МИКРОПРОЦЕССОРНЫЙ ТЕРМОРЕГУЛЯТОР Российский патент 1998 года по МПК G01K7/16 

Изобретение относится к устройствам измерения и контроля температуры и может быть использовано для измерения температуры и ее стабилизации в заданном диапазоне значений, а также для включения в состав аппаратуры управления технологическими процессами для контроля за тепловыми процессами.

Известен сигнализатор температуры [1], содержащий источник постоянного напряжения, два делителя напряжения, термопреобразователь сопротивления, операционный усилитель, аналого-цифровой преобразователь, цифровой индикатор и исполнительный элемент. Сигнализатор позволяет измерять температуру с выводом ее на индикатор и, сравнивая значение измеренной температуры со значением уставки, управлять включением/выключением исполнительного элемента.

Достоинствами данного устройства являются использование активной схемы первичного датчика температуры на основе операционного усилителя, в цепь обратной связи которого включено термосопротивление, что обеспечивает линейность снимаемого с датчика сигнала.

Однако схема усложняется из-за применения операционного усилителя.

Недостатком схемы является невозможность устранения нелинейности температурной характеристики самого термопреобразователя сопротивления, что в случае необходимости ее линеаризации потребует дополнительных затрат.

Наиболее близким техническим решением является цифровой измеритель температуры [2] , содержащий источник постоянного напряжения, дифференциальный генератор тока, два делителя напряжения, аналого-цифровой преобразователь, резисторный мост с термопреобразователем сопротивления и дифференциальный усилитель.

Достоинствами данной схемы являются ее простота как следствие использования пассивного измерительного моста, частичная компенсация нелинейности схемы включения датчика за счет применения дополнительной цепи обратной связи и возможность компенсации нелинейности температурной характеристики термопреобразователя сопротивления за счет использования цепи обратной связи.

Недостатком указанного измерителя является невозможность полного устранения нелинейности, компенсация которой осуществляется в соответствии с формулой

до некоторого предела, определяемого коэффициентами α и β. Эта зависимость действует только для конкретных типов термосопротивлений с отрицательной второй производной характеристики. Цифровой измеритель температуры не имеет в своем составе исполнительных органов, служит только для измерения, его сервисные возможности ограничены.

Цель изобретения - повышение точности, стабильности, упрощение и удешевление предлагаемого устройства, линеаризация характеристики измерительного моста, линеаризация характеристики любого датчика, возможности контроля температуры с возможностью задания температуры регулирования и управления внешними исполнительными органами.

Терморегулятор микропроцессорный осуществляет преобразование опорного напряжения и напряжения на термосопротивлении в частоту, вычисляя таким образом код температуры в цифровом блоке управления, линейность которого обеспечивается алгоритмом выполнения операции деления. При выполнении этого алгоритма осуществляется также стабилизиция АЦП. Преобразование в частоту позволяет передавать цифровой код по единственной линии, при этом в блоке цифрового управления можно использовать простейший микропроцессор без встроенного АЦП. Использование мультиплексора позволяет поочередно измерять и преобразовывать в код напряжения измерительного, опорного и нулевого каналов, учет кода нулевого канала обеспечивает компенсацию дрейфа преобразователя напряжения в частоту. Цифровой блок управления позволяет экстраполировать реальную характеристику термосопротивления и за счет этого свойства линеаризовать измерительную характеристику устройства в целом. Функцией цифрового блока управления является также ввод граничных значений интервала регулирования температуры, отображение измеряемой температуры на цифровом индикаторе в составе блока и обеспечение сигнала регулирования. Вводимые значения запоминаются в энергонезависимом ПЗУ, чем обеспечивается стабильность регулирования при сбоях питания.

Новизна заявляемого изобретения обуславливается тем, что алгоритм обработки информации в блоке цифрового управления обеспечивает линеаризацию измерительной характеристики при применении любого датчика термосопротивления, осуществляется линеаризация характеристики измерительного моста выполнением операции деления U_Т/U_оп, применяется простейший и наиболее дешевый микропроцессор без встроенного АЦП.

Сущность изобретения поясняется чертежами
На фиг. 1 изображена блок-схема устройства, где 1 - источник стабильного тока, 2 - цифровой блок управления, 3 - энергонезависимое постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), 4 - преобразователь напряжения в частоту, 5 - дифференциальный усилитель, 6, 7, 8 - образцовые резисторы и 9 - термосопротивление, образующие измерительный мост, 10 - мультиплексор; на фиг. 2 - схема измерительного моста, где 1 - источник стабильного тока, R6, R7, R8 и R_т - сопротивления образцовых резисторов 6, 7, 8 и термосопротивления 9 соответственно, U_оп - снимаемое с моста опорное напряжение, U_изм - измеряемое напряжение.

Напряжения измерительного и опорного каналов, снимаемые с моста соответственно

где
I - ток, питающий мост.

Отношение полученных напряжений

линейно зависит от сопротивления термосопротивления, в связи с чем достигается линейность характеристики измерительного моста.

Характеристика преобразователя напряжения в частоту
f(U) = K_пнчU/U_оп
где
K_пнч = (1/R_ТC_инт)•i₁/i₂.

Заметим, что при делении этот коэффициент устраняется и нестабильность интегрирующей емкости C_инт не оказывает влияния на результат.

Микропроцессор вычисляет код

Линейность характеристики, снимаемой с термосопротивления обуславливается тем, что микропроцессор вычисляет результирующий код по формуле N_лин = f_кор(N), которая закладывается в программу для данного типа датчика на основе реальной градуировки датчика.

