Многоканальное устройство для измерения температуры Российский патент 2023 года по МПК G01K7/16 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения температуры многих объектов или на многих участках одного объекта.

Известна многоканальная измерительная система, включающая набор терминальных блоков для подсоединения датчиков измерения температуры, которые связаны с модулями согласования сигналов, объединенными в шасси согласования сигналов, которое связано с платой сбора данных, взаимосвязанной, в свою очередь, через шасси управления с контроллером управления (см. патент на полезную модель № 90556,МПК (2006.01) G01K 19/00, опубл.10.01.2010 г.)

Недостатками данного устройства является недостаточная надежность и точность измерения температуры, сложность реализации в связи с применением большого числа терминальных блоков и модулей согласования.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является многоканальное устройство для измерения температуры, включающее n термометров сопротивления (см. патент РФ на изобретение №2526195, МПК (2006.01) G01K 7/16, опубл. 27.03.2014 г.).

Недостатками прототипа являются недостаточная надежность устройства, определяемая применением до восьми многопозиционных однополюсных электронных переключателей, а также использование трех проводного соединения датчиков температуры, что существенно усложняет реализацию многоканального устройства при длинных соединительных проводах датчиков температуры.

Технический результат предложенного технического решения заключается в упрощении и повышение надежности устройства, а также повышении достоверности и точности измерения температуры на многих участках объекта или температуры самих объектов.

Технический результат достигается тем, что многоканальное устройство для измерения температуры, включающее n термометров сопротивления, согласно изобретению, устройство дополнительно снабжено 2 n соединительными проводами, платой сбора данных измерения, состоящей из разъёма, четырёх аналоговых мультиплексоров с информационными и управляющими входами, генератором измерительного тока, дифференциальным усилителем, аналогово-цифровым преобразователем, блоком с функциями фильтрации управления, обработки данных измерения и их отображения, при этом каждый термометр сопротивления соединён с двумя контактами разъема платы соединительными проводами, а информационные входы первого и третьего мультиплексоров соединены с первыми соединительными проводами датчиков, а информационные входы второго и четвертого мультиплексоров соединены со вторыми соединительными проводами датчиков, причём выводы генератора измерительного тока подключены к выходам первого и второго мультиплексоров, входы дифференциального усилителя соединены с выходами третьего и четвертого мультиплексоров, вход аналогово-цифрового преобразователя соединён с выходом дифференциального усилителя, вход блока фильтрации, управления, обработки данных измерения и их отображения соединен с выходом аналогово-цифрового преобразователя, а выходы блока фильтрации, управления, обработки данных измерения и их отображения соединены с управляющими входами четырех мультиплексоров.

Данное многоканальное устройство для измерения температуры позволит значительно упростить и повысить надёжность устройства, а также повысить достоверность и точность измерения температуры.

Сущность многоканального устройства поясняется чертежом, где на фиг.1 представлена его структурная схема.

