Цифровое устройство для измерения температуры Советский патент 1983 года по МПК G01K7/02 

Од

со со

ратора, и формировлтепь, вкод которого подключен к выходу Коней преобразования аналого-цифровогчэ преобразователя, а вь:ход - к управляющим входам ключей и KotvfflapaTOpa, причем прямые выходы вентильных элементов подключены к входу первого фильтра, инверсные выходы - к входу второго фильтра, а выход компаратора т- к входу блока управления.

ЦИФРОВОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ, содержащее те1 1оэлектрический преобразователь с калибраторе и блок коррекции, подключенные к вводам первого сумматора, аналого-цифровой преобразователь, соединенный одним из выходов с входом блока коррекции, блсяс управления, один, из выходов которого соединен с управляющим входом аналого-цифрового преобразователя, а другой - с входом блока эталонного напряжения, второй сумматор, входы которого соединены с выходом первого сумматора и блоком эталонного напряжения, а выход соединен с входом аналоге-цифрового преобразователя, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения, в устройство введены компаратор, подключенные к каждому разряду выходшэго кода аналого-цифрового преобразователя цепи, состоящие из последоватепьво соединенных ключей, дифференцирующих звеньев и вентильных элементов, а также два фильтра низкой частоты, подключенные к прямому и инверсному вхоовм компа

Изобретение относится к термометрии S. именно к цифровым уст1Х)йствам для и мерения температуры с автоматическим калиброванием измерительного . Известно устройство для измерения температуры, содержащее температуры, встроенный калибратор, показыв ющий прибор С1 3В этсм тройстве первич 1ый преобра зователь температуры связан с встроенным калибратором в виде некоторого количества материала с известной темпера турой штавления. В момент фазового периода материала калибратора показыва1оший прибор фиксирует площадку с постояиной температурой, по которой можно судтггь о погрешности всей измерительной системы. Таким образсм, это устройство позво ляет провести проверку первичного преобразователя на месте эксплуатации, однако его функционироваш1е в режиме проверки измерительного канала требуетучастия оператора. Так как ско1)ость движения диаграммы измерительного прибора при контроле тех нологических процессов обычно невелика (.„„ или 0,ОЗ град/мин), то для полу четгая на диаграмме четко различимой площадки необходимо, чтобы время фазового перехода материала калибратора составляло несколько минут. Это увеличивает массу калибратора,, ухудшает динамические характеристики первичного преобразователя температуры и снижает точность последующих измерений за счет возрастания динамической погрешности. Известно таьсже устройство для измерения температуры, содержащее измерительный прибор, термоэлектрический термометр и блок коррекции погрешности выходы которых подключены к входам сумматора, калибратор, снабженный нагревателем, источник питания нагревателя, блок сравнения, источник стандартного сигнала и ксммутатор , К входам коммутатора подсоедине№г выходы блока управления и сумматора, а выходы KC V}мутатЪра включены на вход измерительного прибора и блока сравнения, подключенного вторым входом к выходу иоточника стандартного сигнала и выходсял - к входу блока коррекции, причем выход термоэлектрического термометра соединен также с выходом блока управления, второй выход которого соединен с управляющим входсм источника питания нагревателя калибратора. Это устройство обеспечивает не только поверку первичного преобразователя на месте эксплуатации, но и автоматическую коррекцию погрешности измерительного канала, что увеличивает точность измерения. Достигнутое расширение фугасциональных возможностей устройства и связанное с этим увеличение-. точности в значительной степени обусловлено наличием в его составе элементов, обеспечивающих автоматическую идентификацию момента фазового перехода материала калибратора и определения, таким образом, момента нача/ш калибрования t2. Однако в реальных калибраторах за счет процессов внутреннего теплообмена скорость изменения температуры перед плавлением реперного материала уменьщается постепенно, и при весьма малых ее значениях (в пределах несколько десятых градуса в минуту) температура горячего спая калибруемого термоэлектрического преобразователя все еще заметно {в пределах ) отличается от температуры фазового перехода. Поэтому точность калибрования в значительной степени определяется порогом чувствительности схемы идентификации момента фазового перехода. В рассматриваемом устройстве момент начала калибрования определяется входящим в блок управления дифференциатором выходного сигнала термоэлектрического преобразователя. Учитывая малые значения производной выходного сигнала реального термеэлектрического преобразователя в момент начала калибрования даже при применении дифференциаторов на са.мых со&ременных операционных усилителях, точность идентификации фазового перехода в этом устройстве будет недостаточна, что, в свою о ередь, снижает точность измерения в целом, Известно также устройство для измерения температуры, содержащее термоэлектрический преобразователь, аналогоцифровой преобразователь двухтактного интегрирования, блок коррекции, логичес кий элемент И, генератор стробов, и элементы схемы управления. В режиме поиска площадки за счет коммутации блоков АЦП он начинает работать в режиме Время импульсного преобразования. В момент равенства усиленного выходного датчика мгновенному значеншо опорного пилообразного напряжения запускается последовательность счетных импульсов, период следования которых равен периоду опорного пилообразного напряжения, а фаза зависит от величинь выходного сигнала датчика. Если через указанное число периодов выходной сигнал термоэлектрического преобразователя не изменился, моменты поступления счетного импульса и очеред ного импульса сравнения на вход логи- . ческого элемента И совпадают, что учитывается счетчиком совпадений з . Разрешающая способность определени мсмента начала калибрования будет зависеть от емкости счетчика совпадений и порога чувствительности аналого-цифр вого преобразователя, однако потенциально высокая точность этого устройств не достигается при практической реализации его из-за недостаточно высокой помехозащищенности схемы в реальных условиях эксплуатации. Наиболее близким к предлагаемому п технической сущности и достигаемому результату является устройство для измерения температуры с автоматическим калиброванием измерительного канала, с держащее термоэлектрический термометр с калибратором и блок коррекции, подключенные к входам первого сумматора, измерительный прибор, например аналого цифровой преобразователь, соединенный блоком коррекции, блок управления, вход которого соединен с выходом термоэлек трического термометра, а выходы - с управляющим входом измерительного при бора и блоком эталонного напряжения, второй сумматор, входы которого соединены с выходом первого cyN-iMaTopa и блоком эталонного напряжения, а выход соединен с измерительным прибором L43. В известном устройстве идентификация мсмёнта фазового перехода калибратора осуществляется с помощью входящего в блок управления дифференциатора выходного сигпала термоэлектрического преобразователя. Поэтому точность калибрования и последующего измерения недостаточна. Целью изобретения является повыще- ние точности измерения. Поставленная цель достигается тем, что в цифровое устройство для измерения температуры, содержащее термоэлектрический преобразователь с калибратором и блок коррекции, подключенные к входам первого сумматора, аналого-цифровой преобразователь, соединенный одним из выходов с входом блока коррекции, блок управления, один из выходов которого соединен с управляющим входом аналогоцифрового преобразователя, а другой - с входом блока эталонного напряжения, второй сумматор, входы которого соединены с выходом первого сумматора и блоком эталонного напряжения, а выход соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, введены компаратор, подключенные к каждому разряду выходного кода аналого-цифрового преобразователя цепи, состоящие из последовательно соединенных ключей, диффере1щирующих звеньев и вентильных элементов, два фильтра низкой частоты, подключенные к прямому и инверсному входам компаратора, и формирюватеяь, вход которого подключен к выходу Конец преобразования аналого-цифрового преобразователя, а выход - к управляющим входам ключей и ксж пара тора, причем прямые выходы вент иль {ВЫ X элементов подключены к входу первого фильтра, инверсные выходы к входу второго фильтра, а выход компаратора - к входу блока управления. На чертеже приведена блок-схема предлагаемого устройства. Устройство содержит термоэлектрический преобразователь с встроенным калибратором 1 и блок 2 коррекции, подключенные к входам первого сумматора 3,аналого-цифровой преобразователь ЦГЙ4, соединенный с блоком 2 коррекции, блок 5 управления, соединен гый с управляющим входом аналого-цифрового преобразователя и блоком 6 эталонного напряжения, второй сумматор 7, входы которого

