Измерение сверхнизких температур с повышенной точностью результатов измерения

Термометр сопротивления подключен к мосту по трехпроводной схеме.

Измерение и запись температуры производятся следующим образом. Изменение сопротивления терморезистора R_t нарушает равновесие мостовой схемы, и в диагонали АВ моста возникает напряжение рассогласования, которое поступает на входной трансформатор, затем усиливается усилителем до значения, достаточного для приведения в действие реверсивного двигателя РД. Выходной вал двигателя, вращаясь в ту или иную сторону в зависимости от знака сигнала рассогласования, перемещает движок реохорда и перо самописца СП. При достижения равновесия мостовой схемы выходной вал двигателя останавливается, а движок реохорда, указатель и перо самописца занимают положение, соответствующее измеряемому сопротивлению термометра, а следовательно, температуре измеряемого объекта.

Для автоматических уравновешенных мостов установлена допускаемая основная погрешность, выраженная в процентах от нормирующего значения. Она составляет 0,25 или 0,5.

Отечественная промышленность выпускает следующие основные типы автоматических уравновешенных мостов: показывающие КПМ1 и КВМ1; показывающие и самопишущие с ленточной диаграммой КСМ1, КСМ2 и КСМ4; показывающие и самопишущие с дисковой диаграммой КСМ3. эти приборы имеют дополнительные сигнальные и регулирующие устройства и могут быть использованы в системах сигнализации и регулировки температуры.

Рис. 6. Принципиальная схема автоматического моста уравновешенного моста: R1, R2 и R3 - резисторы, образующие три плеча мостовой схемы, четвертое плечо образовано сопротивлением R_t термометра; R_p - реохорд; R_ш - шунт реохорда, служащий для подгонки сопротивления R_p до заданного нормированного значения; R_П - резистор для установки диапазона измерения; R_Д - добавочный резистор для подгонки начального значения шкалы; R_Б - балластный резистор в цепи питания для ограничения тока; R_П- резисторы для подгонки сопротивления линии до определенного значения. Т0 - токоотвод; С1 и С2 - конденсаторы создающие необходимый фазовый сдвиг (90)

2.2.4 Принцип действия разрабатываемого

Новый метод измерения температуры, рассматриваемый в данном дипломном проекте, вобрал в себя все достоинства и исключает недостатки схем существующих ранее.

По принципу действия схема аналогична мостовой схеме измерения температуры. Схема строится на двух операционных усилителях рис. 7.

Рис. 7. Функциональная схема нового устройства.

Рассмотрим передаточные функции данной схемы.

Передаточная функция первого операционного усилителя:

(2.2.4.1.)

Передаточная функция второго операционного усилителя:

(2.2.4.2.)

Передаточная функция разомкнутой системы:

(2.2.4.3.)

Передаточная функция замкнутой системы

(2.2.4.4.)

Составим характеристическое уравнение системы:

(2.2.4.5.)

Из характеристического уравнения выделим вещественную и мнимую части:

- вещественная

(2.2.4.6.)

- мнимая

(2.2.4.1.)(2.2.4.7.)

Приравнивая вещественную часть характеристического уравнения к нулю получим:

(2.2.4.8.)

(2.2.4.9.)

Выражение подобно выражению равновесия в мостовой схеме описывает условие постоянства выходной амплитуды.

Допустим, что в качестве терморезистора мы будем использовать резистор R3. Под влиянием температуры резистор R3 будет изменять свое сопротивление, при изменении сопротивления будет изменятся коэффициент усиления операционного усилителя, вследствие чего изменится амплитуда выходного сигнала. По амплитуде выходного сигнала можно судить о том что схема вышла из состояния равновесия, и изменяя значение сопротивления R2, при заранее известных и точно установленных значениях R и R1, мы можем судить о изменении сопротивления R3 и, соответственно, о температуре измеряемой среды.

Схема представленная в данной работе обладает рядом преимуществ по сравнению с мостовой. Как известно мостовые схемы для измерения температур, работающие на переменном токе, обладают большей чувствительностью и помехозащищенностью в сравнении с схемами на постоянном токе.

Однако в случае со схемой на переменном токе индикатор равновесия должен быть построен по принципу полосового фильтра с полосой пропускания близкой к частоте питающего генератора. Для устранения влияния помех от различных внешних наводок полосу пропускания нуль индикатора стараются сделать как можно уже (рис. 8). В то же время если сделать полосу пропускания очень узкой, то при любых даже малейших отклонениях параметров генератора, будет изменяться частота генерации, значение которой может выйти за пределы полосы пропускания индикатора равновесия (рис.9). По - этому полосу пропускания нуль индикаторов в таких схемах приходится искусственно расширять (рис. 10).

