IT8419961A1

IT8419961A1 - Apparecchiatura di segnalazione di calibrazione

Info

Publication number: IT8419961A1
Application number: ITMI1984A019961A
Authority: IT
Original assignee: Johnson Matthey Plc
Priority date: 1983-03-11
Filing date: 1984-03-09
Publication date: 1985-09-09
Also published as: YU43784A; PT78231B; JPS59210336A; PT78231A; NL8400755A; SE8401350D0; KR840009019A; ES8503154A1; IE55085B1; IT8419961A0; FR2542446A1; CA1217950A; SE8401350L; US4721942A; GB8306764D0; DE3408960A1; CH656459A5; IT1175445B; ES530489A0; BE899124A

Description

DOCUMENTAZIONE

RILEGATA

DESCRIZIONE

La presente invenzione riguarda apparecchiature per l'impiego con un dispositivo di misurazione o riferimento, l'apparecchiatura fornendo una segnalazione di calibrazione in risposta all'impiego esteso del dispositivo. L'invenzione ? prevista principalmente per l'impiego con una termocoppia funzionante a temperature elevate o costanti.

Si ? trovato che quando una termocoppia viene installata, per esempio, in un forno, la sua uscita elettrica relativa alla temperatura subir? graduale deriva da una condizione calibrata iniziale dipendente dal periodo di tempo in cui l'elemento ? esposto a temperature elevate e dal valore di queste temperature. Nel passato, la sostituzione delle termocoppie era eseguita a intervalli di tempo regolari, largamente basati sulle esperienze precedenti o, nel caso di un forno, quando un lotto di materiale veniva rovinato a causa del fatto che la termocoppia andava al di fuori del trattamento termico. E' noto ottenere una segnalazione di calibrazione o di taratura di una termocoppia da un elaboratore collegato ad una pluralit? di termocoppie mediante programmazione dell'elaboratore per costituire un conteggio di calibrazione digitale per ciascuna termoc?ppia basato sul numero di cicli di riscaldamento a cui la termocoppia era stata sottoposta e la temperatura massima raggiunta in ciascun ciclo. Un inconveniente di questo sistema noto ? che, bench? esso possa fornire un metodo definito per prevedere una deriva di calibrazione predeterminata, esso richiede l'impiego di un elaboratore e di circuiti di interfaccia. Uno scopo della presente invenzione ? quello di fornire apparecchiatura di segnalazione di calibrazione, la quale sia relativamente semplice e pi? adatta per l'impiego con una termocoppia singola.

Secondo un aspetto della presente invenzione, una apparecchiatura di segnalazione di calibrazione per lo impiego con un sensore elettrico comprende un dispositivo indicatore analogico accoppiato con un circuito di pilotaggio analogico, il circuito essendo sensibile alla uscita del sensore in modo tale che la lettura fornita dal dispositivo indicatore ? una funzione sia dell'uscita del sensore che del tempo trascorso. Secondo un altro aspetto dell'invenzione , una apparecchiatura di segnalazione di calibrazione per l'impiego con un sensore o dispositivo di riferimento elettrico, comprende un dispositivo indicatore accoppiato ad un circuito di pilotaggio analogico atto a fornire una lettura di indicazione che ? una funzione sia della temperatura alla quale il sensore o dispositivo di riferimento ? fatto funzionare, sia del tempo totale durante il quale il sensore o dispositivo di riferimento ? stato usato.

L'invenzione sar? ora descritta a titolo esemplificativo facendo riferimento ai disegni acclusi in cui : la figura 1 ? uno schema circuitale di un modulo di segnalazione che pu? essere separato e previsto per il collegamento alla termocoppia durante tutta la vita operativa di essa o pu? essere inclusa permanentemente ad esempio in un connettore in corrispondenza della estremi t? della termocoppia, e

la figura 2 ? uno schema circuitale di un modulo di segnalazione per l'impiego con una termocoppia che ? fatta funzionare ad una temperatura sostanzialmente costante.

