Устройство для измерения температуры Советский патент 1986 года по МПК G01K7/02 G01K15/00 

жит измерительные зонды, (ИЗ) 1 и 2 с термоэлектрическими преобразователями 3 и 4, рабочие спаи которых размещены в конструктивно объединенных с ИЗ 1 и 2 наконечниках 5 и 6, заполненных реперными материалами 7 и 8 кристаллической структуры с известными температурами фазового перехода, аналого-цифровой преобразователь 9, блок 10 вычисления и управления, включающий в себя микропроцесf

Изобретение относится к области измерения температуры, а именно к устройствам для измерения температуры с автоматической калибровкой измерительного канала, и может быть использовано в различных областях промьшшенности для измерения и контроля температуры в технологических процессах, требующих измерения температуры.

Цель изобретения - повьшение точности измерения температуры и упуч- шение эксплуатационных характеристик устройства за счет исключения ошибок, вызванных неточностью калибровки.

На фиг. 1 приведена структурная схема устройства; на фиг, 2 - графики, иллюстрирующие принцип работы устройства.

Устройство содержит два измерительных зонда 1 и 2 с термоэлектрическими преобразователями 3 и 4, рабочие спаи которых размещены в конструктивно объединенных с зондами 1 и 2 наконечниках 5 и 6, заполненных различными реперными материгша- ми 7 и 8 кристаллической структуры с известнымц и различными температурами фазового перехода, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 9, ешок 10 вычисления и управления, содефжа- щий микропроцессор 11, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 12, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 13 и порт 14 ввода дифференциальный усилитель 15, компараторы 16-19, регулируемые источники опорных напряжений 20-23, дифференциатор 24, логические элементы И 25 и 26,

36330

сор 11, запоминающие устройства 12 и 13, порт 14 ввода, дифференциальный усилитель 15, компараторы 16- 19, источники 20-23 опорных напряже ний дифференциатор 24, элементы И 25 и 26, блок 28 индикации и коммутатор 27. Введение новых элементов и образование новых связей между элементами устройства позволяет исключить ошибки, вызванные неточностью калибровки, 2 ил.

коммутатор 27. Полости наконечников 5 и 6 конструктивно идентичных измерительных зондов 1 и 2 теплоизолированы друг от друга, термоэлектри- ческие преобразователи 3 и 4 имеют одну и ту же градуировку.

Блок вычисления и управления может быть реализован, например, на базе микропроцессорного комплекта

К580 по стандартной схеме в соответствии с инструкцией по применению микропроцессорного комплекта.

Результат измерения высвечивается в блоке 28 индикации,

Порт 14 ввода необходим для передачи входных сигналов с выходов компараторов 16 и 17 на шину данных lsIикpoпpoцeccopнoй системы в моменты воздействия на его управляющие входы

сигналов, поступающих с микропроцес- сора Ир щине управления,

В ПЗУ 12 записаны программы вычисления в режиме калибровки параметров характеристики преобразования

измерительного канала, а в режиме измерения - результаты измерения, а также постоянные константы. ОЗУ 13 вьтолняет функцию хранения промежуточных результатов измерения и, в

частности, получаемых в процессе

калибрования коэффициентов, однозначно определяющих корректирукщздо функцию.

Микропроцессор 11, ПЗУ 12, ОЗУ 13

и порт 14 ввода связаны между собой и с другими элементами устройства с помощью шины управления, шины адреса и шины данных.

Коммутатор 27 реализует функцию

коммутации двух его входных сигналов

(термо-ЭДС первого и второго термоэлектрических преобразователей) с входом АЦП 9 в зависимости от сигнала, поступающего на его управляющий вход с шины управления микропроцес- |рорной -системы.

АЦП 9 осуществляет аналого-цифровое преобразование его входного аналогового сигнала, поступающего с термоэлектрических преобразовате- лей через коммутатор 27 по стробу, поступающему с шины управления мик- ропроцессорной системы.

Устройство работает следующим образом. .

