Устройство для измерения температуры Советский патент 1983 года по МПК G01K7/00 

Изобретение относится к контактным измерениям температуры с использованием первичных измерительны преобразователей d нелинейной зависимостью выходного сигнала от измеряемого параметра и может быть использовано -в других областях измери тельной техники, в которых используются измерительные преобразователи с нелинейной характеристикой пре образования, Известен цифровой измеритель тем пературы, содержащий термоэлектрический преобразователь, автоматичес кий компенсатор тока, источники пос тоянного стабилизированного напряжения, формирователи корректирующег напряжения, каждый из которых состоит из реохордов, движки которых механически связаны с движком реохорда автоматического компенсатора постоянного тока, сумматор, аналого цифровой преобразователь, блок упра ления формирователей корректирующег напряжения, устройства сравнения и усилитель, постоянного тока. В таком устройстве компенсация нелинейности характеристики термопреобразователя осуществляется путем добавления к сигналу термопреоб разователя корректирующего напряжения 1 . Недостатками известного устройст ва являются его сложность, а также низкое быстродействие. ь.аиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство для измерения температуры, содержащее термоэлектрический преобразователь, сумматор, источники опорных напряжений, ключи, входящие в состав блоков сравнения, а также термопреобразователь сопротивления для измерения температуры свободных концов термоэлектрического преобразователя, подключенный к входу преобразователя сопротивления в напряжение, блок регистрации, включающий в себя аналого-цифровой преобразователь, причем выход термо электрического преобразователя соединен с первыми входами блоков срав нения первой группы, вторые и третьи входы которых соединены,.с выходами ,первого источника опорных напряжений, выход преобразователя сопротивления в напряжение соединен с первыми входами блоков сравнения второй группы, вторые и третьи вход которых соединены с выходами второг источника опорных напряжений, входы, сумматора соединены с выходги и блоков сравнения и выходами источниЛов опорных напряжений, а выход сумматора - с входом блока регистра ции Н . В известном.устройстве напряжение коррекции погрешности линейности термоэлектрического преобразователя при любом произвольно выбранном значении температуры рабочего спая формируется путем суммирования необходимого числа элементарных напряжений коррекции. При больших значениях нелинейности и, соответственно, при больших значениях напряжения коррекции в цепь коррекции оказываются включенными все источники элементарных напряжений, из-за чего суммарная погрешность корректирующего напряжения определяется суммой погрешностей установки корректирующих напряжений, что ведет к снижению точности измерения. В случае отказа одного из источников элементарных напряжений показания прибора изменяются на величину погрешности, которая будет проявляться при всех -значениях температуры,больших значениях температуры, соответствующего выпавшему элементарному напряжению. Кроме того, в прототипе не предусмотрена возможность индикации выхода измеряемой величины за пределы рабочего диапазона. Это делает возможным получение ложной (недостоверной) измерительной информации при выходе температуры за пределы рабочего диапазона. Особенно велик риск получения недостоверной измерительной информации в случае, когда измерение производится вблизи границ рабочего диапазона устройства для измерения температуры. Цель изобретения - повышение точности измерения температуры и улучшение надежностных характеристик устройства. Поставленная цель достигается тем, что в устройство для - измерения температуры, содержащее термоэлектрический преобразователь, сумматор, источник опорных напряжений и ключи, введены источник корректирующих напряжений,И -1 логических элементов ИСКЛЮЧАКХгЩЕ ИЛИ и П двухвходо- ; вых пороговых схем/ первые входы которых соединены с выходами источника . опорных напряжений, а вторые входы соединены с выходом термоэлектрического преобразователя и первым входом сумматора-, второй вход которого соединен с выходами ключей, при этом входы каждого логического элемента ИСКЛЮЧАКХДЕЕ ИЛИ соединены с выходами каждой пары смежных пороговых схем, а выход подключен к управляющему входу соответствующего ключа, вход которого соединен с выходом источника корректирующих напряжений. . На фиг.1 приведена структурная схема устройства; на фиг.2 - графики зависимостей термо-ЭДС термоэлектрического преобразователя и выходного сигнала устройства от температуры; на фиг.З - графики зависимостей корректирующего напряжения и погрешности измерения от выход-, ного сигнала термообраэователя.