соединены с выходом первого сумматора и блоком эталонного напряжения. Выход сумматора 7 соединен с входом аналого цифрового преобразователя, к клеммам каждого разряда выходного кода KOioporo подключены цепи, состоящие из последо вательно включенных ключей 8, дифферен пирующих звеньев 9, вентильн1 1Х элементов 10 и фильтров 11 и 12 низкой час тоты{ФН14подключенныхкпрямому иинверс ному входу компаратора 13. В устройстве имеется также формиро ватель 14, вход которого подключен к выходу Конец преобразования аналогоцифрового преобразователя, а выход - к управляющим входам ключей 8 и компара тора 13, причем прямые входы вентильных элементов 1О подключены к входу первого фильтра 11, а инверсные выходы подключены к входу второго фильтра 12 выход компаратора 13 подключен к входу блока 5 управления. В устройстве принципиально отсутствует дифференцирэвание выходного сигнала термоэлектрического преобразователя. Устройство работает следующим об разом. В Калибрование оператор . переводит объект измерения в состояние постоянного нагрева или охлаждения. Аналого-цифровой преобразователь 4 работает в режиме внешнего запуска от блока 5 управления с периодом запуска L (10-15 с). Выходной Шлпульс Конец преобразования через формирователь 14 открывает ключи 8. Выходной код АЦП-(сонетаHtffi нулей и единиц на выходном разъеме) заряжает (если в разряде I) или разряжает (если в разряде О) конденсаторы диффернциру- ющих ЗБеньев 9 При этом па выходе дифференцирующих звеньев формируются импульсы, которые через вентиль 1О заряжают (с той или иной полярностью) конденсаторы фильтров низкой частоты (ФНЧ) 11 и 12. Это создает раз ность потенциалов на входе компаратора 13, с выхода которогх) на вход блока 5 упраВ ления поступает сигшл запрета калибрования и очередным импульсом вновь запускается АЦП 4, Если его выходной код за время t измешется, возможны следующие комбинации изменения разрядо выходного кода: нуль меняется на единицу, единица меняется на нуль. Если в какса1-«либо кз разрядов низкое напряженке логического нуля заменяется на высокое напряжение логической едиHHia i, происходит заряд емкости сх)от

