RU2602400C1 - Устройство для измерения криогенных температур - Google Patents
Устройство для измерения криогенных температур Download PDFInfo
- Publication number
- RU2602400C1 RU2602400C1 RU2015137185/28A RU2015137185A RU2602400C1 RU 2602400 C1 RU2602400 C1 RU 2602400C1 RU 2015137185/28 A RU2015137185/28 A RU 2015137185/28A RU 2015137185 A RU2015137185 A RU 2015137185A RU 2602400 C1 RU2602400 C1 RU 2602400C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- resistance
- thermometer
- output
- current
- cryogenic temperatures
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01K13/00—Thermometers specially adapted for specific purposes
- G01K13/006—Thermometers specially adapted for specific purposes for cryogenic purposes
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01K7/00—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
- G01K7/16—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01K2203/00—Application of thermometers in cryogenics
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measurement Of Current Or Voltage (AREA)
Abstract
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для криогенных температур. Предложено устройство для измерения криогенных температур, содержащее термометр сопротивления, образцовый резистор и источник тока, подключенный к токовому входу термометра сопротивления. Источник тока выполняется регулируемым в виде операционного усилителя, к прямому входу которого подключен один выход источника образцового напряжения, а к инверсному - потенциальный выход термометра сопротивления. Второй потенциальный выход термометра через повторитель соединен со вторым выходом источника образцового напряжения, а токовый выход термометра сопротивления подключен к образцовому резистору и место его подключения является выходом устройства. Технический результат - повышение точности измерения криогенных температур и упрощение схемы устройства. 1 ил.
Description
Изобретение относится к измерительной технике, а конкретнее к измерениям криогенных температур.
Особенностью измерений температур в области жидкого водорода и других низкокипящих жидкостей (гелий, азот, кислород и т.д.) является малое абсолютное сопротивление чувствительного элемента термометра сопротивления и малая крутизна преобразования выходного параметра. Например, сопротивление платинового термометра сопротивления с сопротивлением 100 Ом при 273,15 К имеет значение 0,406 Ом при 13,15 К и 0,745 Ом при 20,15 К [1, стр. 184]. При столь малых изменениях сопротивления термометра результаты измерений в очень большой мере зависят от влияющих факторов (сопротивления подводящих проводов, их изменения под действием температуры, сопротивления переходных контактов, паразитных термоэдс, наводок и шумов). Указанные факторы не позволяют реализовать измерение криогенных температур с малой погрешностью, что особенно важно при измерении параметров ракетных двигателей с криогенными компонентами топлива (например, жидкий водород - жидкий кислород).
Известно устройство для измерения температуры [2], содержащее термометр сопротивления, источник тока, генератор прямоугольных импульсов, ключи, два образцовых резистора, операционные усилители, фильтр нижних частот. В известном устройстве парируется дрейф усилителей, что несколько снижает погрешность преобразования температуры в электрический сигнал, но не устраняет воздействия влияющих факторов, указанных выше.
Наиболее близким по технической сущности является решение, предложенное в устройстве для измерения температуры [3]. В указанном устройстве [3], содержащем термометр сопротивления, к которому через мультиплексор подключены источник тока с двумя токоустанавливающими сопротивлениями и аналого-цифровой преобразователь, два образцовых сопротивления, процессор и группу ключей, подключающих по командам процессора те или иные образцовые сопротивления к мультиплексору и токоустанавливающие сопротивления к источнику тока. Снижение погрешности преобразования низких (криогенных) температур достигается в устройстве за счет задания в процессоре уровня напряжения, с которым сравнивается текущий сигнал с термометра сопротивления. Если сигнал оказывается ниже заданного уровня, по команде процессора срабатывают ключи и с генератора тока на питание термометра подается ток, как минимум в 10 раз больший предыдущего режима. Большой ток при малых сопротивлениях термометра увеличивает его выходное напряжение, тем самым улучшая соотношение между полезным сигналом и паразитными термоэдс, шумами и помехами, что, в конечном итоге, ведет к снижению погрешности измерения криогенных температур.
