устройство для измерения разности температур
Классы МПК: | G01K7/02 с использованием термоэлектрических элементов, например термопар |
Автор(ы): | Нотариус М.Д., Ротберт И.Л., Ференец В.А. |
Патентообладатель(и): | Казанский государственный технический университет им.А.Н.Туполева |
Приоритеты: |
подача заявки:
1992-12-21 публикация патента:
10.06.1998 |
Использование: в измерительной технике, для измерения температуры с помощью термопар. Сущность изобретения: устройство для измерения разности температур выполнено в виде термоэлектрической цепи. Термоэлектрическая цепь содержит термопару или батарею термопар, гальванометр, а также дополнительную термопару или батарею термопар с большей ТЭДС. В разрыв дополнительной термопары или батареи термопар включены параллельно соединенные потенциометрические делители напряжения. Подвижные контакты их включены в разрыв цепи термопары или батареи термопар. 1 ил.
Рисунок 1
Формула изобретения
Устройство для измерения разности температур, содержащее термоэлектрическую цепь из термопары и гальванометра, отличающееся тем, что в него включены дополнительная термопара или батарея термопар, ТЭДС которой превышает ТЭДС термопары или другой батареи термопар, и параллельно соединенные и включенные в разрыв дополнительной термопары или батареи термопар потенциометрические делители напряжения, подвижные контакты которых включены в разрыв цепи термопары или батареи термопар.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерению температуры с помощью термопар. Многие задачи различных отраслей науки и техники: медицины, биологии и др. решаются путем определения минимальных значений разности температуры T в различных точках. Известны компенсационные устройства измерения ТЭДС термопары, определяющей разность температуры Т в двух точках контролируемой среды, обеспечивающие высокую точность измерения ТЭДС термопары (и соответственно Т), но требующие отдельного источника питания. Известны автономные устройства, не требующие отдельного источника питания, для определения разности температуры в различных точках исследуемой среды, содержащие термопару, выходной сигнал ТЭДС которой определяется разностью температур их спаев, и измерительный прибор для отсчета разности температур. Основное достоинство такой схемы - ее простота и автономность. Основной недостаток - низкая точность, затрудняющая сравнение разностей температур при их малых значениях (0,1-0,9oC). Например, при использовании (для автономного устройства) простейшего гальванометра с rr = 18 Ом; GI = 4,51027 А/дел и термопары ХК сопротивлением 4 Ом, разницу температур 0,7oC практически не отличить от разницы 0,5oC. Изобретение решает задачу создания устройства повышенной точности определения разностей температур (особенно их малых значений 0,1-0,5oC) в различных точках исследуемой среды (например, человеческого тела) при сохранении автономности устройства (отсутствие отдельного источника питания). Задача решается тем, что в устройство, содержащее термопару (или батарею термопар) и гальванометр, включены дополнительная термопара (или батарея термопар), ТЭДС которой больше ТЭДС первой термопары (батареи термопар), и два параллельно соединенных и включенных в разрыв дополнительной термопары (батареи термопар) потенциометрических делителя напряжения, подвижные контакты которых включены в разрыв цепи первой термопары (батареи термопар). На чертеже показано предлагаемое устройство,где Ti и Tk - температуры контролируемой среды (например, человеческого тела) в точках i и k (Ti и Tk - также обозначения соответствующих спаев термопар);
1 - основная термопара (или батарея основных термопар) для контроля разностей температур Tik = Ti-Tk;
T2 и T4 - выбранные постоянные (на время измерения) температуры (например, одна из точек человеческого тела и комнатная температура);
2 - дополнительная термопара (или батарея дополнительных термопар);
Eik и E24 - ТЭДС основной и дополнительной термопар (или батареи термопар), пропорциональных Tik и T24 = T2-T4 соответственно. При этом E24 более чем в 10 раз больше Eik (за счет более чем в 10 раз больше, чем , или за счет увеличения количества термопар в дополнительной батарее термопар);
