SU907402A1 - Устройство дл измерени температуры - Google Patents

Description

(5) УСТРОЙ(ТВО дл  ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

1

Изобретение относитс  к температурным измерени м, а именно к цифровым измерител м температуры, и может быть использовано в электротермометрах .

Известно цифровое устройство дл  измерени  температуры, содержащее термопреобразователь сопротивлени , аналого-цифровой преобразователь, генератор импульсов, формирователь временных интервалов, схему сравнени , два счетчика и индикатор.

Это устройство дает возможность корректировать нелинейность первичного преобразовател  при измерении 11.

Однако зависимость параметров этого устройства от дестабилизирующих факторов, например, изменени  температуры внешней , существенно увеличивает погрешность проводимых измерений, уменьшение которой в этом случае требует стабилизации параметров генератора, аналого-цифрового преобразовател  и проведени 

периодического контрол  и коррекции. При этом достижение заданной точности св зано с трудностью выбора параметров устройства, в св зи с тем, что большинство термопреобразователей сопротивлени  имеют весьма существенный разброс характеристик.

Погрешность линеаризации измерител  определ етс  величиной дискретности преобразовател , т. е., в конеч10 ном итоге, объемом и быстродействием счетчиков что приводит к применению цифровых элементов с большой частотой переключени  и к увеличению числа счётчиков, а это св зано с усложнени15 ем устройства и повышением потребл емой мощности от источника питани .

