTROLLED OBJECT

Изобретение относится к области измерительной техники и предназначено для измерения температуры контролируемого объекта с помощью термосопротивления. Устройство может найти применение для измерения температурных параметров механизмов, жидкостей и газов, и использоваться в летательных аппаратах, транспортных объектах, кораблях и др.
Известен микропроцессорный терморегулятор из патента РФ №2112224 с датой приоритета 26.06.1996, который содержит в своем составе термосопротивление, измерительный мост, дифференциальный усилитель, выход которого соединен со входом преобразователя напряжения в частоту. Выход источника питающего тока соединен с измерительным мостом. Входы мультиплексора подключены к выходам измерительного моста, а выход соединен со входом дифференциального усилителя. Энергонезависимое постоянное запоминающее устройство подключено к цифровому блоку управления. Выход преобразователя напряжения в частоту соединен со счетным входом цифрового блока управления. Управляющие линии цифрового блока управления соединены с адресными входами мультиплексора. Терморегулятор микропроцессорный относится к устройствам измерения и контроля температуры и может быть использован для измерения температуры и ее стабилизации в заданном диапазоне значений, а также для включения в состав аппаратуры управления технологическими процессами.
Недостатком известного микропроцессорного терморегулятора являются низкие надежность и достоверность измерений, связанные с отсутствием резервирования в каналах формирования сигнала датчика тока и измерений.
Известен измеритель температуры из патента РФ №2165600 с датой приоритета 26.05.1999, содержащий источник опорного напряжения, содержащий усилитель постоянного тока на основе операционного усилителя, диод на основе широкозонного полупроводника, биполярный транзистор, два токозадающих резистора. Причем база транзистора соединена с анодом диода и выводом второго токозадающего резистора, эмиттер транзистора с первым токозадающим резистором и входом усилителя постоянного тока, выход усилителя постоянного тока соединен с коллектором транзистора и вторым выводом второго токозадающего резистора, вторые выводы диода и первого токозадающего резистора соединены с общим проводом схемы. В устройство дополнительно вводят второй биполярный транзистор, третий резистор, второй усилитель постоянного тока на основе второго операционного усилителя и индикатор. Первый резистор выполнен в виде делителя напряжения. База второго биполярного транзистора соединена с эмиттером биполярного транзистора, а его эмиттер - с третьим резистором и инвертирующим входом второго усилителя постоянного тока, коллектор второго биполярного транзистора связан с выходом первого усилителя постоянного тока. Третий вывод первого резистора, выполненного в виде делителя напряжения, соединен с неинвертирующим входом второго усилителя постоянного тока, выход которого связан с индикатором; второй вывод третьего резистора соединен с общим проводом схемы.
Недостатком известного измерителя температуры является низкая надежность схемы и сниженная достоверность измерений, обусловленные тем, что отсутствует резервирование схемы формирования опорного тока, а также для осуществления измерения используется единственный выход.
Известно устройство измерения разности температуры c терморезистивными датчиками из патента РФ №2405131 с датой приоритета 20.11.2009 (прототип). Устройство включает в себя два терморезистивных датчика, два источника тока и аналого-цифровой преобразователь с внешним источником опорного напряжения. Замкнутый элемент первого переключателя соединен с нормально разомкнутым элементом второго переключателя и выходом первого источника тока, а нормально замкнутый элемент второго переключателя соединен с нормально разомкнутым элементом первого переключателя и выходом второго источника тока, что обеспечивает возможность последовательного подключения источников тока к терморезистивным датчикам. К точке объединения этих датчиков веден дополнительный резистор, через который протекает суммарный ток обоих источников. Падение напряжения на этом резисторе используется в качестве опорного напряжения АЦП, за счет чего результат суммы двух последовательных измерений разности температур не зависит от нестабильности источников тока.
Недостатками данного устройства также являются низкая надежность схемы и сниженная достоверность измерений, обусловленные тем, что отсутствуют измерения тока каждого источника тока отдельно, результаты измерений могут быть искажены из-за разброса параметров двух терморезисторов, а также отсутствует резервирование источников тока.
Технической проблемой является создание устройства для измерения температуры контролируемого объекта с повышенной надежностью и достоверностью результатов измерений.
