Многоканальный цифровой термометр Советский патент 1986 года по МПК G01K7/02 

Изобретение отнреится к темпера- , турным измерениям и может быть использовано для создания высокоточных многоканальных цифровых термометров, предназначенных для работы с разпичнымн типами термоэлектрических преобразователей.

Целью изобретения является повышение точности измер ения путем обеспечения автоматической калибровки термометра на разных пределах измерения, а также обеспечени)г возможности работы с термопрёобразова- телями различного типа.

На приведена структурная схема многоканального термометра; на фиг.2 - пример конкретного выполнения термометра.

Термометр содержит группу термоэлектрических преобразователей 1, источник образцового иапряжения (ИН) 2, коммутатор (К) 3, усилитель пос- тоянного тока (УТТГ) 4 с перестраиваемым коэффициентом усиления, интег- рируивд1Й аналого-цифроврй преобразователь (АЦП) 5,программируемый таймер (Т.) 6, ген€;ратор импульсов опорной частоты (ГИ) 7, запоминающее устройство (ЗУ) 8, микропроцессор (НИ) 9, устройство индикации (И) 10.

Термоэлектрические преобразователи I и источник образцового напряжения 2 под1шк)чены к кот мутатору 3, один из входов которого соединен с общей точкой схемы. Вход УПТ 4 под- ключен к выходу коммутатора 3, а его - к входу АЦП 5. Выход программируе мого таймера 6 подсоединен к упраалягацему входу АЦП 5, а его входы к вьвсоду генератора импульсов 7 и микропроцессора 9. Остальные три. выхода МП подключены к управляюадим входам комму1гатора 3, УПТ 4 и к устройству индикации 10. Входы МП 9 подключены к выходам АЦП 5 и запоминакядего устройства 8.

Термометр работает следующим обра- 3QM..; ; :.- ... , , .

Измеряема температура преобразуется с помощью :термоэлектрических преобразователей I, подведенных к. Bxojiy коммутатора 3 в ЭДС. Термометр может быть запрограммирован для работы с различными типами термопреоб- рааователей, отличан)щихся пределами измерения выходного сигнала.

Работа термометра начинается с калибровки чувствительности прибора.

1234730

Для этого выходным сигналом МП 9 коммутатор 3 подключает к входу-УПТ 4 источник образцового напряжения 2, величина которого выбирается примерно равной минимальному значению из ряда максимальных выходных сигналов термопреобразователей.

Калибровка чувствительности прибора осуществляется при всех значекиях коэффициентов усиления К - УПТ, переключаемых выходным сигналом МП 9. С Целью полного использования шкалы АЦП на разных пределах измерения значения К УПТ выбираются из условия

преобразования диапазона выходного сигнала 1-го термопреобразователя до уровня, соответствующего дипазону входных напряжений АЦП.

Для каждого предела измерения,

т.е. для каяздого значения УПТ, устанавливается определенная длительность времени интегрирования входного сигнала АЦП, равная (п+га-) периодам сетевого на пряжения,. При этом

.коэффициент преобразования АЦП равен

S(n4tn.) S-n(l+ --), где S - коэффициент преобразования АЦП при времени интегрированиям равном одному периоду сетевого напряжения.

Формирование прямоугольных импульсов со скважностью два нужной длительности, задающих длительность такта интегрирования входного сигнала АЦП, осуществляется программируемым таймером 6 путем деления опорной частоты с выхода генератора импульсов 7 на заданный коэффициент, загружаешй в таймер 6 посредством МП 9. / .

Выходной код АЦП N. в тактах измерения образцовых напряжений Ц на ка дом пределе измерения, определяется вьфажением

N,i (U,. и,н)-( S.n(l+ |).(О

где - смещеяие нулевого уровня, приведенное к входу УПТ.