РА - нульгальванометр;
Q - выключатель нульгальванометра;
l1, l2 - концы термоэлектродов термопар, к которым подключаются медные соединительные провода;
Rp1, Rp2 - потенциометрические делители напряжения, соединенные параллельно в точках c и g,
при этом Rp1 - основной, имеет шкалу (Ш), отградуированную в oC для определения Tik; Rp2 - дополнительный, для подрегулирования нулевого положения подвижного контакта b основного делителя напряжения Rp1 по шкале (Ш) (с помощью подвижного контакта d дополнительного делителя напряжения Rp2) при Tik=0; Rp3 - потенциометр для регулировки максимального положения подвижного контакта b при по шкале (Ш), отградуированной в oC. Устройство после его подрегулировки и после установки рабочих спаев дополнительной термопары 2 при температурах T2 и T4, например при T2 закреплением на руке испытателя, а при T4 установкой в корпусе нульгаванометра PA при комнатной температуре работает следующим образом. Один спай Ti основной термопары (или батареи термопар) устанавливают в точке i, а второй спай Tk - в точке k исследуемой среды (например, тела испытуемого), подвижный контакт b основного делителя напряжения перемещают до положения, при котором стрелка гальванометра PA не отклоняется при его включении, по шкале (Ш) основного делителя напряжения отсчитывают значение Tik. Согласно чертежу ток J через нульгальванометр PA равен нулю при
,
где ;
;
;
Rba - сопротивление между подвижным контактом b и общим концом a делителей напряжения Rp1 и Rp1;
Кda - сопротивление между подвижным контактом d и концом a;
R2 - сопротивление термопары 2. Так как
Eik = KE1(Ti-Tk)m1,
E24 = KE2(T2-T4)m2,
где
KE1, KE2 - известные постоянные величины (в рассматриваемых диапазонах температур);
m1 - количество термопар в батарее термопар 1;
m2 - количество термопар в батарее термопар 2,
то
где
X0=X при Tik=0 (X0-K5). Таким образом, Tik определяется величиной X, то есть положением подвижного контакта b по шкале (Ш) потенциометрического делителя напряжения Rp1. Подрегулировкой Rp3 и потенциометрического делителя напряжения Rp2 (подвижным контактом d) обеспечивается совмещение ( Tik)макс с положением X=Xm и Tik=0 с положением X=X0. При этом не требуется точное определение T24, так как T24>> Tik. Например: T2 = 36,60,3oC (точка тела испытателя), T4 = 201oC (комнатная температура), Tik 0,5oC (тело испытуемого). В этом случае даже при неточном знании величины T24 в пределах 1,3oC величины Tik определяется с точностью менее 0,05oC. При этом и эта погрешность не отражается на точность определения различий между различными Tik (в различных точках i и k). Следовательно, предлагаемая схема решает задачу создания устройства повышенной точности для определения разности температур (особенно при их малых значений, например 0,1-0,5oC), с эффективностью, достигаемой компенсационными схемами, но при сохранении преимущества автономности простейших термоэлектрических схем (исключается потребность в постороннем источнике питания). Сравнительный анализ с прототипом показывает, что предлагаемое устройство для определения разности температуры отличается наличием новых элементов (дополнительной термопары или батареи дополнительных термопар с шунтирующими ее параллельно соединенными делителями напряжения, один из которых имеет шкалу, отградуированную в oC, по которой перемещением подвижного контакта делителя напряжения определяется разность температуры), их новыми связями с отдельными элементами схемы. Таким образом, предлагаемое устройство соответствует критерию изобретения "новизна". Предлагаемое устройство имеет решение не очевидное для специалистов, имеет новые свойства, которые приводят к повышению точности измерения разности температуры при сохранении автономности системы, к созданию автономных компенсационных систем (к компенсационному методу измерения без постороннего источника питания).
Класс G01K7/02 с использованием термоэлектрических элементов, например термопар