Поставленная цель достигается за счет применения пассивного измерительного моста, запитываемого генератором тока, сигналы которого мультиплексируются и преобразовываются в цифровой код, который по единственному входу передается в цифровой блок. Это приводит к удешевлению и упрощению схемы. Линейность снятия сигнала с измерительного моста обеспечивается выполнением операции деления в цифровом блоке 2, а линейность характеристики термосопротивления - цифровой экстраполяцией, при этом повышается точность измерения. Уставки температуры регулирования сохраняются в энергонезависимом запоминающем устройстве 3, причем даже при отключении питания устройства, что повышает стабильность схемы. Ввод уставок регулирования осуществляется при использовании простейшей двухкнопочной клавиатуры, для индикации используется экономичный ЖК-индикатор. Нестабильность мультиплексора 10, дифференциального усилителя 5 и преобразователя напряжения в частоту 4, составляющих измерительный канал, устраняется, во-первых, учетом нулевого значения, во-вторых, выполнением операции деления. Сигнал регулирования из цифрового блока регулирования может управлять внешними нагревательными органами, влияющими на температуру объекта.

Такое выполнение устройства позволяет снизить затраты на исполнение измерительного канала с применением недорогого блока цифрового управления, а также получить возможность включения устройства в автоматические системы управления.

Заявляемый терморегулятор микропроцессорный можно реализовать следующим образом. Сигнал с выходной диагонали измерительного моста, образованного термосопротивлением 9 и образцовыми резисторами 6, 7, 8 и уровень опорного напряжения с резистора 6 подаются на мультиплексор 10, откуда через дифференциальный усилитель 5 передаются на сигнальный вход преобразователя напряжения в частоту 4, на опорный вход которого подается опорное напряжение с резистора 6. Измерительный мост запитывается от источника 1 стабильного тока. Цифровой блок управления 2, на вход которого подаются частота с выхода преобразователя напряжения в частоту 4, управляет мультиплексором 10, обеспечивая для себя включение необходимых сигналов, вычисляет код, зависящий от сопротивления термосопротивления так, чтобы обеспечивалась линейная зависимость выходного кода от температуры среды, в которой находится термосопротивление, а также принимает ввод значений интервала регулирования температуры, записывая их в энергонезависимое ПЗУ 3.

Терморегулятор микропроцессорный содержит источник 1 постоянного тока, цифровой блок 2 управления, энергонезависимое ПЗУ 3, преобразователь напряжения в частоту 4, дифференциальный усилитель 5 напряжения, первый, второй и третий 6, 7 и 8 соответственно образцовые резисторы, термосопротивление 9, мультиплексор 10.

Терморегулятор микропроцессорный работает следующим образом.

Ток источника 1 постоянного тока протекает через включенные по измерительной мостовой схеме резисторы 6, 7, 8 и термосопротивление 9. Мультиплексор 10 обеспечивает коммутацию сигналов от 3 каналов - измерительного, опорного и нулевого на дифференциальный усилитель 5, выходное напряжение которого преобразуется в частотный сигнал преобразователем напряжения в частоту 4 и подается на счетный вход в цифровом блоке управления 2. Цифровой блок управления управляет мультиплексором 10, включая поочередно измерительный, опорный и нулевой каналы, принимает соответствующие частотные сигналы из каждого канала и, произведя вычисления
,
где C - константа, зависящая от параметров моста, выводит цифровой код температуры на индикатор. Полученный код линейно зависит от температуры. Цифровой блок управления позволяет ввести уставки интервала регулирования температуры, сохраняет их в энергонезависимом ПЗУ 3 и использует для сравнения с измеренной температурой для выработки сигналов управления.

С предлагаемым устройством достигается следующий положительный эффект.

1. Терморегулятор микропроцессорный служит для повышения точности с одновременным упрощением и удешевлением схемы.

2. Терморегулятор микропроцессорный обеспечивает линейную зависимость вычисляемого кода температуры от температуры среды, окружающей датчик.

3. Используется простейшая пассивная схема включения датчика.

4. Применена алгоритмическая линеаризация схемы включения датчика термосопротивления и характеристики термосопротивления.

5. Возможность линеаризации для любого типа термосопротивления, при этом не требуется вносить изменений в схему.

6. Широкие сервисные возможности (индикация времени, сигнализация сбоев и т.п.).

7. Возможность использования как в режиме измерения, так и стабилизации температуры.

Терморегулятор микропроцессорный относится к устройствам измерения и контроля температуры и может быть использован для измерения температуры и ее стабилизации в заданном диапазоне значений, а также для включения в состав аппаратуры управления технологическими процессами. Терморегулятор микропроцессорный содержит термосопротивление, измерительный мост, дифференциальный усилитель, выход которого соединен со входом преобразователя напряжения в частоту. Выход источника питающего тока соединен с измерительным мостом. Входы мультиплексора подключены к выходам измерительного моста, а выход соединен со входом дифференциального усилителя. Энергонезависимое постоянное запоминающее устройство подключено к цифровому блоку управления. Выход преобразователя напряжения в частоту соединен со счетным входом цифрового блока управления. Управляющие линии цифрового блока управления соединены с адресными входами мультиплексора. Линейность выходной характеристики терморегулятора достигается для любого типа термосопротивлений. 2 ил.

Микропроцессорный терморегулятор, содержащий термосопротивление, измерительный мост, дифференциальный усилитель, выход которого соединен с входом преобразователя напряжения в частоту, источник питающего тока, выход которого соединен с измерительным мостом, отличающийся тем, что в него введен мультиплексор, вход которого подключен к выходам измерительного моста, а выход соединен с входом дифференциального усилителя, цифровой блок управления, при этом выход преобразователя напряжения в частоту соединен со счетным входом цифрового блока управления, управляющие линии которого соединены с адресными входами мультиплексора, и к цифровому блоку управления подключено энергонезависимое постоянное запоминающее устройство.