SU987415A1

SU987415A1 - Digital temperature meter

Info

Publication number: SU987415A1
Application number: SU803002129A
Authority: SU
Inventors: Юрий Владимирович Поздняков; Анатолий Алексеевич Саченко; Юрий Петрович Троценко
Original assignee: Тернопольский Финансово-Экономический Институт
Priority date: 1980-11-06
Filing date: 1980-11-06
Publication date: 1983-01-07

Description

Изобретение относитс к измерению температуры электрическими методами с коррекцией нелинейности характеристики преобразовани первичного измерительного преобразовател .The invention relates to the measurement of temperature by electrical methods with correction of the non-linearity of the conversion characteristic of the primary transducer.

Известно устройство дл измерени температуры, содержащее термопару и соединенный с ней параллельно нуль-орган, включенные в измерительную диагональ моста, двум смежными плечами которого служит реохорд, движок которого вл етс одной из вершин диагонали питани моста ClJA device for measuring temperature contains a thermocouple and a null-organ connected in parallel with it, connected to the measuring diagonal of the bridge, the two adjacent arms of which are the reohord, the slider of which is one of the vertices of the diagonal of the power bridge ClJ

Недостатками этого устройства вл ютс невозможность получени цифрового отсчета температуры ввиду значительной нелинейности характеристики преобразовани устройства, вли ние собственных погрешностей нульоргана на точность измерени температуры , нагруженное состо ние термопары .The disadvantages of this device are the impossibility of obtaining a digital temperature reading due to the significant non-linearity of the conversion characteristic of the device, the effect of the nullorgan's own errors on the temperature measurement accuracy, the loaded state of the thermocouple.

Известно устройство дл измерени температуры,содержашее мостовую схему , в одно плечо которой введены терморезистор и резистор обратной св зи источник стабилизированного питани , усилитель посто нного тока и измерительный прибор, причем последовательно с измерительным прибором включен дополнительный датчик измер емой температуры 2.A temperature measuring device is known, comprising a bridge circuit, in one arm of which a thermistor and a feedback resistor are inserted, a stabilized power source, a DC amplifier and a measuring device, and an additional sensor of the measured temperature is connected in series with the measuring device 2.

К недостаткам устройства следует отнести также значительнуп остаточную погрешность линейности и невозможность получени вследствие этого линейной шкалы и цифрового отсчета The disadvantages of the device should also include the significant residual error of linearity and the impossibility of obtaining as a result of this linear scale and digital readout.

10 результата измерени , а также то, что дополнительна термопара нагружена низким сопротивлением цепочки резисторов .10 measurement result, as well as the fact that the additional thermocouple is loaded with a low resistance of the resistor circuit.

Известен также цифровой измери15 тель температуры, содержащий термоэлектрический термометр, подключенный к входу автоматического компенсатора посто нного тока, цифровой вольтметр , источник стабилизированного Also known is a digital temperature meter containing a thermoelectric thermometer connected to the input of an automatic DC compensator, a digital voltmeter, a source of stabilized

20 напр жени и два реохорда, механически св занные с основным реохордом компенсатора, причем цифровой вольтметр соединен с термоэлектрическим термометром через первую ветвь 20 voltages and two reohords mechanically connected to the main reohord of the compensator, the digital voltmeter being connected to the thermoelectric thermometer through the first branch

