Цифровой измеритель температуры Советский патент 1986 года по МПК G01K7/02 

Игизбретение относится к температурным измерениям и может быть использовано при построении цифровых измерителей температуры, работающих в комплексе с термоэлектрическими преобра- зователями.

Цель изобретения - повышение точности измерения путем уменьшения аддитивных составляющих погреганости входного усилителя, токов утечки пе- реключателя полярности и компенсации изменения термоЭДС свободных спаев. На фиг. 1 представлена блок-схема цифрового измерителя температуры; на фиг. 2 - функциональная схема компенсационного устройства; на фиг. 3 - схема двухвходового управляемого интегратора; на фиг. 4 - схема блока управления; на фиг. 5 -. эпюры выходных напряжений на выходах элементов блока управления.

Цифровой измеритель температуры содержит термоэлектрический преобразователь (ТП) 1, переключатель 2 полярности (ПП), усилитель 3, источник 4 напряжения смещения, сумматор 5 компенсационное устройство (КУ)б, источник 7 опорного напряжения (ИОН) интегратор 8, нуль-орган 9, блок 10 управления (БУ), генератор 11 опорно частоты (ГОЧ), первый 12 и второй 13 селекторы, блок 14 линеаризации (БЛ1 цифровое отсчетное устройство 15 (ЦОУ), реверсивный счетчик (РС) 16, блок 1,7 индикации полярности (ВИП) .

Компенсационное устройство 6 (фиг. 2) сбдержит первый 18 и второй 19 переключатели полярности, первый 20, второй 21 и третий 22 усилители, образцовый резистор 23, два термочувствительных 24 и 25 и два термонезависимых 26 и 27 резистора.

Управляемый двухвходовый интегратор 8 (фиг. З) содержит зарядные резисторы 28 и 29, электронные ключи 30 - 32, усилитель 33 интегратора и конденсатор 34.

Блок управления (фиг. 4) содержит делитель 35 частоты, кольцевой счетчик (кеч) 36, элементы ИЛИ 37 - 40, RS-триггеры 41 - 43, D-триггер 44, элементы И 45 - 48 и элемент ИСКЛЮ- ЧАЩЕЕ ИЛИ 49. Первьй селектор СГ12 содержит два элемента И 50 и 5, а второй селектор С2 13 - один элемент И.

Цифровой измеритель температуры работает следующим образом.

s

0

5

0

5

0

5

Перед измерением, рабочий спай ТП 1 помещают в среду, температуру которой необходимо измерить, а в месте подключения свободных спаев ТП располагают термочугвствительные резисторы 24 и 25.

Каждое измерение состоит из двух 1Ц1КЛОВ, в свою очередь состоящих из трех тактов.

При вкл}очении питания устройства все его блоки устанавливаются в произвольное состояние, поэтому результат первого измерения будет шибоч- Hbw, остальные-правильными.

В первом такте первого цикла на входы сумматора поступает термоЭДС (ЕХ) отрицательной полярности ТП 1 , З силенная в-Ку| раз, напряжение (-Уц.) компенсационного устройства 6 и напряжение VcH смещения, с выхода сумматора сумма указанных напряжений подается на первый вход интегратора 8, который интегрирует ее в течение первого такта. Во втором такте по сигналу с блока управления интегратор интегрирует напряжение источника 7 опорного напряжения, поступающее на второй вход интегратора, в результате чего напряжение на выходе интегратора уменьшается. Момент равенстБ-а выходного напряжения интегратора 8 нулю фиксируется нуль-органом 9, который вырабатывает импульс и передает его в блок О управления. Одновременно с началом второго такта сигналом с блока 10 управления импульсы с генератора 11 опорной частоты подключаются через первый селектор 12 к суммирующему входу реверсивного счетчика 16. За время t, между началом второго такта и моментом срабатьгоания нуль-органа 9 в первом цикле измерения в реверсивный . счетчик 16 запишется N импульсов

NI t fo fk (-Е + dd+Vn + Лу) +УСИ -vJl f.,,, (1)

где fp - частота следования импульсов ГОЧ 11;

k - коэффициент усиления усилителя 3;

ЛО. - аддитивная составляющая погрешности, приведенная к входу;

Vt - напряжение эквивavr eнтнoй помехи;

ЛУ - результирующее падение

напряжения от токов утечки

переключателя 2 полярности и усилителя 3 на сопротивле ниях элементов входной- цепи устройства;

VCf - напряжение, смещения; VK - выходное напряжение компенсационного устройства; Т - время интегрирования в первом такте; ЕО - напряжение источника 7 опор

ного напряжения.

