Устройство для измерения температуры Советский патент 1985 года по МПК G01K7/02 G01K15/00 

Изобретение относится к термометрии и может быть использовано в отраслях промышленности и научны исследованиях, где требуется достаточно длительное измерение температуры с повышенной точностью, По основному авт.св. № 718725 известно устройство для измерения температуры, -содержащее термоэлектрический преобразователь с калибратором и блок коррекции, подключенные к входам первого сум матора, измерительный прибор, соединенный.с блоком коррекции, бл управления, вход которого соединен с выходом термоэлектрического преобразователя, а выходы соединены с управляющим входом измерительного прибора и блоком эталонного напряжения, а также второй сумматор, входы которого соединены с выходом первого сумматора и блоком эталонного напряжения, а выход соединен с измерительным прибором. Устройство позволяет скомпенсировать все погревлности термоэлектрического преобразователя, в том числе погрешность от термоэлектрической неоднородности, в точке кали рования. Погрешность измерения опре деляется, в основном, качеством кал ратора и частотой калибрования Щ Однако частое калибрование, при котором реперный материал калибрато ра переходит в фазу, изнашивает калибратор {снижает его точность) из-за большой восприимчивост жидкой фазы к загрязнениям. Кроме того, частое калибрование во многих случаях практически невозможно,,так как в промышленности часто применяю технологические процессы -(например цементирование,выращивание монокристаллов), которые не позволяют изменять тепловой режим объекта (с целью .калибрования) на протяжен десятков и даже сотен часов. Поэтом в таких условиях известное устройство не может обеспечить достаточно высокую точность измерения температу ры,так как редкое калибрование приво дит к существенному влиянию на резуль тат измерения погрешности.дрейфа. Кроме того, устройство не позволяет учитывать более сложное, чем характер постоянного сдвига, изменениепогрешности дрейфа реального термо электрического преобразователя,что приводит к уменьшению точности при .длительных измерениях температуры. Цель изобретения - повышение т/эч ности измерения и увеличение ресурса калибратора. Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения температуры введены последовательно соединенные генератор опорной частоты, два счетчика и два цифроаналоговых преобразователя и последовательно соединенные .блок памяти, блок выборки, блок сравнения кодов, третий счетчик и третий цифроаналоговый преобразователь, выход которого соединен с четвертым входом сумматора, а эход - с вторым входом блока выборки, третий вход которого соединен.с выходом измерительного . прибора и вторым входом второго цифроаналогового преобразователя, выход которого подключен к пятому входу сумматора( управляющий вход соединен с управляющим входом второго счетчика и блоком управления, соединенным с управляющим входом первого счетчика. На фиг.1 представлена структурная схема устройства; на фиг.2 iграфики, поясняющие его работу. Устройство содержит термоэлектрический преобразователь (ТП) 1 с встроенным калибратором 2, представляющим собой размещенную в чехле термоэлектрического преобразователя плавкую вставку, которая обеспечивает Формирование в зоне рабочего конца тремоэлектрического преобразователя в процессе калибрования точно известной температуры в течение нескольких десятков се- , кунл. Термоэлектрический преобразо-1 ватель подключен к одному из входов многовходового сумматора 3, выход; которого подключен к измерительному прибору 4, в качестве которого используется аналого-цифровой преобразователь. На фиг.1 показан один сумматор, а не два, как в известном устройстве, поскольку два последовательно соединенных сумматора равнозначны одному-сумматору. К второму и тр етьему входам сумматора подключены блок коррекции 5 на основе цифроаналогового преобразователя и .блок эталонного напряжения, включающий в себя ключ б и источник 7 образцового напряжения, выходное напряжение которого соответствует термо ЭДС термоэлектрического преобразователя по стандартной градуировочной таблице при температуре плавления вставки калибратора 2. К четвер тому входу сумматора 3 подключен вьоход цепи состоящей из генератора 8 опорной частоты, .