25 первого реохорда, втора ветвь которого соединена через второй реохорд и резистор с щеточником стабилизированного напр жени , причем выход термоэлектрического термометра, сое30 диненный с первым реохордом, соединен с выводом источника стабилиэированного напр жени , соединенного с второй ветвью первого реохорда Несмотр на то, что в данном уст ройстве прин ты меры дл снижени вли ни класса точности автоматичес кого компенсатора посто нного тока на результат.измерени температуры достигнута точность измерени в р случаев недостаточна, что особенно сильно заметно при измерении темпе .ратуры в широком диапазоне. Это св зано с,тем, что остаточна погрешность линейности указанного устройства равна нулю лишь при двух значени х температуры в пределах рабочего диапазона устройства, в св зи с чем в широком диапазоне температуры остаточна погрешность линейности на промежутках между значе ни ми температуры полной компенсации достигает значительной величины превышающей в р де случаев допустимое значение дл целого р да технологических процессов, основанных на точном измерении и контроле температуры . Это вл етс серьезным не достатком устройства и существенно .ограничивает его функциональные воз можности и область применени . Наиболее близким по технической сущности и.достигаемому результату к изобретению вл етс цифровой измеритель температуры, содержащий термочувствительный мост посто нног тока с термометром сопротивлени в одном из плеч, термоэлектрический преобразователь, усилитель посто нного тока, к выходу которого подклю чен аналого-цифровой преобразователь , образцовый резистор и дополнительный термометр сопротивлени , подсоединенные к стабилизированным источникам питани , переменныеогра ничительные резисторы, движки которых механически св заны между собой , подключенные последовательно с дополнительным термометром сопротив лени и образцовым резистором к ста билизированным источник,ам питани , а в диагональ питани и смежные пле чи термочувствительного моста посто нного тока включены цепочки, состо щие из зашунтированных резисторами последовательно соединенных посто нных и переменных резисторов, причем движки переменных резисто Яэв вклЪченных в смежные плечи моста, механически соединены между собой Однако в данном устройстве все еще велико вли ние остаточной погре ности нелинейности, а также погрешностей самих термочувствительных эл ментов на результат измерени . Целью изобретени вл етс повышение точности измерени . Указанна цель достигаетс тем, что в устройство введен автоматический компенсатор, посто нного тока, включенный на выходе усилител посто нного тока параллельно, цифровому регистратору , два противоположных смеж ых плеча моста образованы посто нным резистором, включенным в одной из них, и цепочкой из последовательно соединенных посто нного резистора и первого реохорда, включенных в другое плечо, при этом один из входов усилител посто нного тока соединен с одним из выводов термоэлектрического преобразовател / другой вывод которого соединен с одним из крайних выводов второго реохорда, соединенного через переменный резистор и второй источник стабилизированного напр жени с его первым выводом, а через движок подключен к одному из выводов выходной диагонали моста, другой вывод которой соединен с другим входом усилител посто нного тока, причем движки обоих реохордов механически св заны один с другим и движки реохорда автоматического компенсатора посто нного тока. На фиг. 1 показана принципиальна схема цифрового измерител температуры; на фиг. 2 - графики зависимое-, тей термо-ЭДС, напр жений и погреш- : ности линейности от температуры. Цифровой измеритель температуры содержит термоэлектрический преобразователь 1, цифровой вольтметр ( регистратор ) 2 , источники 3 и 4 стабилизированного напр жени , и два реохорда 5 и б, механически св занные с основным реохордом автоматического компенсатора 7 посто нного тока. Последовательно с термоэлектрическим Преобразователем 1 соединены вход усилител 8 посто нного тока и выходна диагональ четырехплечего моста, в одно из плеч которого вклю.чен реохорд 5, в смежные с ним плечо - резистор 9, последовательно с реохордом 5 включен резистор 10. В два других смежных плеча моста включены -Цепочки из последовательно соединенных посто нных 11 и 12 и переменных 13 и 14 резисторов, движ ки которых механически св заны между собой. В диагональ питани моста последовательно с источником 3 стабилизированного напр жени включен переменный резистор 15.Последователь но с выходной диагональю моста соединен второй реохорд 6, включенный в цепь движком и одним из крайних выводов, а к обойм крайним выводам реохорда б через переменный резистор 16 подключен источник 4 стабилизированного напр жени . К выходу усилител 8 посто нного тока параллельно подключены цифровой вольтметр 225 of the first rheochord, the second branch of which is connected via the second rheochord and a resistor with a stabilized voltage brush, and the output of the thermoelectric thermometer connected to the first rheochord is connected to the output of the stabilized voltage source connected to the second branch of the first rheochord This device takes measures to reduce the effect of the accuracy class of the automatic DC compensator on the result. The temperature measurement achieved the measurement accuracy in r weeks sufficiently, especially when measuring very noticeable .ratury rate over a wide range. This is due to the fact that the residual linearity error of the specified device is zero only at two temperatures within the operating range of the device, and therefore, over a wide temperature range, the residual linearity error between the full compensation temperatures reaches values exceeding in a number of cases the permissible value for a whole range of technological processes based on accurate measurement and temperature control. This is a serious disadvantage of the device and significantly limits its functionality and field of application. The closest in technical essence and achieved result to the invention is a digital temperature meter containing a thermosensitive DC bridge with a resistance thermometer in one of the arms, a thermoelectric converter, a DC amplifier, to the output of which an analog-digital converter is connected, exemplary a resistor and an additional resistance thermometer connected to stabilized power sources, variable limiting resistors, the engines of which are mechanically interconnected, connected in series with an additional resistance thermometer and exemplary resistor to a stabilized power source, power supply, and the diagonal of the power supply and adjacent pads of the temperature-sensitive direct current bridge include chains consisting of permanently variable and variable shunt resistors resistors, the variable resistive engines included in the adjacent arms of the bridge, are mechanically interconnected. However, this device is still very influenced by residual Gre Nosta nonlinearity and errors themselves thermosensitive e ments on the measurement results. The aim of the invention is to improve the measurement accuracy. This goal is achieved by introducing an automatic compensator, a direct current connected at the output of a direct current amplifier in parallel to a digital recorder, two opposite adjacent shoulders of a bridge formed by a constant resistor connected to one of them, and a chain of series-connected a constant resistor and a first rheochord included in the other arm, while one of the inputs of the DC amplifier is connected to one of the terminals of the thermoelectric converter / the other terminal of which o is connected to one of the extreme terminals of the second rheochord connected via a variable resistor and the second source of stabilized voltage to its first terminal, and through the slider is connected to one of the terminals of the bridge diagonal output, the other terminal of which is connected to another input of the dc amplifier, the engines of both rheochords are mechanically connected with one another and the engines of the rheochord of an automatic DC compensator. FIG. 1 is a schematic diagram of a digital temperature meter; in fig. 2 - dependent plots, thermo-EMF, voltages and errors: linearity versus temperature. The digital temperature meter contains a thermoelectric converter 1, a digital voltmeter (recorder) 2, sources 3 and 4 of stabilized voltage, and two resistors 5 and b mechanically connected with the main resistor of the automatic compensator 7 DC. Consistently with thermoelectric Converter 1 are connected the input of the amplifier 8 DC and the output diagonal of the four-shoulder bridge, one of the arms of which includes a reochord 5, a resistor 9 in the adjacent arm, a resistor 10 is connected in series with the reohord 5 the bridge arms are included — chains from series-connected permanent 11 and 12 and variable 13 and 14 resistors, the engines of which are mechanically interconnected. A variable resistor 15 is connected in series with the power supply of the bridge to the stabilized voltage source 3. A second rheochord 6 is connected to the output diagonal of the bridge, connected to the circuit with a slider and one of the extreme leads, and the source 4 stabilized voltage. A digital voltmeter 2 is connected in parallel to the output of an 8 DC amplifier.