Устройство содержит источник 1 опорных напряжений с числом выходов п, количество которых и значения напряжений на которых определяются формой характеристики преобразования первичного преобразователя и значением допустимой абсолютной, погрешности преобразования. Этими же факторами определяется и число tn выходов источника .2 корректирующих напряжений, кратных удвоенному значению напряжения, соответствующего допускаемой абсолютной погрешности линейности. Опорным напряжениям источника 1 соответствуют ц двухвходовых пороговых схем 3, первйе входы которых соединены с соответствующими выходами источника 1 опорных напряжений, а вторые - с выходом термоэлектрического преобразователя. Каждой паре смежных пороговых устройств 3 соответствуют двухвходовые логические элементы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 4, входы которых присоединены к выходам каждой пары соседних пороговых схем 3. Указанным логически элементам 4 соответств1 ют () yn-i равляемых ключей 5, управляющие входы которых присоединены к выходам логических элементов 4, а сиг;нальные - к выходам источника 2 :корректирующих напряжений. Выход термоэлектрического преобразователя 6 соединен с первым входом сумматора 7, к второму входу которого подключены выходы управляемых ключей 5, а выход является выходом устройства.

Устройство также содержит ц -входвые логические элементы И 8 и ИЛИ-НЕ- 9, входы которых подключены к выходам пороговых схем 3, а выходы - к индикаторам 10 и 11 выхода значений измеряемой температуры за верхний и нижний пределы, измерения соответственно.

На фиг,2 кривая 12 изображает зависимость термо-ЭДС U i (t) термоэлектрического преобразователя от температуры , прямая 13 - линейную зависимость выходного сигналаЦ .C-t устройства от температуры t .

На фиг,3 кривые 14 и 15 изображают, соответственно, зависимости корректирующего напряжениями и его ступенчатую аппроксимацию uU| от выходного сигнала термопреобразователя и , 16 - зависимость погрешности 8 ц от Выходного сигнала тёрмопреобразователя, .

Устройство работает следующим образом.

Нелинейно зависящий от температ ры выходной сигнал И - i (t) термоэлектрического преобразователя. 6 поступает на все пороговые схемы 3 и на первый вход сумматора 7, Этот

5 сигнал отличается от сигнгша . с требуемой в приборах .с цифровым отсчетом линейной, зависимостью от температуры на величину погрешности линейноьтили (U) и - U i (l)-ct

0 (фиг,2). Для получения на выходе

устройства сигнала, линейно зависящего от измеряемой температуры, до статочно к выходному сигналу термопреобразователя прибавить корректи5 рующее напряжениед(J {U)(t)J , значение которого может быть определено при градуировке термопреобразователя,.

В заданном диапазоне измерения

0 температуры (i Дпах) соответствующем ему диа пдзоне ( Up,;, UOIQX) изменения Выходного напряжения термопреобразователя при известной его функции преобразования и { (t) зна5 нения коэффициента С целесообразно выбрать исходя из условия минимизации абсолютного значения7и{1) абсолютной погрешности линейности, Ввиду слабо выраженной для термо электрических преобразователей нелинейности характеристики U (t) зависимость и (U) - (-1) аппроксимируется ступенчатой функцией

Ui-v(i 2ifiu,iH.5....K,

5 где Si,:C-8t, 8-t - допустимая абсолютная погрешность линейности измерения температуры, причем пределы , ij. , Uj выбираются таким образом, чтобы

/ Uj-CU/iS -C.8t,

0 : Пороговые схемы сравнения сравнивают и (t) с предельными значени- . ямй D j , i 1,2, .., ., Н , воспроизводимыми источником 1 опорных на5 пряжений. По сигналам с выходов схем сравнения логические элементы 4 вырабатывают сигналы, управляющие ключами 5,посредством которых к второму входу csT MaTOpa 7