Измеренные значения N. считьшают- ся Ml 9 и АШ 5 и запоминаются в ЗУ 8, „ / ,

В такте измерения смещения нуля вход УПТ 4 посредством коммутатора 3, управляемого МП 9, закорачивается на общую точку схемы. При всех значениях коэффициентов усиления К УПТ и при длительности времени интегрирования АЦП, равном (n+m-) периодам сети, измеряется смещение нулевого уровня прибора. Выходной код АЦП при этом определяется выражением

m,

N . K. Or 1 1

s-nd-t- )

Измеренные значений смещения нулевого уровня также запоминаются в ЗУ 8 и используются при вычислении скорректированного результата измерения.

Далее следуют циклы измерения температуры. По команде МП 9 коммутатор 3 последовательно подключает к входу УПТ 4 термопреобразователи. При этом выходным сигналом МП 9 устанавливаются соответствукицие зна чения коэффициентов усиления УПТ и время интегрирования АЦП, равное п периодам сети. Выходной код АЦП. определяется как N,, (U:,;-f U,J к. S п,. где 15, - ЭДС i-ro датчика.

По результатам трех измерений в соответствии с программой з.аложен ной в ЗУ 8, МП 9 производит вычисление скорректированного результата измерения по формуле

Таким образом, задача формиро ния ряда образцовых напряжений, н oбxoди a.x для калибровки прибора при различных коэффициентах его п образования, сводится к значитель простой задаче формирования точных интервалов времени требуемой дли- тельности. Дополнительные затраты времени, связанные с увеличением в мени измерения образцовых сигналов при этом незначителыял, поскольку

N

xi

ffl in

N 1 -N / (1+ n) и (l+n )автоматическая калибровка прибора

в,-J-. - - - - - - --..-«-е-- «« i-« - eeie--etab-tn TTUcr fTi y vjt ff- r-rtr ..

KOP

N,

- N

выполняется один раз через каждые 100-200 тактов измерения сигнала датчика. Кал гбровка прибора на ра ных пределах измерения с помощью одного источника образцового напряжения позволяет работать с различными типами датчиков, что увели чивает функциональные возможности устройства. Одновременно достигает ся существенное упрощение конструк ции прибора за счет использования минимального числа точных и подстр ечных элементов, что значительно облегчает процессы настройки и периодической регулировки прибора пр его поверке.

Далее производится линеаризация характеристики термопреобразователей посредством вычисления температуры по обратной характеристике датчика (u), аппроксимированной некоторой функцией, в частности полиномиальным или дробно-рациональным выражением; После этого результат . измерения температуры выводится на устройство индикации 10, Коэффициенты аппроксимирующей функции, а также программа вычисления функции (U), хранятся в ЗУ 8.

Из выражения (1) видно, что увеличение времени интегрирования АЦП на т- периодов сети в цикле измере- iния образцового напряжения U, при- водяще.е к увеличению коэффициента преобразования АЦП в (1+ш-/п) раз, равносильно умножению величины образцового напряжения U на известный

коэффициент

О.Ь),

Т.е. применению перестраивамого источника образцовых сигналов с эквивалентными напряжениями,, равными

и

i;

и,

(Uf4.

Величина т., принимающая значения О, 1,2, ..., выбирается из условия максимальной близости эквивалентного образцового напряжения и,, к максимальному значению входного сигнала и. на данном пределе измерения, т.е. исходят из условия

и С1+5д)и, .u,().

При таком выборе значения образцового напряжения доминирукщая составляющая погрешности прибора - случайная погрешность определения скорректированного результата, обусловленная погрешностью дискретности АЦП, - минимальна.

Таким образом, задача формирования ряда образцовых напряжений, не- oбxoди a.x для калибровки прибора при различных коэффициентах его преобразования, сводится к значительно простой задаче формирования точных интервалов времени требуемой дли- тельности. Дополнительные затраты времени, связанные с увеличением времени измерения образцовых сигналов, при этом незначителыял, поскольку

tab-tn TTUcr fTi y vjt ff- r-rtr ..

5 0 5

0

5

выполняется один раз через каждые 100-200 тактов измерения сигнала датчика. Кал гбровка прибора на разных пределах измерения с помощью одного источника образцового напряжения позволяет работать с различными типами датчиков, что увеличивает функциональные возможности устройства. Одновременно достигается существенное упрощение конструкции прибора за счет использования минимального числа точных и подстро- ечных элементов, что значительно облегчает процессы настройки и периодической регулировки прибора при его поверке.

