Цифровой измеритель температуры Советский патент 1986 года по МПК G01K7/16 

Изобретение относится к температурным измерениям и может быть использовано при построении универсальных цифровых термометров, в т.ч. переносных, в комплекте с термопреобразователями сопротивления.

Целью изобретения явлется повышение точности измерения температуры путем снижения динамической погрешности.

На фиг. 1 представлена функциональная схема цифрового измерителя; на фиг. 2 - временные диаграммы основных узлов.

Цифровой измеритель температуры содержит источник 1 тока, первый дифференциальный усилитель 2, первый образцовый резистор 3, переключатель 4 полярности, источник 5 напряжения смещения, сумматор 6, первы переключатель 7, повторитель 8 напряжения, интегратор 9, нуль-орган 10,

25

v

UCM

и, + U,5

UAP

-к I(R,-R)+UCt)+Uip , где идрг ,+ , U,(3)

и

- напряжение счетчика 5.

На время Т

Ч tg , которое

блок 11 управления, первый селектор 12, счетчик 13, термопреобразователь 14 сопротивления, второй дифференциальный усилитель 15, второй переключатель 16, генератор 17 счетных импульсов, схему 18 перезаписи, второй образцовый резистор 19, третий образцовый резистор 20, второй селек-ЗО .тор 21, вычитающий счетчик 22,первый триггер 23, второй триггер 24, блок 25 индикации полярности, цифровую схему 26 линеаризации, отсчетное устройство 27, третий триггер 28,чет-35 повторитель 8 напряжение подается

вертую схему И 29, первый 30 и второй 31 формирователи импульсов. Блок 25 индикации полярности включает в себя первую схему И 32, четвертый триггер 33, вторую схему И 34, схему ИЛИ 35 и третью схему И 36.

кратно периоду сетевой помехи (фиг.2а, S) блок 11 управления переводит переключатель 7 в верхнее положение.

При этом на вход интегратора 9 че-.

напряжение Е,,. В момент времени tj

40

блок управления переводит переключатель 7 в нижнее положение и на вход интегратора поступает напряжение л . (-IpRg,) , снимаемое с резистора 3. Для данного процесса двухтактного интегрирования справедливо соотношение т

Цифровой измеритель температуры работает следующим образом.

В исходном состоянии счетчик 13, вычитающий счетчик 22, триггеры 23, 24, 28 и 33 сброшены в состояние нуля При этом переключатель 16 находится в нижнем верхнем положении, а переключатель 4 полярности находится в положении, при котором через измерительный термопреобразователь сопротивления протекает ток -I источника 1 тока. На резисторах 3, 14, 19 и 20 имеем падения напряжений

-l.R.;

45

блок управления переводит переключатель 7 в нижнее положение и на вход интегратора поступает напряжение л . (-IpRg,) , снимаемое с резистора 3. Для данного процесса двухтактного интегрирования справедливо соотношение т

i ,(R,-R,)+U(t) UJJ) dt-f

э

(Un - iRp.)

dt и

с

(4)

u,ioRo,;

4 IoRo3

U,,; U

loRm

где ь - постоянная времени интегра- 50 тора 9;

Ujj - порог срабатывания нуль-органа 10;

Uj, - дрейф нуля повторителя 8 напряжения.

По сигналам с блока управления и нуль-органа селектор 12 открывается на время (tj-tj), при зтом с выхода генератора 17 счетных импульсов на счетчик 13 поступает N, импульсов

где Rg,,Rt, ) сопротивления резисторов 3, 14, 19 и 20 соответственно.

Дифференциальные усилители 2 и 15 имеют коэффициент усиления К. Поэтому на выходе усилителей 2 и 15 получаем напряжения соответственно

loRo

U,5 -К

U,(t) + идр,; + и,(t) + и

(2)

где U(t) ,

и, (t)

2 -/ Jдp2,

напряжения помехи

и

ДР

и

Ар 2

на резисторах 19 и 14 соответственно;

- напряжения дрейфа нуля на выходах усилителей 2 и 15 соответственно.

На выходе cyMiviaTopa получаем напряжение

v

UCM

и, + U,5

UAP

-к I(R,-R)+UCt)+Uip , где идрг ,+ , U,(3)

и

- напряжение счетчика 5.

повторитель 8 напряжение подаетс

На время Т

Ч tg , которое

повторитель 8 напряжение подается

кратно периоду сетевой помехи (фиг.2а, S) блок 11 управления переводит переключатель 7 в верхнее положение.

При этом на вход интегратора 9 че-.

