SU1229600A1 - Устройство дл измерени температуры - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к термометрии и может быть использовано при научных исследовани х дл  проведени  .высокоточных измерений при большой интенсивности помех промышленной частоты . Цель изобретени  - повьппенйе помехозащищенности и точности устройства . Устройство содержит термопреобразователь 1 сопротивлени ,блок образцовых резисторов 2, источник 3 тока, коммутатор 4, аналого-цифровой преобразователь 5 двухтактного интегрировани , микропроцессор 9, генератор 8 импульсов, запоминающее устройство 11 и блок 12 индикации. В устройств введены программируемые счетчики 6 и 7 и формирователь ТО. Введение новых элементов и образование новых св зей между элементами устройства позвол ют произвести подстройку времени интегрировани  входного сигнала в аналого-цифровом преобразователе под период сетевого напр жени  с последующей автоматической калибровкой. 4 ил. (Л .. Ч //7 Ко Сриг.1

Description

Изобретение относитс  к термометрии и может быть использовано в различных отрасл х промьгашенности, а также при научных исследовани х дл  проведени  высокоточных измерений при большой интенсивности помех промышленной частоты.

Цель изобретени  - повышение помехозащищенности и точности устройства за счет подстройки времени интегрировани  входного сигнала в аналого-цифровом преобразователе под период сетевого напр жени  с последующей автоматической калибровкой устройства.

На фиг. 1 приведена блок-схема устройстваJ на фиг. 2 - структурна  схема устройства, выполненного на базе микропроцессорного комплекта; на фиг. 3 - временные диаграммы работы счетчиков; на фиг. 4 - структурна  схема и временные диаграммы работы интегрирующего АЦП.

Устройство содержит термопреобразователь 1 сопротивлени , блок образцовых резисторов 2, источник 3 тока , . коммутатор 4, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 5 двухтактного интегрировани , программируемые счетчики 6 и 7, генератор 8 импульсов , микропроцессор (МП) 9, формирователь 10, запоминающее устройство (ЗУ) 11 и блок 12 индикации.

Устройство работает следующим образом.

При включении прибора МП 9 производит программирование счетчиков 6 и 7 и начальную установку счетчика 7 путем загрузки в них соответствующих управл ющих слов. Счетчик 6 устанавливаетс  в режим делени  на заданный коэффициент опорной частоты подаваемой на его тактовый вход,счетчик 7 - в режим подсчета числа импульсов опорной частоты, подаваемой на его тактовый вход, за врем  действи  разрешающего сигнала высокого уровн  на его управл ющем входе. В данном режиме работы положительньм фронтом разрешающего сигнала производитс  установка счетчика в начгшь- ное состо ние и запуск процесса счета импульсов. Отрицательным фронтом управл ющего сигнала счет импульсов останавливаетс , и счетчик переходи в режим хранени  накопленной информации .

Цикл работы прибора включает такты измерени  периода сетевого напр 296002

жени , формировани  управл ющего сигнгала длительностью, равной периоду сети в,момент ее измерени , и задающего длительность времени ин5 тегрировани  измер емого сигнала в АЦП 5 двухтактного интегрировани , такты измерени  сопротивлени  образ- цовьп: резисторов R, Ry из блока резисторов 2, а также определенное ко10 личество тактов измерени  температуры.

Цикл работы прибора начинаетс  с такта измерени  периода сетевого на- пр ж€ ни . На вход формировател  10 подаетс  напр жение сети. Последова15 тельность пр моугольных импульсов длительностью, равной периоду сети If., и скважностью 2, вырабатываема  формирователем 10, подаетс  на управл ющий рход программируемого счет20 чика 7. При высоком уровне сигнала на управл ющем входе в течение первого полупериода выходного сигнала формировател  10 в счетчике 7 осу- П1ествл етс  подсчет числа импульсов

25 опорной частоты f, подведенной к его тактовому входу с выхода генератора 8 импульсов. Б течение второго полупериода выходного напр жени  формировател , при низком уровне сигнаЗд ла на управл ющем входе счетчика 7, счет импульсов прекращаетс . Код А f .J TU , накопленный в счетчике 7 за первый полупериод управл ющего сигнала, сохран етс  в нем до конца второго полупериода .

