имитарор сигнала термопары

Формула изобретения

Имитатор сигнала термопары, содержащий резистивный делитель с выходными отводами, отличающийся тем, что в него 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.

Описание изобретения к патенту

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

На фигуре показана схема заявляемого имитатора сигнала термопары.

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.

Имитатор сигнала термопары работает следующим образом.

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.

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.

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.

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.

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.

Диапазон имитации может быть реализован и несимметричным относительно нуля, что чаще встречается при использовании термопар.

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.

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.

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.