и автоматический компенсатор 7 посто нного тока, движок реохорда которого механически св зан с движками обоих дополнительных реохордов 5 и бand an automatic compensator 7 of direct current, the engine of which the rheochord is mechanically connected with the engines of both additional rheohords 5 and b

Цифровой измеритель температуры работает следующим образом.Digital temperature meter works as follows.

Термо-ЭДС термоэлектрического преобразовател 1 Е{t ) нелинейно возрастает с ростом температуры его рабочего спа (фиг. 2а). При этом термо-ЭДС отличаетс от линейно завис щего от температуры напр жени Ui(t ) на величину погрешности линейности AU(t). Чтобы скорректировать эту погрешность, последовательно с термоэлектрическим, прербзователем .включена схема линеаризации , на выходе которой формируетс посто нное напр жение, завис щее от температуры по такому же закону, как и погрешность линейности AU(t). Это корректирующее Напр жение U,((t).суммируетс с термо-ЭДС Е (t ), в результате чего на вход усилител посто нного тока 8 поступает напр жение , линейно завис щее от температуры . Это напр жение усиливаетс и подаетс на параллельно включенные автоматический компенсатор 7 посто нного тока и цифровой вольтметр 2. Таким образом, перемещение движка реохорда автоматического компенсатора линейно зависит от измер емой температуры, а показание цифрового вольтметра при соответствующем выбор предела представл ет собой результат измерени температуры, выраженшлй в цифровой форме.The thermo-emf of thermoelectric converter 1 Е {t) non-linearly increases with increasing temperature of its working spa (Fig. 2a). In this case, the thermo-emf differs from the linearly dependent temperature Ui (t) by the magnitude of the linearity error AU (t). In order to correct this error, in series with a thermoelectric device, a linearization circuit is included, at the output of which a constant voltage is formed, depending on temperature, according to the same law as the linearity error AU (t). This correction voltage U, ((t). Is summed from the thermo-emf E (t), as a result of which a voltage linearly dependent on temperature is applied to the input of the DC amplifier 8. This voltage is amplified and supplied to parallel-connected An automatic DC compensator 7 and a digital voltmeter 2. Thus, the movement of the automatic compensation bar's slide motor linearly depends on the measured temperature, and the digital voltmeter reading at the appropriate choice of the limit represents the measurement result ture, vyrazhenshly digitally.

