RU2020432C1

RU2020432C1 - Digital temperature detector

Info

Publication number: RU2020432C1
Authority: RU
Inventors: В.И. Адашкевич; В.А. Рыбаков; И.М. Божко; А.И. Печень; С.В. Елейникова
Original assignee: Институт надежности машин АН Беларуси
Priority date: 1991-01-08
Filing date: 1991-01-08
Publication date: 1994-09-30

Abstract

FIELD: measurement of temperature of bodies outlying at a considerable distance. SUBSTANCE: digital temperature detector uses a capacitor, resistance thermometer, connective wires, standard resistor, selector switch, regulated voltage source, regulated current source, analog-to-digital converter, instrument amplifier, two comparators, control unit, computing unit and a digital indicator. EFFECT: enhanced accuracy. 3 dwg

Description

Изобретение относится к термометрии, а именно к устройствам для измерения температуры посредством резистивных датчиков, в которых осуществляется компенсация влияния линии связи на результат измерения, и предназначено для измерения температуры объектов, удаленных на значительные расстояния. The invention relates to thermometry, and in particular to devices for measuring temperature by means of resistive sensors, in which the influence of the communication line on the measurement result is compensated, and is intended to measure the temperature of objects remote over long distances.

Известно устройство для измерения температуры с резистивным датчиком и двухпроводной линией связи, содержащее стабилизатор тока и преобразователь сопротивления датчика в напряжение [1]. Это устройство имеет низкую точность измерения вследствие влияния сопротивления проводов линии связи на результат измерения. A device for measuring temperature with a resistive sensor and a two-wire communication line containing a current stabilizer and a converter of the resistance of the sensor to voltage [1]. This device has low measurement accuracy due to the influence of the resistance of the communication line wires on the measurement result.

Известны устройства для измерения температуры с резистивным датчиком и четырехпроводной линией связи, обеспечивающие компенсацию погрешностей от сопротивления проводов линии связи [1]. Недостатком таких устройств является необходимость наличия четырех проводов линии связи, что существенно снижает надежность и удорожает устройство при температурных измерениях удаленных объектов. Known devices for measuring temperature with a resistive sensor and a four-wire communication line, providing compensation for errors from the resistance of the wires of the communication line [1]. The disadvantage of such devices is the need for four wires of the communication line, which significantly reduces the reliability and increases the cost of the device for temperature measurements of remote objects.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство для измерения температуры, содержащее термометр сопротивления, трехпроводную линию связи, источник стабильного тока, аналого-цифровой преобразователь, реверсивный счетчик, а также переключатель, обеспечивающий изменение через образцовый резистор сопротивления проводов линии связи, блоки управления и индикации [2]. Closest to the proposed technical essence is a device for measuring temperature, containing a resistance thermometer, a three-wire communication line, a stable current source, an analog-to-digital converter, a reversible counter, and also a switch that provides a change through the reference resistor of the wires of the communication line, control units and indications [2].

Однако недостатком этого устройства является невысокая надежность при дистанционных измерениях и измерениях в условиях механических воздействий, например на транспортных средствах, вследствие наличия в нем трехпроводной линии связи. However, the disadvantage of this device is the low reliability for remote measurements and measurements under mechanical stress, such as vehicles, due to the presence of a three-wire communication line in it.

Целью изобретения является повышение точности при дистанционных температурных измерениях за счет исключения влияния сопротивления линии связи. The aim of the invention is to improve the accuracy of remote temperature measurements by eliminating the influence of the resistance of the communication line.

