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

tc

О5

оо со Изобретение относится к области температурных измерений, а именно к устройствам для измерения температуры с автоматическим калиброванием измерительных каналов. Целью изобретения является повышение точности измерения в 1пироком дианазоне температур путем кусочно-линейной апп)оксимации noipeiuHocTn термоэлектрического преобразователя. На чертеже представлена блок-схема устройства. Устройство содержит термоэлектрический преобразовате;П) 1 со встроенпым ка:1ибратором, первый блок 2 коррекции, сумматор 3, коммутатор 4, источник 5 стандартного еигпа:1а, первый блок 6 управления, усилитель 7, первый и второй ключи 8 и 9, источник 10 образцового напряжения, интегратор 11, комнаратор 12, третий ключ 13, второй блок 14 унрав;1ения, генератор 15 счетных импульсов, счетчик 16 результата, отсчетный блок 17, логический элемент И 18, счетчик 19 стробов, переключатель 20, счетчик 21 совпадений, блок 22 запрета, первый формирователь 23 импульсов, первый триггер 24, второй формирователь 25 импульсов, ворой блок 26 коррекции, ворой триггер 27 и ждущий мультивибратор 28. Устройство работает с;1едуюпхим образом. В режиме «Калибрование оператор переводит обьект в режим постоянпого нагрева или охлаждепия. По команде оператора блок 6 управлепия, подавая сигналы на второй блок 14 управления, изменяет алгоритм работы интегратора 11. При этом нараметры формируемого интегратором 1 1 пилообразного напряжения фиксируются и перестают зависит1з от входпого напряжения усилителя 7. Это достигается попеременным подключением входа интегратора 1 1 к «плюсу и «мипусу источника 10 образцового напряжения соответственно в первом и втором такте интегрирования. Управлепие ключом 9 через )торой блок 14 управления (играющий в данный момент вместе со счетчиком 16 роль временного распреде;п-1теля) осуществляется на основе счетных импульсов, вырабатываемых генератором 15.Одповременно счетные импульсы заполняют и счетчик 19. При этом в первом такте интегрирования вход компаратора 12 подключе}{ к выходу интегратора 11. В первом такте интегрирования в момент равенства нИоюобразного напряжения, формируемого за счет интегрирования выходного сигнала источника 10, усиленному входному сигналу термопреобразователя 1 комнаратор 12 срабатывает и через формирователь 25 и ключ 20 сбрасывает счетчик 19 и счетчик 21 совпадений. Далее счетчик 19 вновь начинает заполпяться счетными импульсами генератора 15. Емкость счетчика 19 выбирается равной емкости счетчика 16, поэтому период следования импульсов на выходе счетчика 19 точно равен периоду пилообразного напряжения на выходе интегратора 11, и дрейф частоты генератора 15 не оказывает влияния на синхронность этих процессов. По окончании второго такта пилообразHoiO напряжения счетчик 16 через первый формирователь 23 импульсов и блок 22 запрета перебрасывает триггер 24. Под воздействием выходного импульса триггера 24 открывается ключ 20, и в следуюгцем периоде пилообразного нанряжения формирователь 25 сбрасывает счетчики 19 и 21 в момент равенства выходного нанряжения усилителя 7 и амнлитуды на выходе интегратора 11. Если температура, следовательно и амплитуда напряжепия на выходе усилителя 7, за время т периода пилообразного напряжения изменяется, процесс занолнения сброса счетчика 19 будет продолжаться бесконечно, так как время задержки срабатывания компаратора 12 по отнон ению к началу формирования пилообразного напряжения, определяемого изменением выходного напряжения ключа 8, изменяется. Счетчик 19 стробов выдает импульсы, точно соответствующие положению выходного напряжения ключа 8 в предыдущем цикле измерения. Естественно, совпадения выходных импульсов счетчика 19 стробов и формирователя 25 не происходит, выходной импульс формирователя 3 попадает на триггер 24, перебрасывая его и переключая, тем самым, переключатель 20. В следующем такте выходной импульс формирователя 25 сбросит счетчики 19 и 21. При этом счетчик 19 «запомнит новое положение выходного напряжения ключа 8 относительно начала нилообразного напряжения. В дальнейшем процесс «нриведения« фазы поступления выходного импульса счетчика 19 стробов к новому значению напряжения на выходе ключа 8 продолжается. Если же температура за время т не изменилась, то фаза срабатывания компаратора 12 в обоих периодах одинакова, и имнульсы на вход элемента И 18 с выхода счетчика 19 и формирователя 25 поступают одновременно. На выходе элемента 18 формируется импульс, учитываемый счетчиком 21 совпадений. Одновременно импульс с выхода элемен1а И 18 поступает на управляющий вход блока 22 запрета, который блокирует переключение триггера 24 следующим за ним импульсом 23 формировате.,тя. Если температура и за время двух периодов пилообразного напряжения продолжает оставаться постоянной, то на вход счетчика совпадений поступает епхе один импульс. При постоянстве температуры процесс заполнения счетчика 21 продолжается. При этом периодический сброс счетчика 19 при его заполпении осуществляется автоматически. Однако, если на очередном периоде пилообразного напряжения совпадения импульсов на входе элемента и 18 не происходит, счетчики 19 и 21 вновь сбрасываются, и весь процесс возобновляется. При достижении момента фазового перехода реперного материала калибратора температура рабочего спая термоэлектрического преобразователя длительное время (десятки секунд) остается постоянной. В этом случае счетчик 21 совпадений заполняется .