Facendo riferimento alla figura 1 , il modulo ha uno stadio separatore a guadagno unitario ad alta impedenza di ingresso 1 accoppiato a una termocoppia per alte temperature singola 2, e una catena di amplificazione 3, 4, 5 aventi caratteristiche di guadagno o attenuazione sia lineari che esponenziali per generare una corrente di uscita I la quale dipende dalla tensione termoaccoppiata VT secondo la relazione

bV

Io ae T

Questa corrente ? alimentata mediante un indicatore di tempo trascorso 6, come ad esempio il tipo avente una goccia di elettrolita separante due colonnine di mercurio o.s./? in un tubetto di vetro. Questi indicatori sono relativamente economici e compatti. Quando corrente continua passa da una colonnina di mercurio all'altra attraverso l'elettrolita, ioni mercurio migrano da una colonnina all'altra, spostando cos? la goccia di elettrolita lungo il tubo in proporzione alla carica elettrica totale trasmessa alla installazione dell'indicatore.

bv

La relazione di guadagno IQ = ae T ? ottenuta amplificando dapprima la tensione di uscita del buffer 1 per un fattore B in un amplificatore lineare 3, alimentando la tensione amplificata bVT ad un amplificatore 4 avente una caratteristica esponenziale per fornire un'uscita ebVT , e amplificando quindi nuovamente il segnale per fornire una corrente di uscita Io = aebvT attraverso una resistenza a zavorra 7 e l'indicatore 6 del tempo trascorso. Il resistore a zavorra 7 serve per ridurre a un livello insignificativo qualsiasi variazione minore nell'impedenza dell'indicatore del tempo trascorso.

Si noter? che la corrente di uscita Io aumenta esponenzialmente con VT , per cui il grado con cui la lettura dell 'indicatore varia ? una funzione del grado di deriva della calibrazione della termocoppia, tale deriva essendo maggiore a temperature relativamente elevate

Le costanti a e b possono essere alterate variando il valore della resistenza 7 o il guadagno degli amplificatori per adattarsi alle caratteristiche di deriva del tipo di termocoppia, per cui l'indicazione 6 raggiunge l'estremit? della sua scala quando ? stimato che la termocoppia debba essere sostituita o ricalibrata.

Altri dispositivi per determinare la e/o rispon? dere alla quantit? totale di carica passante attraverso il resistore 7 in un dato tempo, possono essere impiegati al posto dell'indicatore 6 o in aggiunta ad esso. Un dispositivo di questo tipo, o l'indicatore 6, potrebbero essere di tale tipo o modificati in modo tale che segnalazioni visive e/o acustiche siano fornite quando ? raggiunto un valore predeterminato della carica passante attraverso il resistore 7.

Sono preferiti amplificatori operazionali di tipo C-Mos per garantire che l'assorbimento di corrente dalle batterie siatale dafornire una durata utile di per lo meno un anno. Esempi di dispositivi adatti sono un tipo ICL 7611 DCPA e un tipo TCL 251 entrambi i quali hanno la richiesta elevata impedenza di ingresso

( ^ 10 ohm) e correnti di riposo regolabili impostabili sino a 10 ? A .

La presente invenzione pu? essere applicata pure alle cosiddette termocoppie di "profilature" che sono impiegate predominantemente nell'industria dei semiconduttori in cui ? essenziale misurazione precisa della temperatura e che generalmente funzionano ad un'unica temperatura predeterminata. Per queste termocoppie, uno degli stadi di amplificazione lineare e lo stadio di sperimentazione potrebbero essere eliminati, con la limitazione di ottenere una indicazione o segnalazione ragionevolmente precisa solo entro uno stretto intervallo di temperature attorno alla temperatura impostata, tipicamente a 25 ?C. Il modulo di segnalazione o indicazione' ? collegato, in tale applicazione, ad una delle termocoppie comprendenti la termocoppia di profilatura.

In quanto precede, ? stato fatto riferimento ad una equazione esponenziale ma si deve tener presente che possono essere applicate altre equazioni, ad esempio una equazione apolinomio, della formula generale, I = f(t^ ) ? = f(T, t^ ) ; in cui t ? il tempo trascorso e T ? la temperatura alla quale la termocoppia funzionava durante quel tempo.