Цель достигается тем, что в известное устройство измерения температуры, содержащее термометр сопротивления, подключенный первым выводом посредством первой линии связи через образцовый резистор к первому выводу переключателя, источник стабильного тока, соединенный первым и вторым выводами с соответствующими входами аналого-цифрового преобразователя, а вторым выводом посредством второй линии связи подключенный к второму выводу термометра сопротивления, блок управления, соединенный первой группой выходов с управляющими входами переключателя, а управляющим выходом - с входом запуска аналого-цифрового преобразователя, цифровой индикатор, введены конденсатор, включенный параллельно термометру сопротивления, измерительный усилитель, включенный параллельно образцовому резистору, первый и второй компараторы, источник стабильного напряжения, подключенный первым и вторым выводами соответственно к второму и третьему выводам переключателя, и блок вычисления, первой и второй группами входом соединенный соответственно с группами выходов аналого-цифрового преобразователя и блока управления, выходами подключенный к входам цифрового индикатора, а входом запуска соединенный с выходом "Готовность" аналого-цифрового преобразователя, при этом выход измерительного усилителя соединен с входами первого и второго компараторов, выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам прерывания блока управления, первый и второй выводы источника стабильного тока подключены соответственно к четвертому и второму выводам переключателя. The goal is achieved by the fact that in a known temperature measuring device comprising a resistance thermometer connected by a first terminal via a first communication line through a reference resistor to a first terminal of a switch, a stable current source connected by first and second terminals to corresponding inputs of an analog-to-digital converter, and by a second terminal through a second communication line connected to the second output of the resistance thermometer, a control unit connected to the first group of outputs with control inputs switch, and the control output - with the start input of an analog-to-digital converter, a digital indicator, a capacitor connected in parallel with the resistance thermometer, a measuring amplifier connected in parallel with the reference resistor, the first and second comparators, a stable voltage source connected to the second and second terminals respectively and the third conclusions of the switch, and the calculation unit, the first and second groups of input connected respectively to the output groups of the analog-to-digital converter and a control unit, outputs connected to the inputs of a digital indicator, and a start input connected to the Ready signal of an analog-to-digital converter, while the output of the measuring amplifier is connected to the inputs of the first and second comparators, the outputs of which are connected respectively to the first and second interrupt inputs of the control unit , the first and second terminals of the stable current source are connected respectively to the fourth and second terminals of the switch.

Это дает возможность за счет введения конденсатора, подключенного непосредственно к термометру сопротивления и выполняющего функцию накопителя электроэнергии, посредством схемы измерения постоянных времени цепей заряда и разряда конденсатора, включающей источники стабильного напряжения и тока, измерительный усилитель, компараторы, а также блоков управления, вычисления и индикатора производить вычисление величины сопротивления термометра, т.е. температуры объекта, исключая погрешности от сопротивления линии связи, использовать только два провода в линии связи, а при измерениях на транспортных средствах - один провод и массу. This makes it possible by introducing a capacitor connected directly to a resistance thermometer and acting as an energy storage device, through a circuit for measuring the time constants of charge and discharge circuits of a capacitor, including stable voltage and current sources, a measuring amplifier, comparators, as well as control, calculation and indicator units calculate the resistance value of the thermometer, i.e. temperature of the object, excluding errors from the resistance of the communication line, use only two wires in the communication line, and when measuring on vehicles - one wire and ground.

Схема цифрового измерителя температуры приведена на фиг. 1. The circuit of a digital temperature meter is shown in FIG. 1.

Блок-схемы алгоритма работы устройства приведены на фиг. 2,3. The flowcharts of the device operation algorithm are shown in FIG. 2,3.

Цифровой измеритель температуры содержит конденсатор 1, термометр 2 сопротивления, соединительные провода 3, 4 соответственно первой и второй линий связи, образцовый резистор 5, переключатель 6, источник 7 стабильного напряжения, источник 8 стабильного тока, аналого-цифровой преобразователь 9, измерительный усилитель 10, компараторы 11, 12 блок 13 управления, блок 14 вычисления и цифровой индикатор 15. A digital temperature meter contains a capacitor 1, a resistance thermometer 2, connecting wires 3, 4 of the first and second communication lines, an exemplary resistor 5, a switch 6, a stable voltage source 7, a stable current source 8, an analog-to-digital converter 9, a measuring amplifier 10, comparators 11, 12 control unit 13, calculation unit 14 and digital indicator 15.

