Устройство для измерения температуры
Использование: измерение высоких температур. Сущность изобретения: устройство состоит из составной термопары, компенсационного мостика, первого измерительного усилителя, формирователя термо-ЭДС свободных концов основной термопары, второго измерительного усилителя, сумматора, устройства согласования и измерительного регистрирующего прибора. Обеспечивается экономия дорогостоящих материалов при изготовлении термоэлектродов. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к измерительной технике и может применяться в различных отраслях промышленности при измерении высоких температур.
Например, термическая обработка высококачественных сталей, специальных керамик и др. в процессе их производства осуществляется с длительной выдержкой при 1200-1400oC в нагревательных печах с газовыми горелками. Продукты неполного сгорания газов загрязняют окислительную среду печей, что приводит к существенному снижению сроков службы стандартных термопепечей с термоэлектродами из платины и ее сплавов. В связи с высокой стоимостью платиновых термопар, малым сроком их службы в окислительной среде печей и небольшой длиной термоэлектродов, которые находятся в печи при высоких температурах, естественным является желание применять термопары с малым расходом драгметаллов за счет укорачивания длины термоэлектродов и измерения температуры горячих спаев термопар стандартными приборами, применяемыми для стандартных термопар. При этом основной особенностью условий работы укороченных термопар является относительно высокая (600-800oC) температура свободных концов укороченных термопар, что требует специальных мер для компенсации ЭДС "холодных спаев" (свободных концов) термопар. Известны выпускаемые промышленностью автоматические электронные потенциометры (см. Серьезнов А.Н. Измерения при испытаниях авиационных конструкций на прочность. М: Машиностроение, 1976, с. 148-149), в которых при изменении измеряемой температуры на вход электронного усилителя подается разность между напряжением на выходе мостовой схемы и термо-ЭДС, развиваемой термопарой. Это напряжение усиливается, преобразуется в напряжение переменного тока и приводит в движение двигатель, управляющий передвижением движка реохорда и каретки отсчетного устройства, снабженного указателем, пером и устройством перемещения диаграммой ленты. Изменение температуры свободных концов термопары вызовет уменьшение термо-ЭДС, которое компенсируется падением напряжения на сопротивлении соответствующим образом подобранных резисторов плеч моста, одно из которых является температурозависимым и выполнено из меди. Недостатком известных приборов является невозможность их применения для измерения температуры горячих спаев высокотемпературной термопары с укороченными термоэлектродами. Это объясняется тем, что компенсационных проводов, которыми подсоединяют свободные концы стандартной термопары в зоне комнатных температур к измерительному прибору для подсоединения свободных концов укороченной термопары в зоне 600-800oC не существует. Для подсоединения свободных концов укороченной термопары к прибору требуются удлинительные проводники из жаропрочных сплавов. Эти проводники не являются компенсационными, поэтому прибор будет измерять не температуру горячего спая укороченной термопары, а изменяющуюся во времени разность между термо-ЭДС горячего спая и свободных концов термопары. Известны устройства для измерения температуры [1], в которых компенсация ЭДС холодных спаев термопары осуществляется с помощью моста, называемого компенсационным так же, как и в автоматических потенциометрах. Мост питается от источника постоянного напряжения. Одно сопротивление плеча моста является температурозависимым. Сопротивление плеч моста подгоняют так, чтобы выходное напряжение моста изменялось при изменении температуры холодных спаев по тому же закону, что и термо-ЭДС холодного спая. Недостатком этих устройств является также невозможность их применения для измерения термо-ЭДС горячего спая укороченной термопары при относительно высокой температуре (600-800oC) холодных спаев укороченной термопары, так как даже для платинового термометра сопротивления, если его использовать в качестве температурозависимого сопротивления моста, диапазон измеряемых температур не превышает 500oC, что ниже требуемой для измерения температуры холодных спаев укороченной термопары (см. Баранов А.Н., Белозеров Л.Г., Ильин Ю.С., Кутьинов В.Ф. Статические испытания на прочность сверхзвуковых самолетов. М.: Машиностроение, 1974, с. 240). Известно устройство для измерения температуры [2]. Устройство позволяет измерять высокие температуры и состоит из короткой основной термопары из дорогостоящего материала, к одному из свободных концов которой присоединен рабочий спай компенсирующей термопары, а к другому - одиночный компенсирующий термоэлектрод из материала, идентичного материалу одного из электродов компенсирующей термопары. Выходы термопар подсоединены к измерительно-вычислительному комплексу, который предназначен для определения температуры рабочего спая основной термопары. Для этого по измеренной величине термо-ЭДС рабочего спая компенсирующей термопары из ее градуировочной характеристики находится температура рабочего спая компенсирующей термопары. Для этой температуры по градуировочной характеристике основной термопары вычисляется термо-ЭДС. Вычисленная термо-ЭДС складывается с измеренной разностью термо-ЭДС рабочего спая и свободных концов основной термопары и вычисляется термо-ЭДС рабочего спая основной термопары. По вычисленному значению термо-ЭДС из градуировочной