La figura 2 ? uno schema circuitale di un modulo di indicazione per l'impiego con una termocoppia che ? fatta funzionare ad una temperatura sostanziai? mente costante. Designazioni di riferimento dei componenti circuitali sono prese dal "Radio Spares Catalogue" e valori specifici sono forniti a titolo esemplificativo. Il modulo di figura 2 include un indicatore di tempo trascorso 6A che, come nel caso del modulo di indicazione di figura 1 , pu? essere un indicatore a mercurio .

Il circuito di figura 2 e, essenzialmente, un orologio pre-impostabile ed ? fatto funzionare ogni qualvolta l?ingresso da una termocoppia 2A (riferimento TLCICP ) eccede, ad esempio, 2mV . La termocoppia ? collegata come mostrato in circuito ad una sorgente di energia P, ad un amplificatore 3A (un amplificatore C-Mos a bassa corrente) un transistor 4A (riferimento 2 N3705 ) un generatore di corrente programmabile 7A (riferimento LM 334Z ) e resistori della corrente di impostazione R1 e R2 come indicato.

L?amplificatore 3A ? fatto funzionare nel modo ad anello aperto ed ha, perci?, una elevata caratteristica di guadagno. Quando una tensione maggiore di 2mV viene applicata ai terminali di ingresso dell?amplificatore 3A, l'amplificatore ? mandato in saturazione e indotto a commutare in accensione il transistor 4A. L?alimentazione ? quindi inviata all'indicatore al mercurio 6A e la corrente ? limitata dal generatore di corrente programmabile 7A eregolaia in maniera appropriata tramite i resistor! di impostazione di corrente R1 e R2 .

Come indicato precedentemente, l?indicatore 6 pu? essere modificato in modo tale che siano fornite indicazioni visive e/o acustiche. A tal fine pu? essere incluso un circuito ausiliario innescante un dispositivo leggibile. Il dispositivo leggibile, pu? essere costituito da un LED , da un dispositivo LCD oppure da una visualizzazione elettrocromica. Alternativamente il circuito ausiliario pu? avviare un allarme acustico

INTERNAZIONALE BREVETTI s.r.<i>.

RIVENDICAZIONI

1 . Apparecchiatura di segnalazione o indicazione di cali brazione per l'impiego con un sensore elettrico comprendente un dispositivo indicatore analogico accoppiato ad un circuito di pilotaggio analogico, il circuito essendo sensibile a?l'uscita del sensore in modo tale che la lettura fornita dal dispositivo indicatore ? una funzione sia dell'uscita del sensore sia del tempo trascorso.

2. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 1, in cui il sensore elettrico ? una termocoppia.

3. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 2 includente uno stadio separatore accoppiato alla termocoppia ed un amplificatore per generare un'uscita dipendente dalla tensione termoaccoppiata.

4. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 3, in cui l'amplificatore ha caratteristiche di guadagno lineari e esponenziali per generare una corrente di uscita Io die dipende dalla tensione termoaccoppiata VT secondo la relazione :

Io ae bvT

in cui a e b sono costanti.

5. Apparecchiatura secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti in cui il dispositivo indicatore ? un indicatore a mercurio.

6. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 1, includenJNTERNAZIUJWC

te un circuito di orologio pre-impo stabile atto ad essere fatto funzionare quando l ?ingresso dal sensore elettrico supera un valore pre-determinato.

7. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 6 , in cui il sensore elettrico ? una termocoppia.

8. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 6 oppure la rivendicazione 7, in cui il circuito include un amplificatore di alto guadagno accoppiato ad un trasmettitore attivabile in seguito a saturazione dell'amplificatore e mezzi per limitare la corrente applicata al dispositivo indicatore.

9. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 8, in cui i mezzi per limitare la corrente sono un generatore di corrente programmabile e resistor! di impostazione associati.