Рис. 8. Амплитудно-частотная характеристика нуль индикатора мостовой схемы: щ_г - частота питающего генератора

Рис. 9. Амплитудно-частотная характеристика нуль индикатора при отклонении полосы пропускания от частоты питающего генератора мостовой схемы: щ_г - частота питающего генератора

Рис. 10. Амплитудно-частотная характеристика нуль индикатора мостовой схемы с искусственно расширенной полосой пропускания: щ_г - частота питающего генератора

Метод измерения, представленный в данной работе лишен такого недостатка. Идеальный операционный усилитель представляет собой фильтр с бесконечно узкой полосой пропускания и бесконечно большим коэффициентом усиления. Так как данная схема работает в режиме автогенерации, частота работы задается колебательным контуром RLC. Сигналом о том что схема вышла из состояния равновесия является изменение амплитуды, но частота работы схемы остается не изменой. Получается что в нашем случае и генератор и измеритель равновесия работают с одинаковой частотой. При изменении параметров колебательного контура частота генерации и частота индикатора равновесия будет изменятся одинаково.

Вторым немаловажным недостатком мостовой схемы является существенное падение напряжения в соединительных проводах терморезистора, что оказывает ощутимое влияние на результат измерения. Достоинством схемы рассмотренной в данном проекте является возможность устранить отрицательное воздействие падения напряжения в соединительных проводах, применив четырехпроводную линию для чувствительного элемента. В этом случае одна линия будет служить линией подачи тока через терморезистор, а вторая линия для снятия напряжения с терморезистора, потому как именно падение напряжения на терморезисторе является выходным параметром измерительной схемы, по которому мы можем судить об изменении сопротивления терморезистора и об изменении температуры соответственно. В этом случае падением напряжения в соединительных проводах можно пренебречь.

В случае применения четырехпроводной линии наша схема несколько усложняется и принимает вид, изображенный на рис. 11.

Рис. 11. Принципиальная схема с четырехпроводной линией

В схеме, показанной на рис. 11 операционные усилители работают как повторители напряжения с коэффициентом усиления равным единице. Они обладают высоким входным сопротивлением и предотвращают прохождение тока по потенциальной линии.

Одним из важных преимуществ нашей схемы в сравнении с мостовой Я является малый ток, проходящий через терморезистор. Малый ток обуславливает меньшую мощность рассеяния на чувствительном элементе, следовательно, меньший нагрев терморезистора и меньшее влияние на результат измерения.

При использовании малых токов в измерительных схемах можно применять соединительные провода с меньшей площадью поперечного сечения. Соответственно использование проводов с меньшей площадью поперечного сечения приводит к тому, что существенно снижается масса соединительных проводов, а следовательно снижается их теплоемкость, уменьшается теплообмен проводов с окружающей средой, снижается влияние температуры окружающей среды, подводимая по средствам соединительных проводов, на результат измерения.

Заключение

Таким образом, в работе представлен новый метод измерения сверхнизких температур. Рассмотрена основная функциональная схема нового устройства, на основе которой были представлены основные достоинства нового метода измерения температуры и его преимущества в сравнении с существующими методами.

Список литературы

1. Куинн Т. Температура. - М.: «Мир», 1985.

2. Гордов А.Н. Основы температурных измерений. - М.: «Высшая школа», 1992

3. Самсонов Г.В. Датчики для измерения температуры в промышленности. - М.: «Энергия», 1985.

4. Кривоносов А. И. Полупроводниковые датчики температуры. - М.: «Энергоатомиздат», 1974

5. «Криогенная техника» под ред. В.И. Веркина, М.: «Высшая школа», 1985

6. Браславский Д.А. Авиационные приборы. - М.: «Радио и связь», 1994.

7. Усатенко С.Т., Каченюк Т.К. Выполнение электрических схем по ЕСКД. Справочник. - 2-е издание, переработанное и дополненное. - М.: Издательство стандартов, 1992.

8. СТП УГАТУ 002-98 Графические и текстовые конструкторские документы. Требования к построению, изложению, оформлению. Дата введения 16.02.1998. Взамен СТП УфАИ 002-88.

9. Ресурсы Internet'а

Размещено на Allbest.ru