RU2324908C2

RU2324908C2 - Thermocouple signal simulator

Info

Publication number: RU2324908C2
Application number: RU2006122256/28A
Authority: RU
Inventors: В чеслав Васильевич Шевчук (RU); Вячеслав Васильевич Шевчук
Priority date: 2006-06-22
Filing date: 2006-06-22
Publication date: 2008-05-20
Also published as: RU2006122256A

Abstract

FIELD: physics, instruments.

SUBSTANCE: said utility invention relates to electric metering equipment and is intended for high-speed simulation of the discrete signal of temperature sensing generating transducers (e.g., thermocouples) during automation of the metrological research of quick-acting instruments and systems in the electric thermometry. The invention aims at providing the possibility to automate the process of metrological control of instrumentation, decreasing the manufacturing and maintenance costs, decreasing the manufacturing costs, eliminating the need of regular replacement of components, decreasing the dimensions and weight significantly. This aim is achieved because the thermocouple signal simulator contains resistance divider with output drops, Zener diode connected to the resistance divider input, common bus current generator connected to one input pin of the resistance divider, and common bus operational amplifier. The output of the amplifier is connected to the other input pin of the resistance divider, the uncomplemented input of the amplifier is connected to the common bus, and the complemented input of the amplifier is connected to one output drop of the resistance divider.

EFFECT: provision of possibility to automate process of metrological control of instrumentation, decrease in manufacturing costs, instrument dimensions and weight.

1 dwg

Description

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для скоростной имитации дискретного сигнала термометрических генераторных датчиков (например, термопар) при автоматизации метрологических исследований быстродействующих измерительных приборов и систем в электротермометрии при испытаниях сверхзвуковых самолетов и ракет.The invention relates to electrical engineering and is intended for high-speed simulation of a discrete signal of thermometric generator sensors (for example, thermocouples) in the automation of metrological studies of high-speed measuring instruments and systems in electrothermometry when testing supersonic aircraft and rockets.

При оценке прочности сверхзвуковых летательных аппаратов возникает необходимость учитывать влияние теплового воздействия на конструкцию [Статические испытания на прочность сверхзвуковых самолетов. Баранов А.Н., Белозеров Л.Г., Ильин Ю.С., Кутьинов В.Ф. М., Машиностроение, 1974]. Поэтому необходимо располагать достоверными данными о температурных полях в ней. Наиболее широкое применение при измерении температуры этих конструкций получили термопары, удаленные от измерительного оборудования до 100 метров, количество которых может достигать 1000 шт. При таких испытаниях используются крупные специализированные измерительные информационные системы с автоматизированными средствами метрологического контроля, для чего используются специальные имитаторы сигналов термопары, подключаемые на контрольные входы системы.When assessing the strength of supersonic aircraft, it becomes necessary to take into account the influence of thermal effects on the structure [Static strength tests of supersonic aircraft. Baranov A.N., Belozerov L.G., Ilyin Yu.S., Kutinov V.F. M., Mechanical Engineering, 1974]. Therefore, it is necessary to have reliable data on the temperature fields in it. The most widely used in measuring the temperature of these structures are thermocouples, remote from the measuring equipment up to 100 meters, the number of which can reach 1000 pcs. Such tests use large specialized measuring information systems with automated metrological control tools, for which special simulators of thermocouple signals are used, which are connected to the control inputs of the system.

Широко известен имитатор сигнала термопары для этих целей, содержащий источник напряжения, реохорд и милливольтметр, с помощью которых формируют требуемые образцовые напряжения (имитирующие сигнал термопары), подаваемые на вход измерительной системы [Линевег Ф. Измерение температур в технике. Справочник. Пер. с нем. 1980, с.208]. Однако такой имитатор обладает недостатками, препятствующими автоматизации метрологического контроля термометрических систем: требуется ручное задание образцовых напряжений и визуальная оценка выходного напряжения по милливольтметру.A thermocouple signal simulator for these purposes is widely known, containing a voltage source, a reochord and a millivoltmeter, with which they generate the required reference voltages (simulating a thermocouple signal) supplied to the input of the measuring system [Lineveg F. Temperature measurement in engineering. Directory. Per. with him. 1980, p.208]. However, such a simulator has drawbacks that impede the automation of metrological control of thermometric systems: manual setting of reference voltages and visual assessment of the output voltage by a millivoltmeter are required.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому изобретению является имитатор, содержащий источник образцового напряжения (Нормальный насыщенный элемент типа Э-303), включенный на дискретный резистивный делитель из нескольких постоянных резисторов и образующий выход имитатора отводами от соответствующих резисторов делителя [Переносный потенциометр постоянного тока типа ПП-63. Львовский завод электроизмерительных приборов. Паспорт, 1968]. Такой имитатор, будучи подключенным на контрольный вход измерительной системы, обеспечивает образцовые сигналы (напряжения) термопары требуемыми ступенями, но переключаемыми вручную, что также не позволяет автоматизировать процесс задания ступеней имитации. Кроме того, источник образцового напряжения оказывается (в данном случае) выносным на значительное расстояние от измерительного оборудования и требует постоянного технического обслуживания и периодической замены, что создает известные трудности при эксплуатации. При этом имитатор имеет большие габариты и вес, большие затраты на изготовление.The closest in technical essence and the achieved effect to the proposed invention is a simulator containing a source of exemplary voltage (Normal saturated cell type E-303), connected to a discrete resistive divider of several constant resistors and forming the simulator output by taps from the respective resistors of the divider [Portable potentiometer of constant current type PP-63. Lviv plant of electrical appliances. Passport, 1968]. Such a simulator, being connected to the control input of the measuring system, provides model signals (voltages) of the thermocouple with the required steps, but manually switched, which also does not allow automating the process of setting the simulation steps. In addition, the source of exemplary voltage is (in this case) remote to a considerable distance from the measuring equipment and requires constant maintenance and periodic replacement, which creates known difficulties in operation. Moreover, the simulator has large dimensions and weight, high manufacturing costs.