10. Apparecchiatura di segnalazione di calibrazione per l'impiego con un sensore o un dispositivo di riferimento elettrico comprendente un dispositivo indicatore accoppia? to a un circuito di pilotaggio analogico atto a fornire una lettura di indicazione che ? una funzione sia della temperatura alla quale il sensore o il dispositivo di riferimento ? fatto funzionare, sia del tempo totale durante il quale il sensore o il dispositivo di riferimento ? stato impiegato.

11. Apparecchatura secondo la rivendicazione 10, in cui la lettura di indicazione ? sotto forma di una visualizzazione.

12. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 11, includente un circuito ausiliario includente un LED, un LCD o un visualizzatore elettrocromatico.

13. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 12 in cui il circuito ausiliario include una unit? di allarme acustico.

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APPARECCHIATURA DI SEGNALAZIONE DI CALIBRAZIONE

La presente invenzione riguarda apparecchiature ?er l'impiego con un dispositivo di misurazione o riferimento, l'apparecchiatura fornendo una segnalazione di calibrazione in risposta all'impiego esteso del dispositivo. L'invenzione ? prevista principalmente per l'impiego con una termocoppia funzionante a temperature elevate o costanti.

Si ? trovato che quando una termocoppia viene installata, per esempio, in un forno, la sua uscita elettrica relativa alla temperatura subir? graduale deriva da una condizione calibrata iniziale dipendente dal periodo di tempo in cui l'elemento ? esposto a temperature elevate e dal valore di queste temperature. Nel passato, la sostituzione delle termocoppie era eseguita a intervalli di tempo regolari, largamente basati sulle esperienze precedenti o, nel caso

di un forno, quando un lotto di materiale veniva rovinato

a causa del fatto che la termocoppia andava al di fuori

del trattamento termico. E<f >noto ottenere una segnalazione

di calibrazione o di taratura di una termocoppia da un elaboratore collegato ad una pluralit? di termocoppie mediante programmazione dell'elaboratore per costituire un conteggio di calibrazione digitale per ciascuna termoc?ppia basato sul numero di cicli di riscaldamento a cui la termocoppia era stata sottoposta e la temperatura massima raggiunta in ciascun ciclo. Un inconveniente di questo siste

ma roto ? che,?bench? esso possa fornire' un metodo definito per prevedere una deriva di calibrazione predeterminata, esso richiede l<f>impiego di un elaboratore e di circuiti di interfaccia. Uno scopo della presente invenzione ? quello di fornire apparecchiatura di segnalazione di calibrazione, la quelle sia relativamente semplice e pi? adatta per l'impiego con una termocoppia singola.

Secondo un aspetto della presente invenzione, una apparecchiatura di segnalazione di calibrazione per lo impiego con un sensore elettrico comprende un dispositivo indicatore analogico accoppiato con un circuito di pilotaggio analogico, il circuito essendo sensibile alla uscita del sensore in modo tale che la lettura fornita dal dispositivo indicatore ? una funzione sia dell'uscita del sensore che del tempo trascorso. Secondo un altro aspetto dell'invenzione, una apparecchiatura di segnalazione di calibrazione per l'impiego con un sensore o dispositivo di riferimento elettrico, comprende un dispositivo indicatore accoppiato ad un circuito di pilotaggio analogico atto a fornire ima lettura di indicazione che ? una funzione sia della temperatura alla quale il sensore o dispositivo di riferimento ? fatto funzionare, sia del tempo totale durante il quale il sensore o dispositivo di riferimento ? stato usato.

L'invenzione sar? ora descritta a titolo esemplificativo facendo?riferimento ai d .

la figura 1 ? uno schema circuitale di un modulo di segnalazione che pu? essere separato e previsto per il collegamento alla termocoppia durante tutta la vita operativa di essa o pu? essere inclusa permanentemente ad esempio in un connettore in corrispondenza della estremit? della termocoppia, e

la figura 2 ? uno schema circuitale di un modulo di segnalazione per l?impiego con una termocoppia che ? fatta funzionare ad una temperatura sostanzialmente costante.