Рассмотрим подробнее работу схемы линеаризации.Let us consider the work of the linearization scheme.

Корректирующее напр жение U(t) формируетс при помощи чётырехгшечего моста, напр жение на выходе которого и (t ) зависит от перемещени движка реохорда 5 по закону, который описываетс функцией температуры с положительной первой и отрицательной второй производными по температуре. Поэтому крива графика зависимости Ц (t ) вл етс выпуклой (фиг.2б)..Corrective voltage U (t) is formed by means of a four third bridge, the output voltage of which and (t) depends on the movement of the slide rail 5 according to the law, which is described as a function of temperature with a positive first and negative second derivatives with respect to temperature. Therefore, the curve of the plot of C (t) is convex (Fig. 2b) ..

Напр жение U(t ) на выходе це- почки, состо щей из реохорда, последовательно соединенного с переменным резистором и источником стабилизированного напр жени , при линейной зависимости перемещени движка реохорд от температуры также вл етс линейной зависимостью температуры (фиг.26 Напр жение на выходе цепочки U(t) при конечной температуре диапазона t равно по абсолютной величине и направлено противоположно напр жению на, выходной диагонали моста. Поэтому разность между выходными напр жением моста и(t ) и линейным напр жением li(t) имеет зависимость от температуры, подобную зависимости от The voltage U (t) at the output of a chain consisting of a reichord connected in series with a variable resistor and a source of stabilized voltage, with a linear dependence of the displacement of the reochord slider on temperature, is also a linear dependence of the temperature (Fig. 26) The chains U (t) at the final temperature of the range t are equal in absolute value and are opposite to the voltage on the output diagonal of the bridge, therefore the difference between the output voltage of the bridge and (t) and the linear voltage li (t) has temperature dependence similar to

температуры погрешности ди (t). Суммарное корректирующее напр жение Un(t ) равно нулю при начальной t и конечной t температурах рабочего диапазона устройства. Степень нелинейности выходного напр жени моста зависит от сопротивлени резисторов в плечах моста. В заданных пределах степень нелинейности напр жени U(t можно регулировать, измен не равны значени сопротивлени нижних плеч моста (R13, R14 на фиг. 1). При увеличении сопротивлений резисторов 13 и 14 равновесие моста не нарушаетс , поскольку сопротивлени обоих I смежных плеч моста получают одинаковые приращени за счет того, что двики переменных резисторов механически св заны между собой, а степень нелинейности зависимости U (t) уменьшаетс (график U4(t) по сравнению с графиком U(t) на фиг.2б). Вследс вие этого измен -етс и абсолютное знчение компенсирующего напр жени UK) (графики U(t ) и (t) на фиг. 2б). Это дает возможность плавно регулировать уровень компенсирующего напр жени при помощи подстройки резисторов 13 и 14, выбира его таким, чтобы корректирующее напр жение J(4(t) как можно более точно соответствовало погрешности линейности ли (t). Это позвол ет снизить остаточную погрешность линейности до значений, пренебрежимо малы по сравнению с другими составл ющими результирук цей погрешности измерени температуры.temperature error di (t). The total correction voltage Un (t) is zero at the initial t and the final t temperatures of the operating range of the device. The degree of nonlinearity of the output voltage of the bridge depends on the resistance of the resistors in the arms of the bridge. Within the specified limits, the degree of nonlinearity of the voltage U (t can be adjusted, the values of the resistance of the lower arms of the bridge are not equal (R13, R14 in Fig. 1). As the resistances of the resistors 13 and 14 increase, the equilibrium of the bridge is not disturbed since the resistance of both I adjacent arms of the bridge get the same increments due to the fact that the motors of variable resistors are mechanically connected with each other, and the degree of non-linearity of the dependence U (t) decreases (the graph U4 (t) compared to the graph U (t) in Fig. 2b). -ts and absolute value to of the modulating voltage UK) (graphs U (t) and (t) in Fig. 2b). This makes it possible to smoothly adjust the level of the compensating voltage by adjusting the resistors 13 and 14 so that the correction voltage J (4 (t) corresponds as closely as possible to the linearity error (t). This reduces the residual linear error to values that are negligible compared to the other components of the resultant temperature measurement errors.