характеристики находится температура рабочего спая основной термопары. Для выполнения такого алгоритма с применением программного обеспечения измерительно-вычислительный комплекс должен иметь в своем составе коммутатор термопар, измерительный усилитель, аналого-цифровой преобразователь, устройство управления коммутатором, ЭВМ и устройство связи ЭВМ с измерительной частью комплекса. При этом для измерения термо-ЭДС рабочего спая компенсирующей термопары необходимо осуществлять компенсацию ЭДС свободных спаев термопары, что обеспечивается последовательным включением компенсационного мостика в один из электродов компенсирующей термопары в месте подсоединения свободных концов термопары к входу коммутатора. Такие измерительно-вычислительные комплексы известны [1]. Недостатком известного устройства является невозможность применения составной термопары, состоящей из основной и компенсирующей термопар, для автоматического измерения температуры в составе регистрирующих измерительных приборов, например, автоматических электронных потенциометров типа КСП, которые нашли широкое применение для контроля температурного режима в ряде технологических процессов. Это обусловлено тем, что указанные приборы не имеют в своем составе вычислительных устройств, которые могли бы выполнять описанный алгоритм вычисления температуры рабочего спая основной термопары по результатам измерений температуры рабочего спая компенсирующей термопары и разности термо-ЭДС между рабочим спаем и свободными концами основной термопары. А почему нельзя применять прибор, подсоединенный через удлинительные проводники к основной термопаре, описано в критике аналога. Задача состоит в том, чтобы сократить количество драгметаллов, из которых изготовлены термоэлектроды основной термопары при измерении температуры с помощью измерительных регистрирующих приборов. Техническим результатом изобретения является компенсация термо-ЭДС свободных концов основной термопары. Технический результат достигается тем, что устройство для измерения температуры, содержащее основную термопару, к одному из свободных концов которой присоединен рабочий спай компенсирующей термопары, а к другому - одиночный компенсирующий термоэлектрод из материала, идентичного материалу одного из электродов компенсирующей термопары, дополнено первым измерительным усилителем с компенсационным мостиком, вторым измерительным усилителем, формирователем термо-ЭДС свободных концов основной термопары, сумматором, устройством согласования и измерительным регистрирующим прибором, при этом первый свободный конец компенсирующей термопары соединен через компенсационный мостик с первым входом первого измерительного усилителя, а второй свободный конец компенсирующей термопары соединен со вторым входом первого измерительного усилителя и первым входом второго измерительного усилителя, второй вход которого соединен с одиночным компенсирующим термоэлектродом, присоединенным ко второму свободному концу основной термопары, выход первого измерительного усилителя соединен со входом формирователя термо-ЭДС свободных концов основной термопары, выход которого соединен с первым входом сумматора, второй вход которого соединен с выходом второго измерительного усилителя, а выход - с входом устройства согласования, выход которого соединен с входом измерительного регистрирующего прибора. Формообразователь термо-ЭДС свободных концов основной термопары выполнен в виде усилителей с кусочно-линейной аппроксимацией коэффициентов усиления и делителей напряжения, обеспечивающих с помощью аналоговых ключей по сигналам с компараторов напряжения в диапазоне температур рабочего спая компенсирующей термопары от нуля до максимума кусочно-линейную аппроксимацию градуировочной характеристики основной термопары по градуировочной характеристике компенсирующей термопары. На фиг. 1 представлена блок-схема устройства для измерения температуры; на фиг. 2 - принципиальная схема формирователя термо-ЭДС свободных концов основной термопары. Изобретение (фиг. 1) состоит из составной термопары 1, компенсационного мостика 2, первого измерительного усилителя 3, формирователя термо-ЭДС свободных концов основной термопары 4, второго измерительного усилителя 5, сумматора 6, устройства согласования 7 и измерительного регистрирующего прибора 8. Составная термопара 1 содержит основную![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/2/20981.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/2/20982.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/2/20983.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/2/20984.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/2/20985.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/2/20986.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/2/20987.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/2/20988.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/2/20989.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/2/20990.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/2/20991.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/2/20992.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/2/20993.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/2/20994.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/2/20995.gif)
где
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
K3i=0 - коэффициент усиления усилителя на нулевом участке зависимости. Примем K3i=0 = 1. Поэтому в формирователе 4 на нулевом участке к сумматору ДА8 подсоединяется повторитель напряжения ДА1, имеющий коэффициент усиления, равный единице. Первый участок зависимости Uвых = f(Uвх) заканчивается для абсцисс K2l2(Ti=2) ординатой K1l1(Ti=2). С этих значений абсциссы и ординаты начинается второй участок. Зависимость Uвых = f(Uвх) на первом участке можно представить в виде