повторитель 8 напряжение подает

напряжение Е,,. В момент времени tj

0

5

блок управления переводит переключатель 7 в нижнее положение и на вход интегратора поступает напряжение л . (-IpRg,) , снимаемое с резистора 3. Для данного процесса двухтактного интегрирования справедливо соотношение т

i ,(R,-R,)+U(t) UJJ) dt-f

э

(Un - iRp.)

dt и

с

(4)

( + Ujc),-R,lT

N,

Un - loRo,

Положительным фронтом импульса с выхода нуль-органа 10 (момент t, фиг. 2в) триггер 28 перебрасывается в единичное состояние (фиг. 2я), а триггер 24 устанавливается в единичное состояние ,,(фиг. 22). Срабатывает переключатель 4 полярности тока в результате чего изменяется направление тока в цепи термопреобразователя и соответственно изменяется знак падений напряжения на резисторах 3, 14, 19 и 20

,; ,

2

(6)

На выходах усилителей 2 и 15 получаем напряжения

Ц, -к

I, U,(t) + идр,

Р .т

).идр.,(р,-к„)т

N,

и.

- icRoi

к моменту формирования числа N,, в линеаризации. В момент t триггер 23

течение времени Т t импульс

переходит в единичное состояние,запрещая тем самым открытие схемы И 32. Триггер 33 остается в нулевом 35 состоянии. Единичный сигнал с нулевого выхода триггера 33 и единичный сигнал с единичного выхода триггера 28 приводит к появлению единичного сигнала на выходе схемы И 34 и тем самым к наличию единичного сигнала на выходе схемы ИЛИ 35. Этот единичный сигнал поступает на вход цифровой схемы 26 линеаризации и цифрового отсчетного устройства 27 управдлительности Т, равный длительности первого такта интегрирования, проходит через открытую схему И 29 на вход первого формирователя 30„ Б течение времени сГ в момент t, а (фиг.2к)

импульс с выхода формирователя 30 переписывает число NI из счетчика 13 в вычитающий счетчик 22 посредством схемы 18 перезаписи. В .момент времени t 8 импульс с выхода формирователя 31 вбрасывает в нулевое.состояние счетчик 13, триггер 23. При наличии единичного сигнала с выхода триггера

24 в момент t импульсы числа N поступают через схему 12 на вход счетчика 13 и через селектор 21 на вход вычитающего счетчика 22. Поскольку

,, то в момент времени

число N2 N t на вход вычитающего счетчика 22 приходит N, импульсов числа N. Импульс с выхода нуля счетчика 22 устанавливает триггер 23 в единичное состояние. Сигналы с его единичного и нулевого выходов управляют работой селектора 21 таким образом, что последующие (N,, - N,) импульсы числа N поступают на вход цифровой схемы 26

(5)

и,, К и, (t) -ь . (7)

Напряжение на выходе сумматора равно

Е, и,, и„ + и,, 4 идр

К I,()U(t) -ь идр5- (8)

С выхода переключателя 16 поступает напряжение -IR,, снимаемое с резистЪра 20 (Rg, ROS процессе двухтактного интегрирования, для которого справедливо соотношение

20 1 к IjR,-R)-t-U(t)+U,, +

Т

И . +

и„) dt

и, (9)

25

получаем число импульсов

(ю:

переходит в единичное состояние,запрещая тем самым открытие схемы И 32. Триггер 33 остается в нулевом состоянии. Единичный сигнал с нулевого выхода триггера 33 и единичный сигнал с единичного выхода триггера 28 приводит к появлению единичного сигнала на выходе схемы И 34 и тем самым к наличию единичного сигнала на выходе схемы ИЛИ 35. Этот единичный сигнал поступает на вход цифровой схемы 26 линеаризации и цифрового отсчетного устройства 27 управ

ляя их работой. К моменту t на вход отсчетного устройства 27 поступает число импульсов, пропорциональное значению измеряемой температуры,так как число импульсов, поступивших на

вход цифровой схемы 26 линеаризации, равно

2к f„ Т I(RT-RO)

N, - N, Un I.Rr

(11)

Выбором 1, Rp, ии„

следует обеспечить соотношение и„ о тогда выражение (11) упрощается

N N 2К fЛ(К.-Ко) Rn.

R),

Г 2KfoT

(12)

R,

const.

