RU2549255C1 - Digital temperature meter - Google Patents

Digital temperature meter Download PDF

Info

Publication number
RU2549255C1
RU2549255C1 RU2014151928/93A RU2014151928A RU2549255C1 RU 2549255 C1 RU2549255 C1 RU 2549255C1 RU 2014151928/93 A RU2014151928/93 A RU 2014151928/93A RU 2014151928 A RU2014151928 A RU 2014151928A RU 2549255 C1 RU2549255 C1 RU 2549255C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
digital
conversion
processing unit
inputs
inlets
Prior art date
Application number
RU2014151928/93A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Виталий Александрович Гайский
Павел Витальевич Гайский
Александр Николаевич Логвинчук
Александр Викторович Клименко
Original Assignee
Морской гидрофизический институт
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Морской гидрофизический институт filed Critical Морской гидрофизический институт
Priority to RU2014151928/93A priority Critical patent/RU2549255C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2549255C1 publication Critical patent/RU2549255C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Testing Or Calibration Of Command Recording Devices (AREA)

Abstract

FIELD: measurement equipment.SUBSTANCE: meter is made as comprising a measuring bridge 1, a conversion and processing unit 2 and a source of power supply 3. The measuring bridge comprises two temperature sensors and four reference resistors connecting six tops of the bridge in the following sequence: first top, first sensor, third top, first reference resistor; fourth top, second reference resistor, and second top, second temperature sensor, fifth top, third reference resistor, sixth top, fourth reference resistor, first top. The first and second tops are connected to outlets of the power supply source 3, and other four tops are supplied to the inlets of the conversion and processing unit 2. At the same time reference resistors may be made as alternating and software-controlled. The conversion and processing unit 2 is made as comprising four analogue-digital converters 4-7 with differential inlets and a microprocessor 8, inlets and outlets of which are connected, accordingly, to digital outlets and digital inlets of each of analogue-digital converters. At the same time analogue inlets of analogue-digital converters are connected in series into a ring so that the first lead of the inlet of each analogue-digital converter is connected to the second lead of the inlet of the other analogue-digital converter and one of four inlets of the conversion and processing unit. The conversion and processing unit 2 may also be made as comprising serially connected a switchboard 9, an analogue-digital converter 10 and a microprocessor 11. At the same time the inlet and outlet of the microprocessor are connected, accordingly, to the digital outlet and inlet of the analogue-digital converter, the differential inlet of which is connected to the differential outlet of the switchboard, four differential inlets of which are the inlets of the conversion and processing unit.EFFECT: increased accuracy due to reduced dynamic error of measurement specified by thermal inertia of a sensor, reduction of random and systematic errors of a secondary measuring converter by a scheme-logic method.4 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения температуры контактными резисторными датчиками в окружающей среде и в технологических процессах. Оно может быть использовано также для измерения параметров газов и жидкостей, например, скорости потока.The invention relates to measuring equipment and is intended for measuring temperature by contact resistor sensors in the environment and in technological processes. It can also be used to measure parameters of gases and liquids, for example, flow velocity.

Известны измерители температуры с резисторными датчиками в измерительных неуравновешенных мостах [1]. Такие измерители не обеспечивают высокой точности из-за нелинейности функции преобразования приращения сопротивления датчика в выходной сигнал, зависимости результата измерения от параметров моста и источника питания, наличия динамической погрешности при изменчивости измеряемой температуры из-за термической инерционности датчика.Known temperature meters with resistor sensors in measuring unbalanced bridges [1]. Such meters do not provide high accuracy due to the nonlinearity of the function of converting the increment of the sensor resistance into an output signal, the dependence of the measurement result on the parameters of the bridge and the power source, the presence of dynamic error when the measured temperature varies due to the thermal inertia of the sensor.

Известны способы измерения температуры и коэффициента теплообмена датчиков, со средой (методы Г.Пфрима) с использованием двух датчиков с разными конструктивными параметрами или тепловыми режимами, предусматривающие исключение динамической погрешности измерений [2]. Для реализации этих способов необходимо одновременное измерение мгновенных температур и их производных двух датчиков, мгновенных мощностей нагрева датчиков и выполнение вычислительных операций [3].Known methods for measuring temperature and heat transfer coefficient of sensors with the medium (G. Pfrim’s methods) using two sensors with different design parameters or thermal conditions, providing for the exclusion of dynamic measurement error [2]. To implement these methods, it is necessary to simultaneously measure the instantaneous temperatures and their derivatives of two sensors, the instantaneous powers of heating the sensors and perform computational operations [3].

Известные измерители температуры с двумя датчиками сложны и не в полной мере реализуют эти методы [4].Known temperature meters with two sensors are complex and do not fully implement these methods [4].