Известен также цифровой измеритель температуры, содержащий термометр сопротивлени , подключенный к перво20 му входу операционного усилител , ко второму еходу и выходу которого подключен эталонный резистор, соединенные последовательно интегратор, нуль орган, формирователь временных интер валов, логическуюсхему,счетчик импульсов и генератор импульсов, вход которого соединен с выходом интегра тора , а выход - с одним из входов логической схемы. Измеритель температуры позвол ет уменьшить погрешность измерени  путем исключени  вли ни  нестабильнос ти характеристик усилител  и генера тора импульсов 2 , Однако на погрешность измерений оказывает вли ние нестабильность ге нераторов тока, в случае использова ни  прибора в широком диапазоне тем ператур рабочих условий применени . Кроме этого, измеритель обеспечивае линеаризацию характеристики термопре образовател , зависимость величины сопротивлени  которого от температу описываетс  функцией, представл емо трем  членами степенного р да: R RO(I At + Bt }, где RO - значение сопротивлени  при 0°С; А и В - посто нные значени , завис щие от конструкции термопреобразовател . Это не позвол ет примен ть измеритель при использовании термопреобразователей сопротивлени , имеющих экспоненциальную зависимость величины сопротивлени  от температуры, на пример, терморезисторов. Из известных устройств дл  измере ни  температуры наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату  вл етс  устройство, содержащее триггер, один из входов которого подсоединен к генератору тактовых импульсов, а другой - к блоку сравнени , выход триггера соединен с транзисторным ключом и одним из входов селектора, другой вход которо го подключен к генератору стандартной частоты, а выход к счетчику им пульсов. Нагрузкой ключа  вл етс  измерительна  цепь, состо ща  из раз р дного сопротивлени , термопреобразовател  сопротивлени , образцового конденсатора и шунтирующего его резистора ,о Импульсы генератора стандартной частоты, несущие информацию об измер емой температуре, поступают на вхо суммирующего счетчика за врем  зар да образцового конденсатора до определенного напр жени  через термопреобразователь сопротивлени  и шунтирующий резистор З . В этом устройстве погрешность, вызванна  нелинейностью чувствительного элемента первичного преобразовател , компенсируетс  тем, что параллельно ему и конденсатору включён разр дный резистор, а конденсатор, кроме этого, зашунтирован другим резистором. Разр дный и шунтирующий резисторы оказывают вли ние на врем  зар да конденсатора, т. е. на длительность интервала времени, в течение которого происходит заполнение счетчика импульсами стандартной частоты , что дает возможность несколько уменьшить погрешность измерений, св занную с нелинейностью характеристики первичного преобразовател . Однако приведенна  погрешность измерений, даже при тщательном подборе параметров зар дной цепи, в диапазоне в несколько дес тков градусов составл ет величину пор дка 2% и растет с расширением диапазона измерений. При работе устройства в широком интервале температур внешней среды погрешность проводимых измерений зависит от стабильности параметров генератора стандартной частоты, транзисторного ключа и напр жени  питани , Дл  проведени  более точных измерений необходимо жестко стабилизировать параметры и напр жение узлов, что приводит к дополнительному расходу энергии источников питани  и существенному усложнению схемотехнического решени  . Все это не позвол ет использовать данное устройство дл  измерений с малой погрешностью в широком диапазоне рабочих температур. Цель изобретени  - повышение точности измерений. Указанна  цель достигаетс  тем, что в известное устройство дл  измерени  температуры, содержащее термопреобразователь сопротиалени , соединенный с посто нным резистором, транзисторным ключом и источником питани , счетчик импульсоз, соединенный с генератором опорной частоты через селектор, подключенный к триггеру , входы которого соединены с генератором тактов и блоком сравнени , дополнительно введены два эталонных делител  напр жени , два транзисторных ключа, функциональный преобразователь , распределитель импульсов, счетчик импульсов, формирователь импульсов коррекции и интегратор, управл ющий генератором опорной частоты и соединенный с формирователем импульсов коррекции, св танным с выходами триггера и второго см тчика, вход которого подключен к вых.. ду селектора , а другие выходы соед шны с распределителем импульсов, управл ющим работой функционального преобразовател , соединенного выходом со вторым входом блока сравнени , на первый вход которого подключаютс  сигналы с эталонных делителей напр жени  и термопреобразовател  сопротивлени  через транзисторные ключи, переключаемые генератором тактов, соединенным с формирователем импульсов коррекции и функциональным преобразователем . Но выходе функционального преобразовател  формируетс  функци , алпроксимироваина  набором экспонент. Введение дополнительных блоков и установление новых функциональных св зей в устройстве позвол ет провес ти линеаризацию характеристики термопреобразовател  сопротивлени  путе сравнени  выходной величины первичного преобразовател  с выходной величиной функционального преобразовател , измен ющейс  во времени так же как характеристика первичного преобразовател  измен етс  от температуры Заданна  характеристика функционального преобразовател  измен етс  во времени между пусковым моментом и моментом, когда выходное значение ее совпадает со значением характеристик примененного термопреобразовател , соответствующим измер емой температу ре. Перед каждым измерением, предварительно осуществл етс  калибровка измерительной цепи устройства по эталонным резисторам. Все это уменьшает погрешности измерени , св занны . с нелинейностью характеристики первичного преобразовател  и нестабильностью параметров блоков устройства в рабочих услови х применени . Выходна  характеристика функционального преобразовател  реализуетс  с помощью измен ющей во времени свои параметры цепи разр да или зар да конденсатора посто нной емкости. При этом, использу  распределитель импульсов и второй счетчик, выходную характеристику функционального преобразовател  с необходимой точностью можно приблизить к виду выходной характеристики примененного термопреобразовател  сопротивлени . На фиг. 1 представлена блок-схема устройства дл  измерени  температуры; на фиг. 2 - диаграмма временной последовательности сигналов. Устройство дл  измерени  температуры содержит посто нный резистор 1, термопреобразователь 2 сопротивлени , эталонные делители 3 и напр жени , транзисторные ключи 5. 6, 7, блок 8 .сравнени , функциональный преобразователь 9 генератор 10 тактов, триггер 11, распределитель 12 импульсов, селектор 13, первый счетчик Т, формирователь 15 импульсов коррекции, второй счетчик 16, генератор 17 опорной частоты, интегратор 18, источник питани  {не показан) (фиг.1). Термопреобразователь сопротивлени  например, терморезистор 2, установлен в точке, где следует измерить температуру . Делители 3 и содержат эталонные резисторы высокой стабильности . Величины сопротивлений нижних резисторов делителей напр жени  равны величинам сопротивлени  примененного в устройстве первичного преобразовател  при температурах, близких к на чалу и концу диапазона измерений, например, при и соответственно . Резистор 1 и вторые резисторы делителей 3 и ) напр жени  должны быть равные по величине и обладать стабильными параметрами. Эти резисторы соединены с источником питающего напр жени  и величина их выбираетс  такой, чтобы не получить погрешности при измерении от самонагрева первичного преобразовател . Устройство предусматривает выполн емые последовательно два режима работы - режим автоматической калибровки измерительной цепи и режим измерени . В режиме калибровки в начальный момент времени t (фиг. 2) все узлы устройства устанавливаютс  в исходное состо ние сигналом с генератора 10 тактов. Селектор 13 в этом состо нии запрещает поступление импульсов генератора 17 опорной частоты на входы обоих счетчиков 1, 16. В этот же момент времени открываетс  ключ 6 (фиг. 26), обеспечивающий передачу напр жени  с делител  3 соответствующего величине сопротивлени  первичного преобразовател  при 0°С (фиг, 2г, Ио), на первый вход блока 8 сравнени . На втором входе блока 8 сравнени  постепенно устанавливаетс  выходное напр жение функционального преобразовател  9 (фиг, 2г). С момента tj этот процесс , в случае применени  в качестве первичного преобразовател  терморезистора , св зан с зар дом конденсатора посто нной емкости функционального преобразовател  9 (фиг, 2г) Процесс установлени  напр жени  на выходе функционального преобразовател  9, т, е. зар д емкости, протекает до тех пор, пока выходное напр жение не сравн етс  с напр жением , передаваемым с делител  3. В

