Устройство для измерения температуры Советский патент 1986 года по МПК G01K7/16 

Изобретение относится к термометрии и может быть использовано в различных отраслях промьгашенности, а также при научных исследованиях для проведения высокоточных измерений при большой интенсивности помех промышленной частоты.

Цель изобретения - повышение помехозащищенности и точности устройства за счет подстройки времени интегрирования входного сигнала в аналого-цифровом преобразователе под период сетевого напряжения с последующей автоматической калибровкой устройства.

На фиг. 1 приведена блок-схема устройстваJ на фиг. 2 - структурная схема устройства, выполненного на базе микропроцессорного комплекта; на фиг. 3 - временные диаграммы работы счетчиков; на фиг. 4 - структурная схема и временные диаграммы работы интегрирующего АЦП.

Устройство содержит термопреобразователь 1 сопротивления, блок образцовых резисторов 2, источник 3 тока, . коммутатор 4, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 5 двухтактного интегрирования, программируемые счетчики 6 и 7, генератор 8 импульсов, микропроцессор (МП) 9, формирователь 10, запоминающее устройство (ЗУ) 11 и блок 12 индикации.

Устройство работает следующим образом.

При включении прибора МП 9 производит программирование счетчиков 6 и 7 и начальную установку счетчика 7 путем загрузки в них соответствующих управляющих слов. Счетчик 6 устанавливается в режим деления на заданный коэффициент опорной частоты подаваемой на его тактовый вход,счетчик 7 - в режим подсчета числа импульсов опорной частоты, подаваемой на его тактовый вход, за время действия разрешающего сигнала высокого уровня на его управляющем входе. В данном режиме работы положительньм фронтом разрешающего сигнала производится установка счетчика в начгшь- ное состояние и запуск процесса счета импульсов. Отрицательным фронтом управляющего сигнала счет импульсов останавливается, и счетчик переходи в режим хранения накопленной информации.

Цикл работы прибора включает такты измерения периода сетевого напря296002

жения, формирования управляющего сигнгала длительностью, равной периоду сети в,момент ее измерения, и задающего длительность времени ин5 тегрирования измеряемого сигнала в АЦП 5 двухтактного интегрирования, такты измерения сопротивления образ- цовьп: резисторов R, Ry из блока резисторов 2, а также определенное ко10 личество тактов измерения температуры.

Цикл работы прибора начинается с такта измерения периода сетевого на- пряж€ ния. На вход формирователя 10 подается напряжение сети. Последова15 тельность прямоугольных импульсов длительностью, равной периоду сети If., и скважностью 2, вырабатываемая формирователем 10, подается на управляющий рход программируемого счет20 чика 7. При высоком уровне сигнала на управляющем входе в течение первого полупериода выходного сигнала формирователя 10 в счетчике 7 осу- П1ествляется подсчет числа импульсов

25 опорной частоты f, подведенной к его тактовому входу с выхода генератора 8 импульсов. Б течение второго полупериода выходного напряжения формирователя, при низком уровне сигнаЗд ла на управляющем входе счетчика 7, счет импульсов прекращается. Код А f .J TU , накопленный в счетчике 7 за первый полупериод управляющего сигнала, сохраняется в нем до конца второго полупериода .

Момент окончания цикла измерения периода сети счетчиком 7 определяется программным путем. Для этого МП 9 два раза считывает содержимое счетчика 7 и сравнивает между собой эти значения. Этот процесс циклически продолжается до тех пор, пока считанные коды не окажутся равными между собой, что будет свидетельствовать о том, что счет импульсов завершен и счетчик находится в состоянии хранения накопленной информации.

35

40

5

Далее следует такт формирования управляющего сигнала АЦП. Код Ag,

Ю

считанный из счетчика 7, умножается

МП 9 на два и загружается в программируемый счетчик 6. На выходе последнего 6 вьфабатывается периодическая последовательность прямоугольных им- пульсов со скважностью 2, период Т которых в 2 А раз больше периода сигнала опорной частоты f, поступающей на тактовый вход счетчика 6

T, 2A.f

.-r- 2T, . (1)

Последовательность выходных импульсов счетчика 6 длительностью Т,,

равной периоду сети 1 -s-T Т ,

и периодом, равным 2Т, используется для управления АЦП 5 двухтактного интегрирования. При этом в течение первого полупериода управляющего сигнала с выхода счетчика 6 в АЦП осуществляется интегрирование измеряемого напряжения, в течение второго полупериода - интегрирование опорного напряжения до момента равенства нулю выходного напряжения интегратора и удержание /1нтегратора в нулевом состоянии до начала очередного цикла, преобразования АЦП.