Наиболее близким по составу и структуре к предлагаемому устройству, и поэтому выбранный в качестве прототипа, является цифровой измеритель температуры, содержащий источник опорного напряжения, измерительный мост, дифференциальный усилитель, аналого-цифровой преобразователь, причем источник опорного напряжения соединен с генераторами тока в двух плечах измерительного моста, которые образованы двумя образцовыми резисторами, два других плеча образованы третьим образцовым резистором и термопреобразователем сопротивления, а выходная диагональ моста подана на входы дифференциального усилителя, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя [5].The closest in composition and structure to the proposed device, and therefore selected as a prototype, is a digital temperature meter containing a reference voltage source, a measuring bridge, a differential amplifier, an analog-to-digital converter, the reference voltage source being connected to current generators in two arms of the measuring bridges, which are formed by two exemplary resistors, the other two shoulders are formed by the third exemplary resistor and resistance thermal converter, and the output the bridge diagonal is fed to the inputs of a differential amplifier, the output of which is connected to the input of an analog-to-digital converter [5].

Этому устройству также присущи вышеприведенные недостатки. Кроме того, питание моста постоянным напряжением не устраняет возможную паразитную термо-эдс в цепи датчика, а наличие малого полезного сигнала с моста требует использования дифференциального усилителя, что приводит к усилению входных шумов вместе с полезным сигналом.This device also has the above disadvantages. In addition, supplying a bridge with a constant voltage does not eliminate a possible stray thermo-emf in the sensor circuit, and the presence of a small useful signal from the bridge requires the use of a differential amplifier, which leads to an increase in input noise along with a useful signal.

Это устройство также не реализует методы Г. Пфрима по исключению динамической погрешности измерений.This device also does not implement the methods of G. Pfrim to exclude the dynamic measurement error.

Такие признаки прототипа, как наличие резисторного датчика температуры, включенного в измерительный мост с тремя образцовыми резисторами в плечах, вершины которого соединены с выходами источника питания и входами блока преобразования и обработки, совпадают с существенными признаками заявленного изобретения.Such features of the prototype as the presence of a resistor temperature sensor included in the measuring bridge with three model resistors in the shoulders, the vertices of which are connected to the outputs of the power source and the inputs of the conversion and processing unit, coincide with the essential features of the claimed invention.

В основу изобретения поставлена задача создания цифрового измерителя температуры, в котором путем уменьшения динамической погрешности из-за тепловой инерционности датчика, снижения случайной и систематической погрешностей из-за внутренних шумов и "ухода" параметров измерительного моста и блока питания обеспечивается технический результат - повышение точности измерения температуры.The basis of the invention is the task of creating a digital temperature meter, in which by reducing the dynamic error due to the thermal inertia of the sensor, reducing random and systematic errors due to internal noise and "leaving" the parameters of the measuring bridge and the power supply, the technical result is provided - increasing the measurement accuracy temperature.

Поставленная задача решается тем, что в цифровом измерителе температуры, который содержит резисторный датчик температуры, включенный в измерительный мост с тремя образцовыми резисторами в плечах, вершины которого соединены с выходами источника питания и входами блока преобразования и обработки, согласно изобретению мост выполнен так, что содержит второй резисторный датчик температуры и четвертый образцовый резистор и имеет шесть вершин, из которых первая и вторая подключены к выходам источника питания, а четыре другие - к входам блока преобразования и обработки, причем указанное подключение вершин измерительного моста к выходам источника питания и входам блока преобразования и обработки выполнено непосредственно или выполнено дистанционно, при этом первый датчик температуры подключен одним выводом к первой вершине моста, а другим выводом соединен последовательно через третью вершину, первый образцовый резистор, четвертую вершину и второй образцовый резистор со второй вершиной моста, а второй датчик температуры подключен одним выводом ко второй вершине, а другим выводом соединен последовательно через пятую вершину, третий образцовый резистор, шестую вершину и четвертый образцовый резистор с первой вершиной измерительного моста.The problem is solved in that in a digital temperature meter that contains a resistor temperature sensor included in the measuring bridge with three exemplary resistors in the shoulders, the vertices of which are connected to the outputs of the power source and the inputs of the conversion and processing unit, according to the invention, the bridge is configured to contain the second resistor temperature sensor and the fourth model resistor and has six vertices, of which the first and second are connected to the outputs of the power source, and four others to the inputs of the unit transformation and processing, and the specified connection of the vertices of the measuring bridge to the outputs of the power source and the inputs of the conversion and processing unit is performed directly or remotely, while the first temperature sensor is connected with one terminal to the first vertex of the bridge, and the other terminal is connected in series through the third vertex, the first model a resistor, a fourth vertex and a second exemplary resistor with a second vertex of the bridge, and the second temperature sensor is connected by one output to the second vertex, and the other to the output is connected in series through the fifth peak, the third reference resistor, the sixth peak and the fourth reference resistor with the first peak of the measuring bridge.

При этом образцовые резисторы могут быть выполнены переменными и программно управляемыми.In this case, exemplary resistors can be made variable and programmable.