полностью п импульсами за время пт и с его выхода поступает импульс на блок 6 управления, что является сигналом о начале процесса калибрования. С блока 6 управления поступают импульсы управления на управляющий вход блока 14 управления и управляющие входы коммутатора 4 и блока 2 коррекции. При этом на вход усилителя 7 навстречу сигналу термопреобразователя 1 подключается источник 5 стандартного сигнала, напряжение которого соответствует напряжению термопреобразователя при температуре фазового перехода материала калибратора. Под воздействием выходного сигнала усилителя 7 выходное напряжение блока 2 коррекции начинает изменяться до тех пор, пока сумма ЭДС термопреобразователя 1 и выходного напряжения блока 2 коррекции не станет равной величине стандартного сигнала источника 5, о чем будет свидетельствовать отсутствие напряжения на выходе усилителя 7. На этом процесс калибрования в первой точке заканчивается. Продолжающийся нагрев (или охлаждение) объекта приводит к полному расплавлению (кристаллизации) реперного материала, по которому ведется калибрование в первой точке. При этом температура рабочего спая термопреобразователя снова будет возрастать (снижаться). В это время ждущий мультивибратор (длительность его импульса выбирается больше длительности фазовых превращений в реперном материале) перебросит триггер 27 и вновь разрешает прохождение импульса на вход второго формирователя 25. Так как фаза срабатывания компаратора 12 будет отличаться от фазы его срабатывания при температуре фазового перехода реперного материала калибратора в первой точке, то произойдет сброс счетчиков 19 и 21, и идентификация фазового перехода реперного материала калибратора начнется сначала. При достижении момента фазового перехода второго реперного материала калибратора температура рабочего спая термопреобразователя вновь длительное время остается постоянной. В этом случае вновь на выходе счетчика 21 совпадений появляется импульс, который является сигналом начала калибрования во второй точке. Этот импульс совместно с выходным сигналом триггера 27, воздействуя на блок 6 управления, возвращает интегратор 11 в исходное состояние (при котором он интегрирует поступившее на его вход напряжение). При этом выходной сигнал триггера 27 запрещает срабатывание блока 2 коррекции и разрешает поступление кода с выхода счетчика 16 результата на второй блок 26 коррекции. Кроме того, под воздействием выходног-о сигнала триггера 27 изменяется значение выходного напряжения источника 5 стандартного сигнала (оно соотв1етствует температуре фазового перехода второго реперного материала калибратора). Разница между сигналом термопреобразователя 1 (с учетом выходного напряжения блока 2 коррекции и выходным напряжением источника 5 стандартного сигнала посредством коммутатора 4 поступает на вход интегратора П и преобразуется в код. Полученное значение выходного кода поступает с выхода счетчика 16 на вход второго блока коррекции и запоминается в На этом процесс калибрования заканчивается. В режиме «Измерение из алгебраической суммы выходных сигналов термопреобразователя и блока 2 коррекции вычитается выходной сигнал источника 5 стайдартного сигнала (соответствующий температуре фазового перехода реперного материала в первой точке калибрования). Счетчик 16 перед началом второго такта преобразования поступающей на вход усилителя 7 разности из коммутатора 4 по сигналу с блока 14 унравления, устанавливается в состоя ние, соответствующее температуре фазового перехода реперного материала калибратора в первой точке калибрования. В процессе аналого-цифрового преобразования счетчик 16 заполняется импульсами в течение второго такта интегрирования. Аддитивная составляющая погрешности термонреобразователя при этом корректируется входнь1м напряжением блока 2 коррекции, Мультипликативная составляющая norpeujности термопреобразователя корректируется блоком 26 коррекции, представляющим собой цифро-аналоговый преобразователь, выходное напряжение которого подключается к входу интегратора 11 с помощью ключа 9 на время, соответствующее длительности второго такта интегрирования, одновременно с опорным напряжением источника 10. Влияние мультипликативной составляющей погрешности на аддитивную исключается за счет включения в режиме «Измерение выходного напряжения источника стандартного сигнала навстречу сигналу термопреобразователя. При измерении температуры в окрестности первой точки калибрования измеряемое напряжение блока 26 практически не влияет на результат преобразования. Характеристика преобразования устройства, реализующего метод лтеухтактного преобразования, может быть записана в виде уравнения