После такта формирования управляющего сигнала АЦП следует два такта измерения сопротивления образцовых резисторов. По команде МП 9 коммутатор 4 последовательно подключает к входу АЦП 5 образцовые резисторы R и Rj из блока резисторов 2. Выходной код АЦП при этом определяется выражениями

(2)

N, I-S.R, +

N,

I-S-R. + Н„;

(3)

2 - 2 где I - ток источника тока

S - коэффициент преобразования

АЦП,

NO - выходной код АЦП, соответствующий смещению его нулевого уровня,

В такте измерения # входу АЦП 5 подключается термопреобразователь 1 сопротивления, код N на выходе АЦП при этом определяется выражением

N I.S-R -н N,(4)

где R - сопротивление датчика при

измеряемой температуре. По результатам измерения Rj, R и Rj, МП 9 производит вычисление значения сопротивления термопреобразователя по формуле

R

(NX-N, )(R;-R,) ,

(N.-Nj

(5)

и далее по функции, аппроксимирующей обратную характеристику датчика Т f(Rj.) вычисляют-измеренное значение температуры. Подставляя в выражение (5) значения N,, N и NX из вы296004

ражений (2) - (4), можно убедиться, что результат измерения R не зависит от величины тока питания I датчика, смещения нулевого уровня

J Ng АЦП и коэффициента преобразования S АЦП. Таким образом, подстройка времени интегрирования АЦП под период сети обеспечивает высокую помехоустойчивость устройства при из1Q менении частоты сети в широких пределах, а последующая автоматическая калибровка исключает зависимость результата измерения от значения коэффициента преобразования АЦП, измеJC няющегося при подстройке длительности времени интегрирования. Цикл работы устройства может включать несколько последовательных тактов измерения R. Изменение частоты сети между двумя соседними тактами подстройки длительности времени интегрирования приводит лишь к некоторому ухудшению помехозащищенности устройства и не сказывается на погрешности преобразования.

Коэффициент подавления помехи нормального вида в интегрирующих АЦП определяется выражением

Кп - - 20 Ig,, 0 где у , - Ьтн

20

5

осительное отклонение времени интегрирования входного сигнала от периода помехи.

Поскольку Тц Aj/fg, то погреш- 35 ность формирования интервала интегрирования J, равна погрешности измерения периода сети счетчиком 2

40

V V, АА 1

0(i A-j f о Т

о

При максимально допустимой тактовой

частоте счетчиков f.

2 мГц коэффициент подавления помехи нормально- го вида составляет 90 дБ, тогда как

коэффициент помехоподавления интег- рирующих АЦП без подстройки времени интегрирования составляет всего 40 дБ при отклонении частоты сети на 1% от нормального значения.

Практически устройство может быть выполнено (фиг. 2) на базе МП-комплекта, наиболее обеспеченного периферийными элементами, необходимыми, для построения МП-систем. В качестве счетчиков 6 и 7 (фиг. 1) наиболее эффективно применение программируемого таймера 13, включакндего в себя три независимых шестнадцатиразрядных вычитающих счетчика (0,1,2) с программированием режимов их работы

Сопряжение таймера с микропроцессорной системой осуществляется через шины данных (Д), управления (У) и адреса (А), подключаемые к одноименным шинам МП-системы. Установка одного из шести возможных режимов работы, а также ввод и вывод информации из счетчиков таймера осуществляются по двунаправленной шине данных.После загрузки в счетчик таймера управляющего слова, определяющего режим его работы, и ввода начального значения счета работа счетчика управляется двумя внешними сигналами. На тактовый вход счетчика подается сигнал от генератора 8 импульсов. По отри- дательному фронту этих импульсов содержимое счетчиков уменьшается на единицу. Прием тактовых импульсов в счетчик стробируется сигналом, подаваемым на его управляющий вход.При единичном значении сигнала на этом входе разрешается счет импульсов, при нулевом - запрещается. Каждый счетчик таймера, кроме того, имеет выход. Содержимое счетчиков может быть считано из них по шине данных в любой момент времени, даже в процессе счета.

В предлагаемом устройстве счетчик 7 таймера устанавливается во 2-й режим и используется для измерения периода сети путем подсчета числа импульсов опорной частоты, поступающей на его тактовый вход, в течение времени действия, разрешающего единичный сигнал на управляющем входе.

Вывод информации из МП-системы на индикацию и управление коммутатором осуществляется с помощью БИС программируемого параллельного интерфейса (ППИ) 14.