Блок преобразования и обработки может быть выполнен в составе четырех аналого-цифровых преобразователей с дифференциальными входами и микропроцессора, цифровые входы и выходы которого соединены, соответственно, с цифровыми выходами и входами каждого из аналого-цифровых преобразователей, а аналоговые входы аналого-цифровых преобразователей соединены последовательно в кольцо таким образом, что первый вывод входа каждого аналого-цифрового преобразователя соединен со вторым выводом входа другого аналого-цифрового преобразователя и одним из четырех входов блока преобразования и обработки.The conversion and processing unit can be made up of four analog-to-digital converters with differential inputs and a microprocessor, the digital inputs and outputs of which are connected, respectively, to the digital outputs and inputs of each of the analog-to-digital converters, and the analog inputs of the analog-to-digital converters are connected in series in a ring so that the first output terminal of each analog-to-digital converter is connected to the second output terminal of another analog-to-digital converter and one one of the four inputs of the conversion and processing unit.

Блок преобразования и обработки может быть выполнен также в составе коммутатора, аналого-цифрового преобразователя и микропроцессора, вход и выход которого подключены, соответственно, к цифровым выходу и входу аналого-цифрового преобразователя, дифференциальный вход которого подключен к дифференциальному выходу коммутатора, четыре дифференциальных входа которого являются входами блока преобразования и обработки.The conversion and processing unit can also be made as part of a switch, an analog-to-digital converter and a microprocessor, the input and output of which are connected, respectively, to the digital output and the input of the analog-to-digital converter, the differential input of which is connected to the differential output of the switch, four differential inputs of which are the inputs of the conversion and processing unit.

Структурная схема устройства представлена на фигурах 1 и 2, которые иллюстрируют, соответственно, непосредственное или дистанционное расположение измерительного моста.The block diagram of the device is presented in figures 1 and 2, which illustrate, respectively, the direct or remote location of the measuring bridge.

В состав устройства входят измерительный мост ИМ 1, блок преобразования и обработки БПО 2 и источник питания ИП 3. Измерительный мост 1 имеет два входа питания на вершины в1 и в2 и четыре выхода от вершин в3, в4, в5, в6. Входы измерительного моста соединены с выходами источника питания 3 непосредственно (фиг.1) или проводными линиями при дистанционном расположении измерительного моста 1 (фиг. 2). Выходы измерительного моста 1 в6, в4, в5, и в6 поданы на одноименные входы блока преобразования и обработки 2 непосредственно (фиг.1) или через проводные линии при дистанционном расположении измерительного моста 1 (фиг. 2).The device includes an IM 1 measuring bridge, a BPO 2 conversion and processing unit, and an IP 3 power supply. Measuring bridge 1 has two power inputs to the vertices B1 and B2 and four outputs from the vertices B3, B4, B5, B6. The inputs of the measuring bridge are connected to the outputs of the power source 3 directly (Fig. 1) or by wire lines at a remote location of the measuring bridge 1 (Fig. 2). The outputs of the measuring bridge 1 b6, b4, b5, and b6 are fed to the same inputs of the conversion and processing unit 2 directly (Fig. 1) or through wire lines with a remote location of the measuring bridge 1 (Fig. 2).

Измерительный мост 1 состоит из двух ветвей резисторов, включенных параллельно между вершинами в1 и в2, поданными на выходы источника питания. Первая ветвь ИМ образована последовательно включенными первым датчиком температуры

Figure 00000001
вершины в3, первым образцовым резистором R1 вершины в4 и вторым образцовым резистором R2. Вторая ветвь ИМ образована последовательно включенными вторым датчиком температуры
Figure 00000002
, вершиной в5, третьим образцовым резистором R3, вершиной в6 и четвертым образцовым резистором R4.The measuring bridge 1 consists of two branches of resistors connected in parallel between the vertices B1 and B2, supplied to the outputs of the power source. The first branch of the MI is formed by the first temperature sensor connected in series
Figure 00000001
peaks b3, the first exemplary resistor R 1 peaks b4 and the second exemplary resistor R 2 . The second branch of the MI is formed by the second temperature sensor connected in series
Figure 00000002
, peak b5, the third model resistor R 3 , peak b6 and the fourth model resistor R 4 .

Вершины в1 и в2 являются входами ИМ по энергопитанию. Вершины в3, в4, в5, в6 являются выходами ИМ, поданными на одноименные входы блока преобразования и обработки БПО 3.The vertices B1 and B2 are the inputs of the energy supply. The vertices B3, B4, B5, B6 are the outputs of the IM, fed to the inputs of the same name block conversion and processing BPO 3.

Сопротивление четвертого образцового резистора R4 равно сопротивлению первого датчика

Figure 00000003
в нижней точке диапазона измеряемых температур. Это обеспечивает получение напряжения U1 между вершинами ИМ в3 и в6, примерно пропорционального приращению сопротивления первого датчика
Figure 00000003
в диапазоне измеряемых температур.The resistance of the fourth reference resistor R 4 is equal to the resistance of the first sensor
Figure 00000003
at the bottom of the measured temperature range. This provides a voltage U 1 between the vertices of the MI v3 and b6, approximately proportional to the increment of the resistance of the first sensor
Figure 00000003
in the range of measured temperatures.