Момент окончани  цикла измерени  периода сети счетчиком 7 определ етс  программным путем. Дл  этого МП 9 два раза считывает содержимое счетчика 7 и сравнивает между собой эти значени . Этот процесс циклически продолжаетс  до тех пор, пока считанные коды не окажутс  равными между собой, что будет свидетельствовать о том, что счет импульсов завершен и счетчик находитс  в состо нии хранени  накопленной информации.

35

40

5

Далее следует такт формировани  управл ющего сигнала АЦП. Код Ag,

Ю

считанный из счетчика 7, умножаетс 

МП 9 на два и загружаетс  в программируемый счетчик 6. На выходе последнего 6 вьфабатываетс  периодическа  последовательность пр моугольных им- пульсов со скважностью 2, период Т которых в 2 А раз больше периода сигнала опорной частоты f, поступающей на тактовый вход счетчика 6

T, 2A.f

.-r- 2T, . (1)

Последовательность выходных импульсов счетчика 6 длительностью Т,,

равной периоду сети 1 -s-T Т ,

и периодом, равным 2Т, используетс  дл  управлени  АЦП 5 двухтактного интегрировани . При этом в течение первого полупериода управл ющего сигнала с выхода счетчика 6 в АЦП осуществл етс  интегрирование измер емого напр жени , в течение второго полупериода - интегрирование опорного напр жени  до момента равенства нулю выходного напр жени  интегратора и удержание /1нтегратора в нулевом состо нии до начала очередного цикла, преобразовани  АЦП.

После такта формировани  управл ющего сигнала АЦП следует два такта измерени  сопротивлени  образцовых резисторов. По команде МП 9 коммутатор 4 последовательно подключает к входу АЦП 5 образцовые резисторы R и Rj из блока резисторов 2. Выходной код АЦП при этом определ етс  выражени ми

(2)

N, I-S.R, +

N,

I-S-R. + Н„;

(3)

2 - 2 где I - ток источника тока

S - коэффициент преобразовани 

АЦП,

NO - выходной код АЦП, соответствующий смещению его нулевого уровн ,

В такте измерени  # входу АЦП 5 подключаетс  термопреобразователь 1 сопротивлени , код N на выходе АЦП при этом определ етс  выражением

N I.S-R -н N,(4)

где R - сопротивление датчика при

измер емой температуре. По результатам измерени  Rj, R и Rj, МП 9 производит вычисление значени  сопротивлени  термопреобразовател  по формуле

R

(NX-N, )(R;-R,) ,

(N.-Nj

(5)

и далее по функции, аппроксимирующей обратную характеристику датчика Т f(Rj.) вычисл ют-измеренное значение температуры. Подставл   в выражение (5) значени  N,, N и NX из вы296004

ражений (2) - (4), можно убедитьс , что результат измерени  R не зависит от величины тока питани  I датчика, смещени  нулевого уровн 

J Ng АЦП и коэффициента преобразовани  S АЦП. Таким образом, подстройка времени интегрировани  АЦП под период сети обеспечивает высокую помехоустойчивость устройства при из1Q менении частоты сети в широких пределах , а последующа  автоматическа  калибровка исключает зависимость результата измерени  от значени  коэффициента преобразовани  АЦП, измеJC н ющегос  при подстройке длительности времени интегрировани . Цикл работы устройства может включать несколько последовательных тактов измерени  R. Изменение частоты сети между двум  соседними тактами подстройки длительности времени интегрировани  приводит лишь к некоторому ухудшению помехозащищенности устройства и не сказываетс  на погрешности преобразовани .