В устройстве предусмотрены два режима: режим калиб1 овки измерительного канала и режим измерения температуры, причем режим калибровки осуществляется при каждом выводе объекта измерения на рабочий режим, при условии, что температура зоны объекта измерения, в которой расположены оба измерительных зонда, изменяется со скоростью не ниже, чем определенная для конкретного исполнения устройства.

При этом должны быть пройдены температуры фазовых переходов (репер ные температуры) Т, и 1 (Т, « Tg) веществ (материалов) 7 и 8, заполня- кмцих наконечники 5 и 6 первого 1 и второго 2 измерительных зондов.

В режиме калибровки устройство работает следующим образом.

При достижении во время вьюОда объекта на режим любой из реперных температур, например Т,, изменение термо-ЭДС Е, (С) термоэлектрического преобразователя 3 на время фазового перехода вещества 7, заполняющего наконечник 5, приостанавливается, а термо-ЭДС EjC J) второго термоэлектрического преобразователя 4 продолжает отслеживать изменение температу ры зоны объекта. При сравнении температуры зоны с реперной температурой Т на время фазового перехода материала 8, заполняющего полость наконечника 6 измерительного зонда 2 замедляется, а затем на некоторое время приостанавливается изменение термо-ЭДС термопреобразователя 4 измерительного зонда 2 при непрерывном изменении термо-ЭДС Е (t) первого термопреобразоватепя 3 (фиг. 2а). В процессе вывода объекта на режим сигнал на выходе дифференциального

iS

20

25

j

(О

35

30

45

50

55

усилителя 15 Ug К(Е , - Е) изменяется (фи. 2б). На время, когда Ер (Е, - Е) -е,, , с О - порог срабатывания первого компаратора задаваемый источником 20 опорного напряжения, на выходе первого компаратора образуется единичный сигнал (фиг. 2в). Такой же сигнал формируется на вьГходе -второго компаратора 17 на промежутке времени, в течение которого Ер , где 2 О - порог срабатывания второго компаратора (фиг. 2г). Выходной

сигнал U9 дифференциатора 24

(фиг. 2д) переводит третий 18 и четвертый 19 компараторы в единичное состояние при условии, что соответственно и, - f, и Uq г (фиг. 2е,

ж). Выходы первого логического элемента И 25 находятся в единичном состоянии при условии, что в таком же состоянии одновременно находя;5ся выходы первого 16 и.третьего 18 компараторов (фиг. 2и). Единичное состояние второго логического элемента существует на интервале времени, когда совпадают единичные состояния выходов второго 17 и четвертого 19 компараторов (фиг. 2к). При появлении на третьем входе порта 14 ввода единичного сигнала выходной сигнал первого термоэлектрического преобразователя 3 через коммутатор 27 подается на вход АЦП 9, образованный на нем цифровой эквивалент запоминается в отдельном регистре ОЗУ 13. После появления единичного сигнала на четвертом входе блока вычисления и управления и соответственно на порте ввода коммутатор 27 переключает вход АЦП 9 на выход второго термоэлектрического преобразователя 4, выходное напряжение которого после преобразования в АЦП 9 в цифровой код записьтается в другом регистре ОЗУ 13. Сразу же после этого в микропроцессоре 11 реализуется записанная в ПЗУ 12 программа аппроксимации зависимости коррекции ДЕц от значений термо-ЭДС обоих термопреобразователей шш аппроксимации характеристики преобразования измерительного канала. Результаты записьшаются в соответствующие регистры ОЗУ 13, а после окончания реализации соответствующей программы устройство автома Л21чески переводится в рабочий режим.

Программа вычисления коэффициентов линейной аппроксимации функтдаи коррекции (Е) реализуется, когда рабочий диапазон измерения температуры Т ;„, Т„ахЗ настолько ти- рок, что недопустима линейная аппроксимация действительной функции преобразования Е f(T). В данном случае в микропроцессорной системе должна быть занесена программа вычисле- ния функции Т fn oM noMb обратной по отношению к градуировочной характеристике Е „0 f под, (Т) термоэлектрических преобразователей.