Однако предложенное решение, исключая одни составляющие погрешности, ведет к росту других, а именно:
- десятикратный (и более) рост тока в цепи термометра сопротивления ведет к десятикратному росту падения напряжения на подводящих цепях, сопротивление которых точно не известно, но сопоставимо с сопротивлением термометра при криогенных температурах; в рассматриваемом устройстве не представляется возможным оценить, какая часть напряжения определяется сопротивлением термометра, а какая подводящими цепями (сопротивлением мультиплексора, подводящих проводов, переходными контактами);
- большой ток в цепи термометра сопротивления при очень малых значениях сопротивления чувствительного элемента, например, при 0,5 Ом, может быть вполне приемлем, но с ростом сопротивления, например, при 1 Ом, джоулево тепло приведет к недопустимому разогреву чувствительного элемента и росту систематической погрешности измерений.
Кроме того, устройство сложно с точки зрения количества электронных компонентов и программирования. Остановимся на последнем, неочевидном, недостатке.
Дело в том, что после переключения устройства на увеличенный ток питания термометра сопротивления его выходное напряжение скачком превысит порог переключения и процессор должен дать команду на возврат к малому току питания. После этого напряжение с термометра упадет ниже порога переключения и процессор вновь даст команду на увеличение тока питания термометра. Возникает релаксационный автоколебательный процесс, не позволяющий получить достоверные результаты измерений. Чтобы исключить указанный режим, необходимо задать второй порог (порог возврата к малому току), до достижения которого термометр будет греться джоулевым теплом большого тока, что, как было указано выше, ведет к большой систематической погрешности измерений температуры.
Целью изобретения является повышение точности измерения криогенных температур и упрощение схемы устройства. Поставленная цель достигается в устройстве для измерения криогенных температур, содержащем термометр сопротивления, образцовый резистор и источник тока, подключенный к токовому входу термометра сопротивления тем, что источник тока выполняется регулируемым в виде операционного усилителя, к прямому входу которого подключен один выход источника образцового напряжения, а к инверсному - потенциальный выход термометра сопротивления; второй потенциальный выход термометра через повторитель соединен со вторым выходом источника образцового напряжения; токовый выход термометра сопротивления подключен к образцовому резистору и место его подключения является выходом устройства.
На фигуре представлена схема предлагаемого устройства, на которой условно не показаны цепи питания операционных усилителей и источника образцового напряжения.
Согласно схеме источник образцового напряжения (например, микросхема AD780 BNZ с резистивным делителем напряжения на выходе) 1 подключен к неинвертирующему входу операционного усилителя 2, выход которого соединен с токовым входом термометра сопротивления 3. Потенциальный выход термометра сопротивления 3 подключен к инвертирующему входу усилителя 2. Токовый выход термометра сопротивления подключен к образцовому сопротивлению 4, падение напряжения на котором является выходным сигналом схемы. Второй потенциальный выход термометра сопротивления 3 через повторитель 5 на базе операционного усилителя подключен к общей точке источника образцового напряжения 1. Все электронные элементы смонтированы в электронном узле, обозначенном на схеме пунктирными линиями, а места подключения соединительных проводов к электронному узлу и термометру сопротивления 3 обозначены кружками.
Схема работает следующим образом. Источник образцового напряжения 1 задает на неинвертирующем входе усилителя 2 постоянное образцовое напряжение U0. Указанное напряжение создает на выходе усилителя 2 ток Id, протекающий через сопротивление термометра 3 и образцовое сопротивление 4. В каждый момент времени величина тока Id имеет такое значение, что падение напряжения на сопротивлении термометра 3 точно равно образцовому напряжению U0. Следовательно, зависимость между величиной тока Id и текущим значением сопротивления термометра Rd, функционально связанным с измеряемой температурой, равна:
Поскольку числитель правой части выражения является постоянной величиной, то получается однозначная зависимость тока через сопротивление термометра Id и величиной сопротивления Rd.. При этом выходной ток тем больше, чем меньше сопротивление термометра, другими словами, в области криогенных температур, когда сопротивление термометра Rd мало, выходной сигнал преобразователя сопротивления в ток максимален.