Коэффициент подавлени  помехи нормального вида в интегрирующих АЦП определ етс  выражением

Кп - - 20 Ig,, 0 где у , - Ьтн

20

5

осительное отклонение времени интегрировани  входного сигнала от периода помехи .

Поскольку Тц Aj/fg, то погреш- 35 ность формировани  интервала интегрировани  J, равна погрешности измерени  периода сети счетчиком 2

40

V V, АА 1

0(i A-j f о Т

о

При максимально допустимой тактовой

частоте счетчиков f.

2 мГц коэффициент подавлени  помехи нормально- го вида составл ет 90 дБ, тогда как

коэффициент помехоподавлени  интег- рирующих АЦП без подстройки времени интегрировани  составл ет всего 40 дБ при отклонении частоты сети на 1% от нормального значени .

Практически устройство может быть выполнено (фиг. 2) на базе МП-комплекта , наиболее обеспеченного периферийными элементами, необходимыми , дл  построени  МП-систем. В качестве счетчиков 6 и 7 (фиг. 1) наиболее эффективно применение программируемого таймера 13, включакндего в себ  три независимых шестнадцатиразр дных вычитающих счетчика (0,1,2) с программированием режимов их работы

Сопр жение таймера с микропроцессорной системой осуществл етс  через шины данных (Д), управлени  (У) и адреса (А), подключаемые к одноименным шинам МП-системы. Установка одного из шести возможных режимов работы , а также ввод и вывод информации из счетчиков таймера осуществл ютс  по двунаправленной шине данных.После загрузки в счетчик таймера управл ющего слова, определ ющего режим его работы, и ввода начального значени  счета работа счетчика управл етс  двум  внешними сигналами. На тактовый вход счетчика подаетс  сигнал от генератора 8 импульсов. По отри- дательному фронту этих импульсов содержимое счетчиков уменьшаетс  на единицу. Прием тактовых импульсов в счетчик стробируетс  сигналом, подаваемым на его управл ющий вход.При единичном значении сигнала на этом входе разрешаетс  счет импульсов, при нулевом - запрещаетс . Каждый счетчик таймера, кроме того, имеет выход. Содержимое счетчиков может быть считано из них по шине данных в любой момент времени, даже в процессе счета.

В предлагаемом устройстве счетчик 7 таймера устанавливаетс  во 2-й режим и используетс  дл  измерени  периода сети путем подсчета числа импульсов опорной частоты, поступающей на его тактовый вход, в течение времени действи , разрешающего единичный сигнал на управл ющем входе.

Вывод информации из МП-системы на индикацию и управление коммутатором осуществл етс  с помощью БИС программируемого параллельного интерфейса (ППИ) 14.

При работе во 2-м режиме на тактовый вход ТИ счетчика подаетс  опорна  частота f,, от генератора импульсов (фиг. За). После загрузки начального значени  п (фиг. 3R , ) и подачи единичного сигнала на управл ющий вход Р (фиг. 3 Б), начинаетс  счет импульсов. При этом отрицательным фронтом-тактового импульса содержимое счетчика п; уменьшаетс  на единицу (фиг. 32 ). Выход счетчика (фиг. Зг ) принимает нулевое значение в течение одного период тактовых импульсов, а период Т выходных импульсов счетчика составл ет п периодов опорной частоты f . При нулевом сигнале на управл ющем входе в 5 течение времени ut, (фиг. 36 ) счет импульсов останавливаетс , в накопленный код сохран етс  в счетчике. При повторной подаче на управл ющий вход Р единичного уровн  счетчик ав0 томатически, за счет своих внутренних цепей, перезагружаетс  и счет импульсов начинаетс  от начального значени  п.