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/2/20996.gif)
линейное приращение выходного сигнала в функции входного на первом участке при увеличении температуры T2 от величины Ti=1 до Ti=2. Аналогично можно представить выходной сигнал на каждом из участков вплоть до n-го. Для аппроксимации в заданном диапазоне температур с заданной точностью достаточно 6-7 участков вместе с нулевым. На фиг. 2 представлена схема формирователя 4 для 4-х участков (i = 0,1,2,3). Формирователь 4 работает следующим образом. Входной сигнал Uвх = U2(T) поступает на входы компараторов ДА5-ДА7, вход повторителя ДА1, входы усилителей ДА2-ДА4. Делители напряжения на резисторах R20, R21; R24, R25; R28, R29 формируют напряжение K2l2(Ti=1), K2l2(Ti=2) и K2l2(Ti=3) соответственно. Делители напряжения на резисторах R22, R23; R26, R27; R30, R31 формируют напряжения K1l1(Ti=1), K1l1(Ti=2) и K1l1(Ti=3). На нулевом участке зависимости Uвых = f(Uвх) на выходах компараторов ДА5-ДА7 напряжение равно нулю, ключи ДК2-ДК9 закрыты, поэтому выходы усилителей ДА2-ДА4 и выходы делителей напряжения к входу сумматора ДА8 не подсоединены. Подсоединен к ДА8 только повторитель ДА1, выходной сигнал которого равен K1
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
K2
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
который преобразуется в сигнал
K1
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/183.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
где K3 i=1 - коэффициент усиления усилителя ДА2. Этот сигнал вначале равен нулю, а по мере роста T2 на i=1 участке увеличивается, складывается в сумматоре ДА8 с сигналом K1e1(Ti=1), сформированным делителем на резисторах R22, R23 и на выходе сумматора ДА8 появится напряжение
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/2/20997.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/2/20998.gif)
При достижении температуры T2 величины Ti=3 сработает компаратор ДА7. Он отключит выходы усилителя ДА3 и делителя R26, R27 от входов сумматора ДА8 и подключит вместо них к входам сумматора ДА8 выход усилителя ДА4 и делитель напряжения на резисторах R30, R31, которые будут подсоединены до того момент пока будет выполняться условие T2>Ti=3. При этом на выходе сумматора выходной сигнал равен
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/2/20999.gif)
Применение предложенного устройства позволяет использовать на предприятиях имеющийся парк измерительных регистрирующих приборов для измерения высоких температур и при этом обеспечит экономию дорогостоящих материалов, из которых изготавливаются термоэлектроды.
Формула изобретения
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2
Похожие патенты:
Изобретение относится к области промышленной энергетики, в частности к стекловаренным печам при производстве листового, бутылочного стекла, стекломассы и т.д
Медицинский термометр // 2090848
Изобретение относится к области медицинской техники, а более конкретно, к устройствам для измерения локальной температуры кожи человека
Изобретение относится к области измерений температуры термоэлектрическими термометрами и может быть использовано для проверки показаний термоэлектрических преобразователей, а также установления их ресурса в процессе работы в различных средах
Способ изготовления термопары // 2079823
Изобретение относится к области термометрии, а более конкретно к способу изготовления термопары
Изобретение относится к измерительной технике, а именно к измерению температуры поверхности элементов различных объектов и устройств
Способ крепления термопар // 2034246
Устройство для контроля температуры расплава // 2026391
Изобретение относится к металлургии, преимущественно к плавке Ванюкова
Изобретение относится к регистрации и контролю теплофизических параметров технологического режима поверхностно-пластического деформирования (ППД) и, в частности ППД дробью
Устройство для измерения разности температур // 2112940
Изобретение относится к температурным измерениям, а именно к устройствам для измерения температуры внутренней цилиндрической поверхности
Способ изготовления термопар // 2114404
Изобретение относится к технологии изготовления микротермопар и может быть использовано для изготовления термопар, позволяющих измерять температуру быстропротекающих процессов в объектах, имеющих большой градиент температур
Изобретение относится к области исследования процессов контактного взаимодействия материалов, например при трении
Изобретение относится к сенсорному устройству для измерения температуры расплавов, а также к устройству для измерения температуры и способу измерения температуры ликвидуса криолитовых расплавов
Изобретение относится к измерениям температуры термоэлектрическими преобразователями (ТЭП) и может быть использовано для их бездемонтажной проверки в процессе эксплуатации
Изобретение относится к устройствам для измерения тепловых потоков, в том числе нестационарных, в частности для измерения теплового потока от движущейся среды к поверхности твердого тела
Способ определения температуры в зоне трения // 2146808
Изобретение относится к термометрии и может быть использовано для измерения температуры в зоне сухого трения скользящих деталей, например подшипников скольжения
Устройство для измерения температуры // 2155327
Изобретение относится к измерительной технике и может применяться в различных областях производства при измерении высоких температур