Ujr TI: UMOH Т2

(1)

где U -измеряемое напряжение, поступающее на вход интегратора в первом такте преобразования; Uo -образцовое напряжение, поступающее на вход интегратора во втором такте преобразования; Ti,T2-длительность первого и второго

тактов соответственно. С учетом суммирования термо-ЭДС термопреобразователя с выходным сигналом блока 2 коррекции и вычитания напряжения источника 5 стандартного сигнала, а также последующего усиления разности усилителем 7 и поступлениия на вход интегратора кроме образцового напряжения выходного напряжения блока 26 уравнения (1) можно записать в виде

т, Кус(Етп-4- U2-U5) T2(U,o+ U26)(2)

где Кус - коэффициент усиления усилителя 7 ЕТП - термо-ЭДС термопреобразователя; U2, Us, Uio, U26 - выходные напряжения блоков 2, 5, 10 и 26 соответственно. Длительность второго такта т явлляется мерой, адекватной измеряемой температуре. Выделив Т2 из (2), получим

Кус(Ет,.+ U2-U5)

(3)

Tl

Uio+ U26

Числитель выражения (3) в окрестности первой точки калибрования близок к нулю, а значит, выходное напряжение блока 26 слабо влияет на результат преобразования, т.е. влияние мультипликативного корректирующего воздействия на аддитивное не наблюдается.

Двухточечный калибратор температуры может быть выполнен в виде, например, концентрически расположенных в наконечнике термопреобразователя 1 колпачков из нержавеющей стали, заполненных чистыми металлами с известными температурами плавления.

Требование к точности и разрядности цифроаналогового преобразователя, образующего блок 26 коррекции, весьма невысокое, так как его выходное напряжение соответствует погрещности термопреобразователя 1. Переключение источника 5 стандартного сигнала может осуществляться электромагнитным реле, так как время переключения может быть достаточно больщим. Блок 2 коррекции может быть реализован в виде аналогового запоминающего устройства (при достаточно частом калибровании), в виде системы уравновещивания с синхронно-следящим приводом или с использованием системы развертки с

равномерно-ступе нчатым

изменением компенсирующей величины.