В третьем такте первого цикла происходит установка начального уровня интегратора 8 и по команде из блока 0 управления переключателя 2 полярности подает на сход усилителя .3 тер моЭДС ТП 1 положительной полярности (+ЕХ). Также по команде из блока 10 управления изменяет знак на противоположный и выходное напряжение (+Vi«) компенсационного устройства 6.

В первом такте второго цикла интегратор интегрирует выходное напряжение сумматора, а во стором такте - напряжение Ео с выхода источника 7 опорного напряжения. С началом второго такта импульсы с выхода генератора опорной части (ГОЧ) 11 через селектор 12 проходят на вычитающий вход реверсивного счетчика 16. Блок 10 управления фиксирует момент времени перехода через нуль реверсивного счетчика (РС) 16 и момент сраба- тьшания нуль-органа 9. В промежутке между этим по команде из БУ 10 вы- ход ГОЧ 11 подключается через селектор 13 к входу блока 14 линеаризации

В течение второго такта второго цикла измерения на вычитающий вход PC 16 пройдет К, импульсов

N|.t2fe Iki(Ex+Acl+V(i+Ay)+Vcn + №.. (2)

Если учесть, что PC 16 переходит через нулевое состояние после прохождения на его вычитающий вход И; импульсов (частота ГОЧ 11 в обоих циклах постоянна), то интервал времени между началом второго такта второго цикла измерения и перехода PC 16 через нуль равен t, Поэтому .импульсы с выхода ГОЧ 11 через селектор 13 на вход БЛ 1А преходят на протяжении времени , за которое поступит NJ импульсов „,

N3 t3fo Na-N4 2()glfc. (З)

Если первым переходит через нуль PC 16, а потом нуль-орган 9, то блок

«.|lfo.

2427254

17 индикации полярности (ВИН) показывает знак Ч, а в блоке 14 линеаризации подключается схема линеаризации положительньтх температур. Если г наоборот, то БИП 17 заказьгоает знак -, а в блоке лениаризации подключается схема линеаризации отрицательных температур.

Как видно из выражения (З), ре- )о зультат измерения не зависит от значений аддитивной составляющей погрешности Aotэквивалентной помехи и токов утечки. Кроме того, в устройстве обеспечена компенсация влияния изме- , нения температуры свободных спаев ТП I

В третьем такте второго цикла производится индикация измеряемой температуры, а также ее знака. Кроме того, устанавливается начальное нап- 2Q ряжение индикатора 8, переключается коммутатор и компенсационное устройство 6.

Компенсационное устройство используют следующим образом. В предыдущем 25 перед первым тактом первого цикла такте сигналом с БУ 10 устанавливают (Первый 18 и второй 19 переключатели полярности в верхнее (фиг. 2) положение, тем самым прикладьгоая к инвертирующему входу усилителя 20 напряжение Ео ИОН 7, а инвертирующий вход усилителя 21 соединяют с общей щиной цифрового измерителя температуры. Усилители 20 и 21 с гальваническими развязанными цепями пи- тания и резистор 23 образуют генератор постоянного тока. Переключатели 1 8 и 1 9 полярности позволяют подключать напряжение к одному шш другому входу генератора постоянного 0 ,

30

тока и тем самым изменять направление его выходного тока. Ток генератора постоянного тока создает в индикаторной диагонали моста компенсирующее напряжение, которое снимается nor вторителем напряжения (усилитель 22) и подается на выход компенсирующего устройства. Усилитель 22 выполняет т . две функций: преобразует плавающее напряжение в индикаторной диагонали моста и входное напряжение V КУ 6 относительно общей пшны цифрового измерителя, а также обеспечивает нулевое выходное сопротивление КУ.

5 В перйом такте первого цикла напряжение (-Уц) равно

v, , 5 i5iiiBiRi..+ д п, (м

RN Rt.+Rii+R +P./,

0

где Д.ГГ эквивалентршя эрдитивиая с о став лающая по г ре шно с т и : генератора постоянного ток KN - сопротивление резистора 23 Bt э сопротивление термоч /вст- вительных резисторов 24 и 25; R-,5 Н/( - сопротивление термонезави-симых резисторов 26 и 27; dn, аддитивная составляющая

погрешности усилителя 22, Б первом такте второго цикла напряжение равно

+V JS Ar Stl -feM i -f-Annf l

BN Rt,,+Rtz.-t-R3+Rii Подставив зпачення (-Vj;) и (+VK) в формулу (Oj (2) к (3)5 получим, что напряжение VK не залзнсит от ад- дитипнь х состазляюищх п ргрешности генератора постоянного тока и повторителя напряжения,

Если соотношения между сопротивле термочувствительным и термопе- зависимых резисторов моста выбрать как в i-iSBecTHOM устройстве, то .зависимость напряжения от температуры будет иметь такой характер, как и термоЭДС ТП и практически будет отсутствовать методическая погрешность Vt 5 вызываемая разным видом этих зависимостей,

Блок 10 управления (фиг. 4) работает след,,пош;им образом.