Структурная схема состоит из n датчиков температуры, а именно, термометров сопротивления Rt1… Rtn, соединительных проводов R1… 2Rn, разъёма 1 с числом контактов 2n, четырех аналоговых мультиплексоров 2, 3, 4, 5; генератора измерительного тока 6, дифференциального усилителя 7, аналого-цифрового преобразователя 8 и блока с функциями фильтрации, управления, обработки данных измерения и их отображения 9. Функционально датчики температуры и соединительные провода представляют одну часть устройства, а разъём 1 с контактами, четыре аналоговых мультиплексора 2, 3, 4, 5, генератор измерительного тока 6, дифференциальный усилитель 7, аналого-цифровой преобразователь 8, блок с функциями фильтрации, управления, обработки данных измерения и их отображения 9 – другую часть, представляющую плату сбора данных измерения. При этом каждый датчик п температуры соединен с двумя контактами разъёма 1 двумя соединительными проводами, так датчик Rt1 с первой парой контактов разъёма 1 соединен проводами R1 и R2, датчик Rt2 – проводами R3 и R4 со второй парой контактов разъёма 1 и т.д., последний датчик Rtn соединен с последней парой контактов разъёма 1 проводами, обозначенными 2R(n-1) и 2Rn. Контакты разъёма с нечетными номерами, а именно 1, 3, …, 2R(n-1) проводами 1', 3',…,2R(n-1) соединены с информационными входами аналоговых мультиплексоров 2 и 4, контакты разъёма с чётными номерами, а именно, 2, 4, …, 2Rn проводами 1', 3'..., 2Rn соединены с информационными входами аналоговых мультиплексоров 3 и 5. Выводы генератора измерительного тока 6 соединены с выходами аналоговых мультиплексоров 2 и 3, а выходы аналоговых мультиплексоров 4 и 5 соединены со входами дифференциального усилителя 7, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя 8. Выход аналого-цифрового преобразователя 8 соединен с входом блока фильтрации, управления, обработки данных измерения и их отображения 9, выходы которого от 1'' до к соединены с управляющими входами всех мультиплексоров 2, 3, 4, 5. Число управляющих входов аналоговых мультиплексоров 2, 3, 4, 5 равно числу выходов от 1'' до к блока 9. Число к определяется двоичным логарифмом от числа используемых датчиков температуры (термометров сопротивления), к примеру, если число датчиков температуры, используемых в устройстве равно 16 (n=16), то к=4 и т.д.

Многоканальное устройство для измерения температуры работает следующим образом.

По цифровым сигналам, подаваемым с выходов от 1'' до к блока 9, происходит последовательное подключение во времени к датчикам Rt1-Rtn выводов генератора измерительного тока 2, как с помощью мультиплексоров 2 и 3, так и с помощью контактов разъёма 1 платы и соединительных проводов. К контактам разъёма 1 платы в то же время подключены входы дифференциального усилителя 7 с помощью мультиплексоров 4 и 5. На выходе дифференциального усилителя 7 формируется аналоговый сигнал, пропорциональный с определенной точностью измеряемой датчиком температуре и, тем самым, обеспечивается раздельное измерение падения напряжения на каждом из n термометров сопротивления. Аналоговый сигнал с выхода дифференциального усилителя 7 преобразуется в цифровой сигнал с помощью аналого-цифрового преобразователя 8. Раздельно во времени цифровые сигналы, соответствующие измеряемым температурам по всем датчикам n, с выхода аналого-цифрового преобразователя 8 подаются на блок 9, в котором эти сигналы обрабатываются, отображаются и хранятся. По числу информационных входов, а значит и по управляющим входам, все четыре мультиплексоры одинаковы, что дополнительно упрощает реализацию устройства.

Результат каждого измерения или измеренное падение напряжения на термометре сопротивления и на соединительных проводах, полученный блоком 9, соответствует формуле:

Uti=Iизм(Rti+Ri1+Ri2),

где: Uti - измеренное суммарное падение напряжения на i-том термометре сопротивления и на его соединительных проводах; Iизм - измерительный ток, подаваемый генератором тока на термометр сопротивления; Rti - сопротивление i-того термометра сопротивления; Ri1, Ri2 – сопротивления первого и второго соединительных проводов i-того термометра сопротивления.

Как видно из приведенной формулы, величины сопротивлений соединительных проводов Ri1+Ri2 датчика вносят погрешности в измерение, поэтому важно применение соединительных проводов с минимальными сопротивлениями и с мало изменяющимися сопротивлениями.

Зная величины измерительных токов и, определив заранее зависимость сопротивлений соединительных проводов от протекания через них измерительного тока, что способствует разогреву соединительных проводов, приводящего к увеличению сопротивлений проводов, при обработке данных измерения вносят поправку на увеличение сопротивлений соединительных проводов от разогрева.

Определив длину, толщину и материал соединительных проводов, а также зависимость сопротивления этих проводов от температуры, корректируют результаты измерения и сводят к минимуму зависимость погрешности измерения от сопротивлений соединительных проводов. Практическую реализацию этих двух процедур по корректировке результата измерения производят на основе программного обеспечения, закладываемого в блок 9 предлагаемого устройства.