Устройство работает следующим образом. Измерение температуры объекта, с которым связан термометр 2 сопротивления, сводится к измерению сопротивления R_t, пропорционального температуре. Измерение сопротивления R_t осуществляется в три такта.The device operates as follows. The measurement of the temperature of the object with which the resistance thermometer 2 is connected is reduced to measuring the resistance R _t proportional to the temperature. The resistance measurement R _{t is} carried out in three cycles.

В первом такте измерения блок 13 управления устанавливает переключатель 6 в положение (:2). При этом происходит заряд конденсатора 1 (с) от источника 7 стабильного напряжения через активное сопротивление R_o+R_кл+2R_л, где R_кл - сопротивление ключа 6. Постоянная времени этой цепи определяется по формуле
τ_зар=(R_o+R_кл+2R_л) ^. С . (1)
Аппаратурно в схеме на фиг. 1 τ_зар определяется посредством съема сигнала с образцового резистора 5 (R_о) на измерительный усилитель 10, на выходе которого напряжение после замыкания ключа 6 спадает по экспоненте от значения U, равного выходному напряжению источника 7 стабильного напряжения, до 0. Компараторы 11 и 12 обеспечивают формирование временного интервала, равного τ_зар=0,63U, а блок 13 управления - замер этого временного интервала, например, методом подсчета импульсов от генератора тактовой частоты, входящего в настоящий блок 13. Числовой эквивалент τ_зар после этого заносится в память блока 14 вычисления.In the first measurement step, the control unit 13 sets the switch 6 to the position (: 2). In this case, the capacitor 1 (s) is charged from the stable voltage source 7 through the active resistance R _o + R _cell + 2R _l , where R _cell is the resistance of the key 6. The time constant of this circuit is determined by the formula
τ _zar = (R _o + R _cells + 2R _l) ^. WITH . (1)
Hardware in the circuit of FIG. 1 τ _{zar is} determined by taking the signal from the reference resistor 5 (R _о ) to the measuring amplifier 10, at the output of which the voltage after closing the switch 6 decreases exponentially from the value U equal to the output voltage of the stable voltage source 7 to 0. Comparators 11 and 12 ensuring the formation of a time interval equal to τ _charge = 0,63U, and the control unit 13 - measurement of this time interval, for example, by counting pulses from the clock generator included in the present unit 13. a numeric equivalent τ _charge thereafter ARS in the memory unit 14 computation.

Во втором такте измерения блок 13 управления устанавливает переключатель 6 в положение (:1). При этом происходит разряд конденсатора 1 (с) по цепи активного сопротивления R R_t//(R_o+R_кл+ +2R_л). Постоянная времени этой цепи определяется по формуле
τ_разр=[R_t//(R_o+R_кл+2R_л)] ^. С . (2)
Аппаратурно в схеме на фиг. 1 τ_разр определяется аналогично замеру τ_зар. Числовой эквивалент τ_разр также заносится в память блока 14 вычисления.In the second measurement step, the control unit 13 sets the switch 6 to the position (: 1). When this occurs, the discharge of the capacitor 1 (s) along the active resistance circuit RR _t // (R _o + R _cells + + 2R _l ). The time constant of this circuit is determined by the formula
τ _bit = [R _t // (R _o + R _cells + 2R _l )] ^. WITH . (2)
Hardware in the circuit of FIG. 1 τ _bit is determined similarly to the measurement τ _zar . The numerical equivalent of τ _{bit is} also stored in the memory of block 14 calculation.