Ток Id, протекая через образцовое сопротивление 4, создает на нем падение напряжения UВЫХ, являющееся выходным сигналом устройства. Если номинальное значение образцового сопротивления равно R0, то выходной сигнал устройства, с учетом выражения (1), равен:
Выражение (2) точно описывает выходной сигнал устройства только в том случае, когда образцовое напряжение U0 сравнивается только с падением напряжения на сопротивлении термометра Rd, исключая падение напряжения на образцовом сопротивлении 4 и сопротивлении провода, соединяющего токовый выход термометра 3 с образцовым сопротивлением 4. Для реализации указанного требования второй потенциальный выход термометра сопротивления через повторитель 5 подключен к общему выходу источника опорного напряжения 1, создавая на неинвертирующем входе операционного усилителя 1 образцовое напряжение U0 не относительно общей шины устройства, а относительно второго потенциального выхода термометра 3.
Как видно из выражения (2), выходной сигнал устройства обратно пропорционален сопротивлению термометра и при криогенных температурах выходной сигнал имеет максимальное значение и чувствительность преобразования. Для примера предположим, что измеряются криогенные температуры платиновым термометром сопротивления с сопротивлением 100 Ом при 273,15 К. Зададим образцовое напряжение U0 равным 40 мВ и образцовое сопротивление R0 равным 50 Ом. При температуре термометра 13,15 К сопротивление Rd=0,4 Ом, и согласно выражению (2) выходной сигнал схемы равен
UВЫХ 1=40·10-3·50/0,4=5 В.
При температуре 20,15 К Rd=0,745 Ом и
UВЫХ 2=40·10-3·50/0,745=2,68 В.
Таким образом, предлагаемое устройство для измерения криогенных температур обеспечивает большой выходной сигнал при низких температурах, существенно улучшая отношение сигнала к помехам, шумам и паразитным термоэдс, снижая тем самым погрешность измерения температур. Все устройство может быть реализовано на двух микросхемах (источник образцового напряжения AD780 BNZ и два операционных усилителя в одном корпусе, например, AD8532AR) и нескольких образцовых резисторах, что существенно проще схемы прототипа.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Геращенко О.А., Гордов А.Н., Лах В.И. и др. Температурные измерения. Справочник. Киев: «Наукова думка», 1984, 496 с.
2. Устройство для измерения температуры. Патент РФ №2492436, МПК G01K 7/16.
3. Устройство для измерения температуры. Патент РФ №2253846, МПК G01K 7/16.
Claims (1)
- Устройство для измерения криогенных температур, содержащее термометр сопротивления, образцовый резистор и источник тока, подключенный к токовому входу термометра сопротивления, отличающееся тем, что источником тока является операционный усилитель, к прямому входу которого подключен один выход источника образцового напряжения, к инверсному - потенциальный выход термометра сопротивления, второй потенциальный выход термометра через повторитель соединен со вторым выходом источника образцового напряжения, а токовый выход термометра сопротивления подключен к образцовому сопротивлению и место подключения является выходом устройства.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015137185/28A RU2602400C1 (ru) | 2015-09-02 | 2015-09-02 | Устройство для измерения криогенных температур |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015137185/28A RU2602400C1 (ru) | 2015-09-02 | 2015-09-02 | Устройство для измерения криогенных температур |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2602400C1 true RU2602400C1 (ru) | 2016-11-20 |
Family
ID=57760031
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2015137185/28A RU2602400C1 (ru) | 2015-09-02 | 2015-09-02 | Устройство для измерения криогенных температур |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2602400C1 (ru) |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU853425A1 (ru) * | 1979-06-05 | 1981-08-07 | Киевский Ордена Ленина Политехническийинститут Им. 50-Летия Великой Октябрьскойсоциалистической Революции | Устройство дл измерени криогенныхТЕМпЕРАТуР |
US4506996A (en) * | 1982-08-27 | 1985-03-26 | Agency Of Industrial Science & Technology | Cryogenic thermometer |