Задачей настоящего изобретения является обеспечение возможности автоматизации процесса метрологического контроля измерительного оборудования быстродействующих измерительных приборов и систем в электротермометрии, уменьшение затрат на изготовление и обслуживание.The objective of the present invention is the ability to automate the process of metrological control of measuring equipment of high-speed measuring instruments and systems in electrothermometry, reducing the cost of manufacture and maintenance.

Техническим результатом изобретения является возможность автоматического переключения ступеней имитации сигнала термопары, уменьшение затрат на изготовление, исключение периодической замены составляющих элементов, значительное уменьшение габаритов и веса.The technical result of the invention is the ability to automatically switch the steps of simulating a thermocouple signal, reducing manufacturing costs, eliminating periodic replacement of constituent elements, a significant reduction in size and weight.

Решение поставленной задачи и технический результат достигаются тем, что в имитатор сигнала термопары, содержащий резистивный делитель с выходными отводами, введены стабилитрон, подключенный ко входу резистивного делителя, генератор тока относительно общей шины, подключенный к одному входному выводу резистивного делителя, и операционный усилитель относительно общей шины, подключенный выходом к другому входному выводу резистивного делителя, неинверсным входом - к общей шине, инверсным входом - к одному выходному отводу резистивного делителя.The solution of this problem and the technical result are achieved by the fact that a zener diode connected to the input of the resistive divider, a current generator relative to the common bus connected to one input terminal of the resistive divider, and an operational amplifier relative to the common amplifier are introduced into the thermocouple signal simulator containing a resistive divider with output taps bus connected by an output to another input terminal of the resistive divider, a non-inverse input to a common bus, an inverse input to one output tap of a resistive divider litel.

На фигуре показана схема заявляемого имитатора сигнала термопары.The figure shows a diagram of the inventive simulator of a thermocouple signal.

Имитатор сигнала термопары на выносной стороне имеет резистивный делитель, состоящий из последовательно соединенных резисторов 1 и 2, и стабилитрон 3, подключенный ко входу резистивного делителя. Резистивный делитель имеет выходные отводы на приемную сторону, образующие выходное напряжение имитатора «U». На приемной стороне имитатор имеет относительно общей шины генератор 4 тока и операционный усилитель 5, которые выходами подключены ко входу резистивного делителя. Операционный усилитель 5 соединен неинверсным входом с общей шиной, инверсным - с одним из выходных отводов резистивного делителя.The thermocouple signal simulator on the remote side has a resistive divider consisting of series-connected resistors 1 and 2, and a zener diode 3 connected to the input of the resistive divider. The resistive divider has output taps on the receiving side, forming the output voltage of the simulator "U". On the receiving side, the simulator has a current generator 4 and an operational amplifier 5, which are connected to the input of the resistive divider with respect to the common bus. The operational amplifier 5 is connected by a non-inverse input to a common bus, and the inverse one is connected to one of the output taps of the resistive divider.

Имитатор сигнала термопары работает следующим образом.The thermocouple signal simulator operates as follows.