Facendo riferimento alla figura 1, il modulo ha uno stadio separatore a guadagno unitario ad alta impedenza di ingresso 1 accoppiato a una termocoppia per alte temperature singola 2, e una catena di amplificazione 3, 4? 5 aventi caratteristiche di guadagno o attenuazione sia lineari che esponenziali per generare una corrente di uscita I la quale dipende dalla tensione termoaccoppiata VT secondo la relazione

I bV

o ae T

Questa corrente ? alimentata mediante un indicatore di tempo trascorso 6, come ad esempio il tipo avente una goccia di elettrolita separante due colonnine di mercurio in un tubetto di vetro. Questi indicatori sono relativamente economici e compatti. Quando corrente continua passa da una colonnina di mercurio all?altra attraverso l?elettrolita, ioni mercurio migrano da una colonnina all?altra, spostando cos? la goccia di elettrolita lungo il tubo in proporzione alla carica elettrica totale trasmessa alla installazione dell?indicatore.

bV

La relazione di guadagno I = ae T ? ottenuta amplificando dapprima la tensione di uscita del buffer 1 per un fattore B in un amplificatore lineare 3, alimentando la tensione amplificata bVT ad un amplificatore 4 avente una caratteristica esponenziale per bV

fornire un'uscita e T , e amplificando quindi nuovamente il segnale per fornire una corrente di uscita I *o = aebVT attraverso una resistenza a zavorra 7 e l?indicatore 6 del tempo trascorso. Il resistore a zavorra 7 serve per ridurre a un livello insignificativo qualsiasi variazione minore nell*impedenza dell'indicatore del tempo trascorso.

Si noter? che la corrente di uscita I aumeno

ta esponenzialmente con , per cui il grado con cui la lettura dell 'indicatore varia ? una funzione del grado di deriva della calibrazione della termocoppia, tale deriva essendo maggiore a temperature relativamente elevate.

I

Le costanti <1 >? a e b possono essere alterate variando il valore della resistenza 7 o il guadagno degli amplificatori per adattarsi alle caratteristiche di deriva del tipo di termocoppia, per cui l'indicazione 6 raggiunge l'estremit? della sua scala quando ? stimato che la tezmocoppia debba essere sostituita o ricalibrata.

Altri dispositivi per determinare la e/o rispondere alla quantit? totale di carica passante attraverso il resistore 7 in un dato tempo, possono essere impiegati al posto dell'indicatore 6 o in aggiunta ad esso. Un dispositivo di questo tipo, o l'indicatore 6, potrebbero essere di tale tipo o modificati in modo tale che segnalazioni visive e/o acustiche siano fornite quando ? raggiunto un valore predeterminato della carica passante attraverso il resistore 7.

Sono preferiti amplificatori operazionali di tipo C-Mos per garantire che l'assorbimento di corrente dalle batterie sia tale dafornire una durata utile di per lo meno un anno. Esempi di dispositivi adatti sono un tipo ICL 76? DOPA e un tipo TCL 251 entrambi i quali hanno la richiesta elevata impedenza di ingresso

( 10 ohm) e correnti di riposo regolabili impostabili sino a 10 ? A .

La presente invenzione pu? essere applicata pure al

Claims

le cosiddette termocoppie di "profilatur

*e" che sono impiegate predominantemente nell'industria dei semiconduttori in cui ? essenziale misurazione precisa della temperatura e che generalmente funzionano ad un'unica temperatura predeterminata. Per queste termocoppie, uno degli stadi di amplificazione lineare e lo stadio di sperimentazione potrebbero essere eliminati, con la limitazione di ottenere una indicazione o segnalazione ragionevolmente precisa solo entro uno stretto intervallo di temperature attorno alla temperatura impostata, tipicamente a 25?C. Il modulo di segnalazione o indicazione ? collegato, in tale applicazione, ad una delle termocoppie comprendenti la termocoppia di profilatura.

In quanto precede, ? stato fatto riferimento ad una equazione esponenziale ma si deve tener presente che possono essere applicate altre equazioni, ad e? sempio una equazione apolinomio, della formula generale, IO = f(tw ) o IO ?= f(T, t- ) ; in cui t ? il tempo trascorso e T ? la temperatura alla quale la termocoppia funzionava durante quel tempo.