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

Изобретение относится к области температурных измерений, а именно к цифровым измерителям температуры в широком диапазоне ее изменения с коррекцией нелинейности датчика, подав- лением снижающих точность измерения помех.

Цель изобретения - повышение помехозащищенности и точности измерения температуры в широком диапазоне.

На чертеже изображено предлагаемое устройство.

Устройство содержит датчик 1 тем- пературы, усилитель ,2 сигнала ошибки, состоящий из последовательно соеди- : ненных активного фильтра 3 низкой частоты и первого устройства 4 гальванического разделения, компаратор 5 знака, преобразователь 6 напряжение - частота (ПНЧ), реверсивный счетчик 7, индикатор 8, нелинейный .цифроана- логовый преобразователь 9 (нелинейный ЦАП), состоящий из преобразователя 10 кода, широтно-импульсного моду

лятора 11, второго устройства 12 гальванического разделения и демодулятора 13.

В устройство в целях компенсации воздействия температуры окружающей среды может быть введен компенсатор холодного спая (не показан).

Цифровой измеритель температуры работает следующим образом.

Сигнал с выхода датчика 1 температуры можно представить в виде

Ц

Unc +

и

пл,

(1)

де и - сигнал датчика 1 температуры относительно земли ; U, f, - сигнал, получаемый в результате преобразования измеряемой температуры Т в напряжение; синфазная помеха; дифференциальная помеха.

Чт)

UncТак как демодулятор 13 нелинейного 1УШ 9 гальванически развязан с помощью второго устройства 12 гальванического разделения от земли, то в контур, состоящий из выводов датчика температуры, входов активного фильтра 3 низкой частоты и выходов демодулятора 13, демодулятор 13 не вносит никаких дополнительных сигналов, кроме его выходного напряжения UT соответствующего измеренной температуре. А так как выводы

датчика температуры и выводы регулятора 13 включены зстречно, то на входе активного фильтра 3 низкой частоты относительно земли присутствует разностный сигнал U :

,..т

UT-UT,

,

(2)

или

Uj uU

U.C +

ПА

4.U и,- - U-r

(3)

где ди - сигнал ошибки измерения температуры.

Непосредственно между обоими входами активного фильтра 3 низкой частоты присутствует сигнал

и ди

«J

+ и,

ЛД

ПС

котот.е. без синфазной помехи U рая наводится на оба входа активного фильтра 3 низкой частоты и относительно земли. А1:тивный фильтр 3 низкой частоты подавляет переменный сигнал и , позтому на выходе его ,:

носительно

земли

будет сигнал

из

К . ь и + и

ПС 7

(4)

где Kg - коэффициент усиления активного фильтра 3 низкой частоты. Этот сигнал поступает на вход первого устройства 4 гальванического разделения, которое подавляет синфазную помеху , т.е. на выходе устройства 4 (а значит, и на выходе усилителя 2 сигнала ошибки) будет усиленный сигнал ошибки измерения

U4

&U Kg ли. (5)

Этот сигнал подается на компаратор 5 знака, где определяется его знак, т.к. полярность, а также на ПНЧ 6, который вырабатыва.ет последовательность импульсов Ug, частота следования которых пропорциональна модулю (величине) сигнала ошибки, т.е.

f К,

(6)

. где Kf - коэффициент преобразования

(пропорциональности) ПНЧ.

Последовательность импульсов Ug с частотой f поступает на реверсивный счетчик 7, на котором накапливается число N-J., представленное в параллельном двоичном коде и являющееся величиной измеренной температуры.

N . f , при C(t.U Ь 0)

, при uU i 0(uU 0),,

где Np начальное число; t - текущее время,5

Если в выражение (7) подставить вьфажениЁ (6), то вьфажение (7) можно представить в виде

No+K /ЬU /t,пpи&u 5: 0(ьи ь 0),„, т Йо-К -/ьи- /1,при&и 0(с,и iO);

Данное число N, представляющее собой величину измеренной температуры в параллельном коде, подается на индика- J5 тор 8, с которого считывается результат измерения, а на преобразователь 10 кода (вход нелинейного ЦДЛ 9).Преобразователь 10 осуществляет преобразование кода N-r , т.е. величины изме- 20 ренной температуры (Т,) в код напряжения NJ, , при этом закон преобразования идентичен закону, по которому датчик 1 температуры преобразует температуру в напряжение ((T), т.е. 25

N, f(N)

(9)

Код и,, необходимо преобразовать в наИ

пряжение, которое должно быть гальва- нически развязано от земли. Для этого и служат блоки 12 и 13.