При работе во 2-м режиме на тактовый вход ТИ счетчика подается опорная частота f,, от генератора импульсов (фиг. За). После загрузки начального значения п (фиг. 3R , ) и подачи единичного сигнала на управляющий вход Р (фиг. 3 Б), начинается счет импульсов. При этом отрицательным фронтом-тактового импульса содержимое счетчика п; уменьшается на единицу (фиг. 32 ). Выход счетчика (фиг. Зг ) принимает нулевое значение в течение одного период тактовых импульсов, а период Т выходных импульсов счетчика составляет п периодов опорной частоты f . При нулевом сигнале на управляющем входе в 5 течение времени ut, (фиг. 36 ) счет импульсов останавливается, в накопленный код сохраняется в счетчике. При повторной подаче на управляющий вход Р единичного уровня счетчик ав0 томатически, за счет своих внутренних цепей, перезагружается и счет импульсов начинается от начального значения п.

На управляющий вход счетчика 7

5 подается последовательность прямоугольных импульсов длительностью, равной периоду сети Т, и скважностью 2, с выхода формирователя 10 импульсов (фиг. 3 ,е ), на тактовый вход0 опорная частота f с генератора 8 импульсов. После загрузки в счетчик начального значения счета (фиг.З) п 2 - 1 и с поступлением единичного сигнала на управляющий вход Р2 (фиг. Зе ) начинается счет импульсов. За интервал времени ity Т(. 20 мс содержимое п; с -1етчика уменьшается на величину

А f Т г а 0

С целью уменьшения погрешности дискретности при измерении периода сети желательно тактовую частоту f выбирать равной 2 МГц, т.е. равной максимальной рабочей частоте счетчиков. При этом за перивд сети содержимое: счетчика уменьшается на величину Aj 40-10 . Поскольку п

5

0

. 2 1 А,

то за период сети пе

реполнения счетчика не произойдет, поэтому выходной сигнал (фиг. 3) счетчика (он в данном случае нигде не используется) не принимает нулевого значения. По окончании цикла измерения периода сети в интервале времени it при нулевом сигнале на управляющем входе Р2 в счетчике будет храниться код п, п - А. По- скол1 ку начальное значение счета выбрано равным 2 - 1, что соответствует установке всех шестнадцати разрядов счетчика в единицу, а сам счетчик является вычитающим, то его содержимое п; п - А будет равно обратному коду числа А и может быть преобразовано в прямой код операцией инвертирования в МП. В начале следующего периода сети в интервале времени ut счетчик перегружает в себя начальное значение счета п с помощью

своих внутренних цепей управления, и описанный процесс измерения повторяется .

Момент окончания цикла измерения периода сети в счетчике 7 определяется програь4мным путем.

Обратный код числа А, соответствующий периоду сети, считывается МП 9 из счетчика 7, инвертируется, умножается на два и загружается в счетчик 6, установленный предварительно в 3-й режим. Работа с.четчика в указанном режиме аналогична работе его во 2-м режиме за тем исключением, что выходной сигнал счетчика в течение первой половины полупериода находится в единичном состоянии, в течение второй - в нулевом. На выходе счетчика вырабатывается последова- тельность прямоугольных импульсов со скважностью 2, период Т, которых в введенное число раз больше периода опорной частоты тактовый вход.

fg, поданной на его

Т, 2 .

2 Т.

Выходные импульсы TU счетчика 6 (фиг. 3 к ) длительностью Т j

используются для задания длительности первого такта интегрирования АЦП.

В устройстве используется интегрирующий АЦП, работа которого управляется выходным сигналом счетчика 6. АЦП (фиг. 4) содержит переключатель 15, интегратор 16, усилитель 17, триггер 18, инверторы 19 и 20, схему И 21 и счетчик 22, в качестве которого может быть использован таймер 13. Счетчик 6 вырабатывает (фиг. 3 к) периодическую последовательность импульсов длительностью, равной периоду сети, и скважностью 2. Поэтому цикл преобразования А1Ш должен заканчиваться за один период .управляющего сигнала. При зтом в течение первого полупериода управляющего напряжения производится интегрирование измеряемого сигнала U, в течение второго полупериода - считывание интеграла до нуля опорным напряжением Ug и удержание интегратора в нулевом состоянии до начала следующего цикла преобразования.Удержание интегратора в нуле осуществляется выходным сигналом триггера, устанавливающегося в единичное состояние в интервале времени между двумя циклами измерения. Преобразование информативного сигнала Т,, снимаемого с выхода схемы совпадения, в код и ввод информации в МП наиболее эффективно осуществлять с помощью счетчика (3) таймера, работа которого

аналогична работе счетчика 7, изме- ряющего период сети. В примере практического выполнения предлагаемого устройства (фиг. 2) показан АЦП,где щиротно-модулированный сигнал с выхода интегрирующего времяимпульсного преобразовала еля АДП 5 преобразуется в код и вводится в МП посредством счетчика (0) таймера 13.