Сопротивление второго образцового резистора R2 равно сопротивлению второго датчика

Figure 00000004
в нижней точке диапазона измеряемых температур. Это обеспечивает получение напряжения U2 между вершинами ИМ в4 и в5 - примерно пропорционального приращению сопротивления второго датчика
Figure 00000004
в диапазоне измеряемых температур.The resistance of the second reference resistor R 2 is equal to the resistance of the second sensor
Figure 00000004
at the bottom of the measured temperature range. This provides a voltage U 2 between the vertices of the MI v4 and b5 - approximately proportional to the increment of the resistance of the second sensor
Figure 00000004
in the range of measured temperatures.

Сопротивление первого образцового резистора R1 равно максимальному изменению сопротивления первого датчика

Figure 00000003
во всем диапазоне измеряемых температур. Это позволяет получить на вершинах в3 и в4 ИМ напряжение U3, равное максимально возможному приращению напряжения на первом датчике
Figure 00000003
, и определить мгновенное значение рабочего тока через первый датчик
Figure 00000003
.The resistance of the first reference resistor R 1 is equal to the maximum change in resistance of the first sensor
Figure 00000003
over the entire range of measured temperatures. This allows you to get at the peaks B3 and B4 IM voltage U 3 equal to the maximum possible voltage increment on the first sensor
Figure 00000003
, and determine the instantaneous value of the operating current through the first sensor
Figure 00000003
.

Сопротивление третьего образцового резистора R3 равно максимальному изменению сопротивления второго датчика

Figure 00000004
во всем диапазоне измеряемых температур.The resistance of the third reference resistor R 3 is equal to the maximum change in the resistance of the second sensor
Figure 00000004
over the entire range of measured temperatures.

Это позволяет получить на вершинах в5 и в6 ИМ напряжение U4, равное максимально возможному приращению напряжения на втором датчике

Figure 00000004
, и определить мгновенное значение рабочего тока через второй датчик
Figure 00000004
.This allows you to get the voltage U 4 at the vertices b5 and b6 of the IM equal to the maximum possible voltage increment at the second sensor
Figure 00000004
, and determine the instantaneous value of the operating current through the second sensor
Figure 00000004
.

В качестве датчиков температуры

Figure 00000003
и
Figure 00000004
используются термосопротивления медные, никелевые, платиновые или термисторы. Предполагается, что их вольтамперная характеристика линейна.As temperature sensors
Figure 00000003
and
Figure 00000004
thermistors are used copper, nickel, platinum or thermistors. It is assumed that their current-voltage characteristic is linear.

Зависимости сопротивления датчиков от температуры предполагаются известными. Они могут быть линейными (для медных, никелевых и некоторых термисторных датчиков) и нелинейными (для платиновых и термисторных датчиков). Например, для, линейных датчиков эта зависимость имеет видThe temperature dependence of the resistance of the sensors is assumed to be known. They can be linear (for copper, nickel and some thermistor sensors) and non-linear (for platinum and thermistor sensors). For example, for linear sensors, this dependence has the form

Figure 00000005
Figure 00000005

где Rθ - сопротивление датчика при температуре θ,where R θ is the resistance of the sensor at a temperature θ,

R0 - сопротивление датчика при начальной температуре θ0 (нижняя точка диапазона измеряемых температур);R 0 is the resistance of the sensor at an initial temperature θ 0 (lower point of the range of measured temperatures);

α - температурный коэффициент чувствительности. Максимальное сопротивление датчика равно α is the temperature coefficient of sensitivity. The maximum sensor resistance is

Figure 00000006
Figure 00000006

где θm - максимальная измеряемая температура.where θ m is the maximum measured temperature.

Температура датчика определяется по его сопротивлению согласно градуировочной характеристике, которая для линейного датчика имеет видThe temperature of the sensor is determined by its resistance according to the calibration characteristic, which for a linear sensor has the form

Figure 00000007
Figure 00000007

Для напряжений на выходах моста справедливы выраженияFor the voltages at the outputs of the bridge, the expressions

Figure 00000008
Figure 00000008

где I1 и I2 - токи в первой и второй ветвях моста;where I 1 and I 2 are the currents in the first and second branches of the bridge;

Figure 00000003
и
Figure 00000004
- сопротивления первого и второго датчиков;
Figure 00000003
and
Figure 00000004
- resistance of the first and second sensors;

R1, R2, R3 и R4 - сопротивления образцовых резисторов.R 1 , R 2 , R 3 and R 4 - the resistance of the model resistors.

Решение системы уравнений (2) относительно сопротивлений датчиков имеет видThe solution of the system of equations (2) regarding the sensor resistances has the form

Figure 00000009
Figure 00000009

Для мощностей нагрева датчиков справедливоFor the heating capacities of the sensors,

Figure 00000010
Figure 00000010

Поскольку в измерителе учитывается нагрев датчиков рабочим током, то снимаемые с выхода измерительного моста напряжения U3 и U4 могут быть повышены за счет увеличения напряжения питания и, соответственно, токов I1 и I2 до максимальных номинальных входных значений напряжений аналого-цифровых преобразователей (АЦП) без усиления. Напряжения U1 и U2 при этом будут лежать внутри диапазона номинальных входных напряжений АЦП без усиления.Since the meter takes into account the heating of the sensors with a working current, the voltages U 3 and U 4 removed from the output of the measuring bridge can be increased by increasing the supply voltage and, accordingly, the currents I 1 and I 2 to the maximum nominal input voltage values of analog-to-digital converters ( ADC) without amplification. The voltages U 1 and U 2 will lie within the range of the nominal input voltage of the ADC without amplification.