Широтно-импульсный модулятор 11 преобразует код N в периодическую последовательность импульсов, дни- тельность которых .прямо пропорциональна коду NJ, , т.е. осуществляет ши- ротно-импульсную модуляцию (ШИМ).Блок 12 осуществляет гальваническое разделение как в цепи сигнала, так и по питанию демодулятора 13 При этом )разделение в цепи сигнала осуществляется, за счет импульсного трансформатора, входящего в состав блока 12, а разделение по питанию осуществля- ется так же, как и в блоке 14. Демодулятор 13 преобразует ШИМ-сигналы с выхода блока 12 в постоянное напряжение, которое прямо пропорционально величине длительности импульсов, т.е. коду NP,. и, следовательно, коду N (измеренной тепмературе):

-

где Кц - коэффициент преобразования кода NU в напряжение.

Описанное преобразование кода Мц в напряжение UTJ,. в отличие от обычных

е 5

й J520т25

- ЗО

с 40

50

55

х

цифроаналоговых преобразователен (на базе интегральных ДАЙ) обеспечивает относительно малую величину дискретности выходного напряжения UY ,что определяет в конечном счете погрешность измерения. Из соотношений (10) и (8) следует, что приди О (т.е. и TT, ) происходит увеличение числа N|. и, следовательно, напряжения -f , что в свою очередь приводит к уменьшению сигнала ошибки U. (См.формулу 3). Аналогично при ли с О происходит уменьшение числа NT,.

Следовательно, напряжение U,соответствующее измеряемой температуре, равно напряжению Uj ,соответствующее

И9

измеренной температуре, и ввиду идентичности законов преобразования в датчике 1 температуры и преобразователе 10 кода число N-p равно величине измеряемой температуры.

Датчик 1 температуры представляет собой один из типов термопар.

. Компенсатор холодных спаев может быть вьшолнен из термометра сопротивления и параллельно включенного к нему стабилизированного источника тока. При этом один его вход непосредственно соединен с одним из вькодов, а другой - через термометр сопротивления.

Активный фильтр 3 низкой частоты состоит из двух каскадов усилителей постоянного тока (с ограниченной полосой пропускания), последовательно соединенных, причем первый каскад с учетом малого дрейфа входных токов может быть вьшолнен на основе операционного усилителя КМП817УД6, а второй каскад - КР544УД1А.

Первое устройство 4 гальванического разделения состоит из двух цепей гальванического разделения: цепь гальванического разделения в цепи сигнала и цепь гальванического разделения по питанию всего усилителя 2 сигнала ошибки. Цепь гальванического разделения в цепи сигнала состоит из модулятора, который производит широтно-им- |пульсную модулйцию, первого импульсного трансформатора и демодулятора. Выход модулятора подключен к входной обмотке первого импульсного трансформатора, на который с модулятора поступают импульсы со скважностью, пропорциональной величине постоянного напряжения на входе модулятора,явля5127

ющимся входом первого устрор1ства гальванического разделения.

Выходная обмотка первого импульсного трансформатора подключена к входу демодулятора, который произво- дит обратное преобразование. Выходом устройства гальванического разделения является выход демодулятора,Цепь гальванического разделения по питанию содержит преобразователь посто- янного напряжения в переменное,второй импульсный трансформатор и выпрямитель. Выход преобразователя постоянного напрялсения в переменное подключен к входным обмоткам второго им- пульсного трансформатора, выходные обмотки которого соединены с входом выпрямителя. Выход выпрямителя подключен к цепям питания всего усилителя 2 сигнала ошибки.

Компаратор 5 знака представляет собой интегральный компаратор ндпря- жения (например, К554САЗ).

Преобразователь 6 напряжение - чатота выполнен по известной схеме с периодическим инвертированием входного сигнала и состоит из входного инвертора (например, КР544УД1),управляемого двухканального переключателя (К561КП1), интегратора (КР544УД1) и компаратора (К554САЗ).