На управл ющий вход счетчика 7

5 подаетс  последовательность пр моугольных импульсов длительностью, равной периоду сети Т, и скважностью 2, с выхода формировател  10 импульсов (фиг. 3 ,е ), на тактовый вход0 опорна  частота f с генератора 8 импульсов . После загрузки в счетчик начального значени  счета (фиг.З) п 2 - 1 и с поступлением единичного сигнала на управл ющий вход Р2 (фиг. Зе ) начинаетс  счет импульсов. За интервал времени ity Т(. 20 мс содержимое п; с -1етчика уменьшаетс  на величину

А f Т г а 0

С целью уменьшени  погрешности дискретности при измерении периода сети желательно тактовую частоту f выбирать равной 2 МГц, т.е. равной максимальной рабочей частоте счетчиков . При этом за перивд сети содержимое: счетчика уменьшаетс  на величину Aj 40-10 . Поскольку п

5

0

. 2 1 А,

то за период сети пе

реполнени  счетчика не произойдет, поэтому выходной сигнал (фиг. 3) счетчика (он в данном случае нигде не используетс ) не принимает нулевого значени . По окончании цикла измерени  периода сети в интервале времени it при нулевом сигнале на управл ющем входе Р2 в счетчике будет хранитьс  код п, п - А. По- скол1 ку начальное значение счета выбрано равным 2 - 1, что соответствует установке всех шестнадцати разр дов счетчика в единицу, а сам счетчик  вл етс  вычитающим, то его содержимое п; п - А будет равно обратному коду числа А и может быть преобразовано в пр мой код операцией инвертировани  в МП. В начале следующего периода сети в интервале времени ut счетчик перегружает в себ  начальное значение счета п с помощью

своих внутренних цепей управлени , и описанный процесс измерени  повтор етс  .

Момент окончани  цикла измерени  периода сети в счетчике 7 определ етс  програь4мным путем.

Обратный код числа А, соответствующий периоду сети, считываетс  МП 9 из счетчика 7, инвертируетс , умножаетс  на два и загружаетс  в счетчик 6, установленный предварительно в 3-й режим. Работа с.четчика в указанном режиме аналогична работе его во 2-м режиме за тем исключением, что выходной сигнал счетчика в течение первой половины полупериода находитс  в единичном состо нии, в течение второй - в нулевом. На выходе счетчика вырабатываетс  последова- тельность пр моугольных импульсов со скважностью 2, период Т, которых в введенное число раз больше периода опорной частоты тактовый вход.

fg, поданной на его

Т, 2 .

2 Т.

Выходные импульсы TU счетчика 6 (фиг. 3 к ) длительностью Т j

используютс  дл  задани  длительности первого такта интегрировани  АЦП.

В устройстве используетс  интегрирующий АЦП, работа которого управл етс  выходным сигналом счетчика 6. АЦП (фиг. 4) содержит переключатель 15, интегратор 16, усилитель 17, триггер 18, инверторы 19 и 20, схему И 21 и счетчик 22, в качестве которого может быть использован таймер 13. Счетчик 6 вырабатывает (фиг. 3 к) периодическую последовательность импульсов длительностью, равной периоду сети, и скважностью 2. Поэтому цикл преобразовани  А1Ш должен заканчиватьс  за один период .управл ющего сигнала. При зтом в течение первого полупериода управл ющего напр жени  производитс  интегрирование измер емого сигнала U, в течение второго полупериода - считывание интеграла до нул  опорным напр жением Ug и удержание интегратора в нулевом состо нии до начала следующего цикла преобразовани .Удержание интегратора в нуле осуществл етс  выходным сигналом триггера, устанавливающегос  в единичное состо ние в интервале времени между двум  циклами измерени . Преобразование информативного сигнала Т,, снимаемого с выхода схемы совпадени , в код и ввод информации в МП наиболее эффективно осуществл ть с помощью счетчика (3) таймера, работа которого

аналогична работе счетчика 7, изме- р ющего период сети. В примере практического выполнени  предлагаемого устройства (фиг. 2) показан АЦП,где щиротно-модулированный сигнал с выхода интегрирующего врем импульсного преобразовала ел  АДП 5 преобразуетс  в код и вводитс  в МП посредством счетчика (0) таймера 13.