Это исключает необходимость усиления полезного сигнала перед аналого-цифровым преобразованием и, соответственно, снижает уровень шумов на входе аналого-цифрового преобразователя.This eliminates the need to amplify the useful signal before analog-to-digital conversion and, accordingly, reduces the noise level at the input of the analog-to-digital converter.

Блок 2 преобразования и обработки может быть выполнен, как представлено на фиг. 3. Он содержит четыре аналого-цифровых* преобразователя АЦП1 4, АЦП2 5, АЦПЗ 6, АЦП4 7, высокоомные дифференциальные входы которых подключены через входы блока к вершинам измерительного моста для съема, соответственно, напряжений U1, U2, U3 и U4.The conversion and processing unit 2 may be performed as shown in FIG. 3. It contains four analog-to-digital * converters АЦП1 4, АЦП2 5, АЦПЗ 6, АЦП4 7, the high-impedance differential inputs of which are connected through the block inputs to the vertices of the measuring bridge for the removal, respectively, of voltages U 1 , U 2 , U 3 and U 4 .

Для обеспечения одновременности съема напряжений с выхода измерительного моста используются быстродействующие АЦП поразрядного уравновешивания с устройствами выборки-хранения на входе. Если датчики температуры линейные, то возможно использование интегрирующих преобразователей, которые обеспечат определенное сглаживание шумов от переходных тепловых процессов в объемных датчиках.To ensure the simultaneous removal of voltages from the output of the measuring bridge, high-speed ADCs of bitwise balancing with input-storage sampling and storage devices are used. If the temperature sensors are linear, then it is possible to use integrating converters that will provide a certain smoothing of noise from transient thermal processes in volumetric sensors.

Источник питания 3, выходы которого поданы на вершины в1 и в2 измерительного моста, должен обеспечивать достаточную мощность энергопитания моста. Требований к его стабильности по напряжению или току не предъявляется. Желателен малый уровень выходных шумов и пульсаций. Это может быть источник постоянного напряжения или тока.Power source 3, the outputs of which are fed to the peaks b1 and b2 of the measuring bridge, should provide sufficient power for the bridge. Requirements for its stability in voltage or current are not presented. A low level of output noise and ripple is desirable. It can be a constant voltage or current source.

Если предполагается наличие термо-ЭДС в цепях датчиков, то используется источник питания переменного или знакопеременного тока с частотой, достаточной для получения не менее двух последовательных отсчетов аналого-цифровых преобразователей на период.If it is assumed that thermo-EMF is present in the sensor circuits, then an alternating or alternating current power source with a frequency sufficient to obtain at least two consecutive samples of analog-to-digital converters for a period is used.

При необходимости дистанционного размещения датчиков температуры вместе с датчиками размещается весь измерительный мост и входами-выходами шестипроводной линией соединяется с БПО и ИП так, как это показано на фиг. 2. При этом сопротивления проводов не влияют на результат измерений, поскольку сопротивление токовых проводов суммируется с большим внутренним сопротивлением источника (в этом случае целесообразно использовать источник тока), а сопротивление потенциальных проводов (с выходов моста) суммируется с высоким входным сопротивлением АЦП. Измеритель температуры работает следующим образом.If it is necessary to remotely place temperature sensors, along with the sensors, the entire measuring bridge is located and connected to the BPO and IP by the six-wire line inputs and outputs, as shown in FIG. 2. In this case, the wire resistances do not affect the measurement result, since the resistance of the current wires is summed with a large internal resistance of the source (in this case, it is advisable to use a current source), and the resistance of potential wires (from the outputs of the bridge) is summed with a high input resistance of the ADC. The temperature meter operates as follows.

Уравнение теплового баланса i-гo датчика температуры со средой имеет вид [3,4]The heat balance equation of the i-th temperature sensor with the medium has the form [3,4]

Figure 00000011
Figure 00000011

где Pi(t) - мощность нагрева i-го датчика рабочим током;where P i (t) is the heating power of the i-th sensor with a working current;

θi(t) - мгновенная среднеобъемная температура i-го датчика;θ i (t) is the instantaneous volumetric average temperature of the i-th sensor;

Figure 00000012
- мгновенная производная температуры i-го датчика;
Figure 00000012
- instant derivative of the temperature of the i-th sensor;

θс(t) - мгновенная измеряемая температура среды;θ s (t) is the instantaneous measured temperature of the medium;

αi(t) - коэффициент теплообмена i-го датчика со средой (определяется конструктивными параметрами датчика, физическими параметрами среды и скоростью омывающего потока);α i (t) is the heat transfer coefficient of the i-th sensor with the medium (determined by the design parameters of the sensor, the physical parameters of the medium and the speed of the washer flow);

mi, сi, Si - конструктивные параметры i-го датчика (масса, удельная теплоемкость, площадь внешней поверхности теплообмена);m i , с i , S i - design parameters of the i-th sensor (mass, specific heat, external heat exchange surface area);

i=1,2.i = 1,2.