передаваемым с момент времени t, на выходе блока

8 сравнени  по вл етс  сигнал, свидетельствующий о моменте равенства входных напр жений (фиг, 2д). Сигнал с выхода блока 8 сравнени  поступает на вход триггера 11 и устанавливает его в состо ние, противоположное исходному. По совпадению переднего фронта сигнала с выхода триггера. 11 и сигнала, соответствующего режиму калибровки с генератора 10 тактов, селектор 13 открывает доступ импульсов опорного генератора на счетчик 1. Одновременно генератор 10 тактов закрывает ключ 6 (фиг. 26) и открывает ключ 7 (фиг, 2

Выход счетчика И св зан с распределителем 12 импульсов и формирователем 15 импульсов коррекции. Распределитель 12 импульсов в параллельном позиционном коде вырабатывает последовательность импульсов, управл ющих работой функционального преобразовател  9 осуществл  ощего аппроксимаци функции температурной зависимости термопреобразовател  сопротивлени  2 набором экспонент. Последовательност импульсов управл ет транзисторными ключами функционального преобразовател  9, включающими в цепь разр да или зар да конденсатора посто нной емкости С резисторы в определенной последовательности. Путем подбора этих резисторов и распределением установленных интервалов времени вкл чени  их, подбирают выходную характеристику функционального преобразовател  9 такой, чтобы обеспечить требуемую погрешность линеаризации характеристики примененного первичного преобразовател . В случае применени  в качестве первичного преобразовател  полупроводникового терморезистора, имеющего экспоненциальную температурную характеристику, описываемую выражением

R, где Q температура терморезистора;

А и В- параметры терморезистора, распределитель импульсов управл ет включением резисторов в цепь разр да конденсатора С (не показан). Выходна  характеристика функционального преобразовател  Цф может быть представлена следующим образом -- t