счетчиков 9 и 10, цифроаналоговых преобразователей (ЦАП) 11 и 12. К пятому входу сумматора подключена цепь из последовательно соединенных блока 13 памяти, блока 14 выборки, бло- ка 15 сравнения, счетчика 16 и цифроаналогового преобразователя (ПДП) 17. Синхронизацию работы отдельньох. блоков осуществляет блок 18 управления. Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии все счетчики устройства сбрасываются в нуль выходное напряжение цифроаналоговых преобразователей устанавливается равным нулю (цепи начальной установки на фиг.1 не приведены). В начале работы в режиме Калибрование проводится коррекция погрешности технологического разброса градуироночной характеристики термоэлектрического преобразователя. При этом объект измерения температуры переводится в режим стационарного нагрева, что вызывает соответствующее изменение термо--ЭДС на выходе термоэдектрического преобразователя . При достижении температуры фазового перехода материала вставки калибратора 2 выходной сигнал термоэлектрического преобразователя становится постоянным, что фиксируется блоком.18 управления. Блок 18 управления соответствующим сигналом сбрасывает в нуль ЦАП блока 5 коррекции и подключает выход источника 7посредство ключа б к входу сумматора 3. Полярность включения исто ника 7 выбрана противоположной пог лярности включения термопреобразова теля, поэтому на выходе АЦП 4 появляется код погрешности тракта: термоэлектрический преобразователь сумматор 3 - АЦП 4, По команде блок 18 управления этот код записывается в память блока 5 коррекции, что поз воляет скорректировать погрешность тракта в режиме Измерение.Все счетчики остаются сброшенныму. Г. в режиме Измерение счетчик 9 заполняется импульсами генератора 8 и по истечении некоторого времени к на выходе 19 счетчика 9 станет равным коду, поступившему посредством блока 14 выборки из блока 13 памяти 8блока 13 памяти размещены коды отрезков времени, соответствующие изм нению термо-ЭДС наперед заданную величину погрешности при разных тем пературах. Выборка блоком 14 этих кодов осуществляется в соответстви со значениями измеряемой температуры (по выходному коду АЦП 4). При равенстве первого кода с кодом на первом выходе счетчика 9, фиксируе мом в блоке 15 сравнения, в счетчик 16 записывается импульс, изменяющий выходной код счетчика 16 на еди ницу. В соответствии с этим импульсом ЦАП 17 корректирует погрешность термоэлектрического преобразователя в этот момент времени, а блок 14 вы бирает из блока 13 памяти следующее значение кода времени. Нарастание, кода ча выходе 19 счетчика 9 приводит к повторению описанного процесс что позволяет корректировать погрешность термоэлектрического преобразователя. Одновременное нарастание выходного кода счетчика 10, а значит и выходного напряжения ЦАП 11, не приводит к появлению напряжения на входе сумматора 3 из-за нулевого кода в памяти ЦАП 12. Однако в связи с наличием в процессе дрейфа не только систематической, но и случай ной составляющей погрешности, связанной с индивидуальными особенностями термоэлектрического преобразователя и условиями эксплуатации, отличными от условий эксперимента (на основании которого в блок 13 памяти введены коды, соответствующие изменению термо-ЭДС термоэлектрического преобразователя на допустимое значение погрешности), возникает дополнительная погрешность, которая со временем может стать очень значительной. Коррекция этой погрешности реализуется посредством повторения через некоторые (довольно боль шие) интервалы времени режима Калибрование , Это повторение осуществляется при поступлении импульса с второго выхода счетчика 9 на блок 18 управления. По окончанию режима Калибрование на выходе АЦП 4 появляется код погрешности, представляющий собой разность между действительным значением термо-ЭДС термоэлектрического преобразователя и прюгнозируемь м на основе предварительного эксперимента и фиксируемым на выходе ТДП 17 значением. Эта разность записывается в память блока 5 коррекции и ЦАП 12 по сигналу блока 18, причем одновременно с записью сбрасывается в нуль счетчик 10. Состояние коррекции погрешности, полученное в