В третьем такте измерения блок 13 управления устанавливает переключатель 6 в положение (:3). При этом цепь из последовательно соединенных резисторов 5 (R_o); 4 (R_л); 2 (R_t); 3 (R_л) подключается к источнику 8 стабильного тока. Аналого-цифровой преобразователь 9 по команде от блока 13 управления осуществляет преобразование напряжения, установившегося на зажимах источника 8 стабильного тока, в цифровой код. При такой схеме измерения с источником стабильного тока напряжение, снимаемое с зажимов источника 8 стабильного тока, пропорционально сопротивлению, включенному в цепь. Таким образом, сопротивление R₁=R_o+R_t+R_кл+2R_л (3), представленное в цифровом коде, заносится в память блока 14 вычисления.In the third measurement step, the control unit 13 sets the switch 6 to the position (: 3). In this case, a chain of series-connected resistors 5 (R _o ); 4 (R _l ); 2 (R _t ); 3 (R _l ) is connected to a constant current source 8. An analog-to-digital converter 9, upon command from the control unit 13, converts the voltage established at the terminals of the stable current source 8 into a digital code. With such a measuring circuit with a stable current source, the voltage taken from the terminals of the stable current source 8 is proportional to the resistance included in the circuit. Thus, the resistance R ₁ = R _o + R _t + R + 2R _cl _l (3) represented by the digital code stored in memory 14 of computing unit.

Исходя из формул (1) - (4) следующих преобразований, а именно:

=

(4) и обозначая:

= τ_отн ;; (5)
R_o+R_кл+2R_л=R_ε, (6) получаем:
τ_отн=

=

,, (7) где R_t - искомое сопротивление терморезистора.Based on formulas (1) - (4) of the following transformations, namely:

=

(4) and denoting:

= τ _rel ;; (5)
R _o + R _cells + 2R _l = R _ε , (6) we obtain:
τ _rel =

=

,, (7) where R _t is the desired resistance of the thermistor.

Из формулы (7) получаем:
R_t=

,, (8) определяя R_ε из формулы (3)
R_ε= R₁-R_t (9) и проводя необходимые алгебраические преобразования, получаем
R_t=

(10)
На основе формулы (10) блок 14 вычисления, имея в своей памяти после трех тактов измерения цифровые значения τ_зар, τ_разр и R₁, вычисляет τ_отн по формуле (5), искомое R_t по формуле (10) и выдает результат измерения (числовое значение R_t) на цифровой индикатор 15.From formula (7) we obtain:
R _t =

,,, (8) defining R _ε from the formula (3)
R _ε = R ₁ -R _t (9) and performing the necessary algebraic transformations, we obtain
R _t =

(10)
Based on the formula (10), the calculation unit 14, having in its memory after three measurement clocks the digital values of τ _zar, τ _bit and R ₁ , calculates τ _rel by the formula (5), the desired R _t by the formula (10) and gives the measurement result (numerical value of R _t ) on the digital indicator 15.