С noMOiUbio делителей 35 чacтoтE I из частоты ГОЧ 11 получают ичшульсы с требуемым периодом повторения, ран- ным длительности такта. Ксльцевой счетчик 36 на шесть за время одного измерения позволяет получить на свои шести выходах импульсы одинаковой длительности5 причем, соседнне импульсы сдвинуты во времени на один такт (фиг. 5, эпюры 2-7). Выходные сигналь: КСЧ 36 используются для синхронизации работ 1 схемь:; БУ 10. Поскольку в обоих 1д1-1клах измерения такты повторяются, то с вьйсодом I и 4 2 и 5, 4 и 6 КСЧ 36 через со- ответственно схемы ШТИ 37-38 получают сигналы управления клвчаг и 30 - 32 интегратора 8, передава. в него посредством трехпроводной 1ганы управления. С выходов элементов . ИЛИ 37-39 соответственно через первы провод передают сигнал управления первым тактом, второй провод вторым тактом и третий - третьим (фиг. эпюры 8-- о) .

С помощью Н3 триггера 41 (с его прямого выхода) получают сигналы управления, КУ 6 и ЛП 2, причем его Р вход подключен к второму выходу, а З-вход к пятому выходу КСЧ 36. При этом сигнал э например, лоп-гческой единип з соответствует одному положению 1Ш 2 и переключателей 18 и 19 ХУ 6j а логического нуля - другому положению.

PuS-триггеры 42 и 43 ргспользуют для фиксации моментов срабатывания нуль-органа (НО) и обнуления PC 16, при этом сигнал срабатьгоания НО 9 и сигнал обнуления PC 16 подают на S- зходы Б.8-триггеров 42 и (фиг, 5. эпюры 14 и 15). Устатювкг НБ-тригт е- ра 42 в исходное состояние осущест вляется подачей с вы}:о1тоз 1 и 4 КСЧ 36 через элемент ИЛИ 40 сигнала на ai o R-зход. RS-триггер 43 устанавливается Б исходное состо;;ние сигналом с шестого выхода КСЧ 36, по д ав а. емым на е г о R-B ход.

И -6 (фиг. 5, эпкры Г8), управляемый с выхода 2 КСЧ 36, с прямого выхода BS-триггера 4 и с инверсного выхода RS-триггера 42, topMHpyeT сигнал разреше -П1я пер75ому селектору 2 подачи импульсов частоты fo С Т ГОЧ 1 1 на сум1-етрующий вход PC 16, Сигнал разрешения формируетс от начала второго такта первого никла до момента срабатьшания НО 9. Он поступа.ет к первому сепектору через двухпроводную шину управления.

Элемент И 47 формирует сигнал рарешения первому селектору 2 подачи импульсов частоты fo от ГОЧ 11 на вьгчитаю Щ й вход PC 16. Сигнал .разрешения формируется от начала второго такта второго цикла до момента обнуления PC 16 (фиг. 5, эпюра 19), В момент, когда PC 16 переходит через нуль,, на его выходе вырабатывается короткий имп)/льс, который .перебрасы зает RS-триггер 43. Сигнал с инверс- кого выхода этого триггера (поп-гчес- кий нуль). подаваемый на вход элемента И 47 5 переводит его в состоя- ние логического нуля, и таким образом, :за:прещает подачу импульсов от ГОЧ М на вычитающий вход PC 16. После этого в PC 16 записи импульсов не происходит, т.е.. он находится в

нулевом состоянии и нет необходимости в специальных схемах установки его нуля. Импульс разрешения (запре-, та) подается с выхода элемента И 47 5 на вход первого селектора через двухпроводную шину управления через второй провод.