Микропроцессор 9 должен содержать

центральный процессорный элемент, генератор тактовых импульсов и системный контроллер. Схема включения этих элементов стандартна, они образуют так называемый микропроцессорный контроллер, в соответствии с инструкцией по применению МП-комплекта .

Ниже приведены операции, осуществляемые МП 9, а также посредством элементов МП-системы, расположенные в порядке их выполнения.

0. Включение питания, установка счетчика команд МП в нулевое состоя- ние.

1 . Установка режимов работы счет-- чиков 6 и 7 таймера, загрузка начального значения счета в счетчик 7.

2.Установка программного счетчика (организуемого ffl 9 в ЗУ 11) числа циклов измерения температуры между двумя соседними циклами подстройки частоты и автокалибровки.

3.Определение момента готовности результата измерения периода сети в счетчике 7.

4.Формирование управляющего сигнала АЦП - загрузка А2 в счетчик 6.

5.Выдача МП 9 управляющего сигнала на коммутатор для подключения первого образцового резистора R к входу АЦП.

6.Программная задержка, необходимая для окончания переходных процессов в устройстве.

7.Считывание результата измере- ния R, в МП 9.

8.Выдача управляющего сигнала

на коммутатор - подключение 2 к входу АЦП.

9.Программная задержка.

10.Считывание результата измерения Ri в МП 9. .

11.Выдача управляющего сигнала на коммутатор - подключение датчика температуры к входу АЦП.

12.Программная задержка.

13.Считывание, результата измерения сопротивления датчика R в МП 9.

14.Обработка информации - вычисление ск.орректированного значения Rf(t линеаризации характеристики, выход результата на индикацию.

15.Уменьшение содержимого программного счетчика циклов измерения температуры на единицу, анализ содержимого счетчика.

16.Выполнение очередного цикла измерения температуры путем перехода к п. 13, если содержимое счетчика

;циклов не равно нулю.

17.Выполнение цикла подстройки под сеть и автокалибровки путем перехода к п. 2, если содержимое счетчика циклов не равно нулю.

Формула изобретения

Устройство для измерения температуры, содержащее коммутатор, входы которого соединены с термопреобразователем сопротивления и блоком образцовых резисторов, подключенных к источнику тока, а выход соединен с первым входом аналого-цифрового преобразователя, второй вход которого соединен с выходом генератора импульсов, а выход подключен к первому входу микропроцессора, второй вход которого соединен с запоминающим устройством, а выходы подключены к управляющим входам коммутатора и блока индикации, отличающее с я тем, что, с целью повьппения помехозащищенности и точности устройства за счет подстройки времени интегрирования входного сигнала в аналого-цифровом преобразователе под

период сетевого напряжения, в него введены формирователь и два програм- мируемь:1х счетчика, тактовые входы которых соединены с выходом генератора импульсов, выходы соответственно подключены к управляющему входу аналого-цифрового преобразователя и третьему входу микропроцессора, а входы соответственно соединены с третьим выходом микропроцессора и

выходом формирователя, вход которого подключен к питающей сети.

ф1/г.

iriJiJixu4jTnjijajnjn«ru

f

- .

л w/

РП i

Изобретение относится к термометрии и может быть использовано при научных исследованиях для проведения .высокоточных измерений при большой интенсивности помех промышленной частоты. Цель изобретения - повьппенйе помехозащищенности и точности устройства. Устройство содержит термопреобразователь 1 сопротивления,блок образцовых резисторов 2, источник 3 тока, коммутатор 4, аналого-цифровой преобразователь 5 двухтактного интегрирования, микропроцессор 9, генератор 8 импульсов, запоминающее устройство 11 и блок 12 индикации. В устройств введены программируемые счетчики 6 и 7 и формирователь ТО. Введение новых элементов и образование новых связей между элементами устройства позволяют произвести подстройку времени интегрирования входного сигнала в аналого-цифровом преобразователе под период сетевого напряжения с последующей автоматической калибровкой. 4 ил. (Л .. Ч //7 Ко Сриг.1

iVX-vtf

t/,/fj:

./f-JT

/

jf.Uf.jJL

fff jf.t fi.i -.-.-.,

ь4Щ1

П,изГ118

/J J

t f. J ;;: иI P

I / I

V- b/ , |г

r

л//П -1

.

H

ВНИИПИ Заказ 2444/41 Тираж 778

Произв.-полигр. пр-тие

Подписное

г. Ужгород, ул. Проектная, 4