В качестве переключателя 6 может использоваться управляемый кодом интегральный коммутатор типа К 590 КН1. Источник 8 стабильного тока может быть реализован по типовой схеме (Алексенко А.Г. и др. Применение прецизионных аналоговых ИС.М.: Радио и связь, 1981, с. 148). В качестве аналого-цифрового преобразователя может быть применен, например, интегральный АЦП типа К 1113 ПВ 1, а измерительный усилитель 10 и компараторы 11, 12 могут быть реализованы на стандартных операционных усилителях типа К 140 УД 14. Для реализации алгоритма управления и программы вычисления параметров возможно использование однокристальной 8-разрядной микроЭВМ серии 1816. Структура, функциональноузловой состав и описание основных режимов работы микроЭВМ серии 1816 приведены в книге "МикроЭВМ". Семейство ЭВМ "Электроника К1". Книга 3. Под ред. Преснухина Л.Н. М.: Высшая школа, 1988. На рис. 4.3, с. 134 приведена структурная схема микроЭВМ. В соответствии с ней блоки управления 13 и вычисления 14 могут быть реализованы аппаратно на указанной микроЭВМ. При этом входы Т1 "Таймер-счетчик" и вход 1NT "Прерывание" используются аппаратно для обеспечения команд прерывания от компараторов 11 и 12. Выход 8-разрядного порта РО соединен по линиям разрядов DB0, DB1 с управляющими входами переключателя 6, по линии DB2 соединен с входом запуска аналого-цифрового преобразователя 9, шина 8-разрядного порта Р1 соединена с индикатором 15. Линия Р20 порта Р2, запрограммированного на прием сигналов, соединена с выходом "Готовность" аналого-цифрового преобразователя 9. As switch 6, a code-driven integrated switch of type K 590 KN1 can be used. A stable current source 8 can be implemented according to a standard circuit (A. Aleksenko and others. The use of precision analog ISM: Radio and communication, 1981, p. 148). As an analog-to-digital converter, for example, an integral ADC of type K 1113 PV 1 can be used, and measuring amplifier 10 and comparators 11, 12 can be implemented on standard operational amplifiers of type K 140 UD 14. To implement a control algorithm and a program for calculating parameters it is possible to use a single-chip 8-bit microcomputer of the 1816 series. The structure, functional-site composition and description of the main operating modes of the microcomputer of the 1816 series are given in the book "Microcomputers". Family of computers "Electronics K1". Book 3. Ed. Presnukhina L.N. M .: Higher school, 1988. In Fig. 4.3, p. 134 shows a structural diagram of a microcomputer. In accordance with it, the control units 13 and calculations 14 can be implemented in hardware on the specified microcomputer. The inputs T1 "Timer-counter" and the input 1NT "Interrupt" are used in hardware to provide interrupt commands from comparators 11 and 12. The output of the 8-bit port PO is connected via the discharge lines DB0, DB1 to the control inputs of the switch 6, connected via the DB2 line with the start input of the analog-to-digital converter 9, the bus of the 8-bit port P1 is connected to the indicator 15. The line P20 of the port P2, programmed to receive signals, is connected to the "Ready" output of the analog-to-digital converter 9.

Алгоритм работы блоков 13 и 14 представлен в описании устройства. The operation algorithm of blocks 13 and 14 is presented in the description of the device.

Программа работы блоков 13 и 14, управление порядком работы устройства и вычисление параметров находятся в ПЗУ микроЭВМ, реализующей указанные блоки. The program of work of blocks 13 and 14, control of the device operation order and calculation of parameters are located in the ROM of a microcomputer that implements these blocks.

Данное устройство позволяет в условиях механических воздействий производить дистанционное измерение температуры объекта, используя лишь два провода в линии связи, а на транспортных средствах - один провод и массу, обеспечивая при этом как достаточную точность измерения за счет исключения погрешностей линии связи, так и повышение надежности и снижение стоимости линии и экономию цветных металлов. This device allows under conditions of mechanical stress to remotely measure the temperature of an object using only two wires in a communication line, and on vehicles - one wire and ground, while ensuring both sufficient measurement accuracy by eliminating communication line errors, and increasing reliability and line cost reduction and non-ferrous metal economy.

Claims

A DIGITAL TEMPERATURE METER containing a resistance thermometer connected to the first terminal via a first line through a reference resistor to the first terminal of the switch, a stable current source connected to the first and second terminals with the corresponding inputs of the analog-to-digital converter, and connected to the second terminal through the second line the output of the resistance thermometer, the control unit connected to the first group of outputs with the control inputs of the switch, and the control output with the input ohm of starting an analog-to-digital converter, and a digital indicator, characterized in that, in order to improve the measurement accuracy by eliminating the influence of the resistance of communication lines, a capacitor connected in parallel with the resistance thermometer, a measuring amplifier connected in parallel with the reference resistor, the first and second comparators are introduced into it , a stable voltage source connected to the second and third terminals of the switch, respectively, by the first and second terminals, and a calculation unit, the first and second groups of inputs connected respectively to the output groups of the analog-to-digital converter and the control unit, the outputs connected to the inputs of the digital indicator, and the trigger input connected to the Ready signal of the analog-to-digital converter, while the output of the measuring amplifier is connected to the inputs of the first and second comparators, the outputs of which are connected respectively, to the first and second interrupt inputs of the control unit, the first and second terminals of the stable current source are connected respectively to the fourth and second terminals ereklyuchatelya.