Функция коррекции дЕ (Е) аппрок- симируется выражением

iExop + Е,. (1) причем коэффициенты аппроксимации вычисляются по измеренным в режиме градуировки значениям Е, и Ej с по- мощью формул

Е « ном EI - Eaj.. O i

---.-.- , ,f

«Of

кор

Ej - Е,

Е-1 МО м - Е

.,

таз.

(3)

Яе Е,„„ f,,« (Т,); Е.,„„„ Лно.4 вытекаиящх из соотношений Е„р(Е,)

Е)нйм

- Е

(Ei)

ир кор Е,

+ Ь|

S ном Е.

а (top + Ькор-

(4)

(5)

Результат измерения в данном случае вычисляется по формуле

Т Г4„(Е + лЕ,,р). (6) В случае достаточно узкого рабо- чего диапазона измерения, когда допустима линейная аппроксимация обратной функции преобразования

:-1

Т f (Е) а + ЬЕ,

(7)

коэффициенты аппроксимации а и b вы- числяются по результатам измерений Еу - f(T,.), Е - f(T«).

В ПЗУ 12 блока вычисления и управления в данном случае записана программа, реализующая формулы

а « 5iIi-I-§-iIi.

а г- - , ь 2

. Тг - Т,

,

вытекающие из уравнений

г (Ё,) - а - ЬЕ, Т,; f- (Е) а + bEg Tg.

(8)

(9) (10)

С целью повышения достоверности измерительной информации целесообразно разбиение диапазона измеряемой температуры на две части TaiKHM образом, чтобы в каждом из поддиапазонов температура измерялась при поjЮ

15

20

5

0

5

0

5

мощи того термопреобразователя, ре- перный материал которого.плавится при температуре, лежащей в этом поддиапазоне .

Формула изобретения

Устройство для измерения температуры, содержащее термоэлектрический преобразователь, рабочий спай которого размещен в полости измерительного зонда, заполненного реперным материалом с определенной температурой фазового перехода, а первый вывод подключен к входу коммутатора, выход которого подключен через аналого- цифровой преобразователь к входу блока вычисления и управления, сое,- диненного с блоком индикации и управляющим входом коммутатора, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения температуры и улучшения эксплуатационных характеристик устройства за счет исключения ошибок, вызванных неточностью калибровки, в него введены второй термоэлектрический преобразователь, идентичный первому,.рабочий спай которого размещен в полости измерительного зонда, заполненного реперным материалом с температурйй фазового перехода, отличной от температуры первого реперного материала, дифференциатор, четь1ре компаратора с источниками опорных напряжений, два логических элемента И и дифференциальный усилитель, входы которого соединены с первыми вывoдa и термоэлектрических цреобразователей и входами коммутатора, а выход подключен к первому и второму компараторам и через дифференциатор соединен с третьим и четвертым компараторами, выходы которых соответственно подключены к первьм входам первого и второго элементов И, вторые входы которых соответственно соединены с выходами первого и второго компараторов и подключены к первому и второму входам блока вычисления и управления, третий и четвертый входы которого соответственно соединены с выходами первого и второго элементов И, а. управляющий выход соединен с управ-- ляющим входом аналого-цифрового преобразователя, при этом вторые выводы термоэлектрических преобразователей подключены к общей шине устройства.

Ж

ц

Фиг. 2

Изобретение относится к устройствам для измерения температуры с автоматической калибровкой измерительного канала и может быть использовано в различных областях промьш- ленности для измерения и контроля температуры в технологических процессах, требующих точного измерения темпера- туры. Цель изобретения - повышение точности измерения температуры и улучшение эксплуатационных характеристик устройства. Устройство содерmm LZJ I н «tBeM BMBBB M я яштягяаяняяяя Л ф1/г.1

Редактор А.Козориз

Составитель В.Куликов Техред Г.Гербер

Заказ 3081/44

Тираж 778

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфичес1сое предприятие, г.Ужгород, ул.Проектная, 4

Корректор Е.Рошко

Подписное