СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ Российский патент 2007 года по МПК G01K7/16 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения температуры жидких и газообразных сред.

Известен измеритель температуры, схема которого приведена в описаниях применения «сигма-дельта» АЦП фирмы ANALOG DEVICE (например, в книге «Интегральные микросхемы: Микросхемы для аналого-цифрового преобразования и средств мультимедиа». Выпуск 1-М, ДОДЭКА, 1996 г., - на с.278-280). Способ измерения температуры заключается в размещении в исследуемой среде термопреобразователя сопротивления (ТПС), регистрации его выходного сигнала и определение по этому сигналу температуры среды. Устройство состоит из источника напряжения, ТПС, образцового резистора, «сигма-дельта» АЦП и микроконтроллера.

Известно также устройство для измерения температуры (А.с. №1229600, МПК G01K 7/16, заявл. 29.06.84, опубл. 07.05.86). Способ измерения температуры заключается в размещении в исследуемой среде термопреобразователя сопротивления (ТПС), регистрации его выходного сигнала и определение по этому сигналу температуры среды. Устройство состоит из источника тока, ТПС, блока образцовых резисторов, АЦП, микропроцессора и постоянного запоминающего устройства.

Недостатком данных способов и устройств измерения температуры является их низкая надежность и отсутствие диагностики параметров ТПС.

Наиболее близкими по технической сущности к заявляемому способу и устройству являются способ определения температуры и устройство для его осуществления (А.с. №1464049, МПК G01K 7/16, заявл. 05.05.87, опубл. 07.03.89). Способ определения температуры заключается в размещении в исследуемой среде двух ТПС с различными температурными коэффициентами сопротивления, регистрации их выходных сигналов, изменении температуры двух ТПС, дополнительной регистрации их выходных сигналов и по полученным четырем значениям выходных сигналов ТПС определении температуры среды. Устройство содержит измерительный зонд с двумя ТПС, два операционных усилителя, источник опорного напряжения, АЦП, два проволочных нагревателя, источник питания нагревателей, коммутатор, два резистора, микропроцессорный модуль.

Недостатками данного способа и устройства являются необходимость иметь различные температурные коэффициенты для ТПС; сложность, а иногда и невозможность реализации искусственного подогрева ТПС. К недостаткам можно отнести необходимость точной линейности характеристики ТПС, которая выражается в виде одного температурного коэффициента сопротивления α (т.е. возможно только применение ненадежных медных ТПС, ведь в более надежных ТПС с использованием платины характеристика ТПС описывается полиномом 4-го порядка). В известном устройстве устраняется только временная нестабильность начального сопротивления ТПС Ro, а изменение температурного коэффициента сопротивления α во времени не учитывается, что может привести к погрешности измерения температуры, которая не будет ни откорректирована, ни замечена, а отсутствие текущей диагностики параметров ТПС, которые ухудшаются от времени, приводит к увеличению погрешности измерения температуры.

Целью предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей за счет введения дополнительной функции - текущей диагностики погрешности измерения температуры и упрощение устройства для измерения температуры.

Поставленная цель достигается тем, что в способе измерения температуры, заключающемся в размещении в исследуемой среде двух термопреобразователей сопротивления, регистрации их выходных сигналов, определении по зарегистрированным сигналам температуры среды, согласно изобретению выравнивают характеристики каналов регистрации между собой, для чего предварительно размещают данные термопреобразователи сопротивления в среду с температурой, близкой к минимальной температуре диапазона изменения температуры среды, регистрируют и запоминают их выходные сигналы, затем размещают эти термопреобразователи сопротивления в среду с температурой, близкой к максимальной температуре диапазона изменения температуры среды, регистрируют и запоминают их выходные сигналы, после размещения двух термопреобразователей сопротивления в исследуемую среду корректируют один из выходных сигналов термопреобразователей сопротивления с помощью запомненных четырех сигналов и по разности выходных сигналов термопреобразователей сопротивления определяют температуру среды и судят об изменении погрешности измерения.

В устройстве, содержащем измерительный зонд с двумя термопреобразователями сопротивления ТПС, образцовый резистор, АЦП, микроконтроллер, выводы цифрового интерфейса АЦП соединены с выводами микроконтроллера, первые выводы ТПС соединены с первыми входами АЦП, второй вывод одного ТПС соединен с одним выводом образцового резистора, согласно изобретению первые выводы ТПС соединены также с выводами микроконтроллера, второй вывод второго ТПС соединен со вторым выводом первого ТПС и со вторыми входами АЦП, другой вывод образцового резистора соединен с общим проводом питания, выводы образцового резистора также соединены с входами опорного напряжения АЦП.