Технические результаты заявляемого изобретения заключаются в повышении надежности формирования стабилизированных токов, протекающих через термосопротивление, и увеличении достоверности результатов измерений.
Для достижения указанных технических результатов заявляемое устройство для измерения температуры контролируемого объекта содержит два идентичных, соединенных параллельно между собой канала измерения, основной и резервный, в которых производится формирование стабилизированных токов, протекающих через термосопротивление, сопротивление которого пропорционального температуре контролируемого объекта. Основной и резервный каналы идентичны по своей структуре; каждый из них содержит стабилизированный источник тока, к выходу которого подключен резистивный токовый шунт для измерения тока. К выводам резистивного токового шунта подключен инструментальный усилитель. Выход инструментального усилителя подключен ко входу аналого-цифрового преобразователя (далее - АЦП), встроенного в микроконтроллер. Токовый шунт подключен к стоку ключа, выполненного на полевом транзисторе с низким сопротивлением канала. Затвор транзисторного ключа подключен к выходу микроконтроллера. Исток транзистора подключен к одному из крайних выводов термосопротивления. К этому же выводу подключен исток транзистора другого (резервного) канала измерения, схема которого полностью идентична. Другой вывод термосопротивления подключен к общему выводу устройства измерения.
Описание осуществления изобретения может быть использовано в качестве примера для лучшего понимания его сущности и изложено со ссылками на фигуру, приложенную к настоящему описанию. При этом приведенные ниже подробности призваны не ограничить сущность изобретения, а сделать ее более ясной.
На фиг. 1 представлена схема устройства измерения температуры контролируемого объекта, где:
1 – основной канал измерения;
2 – резервный канал измерения;
3 – термосопротивление;
4 – микроконтроллер 1;
5 – микроконтроллер 2;
6 – стабилизированный источник тока 1;
7 – стабилизированный источник тока 2;
8 – токовый шунт 1;
9 – токовый шунт 2;
10 – инструментальный усилитель 1;
11 – инструментальный усилитель 2;
12 – АЦП 1, вход 1;
13 – АЦП 2, вход 1;
14 – выход управления 1;
15 – выход управления 2;
16 – АЦП 1, вход 2;
17 – АЦП 2, вход 2;
18 – транзисторный ключ 1;
19 – транзисторный ключ 2.
При измерении используется связь между температурой контролируемого объекта и величиной сопротивления датчика температуры.
На схеме устройства измерения температуры контролируемого объекта ток, протекающий через датчик температуры на основе термосопротивления, формируется двумя независимыми стабилизированными источниками тока. Каждый из этих двух источников формирует стабилизированный ток. Этот ток проходит через токовые шунты, усиливается инструментальными усилителями и измеряется аналого-цифровыми преобразователями (далее – АЦП), встроенными в микроконтроллеры. Это измерение позволяет знать величину тока, протекающего через термосопротивление. Далее этот ток проходит через транзисторный ключ и термосопротивление. Измерение напряжения на термосопротивлении осуществляется двумя независимыми каналами измерения, что позволяет не потерять данные при отказе одного из каналов измерения, а также повысить достоверность этих измерений. Данное напряжение измеряется на одном из выводов термосопротивления и преобразуется в цифровую форму с помощью АЦП, встроенных в микроконтроллеры. Одновременно к термосопротивлению подключен только один из стабилизированных источников тока через транзисторный ключ. Другой канал измерения в это время также производит измерения напряжения на термосопротивлении, транзисторный ключ второго канала в это время закрыт. Если в канале, формирующем ток для термосопротивления в текущий момент, происходит отказ и через термосопротивление больше не протекает ток, то микроконтроллер другого канала после измерения напряжения на термосопротивлении открывает свой транзисторный ключ и подключает к термосопротивлению другой источник тока. Между установкой факта отсутствия напряжения на термосопротивлении и открытием транзисторного ключа есть фиксированная временная задержка. Эта задержка разная для основного и резервного каналов измерения, что исключает одновременное подключение двух источников тока к термосопротивлению.
В качестве стабилизированных источников тока могут использоваться операционные усилители OP284 со стабилитронами в цепи обратной связи. В качестве инструментального усилителя могут использоваться микросхемы INA828IDR. В качестве транзисторных ключей - оптроны G3VM-61VR(TR05). В качестве микроконтроллера – STM32F746VGT6.