Предполагается, что отношение коэффициентов теплообмена

Figure 00000013
для двух конкретных датчиков постоянно и известно. It is assumed that the ratio of heat transfer coefficients
Figure 00000013
for two specific sensors constantly and is known.

Решение системы уравнений теплового баланса вида (7) для двух датчиков относительно измеряемой температуры внешней среды θс(t) и коэффициента теплообмена αc(t) имеет вид [3]The solution of the system of heat balance equations of the form (7) for two sensors relative to the measured ambient temperature θ c (t) and heat transfer coefficient α c (t) has the form [3]

Figure 00000014
Figure 00000014

Figure 00000015
Figure 00000015

При помещении первого и второго датчиков в среду между датчиками и средой устанавливается тепловой баланс согласно уравнению 7.When the first and second sensors are placed in the medium, the heat balance is established between the sensors and the medium according to equation 7.

По напряжениям U1, U2, U3 и U4, снимаемым с вершин измерительного моста и преобразуемым в цифровой код аналого-цифровыми преобразователями, согласно формулам 5 вычисляются сопротивления первого

Figure 00000003
и второго
Figure 00000004
датчиков.According to the voltages U 1 , U 2 , U 3 and U 4 , taken from the tops of the measuring bridge and converted into digital code by analog-to-digital converters, according to formulas 5, the resistances of the first
Figure 00000003
and second
Figure 00000004
sensors.

По градуировочным характеристикам датчиков и измеренным сопротивлениям

Figure 00000003
и
Figure 00000004
определяются температуры первого θ1(t) и второго θ2(t) датчиков. Для линейных датчиков градуировочной характеристикой является выражение 3. По ряду отсчетов температур θi(t) известным способом (по двум или более отсчетам) определяются производные температур
Figure 00000016
датчиков.According to calibration characteristics of sensors and measured resistances
Figure 00000003
and
Figure 00000004
the temperatures of the first θ 1 (t) and second θ 2 (t) sensors are determined. For linear sensors, the calibration characteristic is expression 3. From a number of temperature readings θ i (t), the derivatives of temperatures are determined in a known manner (from two or more samples)
Figure 00000016
sensors.

По измеренным напряжениям U1, U2, U3 и U4 и известным сопротивлениям образцовых резисторов R1, R2, R3 и R4 согласно выражениям 6 вычисляются мгновенные мощности нагрева первого P1(t) и второго P2(t) датчиков.From the measured voltages U 1 , U 2 , U 3 and U 4 and the known resistances of the model resistors R 1 , R 2 , R 3 and R 4 according to expressions 6, the instantaneous heating powers of the first P 1 (t) and second P 2 (t) are calculated sensors.

Далее по выражениям 8 и 9 вычисляются измеряемая температура среды θс(t) и коэффициенты теплообмена датчиков со средой α1(t) и α2(t)=γα1(t).Then, using expressions 8 and 9, the measured medium temperature θ c (t) and the heat transfer coefficients of the sensors with the medium α 1 (t) and α 2 (t) = γα 1 (t) are calculated.

Все вычислительные операции выполняются в цифровом виде микропроцессором в реальном времени или ЭВМ при апостериорной обработке данных по значениям напряжений с выходов моста.All computational operations are carried out in digital form by a real-time microprocessor or computer with a posteriori processing of data according to the voltage values from the outputs of the bridge.

В последнем случае микропроцессор 8 выполняет функции накопления и хранения данных.In the latter case, the microprocessor 8 performs the functions of accumulating and storing data.

Вычислительные процедуры упрощаются, если датчики идентичны по конструктивным параметрам (m, с, S), но отличаются электрическими режимами нагрева. В этом случаеComputational procedures are simplified if the sensors are identical in design parameters (m, s, S), but differ in electrical heating modes. In this case

Figure 00000017
Figure 00000017

Figure 00000018
Figure 00000018

Таким образом, цифровой измеритель температуры обеспечивает измерение мгновенной температуры среды и мгновенного коэффициента теплообмена датчика со средой, инвариантен к параметрам источника питания, не усиливает собственные шумы измерительного моста и в нем полностью используется динамический диапазон аналого-цифрового преобразователя. Это обеспечивает высокую точность измерения.Thus, a digital temperature meter provides measurement of the instantaneous temperature of the medium and the instantaneous heat transfer coefficient of the sensor with the medium, is invariant to the parameters of the power source, does not amplify the intrinsic noises of the measuring bridge, and it uses the dynamic range of the analog-to-digital converter completely. This ensures high measurement accuracy.

Для повышения гибкости и возможности адаптации измерительного моста к датчикам температуры с различными электрическими параметрами (R0, α) и при изменении диапазона измеряемых температур (θ0, θm) образцовые резисторы R1, R2, R3 и R4 выполняются переменными, необходимые номиналы которых устанавливаются программно микропроцессором.To increase the flexibility and adaptability of the measuring bridge to temperature sensors with various electrical parameters (R 0 , α) and when the range of measured temperatures (θ 0 , θ m ) changes, the model resistors R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are made by variables, the required values of which are set by the microprocessor software.