Введение в способ измерения температуры операций выравнивания характеристик каналов регистрации между собой и вычисления функции диагностики, зависящей от разности результатов каналов регистрации, позволяет диагностировать ухудшение параметров термопреобразователей сопротивления и производить своевременную замену данного датчика температуры. Функция диагностики носит вероятностный характер и позволяет определить временную нестабильность датчика температуры с вероятностью, обратно пропорциональной идентичности физических свойств используемых термопреобразователей сопротивления.

Заявляемое изобретение обладает новизной в сравнении с прототипом, отличаясь от него наличием таких существенных признаков, как введение в способ измерения температуры операций выравнивания характеристик каналов регистрации между собой и вычисления функции диагностики. Устройство для осуществления способа упрощено и изменены связи между элементами.

Данная диагностика особенно необходима для опасных технологических производств (например, для атомных станций), где выход из строя датчика температуры в неподходящий момент может привести к большим финансовым затратам и угрозе безопасности производства. Наличие текущей диагностики параметров датчика позволяет прогнозировать выход его из строя и своевременно его заменить.

Заявителю не известны технические решения, обладающие указанными отличительными признаками, обеспечивающими получение заданного результата, поэтому он считает, что заявляемое техническое решение соответствует критерию «изобретательский уровень».

Заявляемый способ измерения температуры и устройство для его осуществления могут найти широкое применение в измерительной технике и поэтому соответствуют критерию «промышленная применимость».

Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 дана функциональная схема устройства, а на фиг.2 - характеристики каналов регистрации.

Устройство состоит из термопреобразователей сопротивления (ТПС) 1 и 2, размещенных в одном измерительном зонде, образцового резистора 3, двухканального «сигма-дельта» АЦП 4, микроконтроллера 5 (например, MSP430F147 фирмы Texas Instruments). Первые выводы ТПС 1 и 2 соединены с выводами портов микроконтроллера 5 и с первыми дифференциальными выводами двух входов АЦП 4, вторые выводы ТПС 1 и 2 соединены между собой, с одним выводом образцового резистора 3, со вторыми дифференциальными выводами двух входов АЦП 4 и с первым дифференциальным выводом входа опорного напряжения АЦП 4, другой вывод образцового резистора 3 соединен со вторым дифференциальным выводом входа опорного напряжения АЦП 4 и с общим проводом питания.

Изобретение осуществляют следующим образом.

Измеряемая температура среды воздействует на изменение сопротивлений ТПС 1 и 2. Регистрация выходных сигналов ТПС 1 и 2 заключается в преобразовании сопротивлений ТПС в коды, запоминании этих кодов в микроконтроллере 5 и вычислении по ним температуры среды, в которую помещены ТПС 1 и 2.

Преобразование сопротивлений ТПС 1 и 2 в коды производят периодически по очереди. Для преобразования сопротивления ТПС 1 в код вывод порта микроконтроллера 5, соединенный с этим ТПС, программируют как выход с напряжением, соответствующим логической "1" (напряжением, близким к напряжению питания микроконтроллера). Одновременно другой вывод порта микроконтроллера 5, соединенный с ТПС 2, программируют как вход (т.е. через ТПС 2 будет протекать очень малый ток утечки входа, которым можно пренебречь). Сопротивление ТПС 1 преобразуют с помощью АЦП 4 в код Nr1. Работа АЦП 4 описывается следующей формулой

Nr=U1·(2ⁿ-1)/Uref,(1)

где U1 - входное напряжение АЦП (напряжение на ТПС 1);

n - разрядность АЦП 4;

Uref - опорное напряжение, подающееся на соответствующие входы АЦП 4.

Так как U1 можно выразить из следующей формулы

U1=i·R1,(2)

где i - ток, протекающий по последовательной цепи: ТПС 1 и резистор 3;

R1 - сопротивление ТПС 1,

а Uref - из формулы

Uref=i·R0,(3)

где R0 -сопротивление образцового резистора 3,

то выходной код АЦП 4 будет равен

Nr1=R1·(2ⁿ-1)/R0.(4)

Для преобразования сопротивления ТПС 2 в код вывод порта микроконтроллера 5, соединенный с этим ТПС, программируют как выход с напряжением, соответствующим логической «1». Одновременно другой вывод порта микроконтроллера 5, соединенный с ТПС 1, программируют как вход (т.е. через ТПС 1 будет протекать очень малый ток утечки входа, которым можно пренебречь). Выходной код №2 АЦП, полученный от преобразования сопротивления R2 ТПС 2, будет аналогично описываться формулой

Nr2=R2·(2ⁿ-1)/R0.(5)

Коды Nr1 и Nr2 передают в микроконтроллер 5, где по ним вычисляют коды температур t1 и t2 с помощью полинома, аппроксимирующего соответствующую таблицу по ГОСТ 6651. Зависимости кодов температур t1 и t2 относительно измеряемой температуры получаются линейными и содержащими аддитивные и мультипликативные погрешности изготовления ТПС 1 и 2 относительно характеристики, приведенной в ГОСТ 6651.