Устройство может быть реализовано на основе серийного цифрового вольтметра с двухтактным интегрированием. Элементы, образующие по существу цифровой вольтметру двухтактного интегрирования, обведены на чертеже пунктирной линией.

Формула изобретения

Устройство для измерения температуры, содержащее термоэлектрический преобразователь с встроенным калибратором и первый блок коррекции, выходы которых подключены соответственно к входам сумматора, выход которого соединен с первым входом коммутатора, второй вход которого соединен с выходом источника стандартного сигнала, а выход через усилитель подключен к входу первого блока коррекции, соединенному с входом первого ключа, и к первому входу второго ключа, второй вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения, а выход через интегратор подключен к первому входу компара5 тора, второй вход которого соединен с выходом первого ключа, а выход соединен с третьим входом второго ключа, входом первого формирователя импульсов и первым входом третьего ключа, второй вход которого соединен с выходом генератора счетных им0 пульсов и входом счетчика стробов, а выход подключен к счетному входу счетчика результата, первый выход которого соединен с отсчетным блоком, первый блок управления, первый вход которого соединен с выходом счетчика совпадений, первый и второй

5 выходы соответственно соединены с управляющим входом коммутатора, соединенным с первым управляющим входом блока коррекции и первым входом второго блока управления, первый, второй и третий выходы

п которого соединены соответственно с управляющими входами первого со вторым и третьего ключей и управляющим входом счетчика результата, второй выход которого соединен с вторым входом блока управления и через второй формирователь импуль5 сов подключен к первому входу блока запрета, второй вход которого соединен с входом счетчика совпадений и выходом логического элемента И, а выход подключен к входу первого триггера, выход которого соединен с управляющим входом переключа0 теля, вход которого подключен к выходу первого формирователя импульсов, первый выход соединен с управляющими входами счетчика стробов и счетчика совпадений, а второй выход подключен к первому входу логического элемента И, второй вход которо го соединен с выходом счетчика стробов, отличающееся тем, что, с целью повыщения точности измерения путем кусочно-ли78

нейной аппроксимации погрешности термо-ции, второму входу первого блока управлеэлектрического преобразователя, в него вве-ния и первому управляющему входу второго

дены ждущий мультивибратор, второй блокблока коррекции, выход которого соединен

коррекции и второй триггер, счетный входс дополнительным входом второго включа,

которого подключен к выходу ждущего муль-второй управляющий вход соединен с выхотивибратора, соединенному с запрещающим дом счетчика совпадений и входом ждущевходом первого формирователя импульсов,го мультивибратора, а вход соединен с пера выход подключен к управляющему входувым выходом счетчика результата, устаноисточника стандартного сигнала, второмувочный вход которого соединен с четверуправляющему входу первого блока коррек-тым выходом второго блока управления.

1268970

Изобретение относится к устройствам для измерения температуры с автоматическим калиброванием измерительных каналов. 11,ел изобретения -- повышение точности измерения в широком диапазоне температур. В устройство введены второй блок 26 коррекции, второй триггер 27, ждущий мультивибратор 28. Введение данны.ч блоков позволило реализовать кусочно-линейную аппроксимацию погрешности термоэ.пектрического преобразователя. Устройство работает в двух режимах: «Калибрование и «Измерение. В режиме «Измерение выходное напряжение источника 5 стандартного сигнала включается навстречу сигналу термопреобразователя 1, что исключает влияние мультипликативной составляющей ногрешности на аддитивную. При измерении температуры в окрестности первой точки калибрования измеряемое напряжение блока с 6 26 коррекции практически не влияет на результат преобразования. 1 ил. (Л