Микропроцессор 9 должен содержать

центральный процессорный элемент, генератор тактовых импульсов и системный контроллер. Схема включени  этих элементов стандартна, они образуют так называемый микропроцессорный контроллер, в соответствии с инструкцией по применению МП-комплекта .

Ниже приведены операции, осуществл емые МП 9, а также посредством элементов МП-системы, расположенные в пор дке их выполнени .

0. Включение питани , установка счетчика команд МП в нулевое состо - ние.

1 . Установка режимов работы счет-- чиков 6 и 7 таймера, загрузка начального значени  счета в счетчик 7.

2.Установка программного счетчика (организуемого ffl 9 в ЗУ 11) числа циклов измерени  температуры между двум  соседними циклами подстройки частоты и автокалибровки.

3.Определение момента готовности результата измерени  периода сети в счетчике 7.

4.Формирование управл ющего сигнала АЦП - загрузка А2 в счетчик 6.

5.Выдача МП 9 управл ющего сигнала на коммутатор дл  подключени  первого образцового резистора R к входу АЦП.

6.Программна  задержка, необходима  дл  окончани  переходных процессов в устройстве.

7.Считывание результата измере- ни  R, в МП 9.

8.Выдача управл ющего сигнала

на коммутатор - подключение 2 к входу АЦП.

9.Программна  задержка.

10.Считывание результата измерени  Ri в МП 9. .

11.Выдача управл ющего сигнала на коммутатор - подключение датчика температуры к входу АЦП.

12.Программна  задержка.

13.Считывание, результата измерени  сопротивлени  датчика R в МП 9.

14.Обработка информации - вычисление ск.орректированного значени  Rf(t линеаризации характеристики, выход результата на индикацию.

15.Уменьшение содержимого программного счетчика циклов измерени  температуры на единицу, анализ содержимого счетчика.

16.Выполнение очередного цикла измерени  температуры путем перехода к п. 13, если содержимое счетчика

;циклов не равно нулю.

17.Выполнение цикла подстройки под сеть и автокалибровки путем перехода к п. 2, если содержимое счетчика циклов не равно нулю.

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Устройство дл  измерени  температуры , содержащее коммутатор, входы которого соединены с термопреобразователем сопротивлени  и блоком образцовых резисторов, подключенных к источнику тока, а выход соединен с первым входом аналого-цифрового преобразовател , второй вход которого соединен с выходом генератора импульсов, а выход подключен к первому входу микропроцессора, второй вход которого соединен с запоминающим устройством, а выходы подключены к управл ющим входам коммутатора и блока индикации, отличающее с   тем, что, с целью повьппени  помехозащищенности и точности устройства за счет подстройки времени интегрировани  входного сигнала в аналого-цифровом преобразователе под

   период сетевого напр жени , в него введены формирователь и два програм- мируемь:1х счетчика, тактовые входы которых соединены с выходом генератора импульсов, выходы соответственно подключены к управл ющему входу аналого-цифрового преобразовател  и третьему входу микропроцессора, а входы соответственно соединены с третьим выходом микропроцессора и

   выходом формировател , вход которого подключен к питающей сети.

   ф1/г.

   iriJiJixu4jTnjijajnjn«ru

   f

   - .

   л w/

   РП i

   iVX-vtf

   t/,/fj:

   ./f-JT

   /

   jf.Uf.jJL

   fff jf.t fi.i -.-.-.,

   ь4Щ1

   П,изГ118

   /J J

   t f. J ;;: иI P

   I / I

   V- b/ , |г

   r

   л//П -1

   .

   H

   ВНИИПИ Заказ 2444/41 Тираж 778

   Произв.-полигр. пр-тие

   Подписное

   г. Ужгород, ул. Проектна , 4