ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ТЕМПЕРАТУРЫ Российский патент 1994 года по МПК G01K7/16 

Изобретение относится к термометрии, а именно к устройствам для измерения температуры посредством резистивных датчиков, в которых осуществляется компенсация влияния линии связи на результат измерения, и предназначено для измерения температуры объектов, удаленных на значительные расстояния.

Известно устройство для измерения температуры с резистивным датчиком и двухпроводной линией связи, содержащее стабилизатор тока и преобразователь сопротивления датчика в напряжение [1]. Это устройство имеет низкую точность измерения вследствие влияния сопротивления проводов линии связи на результат измерения.

Известны устройства для измерения температуры с резистивным датчиком и четырехпроводной линией связи, обеспечивающие компенсацию погрешностей от сопротивления проводов линии связи [1]. Недостатком таких устройств является необходимость наличия четырех проводов линии связи, что существенно снижает надежность и удорожает устройство при температурных измерениях удаленных объектов.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство для измерения температуры, содержащее термометр сопротивления, трехпроводную линию связи, источник стабильного тока, аналого-цифровой преобразователь, реверсивный счетчик, а также переключатель, обеспечивающий изменение через образцовый резистор сопротивления проводов линии связи, блоки управления и индикации [2].

Однако недостатком этого устройства является невысокая надежность при дистанционных измерениях и измерениях в условиях механических воздействий, например на транспортных средствах, вследствие наличия в нем трехпроводной линии связи.

Целью изобретения является повышение точности при дистанционных температурных измерениях за счет исключения влияния сопротивления линии связи.

Цель достигается тем, что в известное устройство измерения температуры, содержащее термометр сопротивления, подключенный первым выводом посредством первой линии связи через образцовый резистор к первому выводу переключателя, источник стабильного тока, соединенный первым и вторым выводами с соответствующими входами аналого-цифрового преобразователя, а вторым выводом посредством второй линии связи подключенный к второму выводу термометра сопротивления, блок управления, соединенный первой группой выходов с управляющими входами переключателя, а управляющим выходом - с входом запуска аналого-цифрового преобразователя, цифровой индикатор, введены конденсатор, включенный параллельно термометру сопротивления, измерительный усилитель, включенный параллельно образцовому резистору, первый и второй компараторы, источник стабильного напряжения, подключенный первым и вторым выводами соответственно к второму и третьему выводам переключателя, и блок вычисления, первой и второй группами входом соединенный соответственно с группами выходов аналого-цифрового преобразователя и блока управления, выходами подключенный к входам цифрового индикатора, а входом запуска соединенный с выходом "Готовность" аналого-цифрового преобразователя, при этом выход измерительного усилителя соединен с входами первого и второго компараторов, выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам прерывания блока управления, первый и второй выводы источника стабильного тока подключены соответственно к четвертому и второму выводам переключателя.

Это дает возможность за счет введения конденсатора, подключенного непосредственно к термометру сопротивления и выполняющего функцию накопителя электроэнергии, посредством схемы измерения постоянных времени цепей заряда и разряда конденсатора, включающей источники стабильного напряжения и тока, измерительный усилитель, компараторы, а также блоков управления, вычисления и индикатора производить вычисление величины сопротивления термометра, т.е. температуры объекта, исключая погрешности от сопротивления линии связи, использовать только два провода в линии связи, а при измерениях на транспортных средствах - один провод и массу.

Схема цифрового измерителя температуры приведена на фиг. 1.

Блок-схемы алгоритма работы устройства приведены на фиг. 2,3.

Цифровой измеритель температуры содержит конденсатор 1, термометр 2 сопротивления, соединительные провода 3, 4 соответственно первой и второй линий связи, образцовый резистор 5, переключатель 6, источник 7 стабильного напряжения, источник 8 стабильного тока, аналого-цифровой преобразователь 9, измерительный усилитель 10, компараторы 11, 12 блок 13 управления, блок 14 вычисления и цифровой индикатор 15.

Устройство работает следующим образом. Измерение температуры объекта, с которым связан термометр 2 сопротивления, сводится к измерению сопротивления R_t, пропорционального температуре. Измерение сопротивления R_t осуществляется в три такта.

В первом такте измерения блок 13 управления устанавливает переключатель 6 в положение (:2). При этом происходит заряд конденсатора 1 (с) от источника 7 стабильного напряжения через активное сопротивление R_o+R_кл+2R_л, где R_кл - сопротивление ключа 6. Постоянная времени этой цепи определяется по формуле
τ_зар=(R_o+R_кл+2R_л)^. С . (1)
Аппаратурно в схеме на фиг. 1 τ_зар определяется посредством съема сигнала с образцового резистора 5 (R_о) на измерительный усилитель 10, на выходе которого напряжение после замыкания ключа 6 спадает по экспоненте от значения U, равного выходному напряжению источника 7 стабильного напряжения, до 0. Компараторы 11 и 12 обеспечивают формирование временного интервала, равного τ_зар=0,63U, а блок 13 управления - замер этого временного интервала, например, методом подсчета импульсов от генератора тактовой частоты, входящего в настоящий блок 13. Числовой эквивалент τ_зар после этого заносится в память блока 14 вычисления.

Во втором такте измерения блок 13 управления устанавливает переключатель 6 в положение (:1). При этом происходит разряд конденсатора 1 (с) по цепи активного сопротивления R R_t//(R_o+R_кл+ +2R_л). Постоянная времени этой цепи определяется по формуле
τ_разр=[R_t//(R_o+R_кл+2R_л)] ^. С . (2)
Аппаратурно в схеме на фиг. 1 τ_разр определяется аналогично замеру τ_зар. Числовой эквивалент τ_разр также заносится в память блока 14 вычисления.