Электрический ток генератора тока 4 протекает от общей шины через длинный (до 100 метров) провод, через резистивный делитель и стабилитрон 3, через другой (аналогичный) провод к выходу операционного усилителя 5 и далее на общую шину. На резистивном делителе в соответствии с напряжением стабилизации стабилитрона 3 и сопротивлениями составляющих 1 и 2 резистивного делителя образуются соответствующие падения напряжения, необходимые для имитации ступеней и являющиеся выходными напряжениями резистивного делителя. Другие (аналогичные) два провода (отводы резистивного делителя) доставляют выходное напряжение резистивного делителя «U» на приемную сторону. Выходное напряжение резистивного делителя может быть сформировано любой комбинацией падений напряжений на резисторах 1 и 2 резистивного делителя (отводами резистивного делителя от любых выводов резисторов 1 и 2), т.е. любые ступени имитации с любой полярностью сигнала. Требуемые величины сопротивлений резисторов 1 и 2 рассчитываются по обычным законам электротехники. Указанное соединение входов операционного усилителя обеспечивает на связанном с инверсным входом выходном проводе резистивного делителя напряжение, практически равное на общей шине (0 В). Т.е. выходное напряжение имитатора не имеет синфазной составляющей, что позволяет имитировать сигналы как незаземленных, так и заземленных термопар одновременно. Действительно, при большом коэффициенте усиления операционного усилителя потенциалы на его входах практически равны (в данном случае нулю). Отрицательная обратная связь для операционного усилителя здесь очевидна.The electric current of the current generator 4 flows from the common bus through a long (up to 100 meters) wire, through a resistive divider and a zener diode 3, through another (similar) wire to the output of the operational amplifier 5 and then to the common bus. On the resistive divider, in accordance with the stabilization voltage of the Zener diode 3 and the resistances of the components 1 and 2 of the resistive divider, the corresponding voltage drops are formed, which are necessary for simulating the steps and are the output voltages of the resistive divider. Other (similar) two wires (taps of the resistive divider) deliver the output voltage of the resistive divider “U” to the receiving side. The output voltage of the resistive divider can be generated by any combination of voltage drops across resistors 1 and 2 of the resistive divider (taps of the resistive divider from any terminals of resistors 1 and 2), i.e. any simulation steps with any signal polarity. The required resistance values of resistors 1 and 2 are calculated according to the usual laws of electrical engineering. The specified connection of the inputs of the operational amplifier provides a voltage almost equal to the common bus (0 V) connected to the inverse input of the output wire of the resistive divider. Those. the output voltage of the simulator does not have an in-phase component, which allows you to simulate the signals of both ungrounded and grounded thermocouples simultaneously. Indeed, with a large gain of the operational amplifier, the potentials at its inputs are almost equal (in this case, to zero). The negative feedback for the op amp is obvious here.

Очень важно для измерительных систем с удаленными (до 100 метров и более) термопарами, что сигналы имитации в данном изобретении не зависят от сопротивлений длинных соединительных проводов. Генератор тока 4, как известно, вырабатывает выходной ток вне зависимости от сопротивления нагрузки (т.е. соединительного провода и резистивного делителя). Входное сопротивление измерительного оборудования велико (т.е. потенциалы с резистивного делителя через отводы от резистивного делителя передаются на вход измерительного оборудования без искажений). Операционный усилитель 5 обеспечивает «ноль» на одном из отводов резистивного делителя вне зависимости от сопротивления провода, подключенного к его выходу. Указанный положительный эффект особо важен еще с точки зрения использования на входе крупной измерительной системы коммутаторов термопар. Коммутаторы быстродействующих систем построены с использованием КМОП-транзисторов, которые имеют значительное переходное сопротивление во включенном состоянии. При высокой скорости переключения (порядка 10-100 тысяч в секунду) они обладают сопротивлением в десятки Ом. Лучшие на настоящее время типы таких отечественных коммутирующих элементов (серия микросхем «590») обладают сопротивлением в открытом состоянии порядка 70 Ом (590КН5), что является значительной величиной и обычно вносит существенные погрешности.It is very important for measuring systems with remote (up to 100 meters or more) thermocouples that the simulation signals in this invention are independent of the resistances of the long connecting wires. The current generator 4, as is known, generates an output current regardless of the load resistance (i.e., the connecting wire and resistive divider). The input resistance of the measuring equipment is large (i.e., the potentials from the resistive divider are transmitted through the taps from the resistive divider to the input of the measuring equipment without distortion). Operational amplifier 5 provides a “zero” on one of the taps of the resistive divider, regardless of the resistance of the wire connected to its output. The indicated positive effect is especially important from the point of view of using thermocouple switches at the input of a large measuring system. The switches of high-speed systems are built using CMOS transistors, which have a significant transition resistance in the on state. At a high switching speed (of the order of 10-100 thousand per second), they have a resistance of tens of ohms. The best types of such domestic switching elements (the "590" series of microcircuits) currently have an open resistance of about 70 Ohms (590KN5), which is significant and usually introduces significant errors.