Реверсивный счетчик 7 содержит К последовательно включенных четырехразрядных реверсивных счетчиков (например, К561ИЕ11), где К |- (N - число двоичных разрядов, необходимое для измерения температуры с заданной точностью).

Индикатор состоит из последовательно соединенных преобразователя двоичного кода в двоично-десятичный (на основе интегральных двоичных счетчиков К651ИЕ11 и двоично-десятичных К561ИЕ14), преобразователя двоично-десятичного кода в семисегментный код (напримерJ К176ИД2) токовых ключей (в качестве которых могут быть использованы транзисторы) и семисег- ментных светодиодных матриц (например, АЛС324Б).

Преобразователь 10 кода может быть вьтолнен в виде постоянного запоминающего устройства (например, К573РФ1), где входами являются адреС ные входы, а выходами - выходы дан- ных.

Широтно-импульсный модулятор 11 состоит из опорного генератора, счет чика-делителя опорной частоты (-на1 6

пример, К56ШЕ10), цифровой схемы сравнения (например, К561Ш12), на которую подается входной код и код со счетчика-делителя опорной частоты. На выходе цифровой схемы сравнения (являющимся выходом широтно-им- пульсного модулятора) формируется периодическая последовательность импульсов, длительность которых прямо пропорциональна входному коду.

Второе устройство 12 гальванического разделения, аналогично первому устройству 4 гальванического разделения и состоит из двух цепей гальванического разделения: цепь гальванического разделения в цепи сигнала и цеп гальванического разделения по питанию. Цепь гальванического разделения в цепи сигнала представляет собой импульсный трансформатор. Цепь гальванического разделения по питанию полностью совпадает с цепью гальванического разделения по питанию первого устройства 4 гальванического разделения, только в данном случае выходное постоянное напряжение явля- ется питающим для демодулятора 13,

Демодулятор 13 состоит из последовательного соединения источника опорного напряжения, электронного ключа (например,, К561КТЗ) и фильтра низкой частоты, выход которого является выходом демодулятора 13,Входом демодулятора 13 является управляющий вход электронного ключа.

Формула изобретения

Цифровой измеритель температуры, содержащий датчик температуры, преобразователь напряжение - частота, реверсивный счетчик, нелинейный циф- роаналоговый преобразователь, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения и помехозащищенности за счет подавления дифференциальных и синфазных помех и коррекции нелинейности датчика, в него введены усилитель сигнала ошибки, состоящий из последовательно соединенньпс активного фильтра низкой частоты и первого блока гальванического разделения, компаратор знака и индикатор., а нелинейный циф- рйаналоговый преобразователь вьшолнен в виде последовательно соединенных преобразователя код - код, широтно- импульсного модулятора, второго блока гальванического разделения и демоду712786218

лятора, при этом первый выход демо-жение - частота, выход компаратора дулятора подключен к первому выводузнака подключен к управляющему входу датчика температуры, второй выход де-преобразователя напряжение - частота модулятора подключен к первому входуи к управля ющему входу реверсивного активного фильтра низкой частоты,вто- 5счетчика, в ыход которого соединен с рой вход которого соединен с вторымвходом индикатора и входом преобразо- выводом датчика температуры, а выходвателя код - код, выход преобра- первого блока гальванического разде-зоват ля напряжение - частота сое- ления соединен с входом компараторадинен с входом реверсивного счет- знака и входом преобразователя напря- чика.

Изобретение относится к области температурных измерений, а именно к цифровым измерителям температуры в широком диапазоне ее изменения. Цель изобретения состоит в повышении помехозащищенности и точности измерения температуры в широком диапазоне. Измеритель содержит датчик температуры I,усилитель сигнала ошибки 2, состоящий из последовательно соединенных активного фильтра низкой частоты 3 и устройства гальванического разделения 4, компаратор знака 5, преобразователь напряжение-частота, реверсивный счетчик 7, индикатор 8, нелинейный цифроаналоговый преобразователь 9,состоящий из преобразователя кода 10,широтно-импульсного модулятора I1,устройства гальванического разделения 12 и демодулятора 13. Введение новых элементов и образование новых связей между элементами устройства позволяет производить автоматическую коррекцию нелинейности датчика, подавление снижающих точность помех и компенсацию воздер1ствия температуры окружающей среды. 1 ил. сл 00 05 Ю