В случае малой временной изменчивости измеряемой температуры, или большой тепловой инерции датчиков температуры, или очень высокого быстродействия аналого-цифрового преобразователя, для упрощения устройства блок преобразования и обработки выполняют, как представлено на фиг. 4, в составе коммутатора К 9 на четыре дифференциальных входа, выходы которого поданы на дифференциальные входы аналого-цифрового преобразователя АЦП 10, цифровые выходы-входы которого соединены с входами-выходами микропроцессора МП 11. При этом четыре дифференциальных входа коммутатора 9 являются входами блока 2 преобразования и обработки.In the case of a small temporal variability of the measured temperature, or a large thermal inertia of the temperature sensors, or a very high speed analog-to-digital converter, to simplify the device, the conversion and processing unit is performed as shown in FIG. 4, as part of the switch K 9 to four differential inputs, the outputs of which are fed to the differential inputs of the analog-to-digital converter ADC 10, the digital outputs and inputs of which are connected to the inputs and outputs of the microprocessor MP 11. The four differential inputs of the switch 9 are inputs of block 2 conversion and processing.

Источники информации:Information sources:

1. Короткое П.А., Лондон Т.Е. Динамические контактные измерения тепловых величин. - Л.: Машиностроение (Ленинградское отделение). 1974. - 224 с.1. Short P.A., London T.E. Dynamic contact measurements of thermal quantities. - L .: Engineering (Leningrad branch). 1974.- 224 p.

2. Азизов A.M., Гордов А.Н. Точность измерительных преобразователей. - Л.: Энергия. 1975.-256 с.2. Azizov A.M., Gordov A.N. Precision measuring transducers. - L .: Energy. 1975.-256 p.

3. Гайский В.А., Гайский П.В. Анализ способов измерения профиля скорости потока термопрофилемерами // Системы контроля окружающей среды: Сб. науч. тр. / НАН Украины. МГИ. - Севастополь. 2001. - С. 7-22.3. Gaysky V.A., Gaysky P.V. Analysis of methods for measuring the flow velocity profile with thermopilemers // Environmental Monitoring Systems: Sat. scientific tr / NAS of Ukraine. MGI. - Sevastopol. 2001 .-- S. 7-22.

4. Левшина Е.С., Новицкий П.В. Электрические измерения физических величин: (Измерительные преобразователи). Учеб. пособие для вузов. - Л.: Энергоатомиздат. Ленинградское отд-ние, 1983. - 320 с, ил.4. Levshina E.S., Novitsky P.V. Electrical measurements of physical quantities: (Measuring transducers). Textbook manual for universities. - L .: Energoatomizdat. Leningrad branch, 1983.- 320 s, ill.

5. Патент РФ на изобретение № 2072722, 6G01K7/20. Цифровой измеритель температуры. Опубл. В БИ № з, 27.01.97, с.296-297 - прототип.5. RF patent for the invention No. 2072722, 6G01K7 / 20. Digital temperature meter. Publ. In BI No. z, 01/27/97, p.296-297 - a prototype.

Claims (4)