Кроме того, наличие коммутаторов на входе измерительной системы позволяет подключить данный имитатор к разным ее входам разными отводными проводами (от разных ступеней имитации), обеспечив, таким образом, подачу требуемых ступеней имитации на систему без каких-либо дополнительных проводов управления ступенями имитации. При опросе соответствующих входов коммутаторов измерительная система получает на вход заданные (требуемые) образцовые напряжения имитации. Возможно при прочностных испытаниях конструкций использование данного имитатора совместно с тензометрическими датчиками, входные коммутаторы которых рассчитаны на 4-проводное подключение тензорезисторов.In addition, the presence of switches at the input of the measuring system allows you to connect this simulator to its different inputs with different branch wires (from different stages of simulation), thus ensuring the supply of the required stages of simulation to the system without any additional wires for controlling the stages of simulation. When interrogating the corresponding inputs of the switches, the measuring system receives at the input the specified (required) model voltage simulations. It is possible during strength tests of structures to use this simulator in conjunction with strain gauge sensors, the input switches of which are designed for 4-wire connection of strain gauges.

Современные стабилитроны обеспечивают высокую стабильность величины напряжения при малых габаритах, весе и приемлемой стоимости. Например, стабилитроны типа 2С483Г имеют температурную нестабильность порядка 0,00005%/град. в диапазоне -60...+125 град, поэтому не сложно обеспечить высокую стабильность сигналов данного имитатора.Modern zener diodes provide high voltage stability at small dimensions, weight and reasonable cost. For example, zener diodes of type 2C483G have a temperature instability of the order of 0.00005% / deg. in the range of -60 ... + 125 degrees, so it is not difficult to ensure high stability of the signals of this simulator.

При реализации конкретных диапазонов имитации могут потребоваться номинальные сопротивления ступеней имитации нестандартных значений, т.е. не выпускаемые промышленностью. В этом случае следует использовать резисторы ступеней имитации с несколько большим стандартным номинальным сопротивлением и ввести дополнительный шунтирующий резистор между крайними выводами последовательной цепи резисторов 2 ступеней имитации и ввести два балластных резистора 1. Это обстоятельство кроме экономических выгод существенно положительно влияет на стабильность получаемых точностных характеристик имитатора в процессе использования. Причем, таким образом, с помощью только одного резистора (дополнительного, шунтирующего) можно менять диапазон имитируемых сигналов, не меняя сами резисторы ступеней.When implementing specific ranges of simulation, nominal resistance of the simulation stages of non-standard values may be required, i.e. not manufactured by industry. In this case, it is necessary to use the resistors of the simulation steps with a slightly larger standard nominal resistance and introduce an additional shunt resistor between the extreme terminals of the series circuit of resistors of the 2 simulation steps and introduce two ballast resistors 1. This fact, in addition to economic benefits, significantly affects the stability of the obtained accuracy characteristics of the simulator in process of use. Moreover, in this way, using only one resistor (additional, shunt), you can change the range of simulated signals without changing the stage resistors themselves.

Диапазон имитации может быть реализован и несимметричным относительно нуля, что чаще встречается при использовании термопар.The range of imitation can be realized asymmetrical with respect to zero, which is more common when using thermocouples.

Можно использовать разные (неодинаковые) номинальные сопротивления резисторов 2 ступеней имитации, если требуется. В данном случае возможна экономия числа используемых резисторов 2. Например, если взять 2 резистора 2 с соотношением сопротивлений 1:2, можно реализовать 7 равномерных ступеней имитации (включая разнополярные и ноль), используя соответствующие отводы резистивного делителя.You can use different (unequal) nominal resistances of the resistors of 2 stages of simulation, if required. In this case, it is possible to save the number of used resistors 2. For example, if you take 2 resistors 2 with a resistance ratio of 1: 2, you can implement 7 uniform stages of simulation (including bipolar and zero) using the corresponding taps of the resistive divider.

По данному предложению в институте выполнены соответствующие теоретические и экспериментальные исследования по созданию конкретных имитаторов сигналов термопар, которые подтверждают реализуемость рассмотренного имитатора и возможность получения заявленного технического эффекта.According to this proposal, the institute carried out relevant theoretical and experimental studies on the creation of specific simulators of thermocouple signals, which confirm the feasibility of the considered simulator and the possibility of obtaining the claimed technical effect.

Реализация предложения в быстродействующих измерительных информационных системах для тепловых прочностных исследований конструкций летательных аппаратов позволит существенно повысить достоверность результатов испытаний, а следовательно, надежность рекомендаций, выдаваемых промышленности, по совершенствованию летательной техники.The implementation of the proposal in high-speed measuring information systems for thermal strength studies of aircraft structures will significantly increase the reliability of test results, and therefore the reliability of recommendations issued by the industry, to improve aircraft technology.

Claims

A thermocouple signal simulator containing a resistive divider with output taps, characterized in that a zener diode connected to the input of the resistive divider, a current generator relative to the common bus connected to one input terminal of the resistive divider, and an operational amplifier relative to the common bus connected to the output to another input terminal of the resistive divider, a non-inverse input to the common bus, an inverse input to one output tap of the resistive divider.