результате второго калибрования, отражено н-а фиг. 2 и соответствует моменту tug . При этом действительное значение погрешности термоэлектрического преобразователя uCg- состоит из двух значений: значе ния ь ЕЭ , полученного на основе экспериментальных данных (ЦАП 17) и лЕ, разности значений экспериментально полученной действительной погрешности термоэлектрического преобразователя Eg-. На фиг. 2 функция 6.Eg приведена гладкой, хотя-в действительности она будет моделироваться ступенчатой кривой, шаг квантования по дЕ которой соответствует упсмянутому выше предварительно заданному значению погрешности. Таким образом, погрешность термоэлектрического преобразователя в момент будет скорректирована полностью. Однако в процессе дальнейшей работы возникает погрешность iE , обусловленная различием характера изменения погрешности bEg- , по сравнению с экспериментальными исследованиями. Это различие в значительно мере учитывается с помощью цепи, со стоящей из счетчика 10, ЦАП 11 и 12 Напряжение на выходе liAII 11 определяет ся кодом в счетчике 10 ис его выхода поступает на вход опорного напряжен ЦАП 12 (ЦАП 12 не имеет своего выхо да опорного напряжения). Учитывая сброс в нуль счетчика 10 в момент это выходное напряжение равн - и t К% - К2 где - опорное напряжение ЦАП 11 fc; - текущее время. Физически это означает, что на выходе ЦАП 11 формируется нарастающ со временем напряжение. -В памяти ЦА 12 записан код, соответствующий дЕ(; поэтому его выходное напряжение рав «акс - максимальное значение хо ного кода ЦАП 12, Подставив (1) в (2) получаем 1, Uon ({ - t к. 4 ЕК и, г--г в последнем уравнении члены ( ) определяются неизменными параметрами схемы и постоянной частотой поступления импульсов с выхода 21 счетчика 9. В соответствии с этим формулу (3) мож предст авить в виде bw--(. Наличие напряжения U, , зависи- мого QT времени, прошедшего с момента последнего калибрования и от полученного при этом значения отличия, кривой погрешности реального термоэлектрического преобразователя от усредненной кривой погрешности tE, , позволяет учесть характер изменения дрейфа реального термоэлектрического преобразователя. Геометрически это выражается в повороте функции uEg на угол, пропорциональный отношению iiEic/ tt2 Описанный процесс повторяется при каждом калибровании, что позволяет точно воспроизводить функцию дрейфа реального термоэлектрического преобразователя на основе калибрований, повторяющихся достаточно редко. Устройство может быть реализовано на основе стандартных элементов и узлов. Существенными преимуществами предлагаемого устройства являются более высокая точность и надежность измерения температуры. Улучшение надежности устройства достигается за счет увеличения ресурса калибратора . В комплексе это создает возможность применения разработанного устройства в случаях прецизионных измерений высоких постоянных температур, например, при выращивании монокристалов, тонких магнитных пленок и т.д., а т.акже при длительных процессах термообработки з диффузион.ных и других печах. При этом существенное повышение точности и авто-.матизации процесса измерения температуры по сравнению с существующими методами и соедствами создает предпосылки для увеличения процента выхода годных изделий и улучшения воспроизводимости их параметров, что может принести значительный технико-экономический эффект.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ по авт.св. 718725, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения и увеличения ресурса калибратора, в него введены последовательно соединенные генератор опорной частоты, два счетчика и два цифроаналоговых преобразователя и последовательно соединенные блок памяти, блок выборки, блок сравнения кодов, третий счетчик и третий цифроана логовый. преобразователь, выход которого соединен с четвертым входом сумматора, а вход - с вторым входом блока выборки, третий вход которого соединен с выходом измерительного прибора и вторым входом второго цифроаналогового преобразователя, выход которого подключен к пятому входу сумматора, а управляющий вход соединен с управляющим входом второго счетчика и блоком управления,, соединенным с управляющим входом первого счетчика. (Л