В третьем такте измерения блок 13 управления устанавливает переключатель 6 в положение (:3). При этом цепь из последовательно соединенных резисторов 5 (R_o); 4 (R_л); 2 (R_t); 3 (R_л) подключается к источнику 8 стабильного тока. Аналого-цифровой преобразователь 9 по команде от блока 13 управления осуществляет преобразование напряжения, установившегося на зажимах источника 8 стабильного тока, в цифровой код. При такой схеме измерения с источником стабильного тока напряжение, снимаемое с зажимов источника 8 стабильного тока, пропорционально сопротивлению, включенному в цепь. Таким образом, сопротивление R₁=R_o+R_t+R_кл+2R_л (3), представленное в цифровом коде, заносится в память блока 14 вычисления.

Исходя из формул (1) - (4) следующих преобразований, а именно:
= (4) и обозначая:
= τ_отн ;; (5)
R_o+R_кл+2R_л=R_ε, (6) получаем:
τ_отн= = ,, (7) где R_t - искомое сопротивление терморезистора.

Из формулы (7) получаем:
R_t= ,, (8) определяя R_ε из формулы (3)
R_ε= R₁-R_t (9) и проводя необходимые алгебраические преобразования, получаем
R_t= (10)
На основе формулы (10) блок 14 вычисления, имея в своей памяти после трех тактов измерения цифровые значения τ_зар, τ_разр и R₁, вычисляет τ_отн по формуле (5), искомое R_t по формуле (10) и выдает результат измерения (числовое значение R_t) на цифровой индикатор 15.

В качестве переключателя 6 может использоваться управляемый кодом интегральный коммутатор типа К 590 КН1. Источник 8 стабильного тока может быть реализован по типовой схеме (Алексенко А.Г. и др. Применение прецизионных аналоговых ИС.М.: Радио и связь, 1981, с. 148). В качестве аналого-цифрового преобразователя может быть применен, например, интегральный АЦП типа К 1113 ПВ 1, а измерительный усилитель 10 и компараторы 11, 12 могут быть реализованы на стандартных операционных усилителях типа К 140 УД 14. Для реализации алгоритма управления и программы вычисления параметров возможно использование однокристальной 8-разрядной микроЭВМ серии 1816. Структура, функциональноузловой состав и описание основных режимов работы микроЭВМ серии 1816 приведены в книге "МикроЭВМ". Семейство ЭВМ "Электроника К1". Книга 3. Под ред. Преснухина Л.Н. М.: Высшая школа, 1988. На рис. 4.3, с. 134 приведена структурная схема микроЭВМ. В соответствии с ней блоки управления 13 и вычисления 14 могут быть реализованы аппаратно на указанной микроЭВМ. При этом входы Т1 "Таймер-счетчик" и вход 1NT "Прерывание" используются аппаратно для обеспечения команд прерывания от компараторов 11 и 12. Выход 8-разрядного порта РО соединен по линиям разрядов DB0, DB1 с управляющими входами переключателя 6, по линии DB2 соединен с входом запуска аналого-цифрового преобразователя 9, шина 8-разрядного порта Р1 соединена с индикатором 15. Линия Р20 порта Р2, запрограммированного на прием сигналов, соединена с выходом "Готовность" аналого-цифрового преобразователя 9.

Алгоритм работы блоков 13 и 14 представлен в описании устройства.

Программа работы блоков 13 и 14, управление порядком работы устройства и вычисление параметров находятся в ПЗУ микроЭВМ, реализующей указанные блоки.

Данное устройство позволяет в условиях механических воздействий производить дистанционное измерение температуры объекта, используя лишь два провода в линии связи, а на транспортных средствах - один провод и массу, обеспечивая при этом как достаточную точность измерения за счет исключения погрешностей линии связи, так и повышение надежности и снижение стоимости линии и экономию цветных металлов.

Использование: для измерения температуры объектов, удаленных на значительные расстояния. Сущность: цифровой измеритель температуры содержит конденсатор, термометр сопротивления, соединительные провода, образцовый резистор, переключатель, источник стабильного напряжения, источник стабильного тока, аналого-цифровой преобразователь, измерительный усилитель, два компаратора, блок управления, блок вычисления и цифровой индикатор. 3 ил.

ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ТЕМПЕРАТУРЫ, содержащий термометр сопротивления, подключенный первым выводом посредством первой линии связи через образцовый резистор к первому выводу переключателя, источник стабильного тока, соединенный первым и вторым выводами с соответствующими входами аналого-цифрового преобразователя, а вторым выводом посредством второй линии связи подключенный к второму выводу термометра сопротивления, блок управления, соединенный первой группой выходов с управляющими входами переключателя, а управляющим выходом - с входом запуска аналого-цифрового преобразователя, и цифровой индикатор, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений путем исключения влияния сопротивления линий связи, в него введены конденсатор, включенный параллельно термометру сопротивления, измерительный усилитель, включенный параллельно образцовому резистору, первый и второй компараторы, источник стабильного напряжения, подключенный первым и вторым выводами соответственно к второму и третьему выводам переключателя, и блок вычисления, первой и второй группами входов соединенный соответственно с группами выходов аналого-цифрового преобразователя и блока управления, выходами подключенный к входам цифрового индикатора, а входом запуска соединенный с выходом "Готовность" аналого-цифрового преобразователя, при этом выход измерительного усилителя соединен с входами первого и второго компараторов, выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам прерывания блока управления, первый и второй выводы источника стабильного тока подключены соответственно к четвертому и второму выводам переключателя.