Производят выравнивание характеристик измерительных каналов (каналов регистрации) между собой путем приведения характеристики второго канала к характеристике первого. Для этого в микроконтроллере 5 производят корректировку кода температуры второго канала по следующей формуле

t2k=[t2·(t11-t10)+t21·t10-t20·t11]/(t21-t20),(6)

где t10, t20 - запомненные заранее (например, на предприятии-изготовителе) в микроконтроллере значения кодов температур t1, t2, полученные при помещении ТПС 1 и 2 в среду с температурой, близкой к минимальной температуре диапазона изменения температуры среды;

t11, t21 - запомненные заранее (например, на предприятии-изготовителе) в микроконтроллере значения кодов температур t1, t2, полученные при помещении ТПС 1 и 2 в среду с температурой, близкой к максимальной температуре диапазона изменения температуры среды.

Операция выравнивания характеристик каналов регистрации пояснена на фиг.2.

При нормальной работе ТПС 1 и 2 значения температур t1 и t2k будут близки друг к другу и измеряемую температуру вычисляют, как, например, среднее арифметическое от t1 и t2k (при выходе одного из значений t1 или t2k за допустимые пределы в качестве измеренной температуры принимают значение работоспособного измерительного канала). Ухудшение параметров ТПС 1 и 2 со временем с большой долей вероятности приведет к расхождению значений t1 и t2k и по увеличению разности этих значений можно судить об увеличении погрешности измерения температуры среды.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения температуры жидких и газообразных сред. Изобретение направлено на расширение функциональных возможностей за счет введения дополнительной функции - текущей диагностики погрешности измерения температуры и упрощение конструкции устройства. Изобретение предусматривает использование двух термопреобразователей сопротивления, расположенных в одном измерительном зонде, и включает регистрацию выходных сигналов термопреобразователей сопротивления, корректировку одного из выходных сигналов с помощью запомненных ранее выходных сигналов термопреобразователей сопротивления, полученных при их последовательном размещении в среду с двумя разными температурами, определение по выходным сигналам термопреобразователей сопротивления температуры среды и погрешности ее измерения. Устройство состоит из термопреобразователей сопротивления, размещенных в одном измерительном зонде, образцового резистора, двухканального АЦП, микроконтроллера. При этом первые выводы термопреобразователей сопротивления соединены с выводами портов микроконтроллера, с первыми дифференциальными выводами двух входов АЦП, вторые выводы термопреобразователей сопротивления соединены между собой, с одним выводом образцового резистора, со вторыми дифференциальными выводами двух входов АЦП и с первым дифференциальным выводом входа опорного напряжения АЦП, другой вывод образцового резистора соединен со вторым дифференциальным выводом входа опорного напряжения АЦП и с общим проводом питания. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ измерения температуры, заключающийся в размещении в исследуемой среде двух термопреобразователей сопротивления, регистрации их выходных сигналов, определении по зарегистрированным сигналам температуры среды, отличающийся тем, что предварительно размещают данные термопреобразователи сопротивления в среду с температурой, близкой к минимальной температуре диапазона изменения температуры среды, регистрируют и запоминают их выходные сигналы, затем размещают термопреобразователи сопротивления в среду с температурой, близкой к максимальной температуре диапазона изменения температуры среды, регистрируют и запоминают их выходные сигналы, после размещения термопреобразователей сопротивления в исследуемую среду корректируют один из выходных сигналов термопреобразователей сопротивления с помощью запомненных четырех сигналов и по разности выходных сигналов термопреобразователей сопротивления судят об изменении погрешности измерения температуры среды.2. Устройство измерения температуры, содержащее измерительный зонд с двумя термопреобразователями сопротивления, образцовый резистор, двухканальный аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, выводы цифрового интерфейса аналого-цифрового преобразователя соединены с первыми выводами микроконтроллера, первые выводы термопреобразователей сопротивления соединены с первыми входами аналого-цифрового преобразователя, второй вывод одного термопреобразователя сопротивления соединен с одним выводом образцового резистора, отличающееся тем, что первые выводы термопреобразователей сопротивления соединены дополнительно с вторыми выводами микроконтроллера, второй вывод второго термопреобразователя сопротивления соединен с вторым выводом первого термопреобразователя сопротивления и с вторыми входами аналого-цифрового преобразователя, другой вывод образцового резистора соединен с общим проводом питания, выводы образцового резистора дополнительно соединены с входами опорного напряжения аналого-цифрового преобразователя.