DD224113A1 (de) * | 1984-01-02 | 1985-06-26 | Teltov Geraete Regler | Schaltungsanordnung fuer messwandler |
SU1571425A1 (ru) * | 1987-12-10 | 1990-06-15 | Предприятие П/Я М-5912 | Измерительный преобразователь криогенных температур |
SU1765719A1 (ru) * | 1990-09-25 | 1992-09-30 | Научно-исследовательский институт автоматики и приборостроения | Цифровой измеритель температуры |
RU2253846C1 (ru) * | 2003-12-04 | 2005-06-10 | Открытое акционерное общество "Раменское приборостроительное конструкторское бюро" (ОАО "РПКБ") | Устройство для измерения температуры |
RU2492436C1 (ru) * | 2012-03-23 | 2013-09-10 | Открытое акционерное общество "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнева" | Устройство для измерения температуры |
-
2015
- 2015-09-02 RU RU2015137185/28A patent/RU2602400C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU853425A1 (ru) * | 1979-06-05 | 1981-08-07 | Киевский Ордена Ленина Политехническийинститут Им. 50-Летия Великой Октябрьскойсоциалистической Революции | Устройство дл измерени криогенныхТЕМпЕРАТуР |
US4506996A (en) * | 1982-08-27 | 1985-03-26 | Agency Of Industrial Science & Technology | Cryogenic thermometer |
DD224113A1 (de) * | 1984-01-02 | 1985-06-26 | Teltov Geraete Regler | Schaltungsanordnung fuer messwandler |
SU1571425A1 (ru) * | 1987-12-10 | 1990-06-15 | Предприятие П/Я М-5912 | Измерительный преобразователь криогенных температур |
SU1765719A1 (ru) * | 1990-09-25 | 1992-09-30 | Научно-исследовательский институт автоматики и приборостроения | Цифровой измеритель температуры |
RU2253846C1 (ru) * | 2003-12-04 | 2005-06-10 | Открытое акционерное общество "Раменское приборостроительное конструкторское бюро" (ОАО "РПКБ") | Устройство для измерения температуры |
RU2492436C1 (ru) * | 2012-03-23 | 2013-09-10 | Открытое акционерное общество "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнева" | Устройство для измерения температуры |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US9797951B2 (en) | Systems and methods mitigating temperature dependence of circuitry electronic devices | |
US10209143B2 (en) | Thermo wire testing circuit | |
CA2898377C (en) | Sensor interface circuits | |
KR102079466B1 (ko) | 부하 전류를 결정하기 위한 방법 및 배터리 센서 | |
Jun et al. | Common mode noise rejection in measuring channels | |
Kokolanski et al. | Simple interface for resistive sensors based on pulse width modulation | |
KR101375363B1 (ko) | 서미스터를 이용한 온도 측정 장치 | |
RU2602400C1 (ru) | Устройство для измерения криогенных температур | |
Elangovan et al. | Design, analysis, and hardware verification of a linearized thermistor-based temperature measurement system | |
US3267376A (en) | Electric measurement apparatus using a pair of oppositely poled thermoelectric junctions in parallel and diode stabilizing means | |
RU2444020C1 (ru) | Микроконтроллерный измерительный преобразователь сопротивления в двоичный код | |
US9903766B2 (en) | Remote temperature sensing | |
RU2707757C1 (ru) | Способ снижения погрешности измерения температуры электрическим мостом | |
RU2547882C2 (ru) | Способ измерения температуры среды | |
CN109564139A (zh) | 传感器装置 | |
US3187576A (en) | Electronic thermometer | |
RU2685769C1 (ru) | Способ определения переходного теплового сопротивления кристалл-корпус и теплового сопротивления кристалл-корпус в состоянии теплового равновесия транзисторов с полевым управлением | |
PL424109A1 (pl) | Sposób i układ do pomiaru rezystancji termicznej i mocy promieniowania optycznego diody LED mocy | |
RU2534633C2 (ru) | Устройство для измерения температуры среды | |
RU129229U1 (ru) | Устройство для измерения температуры среды | |
RU2796191C1 (ru) | Устройство для измерения температуры контролируемого объекта | |
RU2549255C1 (ru) | Цифровой измеритель температуры | |
CN110945330A (zh) | 温度传感器电路 | |
Kochan et al. | Correcting measurement error due to heating by operating current of resistance temperature detectors | |
Elangovan et al. | Simple Digitizing Circuit for Resistive Sensors in π-Network Form |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20170903 |