Пристрій для температурних вимірювань

Изобретение относится к средствам температурных измерений в различных областях науки и техники и применимо, в частности, для температурных измерений на внешних поверхностях трубопроводов (капилляров), внутренняя среда которых может иметь градиент температуры вдоль магистрали. Известно устройство для температурных измерений, содержащее два преобразователя температуры с чувствительными элементами, индикатор, формирователи и функциональный генератор со счетчиком импульсов для контроля разности периодов сигналов на выходах преобразователей, которая соответствует разности измеряемых температур (А.с. СССР №1613879, кл. G01K7/00, 1987). Недостаток известного устройства заключается в его ограниченных функциональных возможностях, так как оно может быть использовано лишь для измерения разности температур двух точек и не позволяет работать в режиме измерения температуры каждой из них или градиента температуры. Наиболее близким по совокупности признаков является устройство для температурных Измерений, содержащее преобразователь температуры, два чувствительных полупроводниковых элемента, а также сумматор, выход которого связан с индикатором. При этом один из выходов сумматора через усилитель переменного напряжения, синхронный детектор и первый фильтр связан с выходом преобразователя, в цепь отрицательной обратной связи которого посредством ключей поочередно включаются чувствительные полупроводниковые элементы. Другой вход сумматора через усилитель постоянного тока, ключ и второй фильтр соединен с одним из чувствительных элементов. Схема обрабатывает сигналы, пропорциональные температуре одного из чувствительных полупроводниковых элементов и разности их температур, что позволяет повысить точность измерения температуры в контролируемой точке объекта (А.с. СССР №1529052, кл. G01K7/00, 1987). Данное устройство не позволяет дополнительно осуществлять другие виды температурных измерений: измерения разности температур между двумя точками, а также градиента температуры. Задачей заявляемого изобретения является усовершенствование устройства для температурных измерений, в котором введение новых элементов и связей между ними позволяет обеспечить в зависимости от необходимости один из следующих режимов температурных измерений: измерение температуры в любой из двух точек контролируемого объекта, измерение разности температур между ними, измерение градиента температур между двумя точками плоскости или вдоль прямой линии и за счет этого достигнуть расширения функциональных возможностей устройства. Поставленная задача достигается тем, что устройство для температурных измерений, содержащее два преобразователя температуры с чувствительными полупроводниковыми элементами, сумматор, входы которого связаны с выходами преобразователей температуры, а его выход - с индикатором, согласно изобретению, снабжено инвертором, включенным в цель, соединяющую выход одного из преобразователей температуры с соответствующим входом сумматора, а также датчиком расстояния между чувствительными элементами, выполненным в виде механически связанного с ними резистивного делителя напряжения с общим сопротивлением и с переменным коэффициентом деления, в котором сопротивления плеч и находятся в следующих зависимостях от расстояния между чувствительными элементами. При этом устройство также снабжено переключателем, выполненным с возможностью коммутации со входом индикатора соответственно выхода первого преобразователя температуры, выхода второго преобразователя температуры, выхода сумматора, или выхода датчика расстояния с одновременным соединением входа последнего с выходом сумматора. Использование в устройстве инвертора, включенного в цепь, соединяющую вы ход одного из преобразователей температуры с соответствующим входом сумматора, позволяет на выходе последнего получить сигнал, соответствующий разности температур контролируемых точек. Использование датчика расстояния между чувствительными элементами, механически связанного с ними и выполненного в виде резистивного делителя, сопротивления плеч которого находятся в определенной зависимости от расстояния между чувствительными элементами, позволяет получить численное значение градиента температуры между контролируемыми точками поверхности. Использование переключателя, выполненного с возможностью коммутации входа индикатора с выходами первого преобразователя, второго преобразователя, сумматора, а также с выходом датчика расстояния между чувствительными элементами при одновременном соединении в последнем случае входа датчика расстояния с выходом сумматора позволяет осуществлять измерения в одном из следующи х режимов: измерение температуры в любой из двух точек контролируемого объекта, измерение разности температур между ними, измерение градиента температур между двумя точками плоскости или вдоль прямой линии - с индикацией численного результата измерений на цифровом табло. На чертеже (фиг.) представлена функциональная схема предлагаемого устройства для температурных измерений. Устройство содержит преобразователи 1 и 2 температуры (ПРТ), представляющие собой операционные усилители постоянного тока, с чувствительными полупроводниковыми элементами (ЧЭ) 3 и 4 соответственно, в качестве которых используются транзисторы, сумматор 5 (СУМ), первый вход которого соединен с преобразователем 2 через инвертор 6 (ИНВ), а второй - с преобразователем 1. Датчик 7 (ДР) расстояния между чувствительными элементами 3 и 4 выполнен в виде механически связанного с ними резистивного делителя напряжения с постоянным общим сопротивлением и переменным коэффициентом деления, в котором сопротивления плеч и находятся в следующи х зависимостях от расстояния между чувствительными элементами 3 и 4. Переключатель 8 (П), в качестве которого может быть использован, например, четырехкнопочный коммутатор типа П2К, связывает в соответствующем режиме выход первого преобразователя 1 температуры, вы ход второго преобразователя 2 температуры, выход сумматора 5 или выход датчика 7 расстояния между чувствительными элементами со входом индикатора 9 (ИНД) соответственно, причем в последнем режиме измерений выход сумматора 5 соединен также со входом