После измерения в первом такте падения напряжения на первом термометре сопротивления во втором такте блок 9 формирует новый цифровой сигнал, который подается на все управляющие входы мультиплексоров 2, 3, 4, 5 и, тем самым, обеспечивают соединение второго датчика Rt2 через соединительные провода R3 и R4, два контакта разъёма 1 платы и проводами 3' и 4' со вторыми информационными входами мультиплексоров 2 и 3 к выводам генератора измерительного тока 5. Одновременно вторые информационные входы мультиплексоров 4 и 5 также подключены к этим же контактам разъёма 1 платы проводами 3' и 4' и обеспечивают соединение указанных контактов с входами дифференциального усилителя 7, на выходе которого формируют падение напряжения, соответствующее падению напряжения на втором датчике температуры Rt2 и на его соединительных проводах R3 и R4. Это падение напряжения определяют выражением – Ut2=Iизм(Rt2+R3+R4). Из этого падения напряжения блоком 9 определяют точное значение температуры, замеренное с помощью второго термометра сопротивления Rt2.

После чего производят подключение третьего, четвертого и т.д. термометров сопротивления. На n - такте измеряют температуру, определяемую n-ым термометром сопротивления. Таким образом, полный цикл измерения температуры состоит из n- тактов, что равно числу используемых термометров сопротивления. Далее цикл измерения повторяют.

Таким образом, использованием только одного измерительного тока и одного канала измерения обеспечивают одинаковые условия измерения по всем датчикам температуры, что дополнительно приводит к высокой достоверности и точности результатов измерения.

Использование многоканального устройства для измерения температуры позволит по сравнению с прототипом значительно упростить и повысить надёжность устройства, а также повысить достоверность и точность измерения температуры.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения температуры многих объектов или на многих участках одного объекта. Предложено устройство для измерения температуры, включающее n термометров сопротивления, которое дополнительно снабжено 2n соединительными проводами, платой сбора данных измерения, состоящей из разъёма, четырёх аналоговых мультиплексоров с информационными и управляющими входами, генератора измерительного тока, дифференциального усилителя, аналогово-цифрового преобразователя, блока с функциями фильтрации управления, обработки данных измерения и их отображения. При этом каждый термометр сопротивления соединён с двумя контактами разъема платы соединительными проводами, а информационные входы первого и третьего мультиплексоров соединены с первыми соединительными проводами датчиков. Информационные входы второго и четвертого мультиплексоров соединены со вторыми соединительными проводами датчиков, причём выводы генератора измерительного тока подключены к выходам первого и второго мультиплексоров. Входы дифференциального усилителя соединены с выходами третьего и четвертого мультиплексоров, вход аналого-цифрового преобразователя соединён с выходом дифференциального усилителя. Вход блока фильтрации, управления, обработки данных измерения и их отображения соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, а выходы этого блока соединены с управляющими входами четырех мультиплексоров. Технический результат - упрощение и повышение надежности устройства, а также повышение достоверности и точности измерения температуры на многих участках объекта или температуры самих объектов. 1 ил.

Многоканальное устройство для измерения температуры, включающее n термометров сопротивления, отличающееся тем, что устройство дополнительно снабжено 2n соединительными проводами, платой сбора данных измерений, состоящей из разъёма, четырёх аналоговых мультиплексоров с информационными и управляющими входами, генератором измерительного тока, дифференциальным усилителем, аналого-цифровым преобразователем, блоком с функциями фильтрации, управления, обработки данных измерения и их отображения, при этом каждый термометр сопротивления соединён с двумя контактами разъема платы соединительными проводами, а информационные входы первого и третьего мультиплексоров соединены с первыми соединительными проводами датчиков, а информационные входы второго и четвертого мультиплексоров соединены со вторыми соединительными проводами датчиков, причём выводы генератора измерительного тока подключены к выходам первого и второго мультиплексоров, входы дифференциального усилителя соединены с выходами третьего и четвертого мультиплексоров, вход аналого-цифрового преобразователя соединён с выходом дифференциального усилителя, вход блока фильтрации, управления, обработки данных измерения и их отображения соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, а выходы блока фильтрации, управления, обработки данных измерения и их отображения соединены с управляющими входами четырех мультиплексоров.