tpStSt

t) 99 При действии дестабилизирующих фак торов на измерительную цепь прибора (изменени  температуры .рабочих условий применени , напр жени  питани  и т. п.) момент установлени  счетчика Ц в конечное состо ние, в общем случае , не совпадает с момент.)м времени t 1/3. Формирователь имп льсо: коррек ции 15 по сигналу триггера 11 мс мент времени t 1/3 и сигналу с,-:-ановки счетчика 1А в режиме калибровки вырабатывает импульсы коррекции, поступающие на интегратор 18, выходное напр жение которого, завис щее от Длительности приход щих импульсог, управл ет работой генератора 17 опорной частоты, измен   частоту следова ни  импульсов этого генератора таким образом, чтобы момент времени t 1/5 и сигнал установлени  счетчика в конечное состо ние совпали. Таким образом осуществл етс  обратна  св зь, т. е, автоматическа  калибровка измерительной цепи прибора, охватывающа  и функциональный преобразователь, исключающа  вли ние аддитивной и мульти пликативной погрешностей на режим измерени , следующий за режимом калибровки . После момента t 1/3 следует выдержка времени, необходима  на выработку импульсов коррекции и установление выходного напр жени  интегратора 18. Интегратор 18 обладает пам  тью и f о выходное напр жение поддер живает в режиме измерени  параметры опорного генератора 17. т. е. его частоту, в соответствии с поступившими сигналами коррекции предыдущего режима калибровки. В следующий момент времени t 1/4 генератор 10 тактов включает режим измерени . Одновременно, так же как и в режиме калибровки в момент t 1/1 все узлы устанавливаютс  в исходное состо ние. После сравнени  напр жени  на входах блока 8 сравнени  в момент времени t 1/5 (фиг. 2г) (на первом входе напр жение с подключенного делител  3, а на втором - устанавливающеес  напр жение на выходе функционального преобразовател  9) на выходе его по вл етс  сигнал, переключающий триггер в состо ние, противоположное исходному. По совпадению переднего фронта этого сигнала и сигнала генератора 10 тактов, соответствующего режиму измерени , селектор 13 откры2 импульсов генератора 17 вает доступ опорной частоты на счетчик 16,Одновременно генератор 10 тактов закрывает ключ 6 (фиг. 26) и открывает ключ 5 (фиг. 2а),обеспечивающий передачу с первичного преобразовател  напр жени , соответствующего его температуре . Процесс измерени  т. е. процесс заполнени  счетчика 16 длитс  до момента t 1/6 (фиг. 2г) - момента равенства входных напр жений блока 8 сравнени  (на первом входе напр жение с подключенного термопреобразовател  2 сопротивлени  (фиг. 2г, Uo). а на втором - измен ющеес  по заданному закону выходное напр жение функционального преобразовател  9). В момент t 1/6 на выходе блока 8 сравнени  по вл етс  сигнал (фиг. 2д). устанавливающий триггер 11 в исходное состо ние и запрещающий доступ импульсов в счетчик 16. Содержание счетчика 16 соответствует температуре термопреобразовател  2 сопротивлени , установленного в точке, где измер лась температура. Выходы этого счетчика можно соединить с устройством цифровой индикации или каналами св зи с ЭВМ. После проведени  режима измерени , по сигналу генератора 10 тактов устройство снова переключаетс  на режим автоматической калибровки, подготавливающий измерительную цепь дл  последующего реиима измерени  температуры и т. д. Длительность режимов калибровки и измерени  св зана лишь с частотой следовани  импульсов генератора опорной частоты и быстродействием примененной элементной базы. Введение дополнительных узлов и установление новых функциональных св зей выгодно отличает предлагаемое устройство, так как уменьшаютс  составл ющие погрешностей, обусловленных нелинейностью характеристики термопреобразовател  сопротивлени  и вли нием дестабилизирующих факторов в рабочих услови х применени , расшир ютс  функциональные возможности, в части применени  различных термопреобразователей сопротивлени , характеристика которых имеет нелинейную зависимость от температуры. В результате снижены суммарные значени  -погрешностей измерени , что позвол ет проводить более томные измерени  в широком диапазоне температур и 8 различных рабочих услови х применени . Кроме этого,устран етс  необходимость разработки р дз устройств, имеющих меньшие рабочие диапазомы в цел х сохранени  небольшой погрешности при проведении измерении в пределах диапазона температур в 100 и более градусов. Практически, величина основной приведенной погрешности измерени  может быть достигнута 0,25.

Claims (3)

1.Авторское свидетельство СССР К 559131 , кл. G 01 К 7/16, 1975.

2.Авторское свидетельство СССР № 590616, кл. G 01 К 7/16, 1975.

3.Авторское свидетельство СССР

fr 110267, кл. G 01 К 7/28, 1972 (прототип ) ,