ветствующего дифферендирующегю апемевта 9, на его выходе формируется положительный элемент, который через прямой выход соответствующего вентильного элемента заряжает конденсатор фшштра шкзкой частоты 11, создавая положительный потендиал на первом (неинвертирующем) входе компаратора 13. При замене нулей на единишы одновременно в нескольких разрядах выходного кода АЦП заряд конденсатора ФНЧ 11 осуществляется от того вентиля, у которого в силу всегда имеющегося разброса параметров динамическое сопротивление минимально. Если в каком-либо из разрядов логическая единица заменилась на нуль, то происходит разряд конденсатора дифференцирующего элемента 9, а через инвертирующий выход вентильного элемента 1О заряжается конденсатор второго ФНЧ, создавая отрицательный потенциал на втором (инвертирующем) входе ксыпаратора 13, Аналогично рассмотренному процесс одновременного перехода логических единиц в логические нули не изменяет результата по сравнению с изменением единицы i.ffl нуль в одном разряде. Если же одновременно в одних разрядах заменяются на нули, а в других разрядах - нули на единицы, то за счет различной полярности выходных напряжений ФНЧ разность потенциалов на входе компаратора 13 удваивается. Таким образом, любое изменение выходного кода АЦП за время между двумя измерениями вызывает появление сигнала Запрет калибрования на выходе компаратора 13. В момент фазового перехода материала калибратора температура в зоне чувствительного элемента термоэлектрического преобразователя в течение нескольких десятков секунд остается постоянной, и выходной код АИП не меняется. При очередном такте измерения сигнал блокировки калибрования на вход блока 5 управления не поступает, и на вход вторюго сумматора 7 с блока 6 эталонногчз напряжения навстречу измеряемому сигналу поступает соответствующий температуре фазового перехода калибратора сигнал стандартной ЗДС, Если эти сигналы не равны, что свн детельстйует о наличии погрешности в канале измерения, на вход блока 2 ко(рекции с выхода А1Ш поступает сигнал управления, и на входе сумматора 3 формируется линейно нарастающее Hanpsiжение соответствующей полярности. 710 Рост напряжения на выходе блока 2 коррекции продолжается до момента ра. венства выходного сигнала сумматора 7 стандартшэй ЭДС блока 6 эталонного напряжения, что фиксируется АЦП. Рост выходного напряжения блока 2 коррекции прекращается, а его значение фиксируется элементами памяти, входящими в состав этопэ блока. rto сигналу с блока управления блок 6 эталонного напряжения отключается от входа сумматора 7, и процесс калиброва- ния заканчивается. В режиме Измерения выходное напряжение блока коррекции постоя нно суммируется сумматором 3 с вэ меряемым сигналом, чем обеспечивается автоматическое введение поправки на погрешность измерительного канала. Термоэлектрический преобразователь с встроенным калибратором может быть реализовав на основе стандартного преобразователя, например ТХА-О515, путем расположения в его запгатной арматуре колпачка вз нержавеющей стали, заполненного чистым металлом или сшшвом с точно известной температурой плавления (свинец, сурьма, медь-алюминиевая эвтектика, серебро и т.д.). Горячий спай преобразователя располагается в массе этого металла для обеспечения надлежащего теплового контакта. Все блоки устройства могут быть реализован,: на стандартных электронных компонентах. Отсутствие в предложенном устройстве дифференциатора выходного сигнала термоэлектрического преобразсжателя позволяет исключить и присущие ему по378грешйостн в определении момента фаэового перехода калибратора. В предложенном устройстве выделяется момент взменення любого вз разрядов выходного кода АЦП за время между двумя тактами взмер&нвя. Таким образом, чувствительность схемы индентификацин определяется разрешающей способностью АЦП, которая в системах намерения температуры может быть очень высокой иэ-за малой величины выходного сигнала первичного преобразователя, Поэтс 1у момент начала калибрования определяется весьма точно, что обеспечивает повышение точности вз- мерения в цепом. Схема обладает высоким уровнем защиты от , так как изменение сигна- ла определяется после АЦП, обладающего высокой помехозащищенностью. В пред- . «)женной схеме регулируется порог чувствительности идентификации за счет подбора при анализе числа разрядов выходного кода, что необходимо при идентификации фазовых переходов технически чистых металлов, когда температурная площадка может иметь некоторый наклон. Устройство может найти широкое применение в системах точного измерения температуры технологических процессов, например, в составе комплексов технических средств для АСУ ТП. Общее повышение точности температурного контроля при внедренкн предложенного устройства ссодает технико-экономический эффект за счет снижения брака и повышения технических характеристик выпускаемой продукции.