При конкретной реализации цифрового термометра в качестве таймера 6 может быть использован программируемый таймер типа К580ВИ53, который включает в себя три независимых шестнадцатиразрядных счетчика с программированием резкимов их работы. Как и другие пе риферийные элементы ПМ-комплектов, таймер сопрягается с МП-системой посредством шин дан- ньк, адреса и управления. Формирование управлякодего сигнала АЦП с

длительностью, кратной периоду сетевого напряжения, осуществляется счетчиками таймера,(установленными в режиме 3) посредством деления опор- ной частоты, поступающей на тактовые входы счетчиков Тй, на заданный коэффициент. КоэФ4мициент .деления частоты в указанном режиме может принимать целочисленные значения, лежащие в диапазоне 1-2. -1,

Для обеспечения высокой точности формирования длительности управляющего сигнала АЩ и tawp око го диапазона перестройки его длительности, осуществляют последовательное включение счетчиков О и 1 таймера. Коэф- 4а циент деления d такого двухкаскад ного счетчика равен произведению коэффициентов делейия о,, и of каждо- го из счетчиков и лежит в пределах от 1 до (2 -1). Абсолютная погрешность установки длительности управляющего импульса не превышает длительности периода напряжения опорной частоты что составляетi0,5 мкс при значении частоты опорного генератора, равной максимальной рабочей частоте счетчиков таймера, составляющей 2 МГц. .

УПТ может быть выполнен на операционном усилителе И по сзсеме и«вер- тирукадето усилителя, что обеспечивает его высокое входное сопротивление. Переключение коэффициентов усиления осуществляется коммутатором 12, При этом сопротивление открытых ключей коммутатора не вносит мудьтИгашкативной погрешности, так как они включены в цепь обратной связи УЩ.

АЩ включает в себя преобразователь напряжения во временной интервал 13 и один из счетчиков программируемого таймера 6, служащего для преобразования выходного широтно- импульсного сигнала ПИВ в код и ввода информации в МП. ШВ содержит источник опорного напряжения 14, клюти 15 и 16, интегратор 17, нуль- орган 18, триггер 19, инверторы 20 и 21, схему совпадения 22. Принцип действия АЦП заключается в интегрировании входного сигнала в течение интервала времени Т, кратного перио- ду напряжения сети, и далее - в интегрировании опорного напряжения до момента равенства нулю выходного

напряжения интегратора. Удержание интегратора в нулевом состоянии осуществляется выходным сигналом триггера 19, устанавлнва18мдегоея в единичное состояние в интервале времени между двумя циклами измерения. Преобразование информативного сигнала Т с выхода схемы совпадения в код осуществляется счетчиком таймера СТ (режим 2) путем подсчета числа импульсов опорной частоты, поступающей на тактовый вход ТИ 2 за измеряемый промежуток времени. Единичный сигнал с выхода ПНЕ длительностью Т поступает на разрешаюиий вход Р 2 счетчика и запускает счет импульсов. При переходе разрешающего сигнала в нулевое состояние счет импульсов прекращается и накопленная информация сохраняется в счетчике до момента поступления очередного единичного сигнала. При этом за счет внутренних логических цепей таймера произ«- водится начальная установка счетчика и описанный процесс преобразования повторяется. Момент окончания такта преобразования длительности импульса в код определяется программным способом. Для этого МП два раза счи-- тывает содержимое счетчика и сравнивает между собой эти значения. Процесс циклически повторяется до тех пор, пока считанные коды не окажутся равными иежду собой, что свидетельствует о том, что счет импульсов завершен и счетчик находится в состоянии хранения накопленной информации.

Микропроцессор 9 реализуется на базе МП-комплекта серни К580 по стандартной схеме МП-контролера и включает в себя БИе процессора 23 типа К580ИК80, генератор тактовых нмпуль- сов 2А типа К580ГФ24, БИС системного контролера 25 типа К580ВГ28. МП- контролер общается с остальньп-м элементами устройства посредством шин данных, адреса и управления.