1. Цифровой измеритель температуры, содержащий резисторный датчик температуры, включенный в измерительный мост с тремя образцовыми резисторами в плечах, вершины которого соединены с выходами источника питания и входами блока преобразования и обработки, отличающийся тем, что измерительный мост дополнительно содержит второй резисторный датчик температуры и четвертый образцовый резистор и имеет шесть вершин, из которых первая и вторая подключены к выходам источника питания, а четыре другие подключены к входам блока преобразования и обработки, причем указанное подключение вершин измерительного моста к выходам источника питания и входам блока преобразования и обработки выполнено или непосредственно, или дистанционно, при этом первый датчик температуры подключен одним выводом к первой вершине моста, а другим выводом соединен последовательно через третью вершину, первый образцовый резистор, четвертую вершину и второй образцовый резистор со второй вершиной моста, а второй датчик температуры подключен одним выводом ко второй вершине, а другим выводом соединен последовательно через пятую вершину, третий образцовый резистор, шестую вершину и четвертый образцовый резистор с первой вершиной измерительного моста.1. A digital temperature meter containing a resistor temperature sensor included in the measuring bridge with three model resistors in the shoulders, the vertices of which are connected to the outputs of the power source and the inputs of the conversion and processing unit, characterized in that the measuring bridge further comprises a second temperature sensor and a fourth a model resistor and has six vertices, of which the first and second are connected to the outputs of the power source, and four others are connected to the inputs of the conversion unit and the image bots, and the specified connection of the vertices of the measuring bridge to the outputs of the power source and the inputs of the conversion and processing unit is made either directly or remotely, while the first temperature sensor is connected with one terminal to the first vertex of the bridge, and the other terminal is connected in series through the third vertex, the first model resistor , the fourth vertex and the second model resistor with the second vertex of the bridge, and the second temperature sensor is connected by one terminal to the second peak, and the other terminal is connected flax through fifth vertex exemplary third resistor, the fourth and the sixth vertex exemplary resistor with a first vertex of the measuring bridge. 2. Измеритель по п. 1, отличающийся тем, что образцовые резисторы выполнены переменными и программно управляемыми.2. The meter according to claim 1, characterized in that the model resistors are made variable and programmable. 3. Измеритель по п. 1 или 2, отличающийся тем, что блок преобразования и обработки выполнен в составе четырех аналого-цифровых преобразователей с дифференциальными входами и микропроцессора, входы и выходы которого подключены соответственно к цифровым выходам и цифровым входам каждого из аналого-цифровых преобразователей, при этом аналоговые входы аналого-цифровых преобразователей соединены последовательно в кольцо таким образом, что первый вывод входа каждого аналого-цифрового преобразователя соединен со вторым выводом входа другого аналого-цифрового преобразователя и одним из четырех входов блока преобразования и обработки.3. The meter according to claim 1 or 2, characterized in that the conversion and processing unit is composed of four analog-to-digital converters with differential inputs and a microprocessor, the inputs and outputs of which are connected respectively to the digital outputs and digital inputs of each of the analog-to-digital converters wherein the analog inputs of the analog-to-digital converters are connected in series in a ring so that the first output terminal of each analog-to-digital converter is connected to the second input terminal of the other analog-to-digital converter and one of the four inputs of the conversion and processing unit. 4. Измеритель по п. 1 или 2, отличающийся тем, что блок преобразования и обработки выполнен в составе коммутатора, аналого-цифрового преобразователя и микропроцессора, вход и выход которого подключены соответственно к цифровым выходу и входу аналого-цифрового преобразователя, дифференциальный вход которого подключен к дифференциальному выходу коммутатора, четыре дифференциальных входа которого являются входами блока преобразования и обработки. 4. The meter according to claim 1 or 2, characterized in that the conversion and processing unit is composed of a switch, an analog-to-digital converter and a microprocessor, the input and output of which are connected respectively to the digital output and the input of the analog-to-digital converter, the differential input of which is connected to the differential output of the switch, the four differential inputs of which are the inputs of the conversion and processing unit.
RU2014151928/93A 2014-12-18 2014-12-18 Digital temperature meter RU2549255C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014151928/93A RU2549255C1 (en) 2014-12-18 2014-12-18 Digital temperature meter

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014151928/93A RU2549255C1 (en) 2014-12-18 2014-12-18 Digital temperature meter

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2549255C1 true RU2549255C1 (en) 2015-04-20

Family

ID=53289638

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2014151928/93A RU2549255C1 (en) 2014-12-18 2014-12-18 Digital temperature meter

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2549255C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2697050C1 (en) * 2016-05-27 2019-08-09 Ниссан Мотор Ко., Лтд. Method of detecting temperature deviation for an energy conversion device and a temperature deviation detection device for an energy conversion device

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2697050C1 (en) * 2016-05-27 2019-08-09 Ниссан Мотор Ко., Лтд. Method of detecting temperature deviation for an energy conversion device and a temperature deviation detection device for an energy conversion device

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Nagarajan et al. Improved single-element resistive sensor-to-microcontroller interface
ES2705433T3 (en) Method for temperature drift compensation of temperature measurement device using thermocouple
Nenova et al. Linearization circuit of the thermistor connection
CN110441604B (en) Circuit and method for accurately measuring resistance in Wheatstone bridge by using computer
CN203929268U (en) A kind of multichannel temperature measuring system
CN105784176B (en) A kind of temperature measurement system and measuring method based on platinum resistance
KR101375363B1 (en) Apparatus for measuring temperature using thermistor
Murmu et al. A synergy of voltage-to-frequency converter and continued-fraction algorithm for processing thermocouple signals
Găşpăresc Development of a low-cost system for temperature monitoring
CN107132417A (en) A kind of precision resister measuring method of reactive circuit parameter drift
CN105277292A (en) Temperature measurement device
RU2549255C1 (en) Digital temperature meter
CN106526499B (en) High-stability current source assessment method and system
US11340272B2 (en) Apparatus and method for determining a power value of a target
RU2677786C1 (en) Temperature meter and method of measurement
Arunachalam et al. Embedded temperature monitoring and control unit
Alsnaie et al. Study and Design of a Multi-range Programmable Sensor for Temperature Measurement
CN206695925U (en) A kind of multichannel RTD thermal resistance measurement modules
RU2372592C2 (en) Temperature measuring device which is standard resistor equivalent and method realised in said device
RU2586084C1 (en) Multi-channel converter of resistance of resistive sensors into voltage
CN210346947U (en) Temperature simulation measuring device
CN110967548B (en) Program-controlled variable resistor device with current detection function and working method
Engin et al. Compensation of thermocouple nonlinearities with embedded system
Cvitaš et al. Increasing accuracy of temperature measurement based on adaptive algorithm for microcontroller transmitter
JP3937364B2 (en) Voltage / resistance generator

Legal Events

Date Code Title Description
PD4A Correction of name of patent owner
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20190525