П подается напряжение л Oj с соответствующего данным пределам (U j., , Uj ) выхода источника корректирующих напряжений. На первый, вход сумматора 7 подается непосредственно-выходное напряжение U , в результате

- чего на выходе сумматора получается напряжение И , равное с абсолют-, ной остаточной погрешностью Л Upj, и +iU-ct, не превосходящей по модулю значения 8ч, , напряжению и ct

0 (фиг.З) ,

Границы (Uj.;, , Uj ) каждого из интервалов ступенчатой аппроксимации зависимости л и V(U) определяются .абсциссами точек -пересечения

5 кривой ь и Ц (11) с пря.мымийи (2i+l)8u и uU ()8ц , где i--e, -(e-l),...,-l,0,l,....,k . Общее количество ступеней m V+f + l, где k иВ - количесгво ступеней со ответственно в положительной и отрицательной областях значений Л tJ выбирается исходя из условий )-ct -7k-6u/t6u c.6t, /.(l)-2eSj68urc-8t, где символом вир обозначено наибол шее на интервале (и,„,„, Опа) значение выражения, причем каждому интервалу (Uj., , Ui ) выходного напряжения термоэлектрического преоб разователя однозначно соответствуе определенное значение корректирующего напряжения uU,,2,... , tn . Предполагаетея что на выходе устройств 3 сравнения появляется сигнал, соответствующий логической единице (например, сигнал высокого уровня), если , и логическому нулю (например, сигнал низкого уро ня) , если и Uj . Еслии и ;„ или и Umax на выходах всех схем 3 сравнения появляется сигнал, соответствующий логическому нулю (или единице), вследствие чего на выходах схемы 8 или 9 появятся сигналы, соответствующие логической единице, которые приведут к срабатыванию индикаторо выхода температуры за нижний (11) или верхний (10) пределы измерения Предлагаемое устройство позволя повысить точность измерения температуры и улучшить надежностные хар теристики устройства. Повышение точности преобразования достигаетс оптимизацией выбора числа элементов устройства и разбиения диапазона на участки аппроксимации, а также устранением влияния на результат измерения погрешностей подгонки корректирующих напряжений источника 2. При любом значении температуры максимальная остаточная погрешность линейности определяется погрешностью установки лишь одного напряжения коррекции и соответствующего опорного напряжения, в то время как в прототипе - суммой погрешностей установки (подгонки) всех элементарных напряжений коррекции, которая в худшем случае в К- раз больше. Повышение надежности предлагаемого устройства по сравнению с прототипом обеспечивается особенностями его структуры, благодаря которым отказ (изменение, выходящее за пределы допускаемого) одного (или нескольких) напряжения источника 2 влияет на погрешность измерения лишь на соответствующих (одном или нескольких) элементарных участках, в то время как в прототипе отказ даже одного из напряжений непосредственно влияет на точность измерения во всем рабочем диапазоне. В случае отказа одного из источников напряжения коррекции при плавном изменении.температуры в. показаниях прибора будет наблюдаться характерныйпровал при значении температуры, соответствующем отказавшему источнику. Во всем же остальном диапазоне изменения температуры погрешность измерения никак не изменится. Это свидетельствует о значительно более высокой надежности предлагаемого.устройства. Кроме того, преимуществом устройства является наличие индикации выхода за Пределы рабочего диапазона.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ, содержащее термоэлектрический преобразователь, сумматор, источник опорных напряжений и ключи, отличающееся тем, что. с целью повышения точности измерения температуры и улучшения надежностных характеристик устройства, в него введены источник корректирующих напряжений, п-1 логических элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ И Ц двухвходовых пороговых схем, первые входы которых соединены с выходами источника опорных напряжений, а вторые входы соединены с выходом термоэлектрического преобразователя и первым входом сумматора, второй вход которого со,единен с выходами кЛочей, при этОм входы каждого логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ соединены с выходами каждой пары смежных пороговых схем, а выход подключен к управляющему с входу.соответствующего ключа, вход (Л которого соединен с выходом источника корректирующих напряжений.