датчика 7 расстояния. Устройство работает следующим образом. Чувствительные элементы 3 и 4 включены соответственно в цепь отрицательной обратной связи преобразователей температуры 1 и 2, которые представляют собой операционные усилители постоянного тока, к неинвертирующим входам которых поданы определенные постоянные напряжения от стабилизированного источника. При изменении температуры сопротивления транзисторов изменяются, вызывая изменение напряжения на выходах преобразователей 1 и 2, которые, таким образом, выполняют преобразование "температура напряжение". В схеме каждого преобразователя 1, 2 имеется пара подстроечных резисторов, при помощи которых в процессе налаживания схемы добиваются численного соответствия (с учетом множителя вида между контролируемой температурой соответственно в нижней и верхней точках температурного диапазона и выходным напряжением усилителя. В режиме измерения температуры при замкнутых контактах секции переключателя 8 сигнал с выхода преобразователя 2 подается ко входу индикатора 9, представляющего собой цифровой вольтметр постоянного тока, и на его табло индицируется значение температуры, контролируемой чувствительным элементом 4. В этом же режиме при замкнуты х контактах секции переключателя 8 на вход индикатора 9 подается сигнал с выхода преобразователя 1, а на табло регистрируется значение температуры, замеренное чувствительным элементом 3. В режиме измерения разности температур двух исследуемых точек контролируемого объекта, сигнал с выхода преобразователя 2, несущий информацию о температуре точки, в которой помещен чувствительный элемент 4, поступает на вход инвертора 6, где он изменяет свой знак, не изменяя амплитуды, и далее подается на первый вход сумматора 5. Ко второму входу сумматора подводится неинвертированный сигнал с выхода преобразователя 1. представляющий собой информацию о температуре в месте расположения чувствительного элемента 3. В результате алгебраического суммирования (с учетом знака) на выходе сумматора 5 образуется сигнал, численно равный разности температур контролируемых точек, и при включенной секции переключателя 8 подается на вход индикатора 9. В режиме измерения градиента температуры двух точек на поверхности или вдоль прямой линии последний будет определяться как частное от деления разности температур контролируемых точек на расстояние между ними, т.е. где и - соответственно температуры контролируемых точек; - расстояние между контролируемыми точками. На выходе сумматора 5 постоянно присутствует электрический сигнал напряжения постоянного тока, численно равный (с уче том множителя вида разности температур контролируемых точек. Для определения численного значения градиента температуры это напряжение следует еще поделить на величину расстояния между исследуемыми точками объекта. Такое деление можно выполнить, например, при помощи аналогового потенциометрического (резистивного) делителя напряжения, одновременно выполняющего функцию датчика расстояния между чувствительными элементами 3 и 4. На приведенной фигуре позицией 7 обозначен датчик расстояния, выполненный в виде резистивного делителя выходного напряжения сумматора 5 с сопротивлением плеч и и общим (полным) сопротивлением Поскольку в режиме измерения градиента температуры выходной сигнал прикладывается к полному сопротивлению делителя, для правильной индикации контролируемого параметра необходимо, чтобы сопротивление измерительного плеча делителя удовлетворяло условию Тогда сопротивление определяется как Таким образом, сигнал с выхода сумматора 5 при включенной секции переключателя 8 подается на вход да тчика 7 расстояния между чувствительными элементами 3 и 4, представляющего собой в электрическом отношении резистивный делитель напряжения, механически связанный с чувствительными элементами 3.4 так, что каждому расстоянию между ними соответствуют вполне определенные значения сопротивления плеч и изменяющиеся в зависимости от расстояния по гиперболическому закону, описывающемуся формулами (1) и (2). Сигнал со средней точки делителя напряжения - датчика 7 расстояния через вторую пару контактов секции переключателя 8 подается на вход индикатора 9 и регистрируется в виде готового численного значения градиента температуры между контролируемыми точками. Датчик 7 расстояния между чувстви тельными элементами 3 и 4 может иметь, например, дискретный фиксированный набор позиций в соответствии с требованиями пользователя, а сопротивления плеч делителя и соответственно представлять в этом случае отдельные пары резисторов, номиналы которых удовлетворяют выше указанным формулам. Для получения непрерывной (плавной) характеристики датчика расстояния вместо дискретного набора пар резисторов следует использовать функциональный потенциометр с механической привязкой одного из чувствительных элементов к его движку, реализующий изменение сопротивления плеч делителя и в соответствии с приведенными формулами. В описываемом режиме чувствительные элементы 3, 4 жестко фиксируются в общей плоскости на датчике 7 расстояния таким образом, который позволял бы приводить их в надежный контакт с исследуемыми поверхностями. Сам же датчик расстояния представляет собой выносную конструкцию, соединяющую с основным блоком 3проводной линией связи. В других режимах работы, кроме измерения градиента температуры, установка чувствительных элементов 3, 4 на датчике 7 расстояния не является необходимой. Рабочий диапазон устройства определяется областью применимости транзисторных чувствительных элементов в качестве термодатчиков и находится внутри интервала, ограниченного снизу точкой кипения жидкого азота (77К), а сверху - температурой 400К. В каждом отдельном случае ширина контролируемого температурного интервала выбирается, исходя из конкретных требований пользователя и допустимой погрешности измерения за счет нелинейности характеристики чувствительного элемента. Таким образом, предложенное техническое решение позволяет при сравнительно простой электрической схеме существенно расширить функциональные возможности и эксплуатационные удобства прибора, обеспечивая контроль не только температуры в двух точках объекта, но также разности и градиента температуры.