Собственные погрешности усилител посто нного тока и цифрового вольтметра также значительно меньше, даже по сравнению с остаточной погрешностью линейности, поэтому они прак;тически не вли ют на точность изме рени .The intrinsic errors of the dc amplifier and the digital voltmeter are also much smaller, even when compared with the residual linearity error, so they practically do not affect the measurement accuracy.

Claims

The degree of influence of the intrinsic error of the automatic DC compensator on the resulting temperature measurement error is determined by the ratio of the maximum value of the correction voltage Un (t) to the main measuring signal - thermo-EMF E (t) This ratio is very small and This value is in the order of a few percent, so the accuracy class of an automatic compensator has almost no effect on the temperature measurement error. This is an important advantage of the device, allowing the use of an automatic recording potentiometer of low accuracy class without sacrificing measurement accuracy. It should be noted that the error of the automatic DC compensator does not affect the accuracy of temperature measurement when reading the result on the scoreboard digit. voltmeter, but it affects the accuracy of analog recording of measurement information if the automatic compensator, along with its main function (the work in the linearization scheme performs an additional function — the recording of measurement information, in the form of continuous recording on the tape of the temperature graph). One of the advantages of the device is its high speed, which is determined mainly by the constant time of the automatic compensator of direct current. However, the inertia of the thermoelectric converter In practice, the user and its armature usually cause the speed of the entire system to be determined by the thermal inertia of the primary measuring transducer. Therefore, the time constant of the device itself as compared with the time constant (the thermoelectric thermometer can be neglected high speed, which, in comparison with the most widely used iiig 1, with devices for temperature measurement under production conditions based on the measurement of emf A converter with a DC potentiometer with Bitwise balancing of the latter manually, multiple corrections and associated intermediate calculations allow to increase the temperature measurement performance by at least two orders of magnitude. At the same time, the error associated with the operator’s subjective perception of the readings of the potentiometer zero indicator is eliminated, and the working conditions of the operator are improved. The device is intended for widespread use in various industries in the production of temperature measurements directly under production conditions. The most effective use of the proposed device in workshops for multipoint temperature control in technological processes based on accurate measurement and temperature control, for example, during heat treatment of metals, growing crystals, manufacturing integrated circuits, measuring the temperature of the working fluid of a turbogenerator. The techno-economic effect from the introduction of the device can be obtained both by improving the quality characteristics of the products (metal processing industry), and by increasing the percentage yield of the products (semiconductor industry or increasing the KPL equipment (electric power industry). Formula of the invention A digital temperature meter containing thermoelectric converter, thermosensitive DC bridge, whose two adjacent arms include chains of series-connected of the resistor and variable resistors, the engines of which are mechanically connected to each other, and the diagonal of the bridge power supply are connected in series with a source of stabilized voltage and a variable resistor, a DC amplifier, the output of which is connected to the input of a digital recorder, two resistors, , variable resistor, characterized in that, in order to improve the measurement accuracy, an automatic DC compensator is inserted in it, switched on at the output of the amplifier direct current parallel to the digital recorder, two opposite adjacent shoulders of the bridge are formed by a constant resistor connected to one of them and a chain of directly connected DC resistor and first rheochord connected to the other shoulder, with one of the inputs of the DC amplifier connected to one of the terminals of a thermoelectric converter, the other terminal of which is connected to one of the extreme terminals of the second rheochord connected through a variable resistor and the second source of stabilized voltage with its first output, and through the engine connected to one of the outputs of the diagonal output bridge, the other output of which is connected to another input of the DC amplifier, the sliders of both rheohords mechanically connected to each other and the rhord of the automatic DC compensator . Sources of information taken into account during the experiment 1. Authors certificate of the USSR 316945, cl. G 01 K 7/02, 1971.

2. USSR author's certificate number 463007, cl. G 01 K 7/00, 1975.

3. Authors certificate of the USSR 625319, cl. .G 01 K 7/02, 1978.

4. USSR author's certificate for application No. 2029774 / 18-10, cl. G 01 K 7/02, 05.22.80 (prototype),