Схема на элементе И 45 и D-триг- гере 44 служит для выработки сигнала 10 о полярности измеренной температуры. Короткий импульс в момент срабатывания НО 9 во втором такте второго цикла подают на С-вход триггера 44, который в этот момент переписывает 15 информацию с D-входа на выход. .Как видно из эпюр 12 и 13 (фиг. 5), при положительных температурах-во вто- ром такте второго цикла импульс обнуления PC 16 приходит раньше, чем 20 импульс срабатывания НО 9. При этом на прямом выходе RS-триггера 43 бу- де.т сигнал логической единицы, кото- рый по приходу импульса НО 9 переписывается на выход D-триггера 44 и 25 свидетельствует о том, что значение измеренной температуры положительно, а в противном случае (логический нуль) отрицательно.

Элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 49, а 30 также элемент И 48 вырабатьгоают сигнал управления вторым селектором 13. Как видно из эпюр 14-17 (фиг. 5), во втором такте второго цикла вторым селектором 13 управляет импульс, 35 длительность которого равна времени от момента обнуления PC 16 до момента срабатьшания НО 9 при измерении положительных температур, и наоборот, от момента срабатьгоания НО 9 40 о момента обнуления PC 16 при измерении отрицательных температур. На протяжении этого времени импульсы от ГОС 11 через второй селектор 13 поступают на блок линеаризации 14. 45

ормула изобретения

1. Цифровой измеритель темперауры, содержащий термоэлектрический 50 преобразователь, подключенный к вхо- ам переключателя полярности, выход оторого соединен с входом усилитея, источник напряжения смещения, интегратор, первый вход которого сое- jj инен с выходом источника опорного напряжения, а выход через нуль-орган подключен к первому входу блока

управления, второй вход которого соединен с выходом реверсивного счетчика, а выходы подключены к управляющим входам интегратора, блока линеарзации, блока индикации полярности, переключателя полярности и первым входам двух селекторов, вторые входы которых соединены с третьим входом блока управления и выходом генератора опорной ч астоты, а выходы селекторов соответственно соединены с входом реверсивного счетчика и входом блока Линеаризации, выход которого соединен с цифровым отсчетным устройством, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены компенсационное устройство и сумматор, входы которого соответственно соединены с выходами источника напряжения смещения усилителя компенсационного устройства, а выход подключен к второму входу интегратора, при этом вход компенсационного устройства подключен к выходу источника опорного напряжения, а управляющий вход соединен с управляющим входом переключателя.

2. Измеритель по п. 1, о т л и - чающийся тем, что компенсационное устройство содержит три дифференциальных усилителя, образцовый резистор, два термочувствительных резистора, два термонезависимых резистора и два переключателя, первые входы которых соединены с входом компенсационного устройства, вторые входы подключены к общей шине цифрового измерителя температуры, управляющие входы соединены с управляюпщм входом компенсационного устройства, а выходы соответственно подключены к ин- вентирующим входам первого и второго усилителей, неинвентирующие входа которых соединены с общими шинами их источников питания и через образцовый резистор между собой, при этом выходы первого и второго усилителей через термочувствительные резисторы соединены соответственно с инвенти- рующим входом и выходом, а через термонезависимые резисторы - с выходом и инвентирующим входом третьего усилителя, неинвентирующий вход которого соединен с общей шиной цифро- вого измерителя температуры, а выход подключен к выходу компенсационного устройства.

}/J

.0

Г

10

. „

Иэобретение относится к темпе- ратурньм измерениям и может быть использовано при построении цифровых измерителей температуры, рабо тающих в комплекте с термоэлектрическими преобразователями. Цель изобретения повышение точности измерения путем з меньшения аддитивных составляющих погрешности.входного усилителя, токов утечки переключателя полярности и компенсации изменения термоЭДС свободньтх спаев. Рабочий спай термоэлектрического преобразователя (ТП) помещают в среду, температуру которой надо измерить, в месте подключения свободных &паев ТП располагают термочувствительные резисторы 24 и 25. Компенсационное устройство (КУ) 6 используют следующим образом. В предыдущем такте, перед первым тактом первого цикла, сигналом с блока 10 управления устанавливают переключатели 18 и 19 в верхнее положение. Усилители 20 и 2 и резистор 23 образуют генератор постоянного тока, и его ток создает в индикаторной диагонали моста компенсирующее напряжение, которое подается на выход КУ 6. 1 з.п. ф-лы, 5 ил. i (Л С ю «(in Kj СЛ

I////, ew

фив

tn3Mepenue

фиг. 5

Составитель В. Куликов Редактор Н. Тупица Техред О.ГортвайКорректор М. Пожо

3690/37 Тираж 778Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

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

Производственно-полиграфическое предприятие, г, Ужгород, ул. Проектная,

f i/jftepfffut