Помимо этого, для вывода результата измерения на индикацию и для управления УПТ и коммутатором необходимо осуществлять буферизацию информации, выставляемлй МП-контролером на вшну данных системы в тече нне короткого интервала времени. Запись информагщи в буферные регист ры, используемые для этой цели, стробнруется сигналами шин адреса

И управления. Для обмена информацией с BHemHVit&i устройствами в МП-системах, построенных на базе комплекта серии К580, наиВолее целесообразно прнйен ение БИС программируемого параллельного интерфейса 26 (ПЛИ) типа К580,ЙК55, включающего в себя три восьмиразрядных порта, которые могут быть запрограммированы на ввод или вырод информации. На фиг.2 порты А и В используются для вывода результата измерения на индикацию, порт С - для вывода управлякщего сигнала УПТ и KQNiMyTaTopa.

ПрИ: р.аботе термометра МП 9 о суще- ствляет Управление коммутатором 3 с целью подключения к входу канала измерения одного.из термопреобразова т.елей, источника образцового напряжения 2 либо нулевого сигнала. Код управляющего слова коммутатора хранится в ЗУ 8. JB нужный момент времени он считывается МП 9 и загружается в,буферньй регистр вывода информации. Выходным кодом буферного регист ра осуществляется выбор того или иного канала коммутатора 3. Переключение коэффициентов усиления УПТ 4 осущ1ествляётся остальными разрядами того же буфера Формирование управ- ляющего сигнала АЦП длит€Льис1стью, кратной периоду сетевого напряжения, осуществляется программируемым тай- Мёром 6 путем деления опорной час- Т0ТЫ с вьЕхода генератора импульсов 7 на соответствующий коэффициент. Коэффициент деления записывается в ЗУ 8 и вводится в таймер 6 посредством Щ 9, Обработку результатов измерения, в том числе вычисление скорректированного результата после автокалибровки и линеаризацию харак- терис-гик датчиков, выполняет МП 9 в соответствии с программой, хранимой в ЗУ 8. Общий алгоритм работы при- бора, т.е. последовательность выполнения необходигфгх операций, задается также ПМ 9 в соответствии с программой, записанной в ЗУ 8.

5

10

234730 8

Точность измерения предлагаемым устройством повышается за счет автоматической коррекции нуля и чувствительности. При этом заложенный в при-- бор принцип калибровки канала при различных коэффициентах преобразования с помощью одной образцовой MejMJ позволяет производить высокоточные измерения с помощью различных типов термрпреобразователей и тем увеличить функциональные возможности устройства.

ф о р м у л а и 3 о б р е т е н и я

Многоканальный цифровой термометр содержащий термоэлектрические преобразователи, подключенные к входам коммутатора, один из входов которого с общей шиной термометра, а управляющий вход соединен с первым выходом микропроцессора, входа ко.торого соединены соответственно с выходом аналого-цифрового преобразователя и выходом запоминающего) устройства, а второй выход подключен к устройству индикации, о т л и - ч а ю щ и и с я тем, что, с целью повьдаения точности измерения путем .обеспечения автоматической калибровки термометра, в него введены програмируемый таймер, генератор импулы- сов, источник образцового напряжения и усилитель постоянного тока с перестраиваемым коэффициентом усиления, вход которого соединен с выходом коммутатора, управляющий вход подключен к третьему выходу a кpoпpo- цесрора, а выход подключен к входу аналого-цифрового преобразователя, управляющий вход которого соедииен с выходом программируемого таймера, тактовый и управляющий входы которого соединены соответственйо с ходом генератора импульсов и четвертым выходом микропроцессора, при этом источник образцового напряжения подключен к дополнительному входу коммутатора.

Составитель В.Куликов Редак ор Л.Повхан Техред Л.Сердойкова Корректор В.Еутяга

Заказ:2 77/46 Тираж 778 Подписное ЩШШИ Государственного комитета СССР тю делам изобретений и открытий 113035, Москва, , Раушская наб., д. /5

Прсдазводственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул, Проектная, 4

Фиг. 2