Автономный бортовой многоканальный регистратор температур на внешней поверхности космического аппарата

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно, к системам измерения и регистрации температур в диапазоне -150°C +150°C в условиях открытого космического пространства. Предлагаемое устройство используется для контроля температур в контейнерах научной аппаратуры, предназначенных для проведения экспериментов и устанавливаемых на внешней поверхности космического аппарата. Устройство содержит датчики температуры (платиновые термометры сопротивления), размещаемые в контейнерах научной аппаратуры и на контролируемых объектах, а также блок измерения и регистрации данных, устанавливаемый внутри космического аппарата, соединительные кабели и герметичные разъемы. Блок измерения и регистрации данных содержит коммутатор, преобразователь «напряжение - ток», источник опорного напряжения, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, устройство энергонезависимой памяти.

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно, к системам измерения и регистрации температур в диапазоне -150°C +150°C в условиях открытого космического пространства. Предлагаемое устройство используется для контроля температур в контейнерах научной аппаратуры, предназначенных для проведения экспериментов и устанавливаемых на внешней поверхности космического аппарата (КА).

Известно устройство измерения пространственного распределения температуры в заданных точках контролируемого объекта (патент РФ 2079822, кл. G01K 7/00; 1994), содержащее последовательную цепочку множества термочувствительных элементов, измеритель, регистратор, регулируемый источник напряжения, источник гармонического сигнала. Термочувствительные элементы соединены в Т-образную схему. В последовательные плечи каждой такой схемы включены резисторы, а в параллельное - встречно соединенные полупроводниковые диоды. Между первой входной клеммой первого термочувствительного элемента и первой выходной клеммой последнего термочувствительного элемента включен источник постоянного напряжения. Между входными клеммами первого термочувствительного элемента включены последовательно соединенные регулируемый источник напряжения, источник гармонического сигнала и измеритель амплитуды переменного тока. Недостатками данного устройства являются недостаточный диапазон измеряемых температур для работы в условиях открытого космического пространства, невысокая точность измерений, связанные с выбранным способом измерения температуры.

Известен также способ измерения пространственного распределения температуры и устройство для его осуществления, описанные в патенте РФ 2194956 кл. G01K 7/00; 2001. Устройство содержит термочувствительные кварцевые пьезорезонансные датчики с различными резонансными частотами, соединенные параллельно двухпроводной линией, которая, в свою очередь, соединяется с регистратором и источником переменного напряжения. Недостатками этого устройства являются узкий диапазон измеряемых температур, сложность реализации процесса измерения, а также необходимость обеспечения электромагнитной совместимости устройства с бортовыми системами КА.

Задачей предлагаемого технического решения является расширение арсенала технических средств в данной области, а также удовлетворение ряда требований предъявляемым к подобным устройствам, устанавливаемым на борт КА. В связи с этим необходимо достижение совокупности следующих технических результатов: расширение диапазона измеряемых температур (до ±150°С); обеспечение высокой точности измерений; сокращение количества соединительных проводов, связывающих датчики температуры с блоком измерения и регистрации данных.

Технический результат достигается тем, что в предлагаемом устройстве для расширения диапазона измеряемых температур в качестве датчиков температуры используются тонкопленочные платиновые термометры сопротивления, для повышения точности измерений температуры используются датчики температуры с номинальным сопротивлением превышающим сопротивление соединительных проводов не менее чем на три порядка, для устранения влияния внутреннего сопротивления ключей коммутатора используется схема коммутации с двумя ключами - «токовым» и «измерительным», для сокращения количества соединительных проводов датчики температуры подключаются по двухпроводной схеме, причем один вывод каждого датчика заземлен.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства. Устройство содержит: датчики температуры Rt1 Rtn; коммутатор - пары полупроводниковых ключей {K1.1, K1.2} {Kn.1, Kn.2}; прецизионный преобразователь напряжения в ток 1; источник опорного напряжения 2; аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 3; микроконтроллер 4; устройство энергонезависимой памяти 5.

Датчики температуры Rt1 Rtn закрепляются в заданных точках контролируемых объектов. Каждый датчик одним проводом подключается к паре ключей {Ki.1, Ki.2}, где i - номер выбираемого канала (i=1, 2 n), а другим - к общей шине устройства. Ключи в каждой паре {Ki.1, Ki.2} замыкаются и размыкаются одновременно. Рабочий ток опрашиваемого (i-го) датчика протекает через первый «токовый» ключ Ki.1. Прецизионный преобразователь напряжения в ток 1 вместе с источником опорного напряжения 2 задает постоянное значение силы тока в цепи Ki.1-Rt1. Сила тока в указанной цепи не зависит ни от сопротивления замкнутого ключа, ни от текущего значения сопротивления датчика температуры. Вход АЦП 3 подключается непосредственно к выводу датчика температуры через второй «измерительный» ключ Ki.2. Учитывая, что входное сопротивление АЦП значительно (обычно, более чем на 6 порядков) превосходит сопротивление замкнутого «измерительного» ключа, сопротивлением последнего можно пренебречь. Таким образом, значения сопротивлений как «токовых», так и «измерительных» ключей и их разброс не будут оказывать влияния на точность преобразования сопротивления датчика в двоичный код.

Для повышения точности преобразования температуры в код опорное напряжение источника 2 является одновременно входным напряжение преобразователя напряжения в ток 1 и опорным напряжением АЦП 3. Обычно выходной сигнал преобразователя «напряжение-ток» определяется так:

I=U_оп/R₀ ,

где U_оп - входное напряжение преобразователя «напряжение ток», R₀ - сопротивление образцового резистора, входящего в состав преобразователя. Выходной двоичный код АЦП определяется следующим образом:

,

где N - разрядность АЦП, U_оп - опорное напряжение АЦП, U - входное напряжение АЦП. В данном случае входным напряжением АЦП служит напряжение на датчике температуры, которое определяется так:

,

где U_T - падение напряжения на датчике температуры, R_T - сопротивление датчика температуры.

Таким образом, выходной код АЦП, соответствующий текущей температуре, будет равен:

.

Отсюда видно, что результат преобразования температуры в двоичный код не зависит от величины опорного напряжения, а определяется только значением сопротивления датчика температуры и величиной образцового сопротивления преобразователя «напряжение-ток». Таким образом, требования к точности задания величины и стабильности опорного напряжения существенно снижаются.

Микроконтроллер 4 вырабатывает управляющие сигналы, необходимые для работы коммутатора каналов, АЦП 3, и устройства энергонезависимой памяти 5, а также производит считывание данных из АЦП, обработку полученных данных и их запись в энергонезависимую память.

1. Автономный бортовой многоканальный регистратор температур на внешней поверхности космического аппарата, содержащий датчики температуры (платиновые термометры сопротивления), соединительные провода, коммутатор, прецизионный преобразователь «напряжение - ток», источник опорного напряжения, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, устройство энергонезависимой памяти, характеризующийся тем, что коммутатор представляет собой множество пар ключей, а платиновые термометры сопротивления подключаются по двухпроводной схеме, причем один провод каждого датчика заземлен.

2. Автономный бортовой многоканальный регистратор температур на внешней поверхности космического аппарата по п. 1, характеризующийся тем, что для повышения точности измерений опорное напряжение АЦП является одновременно входным напряжением преобразователя «напряжение - ток».