К моменту t- в счетчике 13 зафик- 5 Nj , а в вычитающем счетчике 22 - код

сируется код числа Nj, а в отсчетном устройстве 27 - код с числа, которое пропорционально значению измеряемой температуры, причем результат изм фения не зависит от значений напряжений U,(t), Uj(t) , U(t), помехи и дрейфов Ар. Apz , DC , тока 1о, протекающего во входной цепи; А это позволяет обеспечить их высокую помехоустойчивость даже при измерениях с импульсным характером помехи. Для нормальной работы устройства выбирают

I(R,-R)+U(t),p, . (13)

Это позволяет использовать однопо- Лярный аналого-цифровой преобразователь. О знаке измеряемой температуры Б градусах Цельсия судят по выходному сигналу блока 25 индикации полярности, состоящему из схем И 32, 34 и 36, схемы ИЛИ 35 и триггера 33.Если используется термопреобразователь сопротивления с положительным температурным коэффициентом Rj, - .

RT 0°С,

то при 0, RT поэтому получаем Nj :

R,, 1,(К,-К„)0 NI и на выходе

схемы ИЛИ 35 будет единичный сигнал; Влияние на результат измерения изменения частоты генератора 17 счетньк импульсов можно исключить, если зада- вать длительность первого такта интегрирования аналого-цифрового преобразователя частотой.

Из выражений (11) и (12) видно, что на точность измерения влияет неравенство коэффициентов передачи диф- дифференциальных усилителей 2 и 15, неравенство сопротивлений 3 и 20 и дрейф нуля повторителя 8 напряжения. При этом отпадает необходимость в размещении поляризованного реле непосредственно на объекте измерения.

Б момент t-, триггер 28 возвращается в нулевое состояние (фиг.2). В момент t а по импульсу с выхода формирователя 30 (фиг. 2k) число N переписывается в вычитающий счетчик 22, а в момент

с выхода формирователя 31 возвращает в нулевое состояние триггеры 23 и 33 и счетчик 13. В момент (tq- t ) на вход вычитающего счетчика поступает

35

40

45

50

Если Т 0, TOi R - RO тогда NJ -« N, . При этом в нулевом состоянии находится триггер 23 и в единичном состоянии триггер 28. Триггер 33- перебрасывается единичным сигналом с выхода нуль-органа 10 в единичное состояние. Схема И 32 закрыта нулевым сигналом с выхода, триггера 23, а схема И 36 закрыта нулевым сигналом с выхода триггера 24. Поэтому на выходе схемы ИЛИ 35 получаем нулевой сигнал, что свидетельствует об отри- дательной полярности измеряемой температуры.

Формула изобретения

I

Цифровой измеритель температуры, содержащий термопреобразователь сопро тивления, первый вывод которого через первый образцовый резистор соединен с общей шиной измерителя,источник тока, второй образцовый резистор , первый дифференциальный усилитель, источник напряжения смещения, сумматор, повторитель напряжения, генератор счетных импульсов, выход которого соединен с первыми входами первого и второго селекторов, вычитающий счетчик, нуль-орган, вход которого соединен с вьгходом интегратора, а выход подключен к входу блоtg S (фиг. 2л) импульс 5.5- управления, первый выход которого

соединен с управляющим входом первого переключателя, а второй вькод соединен с вторыми входами первого и второго селекторов, отсчетное устчисло импульсов Nj N,, Поскольку то к моменту t.Q триггер 23

N, Nj,

находится в нулевом состоянии, а в счетчике 13 зафиксируется код числа

числа Nj-Nj

5

0

5

0

5

0

5

0

Наличие в нулевом состоянии триггера 2.3 единичного сит нала на выходе нуль-ор:гана 10 (фиг. 2,) приводит к поступлению на вход вычитающего счетчика (N2-Nj) импульсов до момента t,, перехода в единичное состояние триггера 23. Эти импульсы поступают на вход цифровой схемы 26 линеаризации. Наличие единичного сигнала на выходе нуль-органа 10 и триггера 23 приводит к появлению единичного сигнала на выходе схемы ИЛИ 35, что свидетельствует о положительной полярности измеряемой температуры. В момент t,, результат измерения выдается на отсчетное устройство 27.

Если Т 0, TOi R - RO тогда NJ -« N, . При этом в нулевом состоянии находится триггер 23 и в единичном состоянии триггер 28. Триггер 33- перебрасывается единичным сигналом с выхода нуль-органа 10 в единичное состояние. Схема И 32 закрыта нулевым сигналом с выхода, триггера 23, а схема И 36 закрыта нулевым сигналом с выхода триггера 24. Поэтому на выходе схемы ИЛИ 35 получаем нулевой сигнал, что свидетельствует об отри- дательной полярности измеряемой температуры.

Формула изобретения

I

Цифровой измеритель температуры, содержащий термопреобразователь сопротивления, первый вывод которого через первый образцовый резистор соединен с общей шиной измерителя,источник тока, второй образцовый резистор , первый дифференциальный усилитель, источник напряжения смещения, сумматор, повторитель напряжения, генератор счетных импульсов, выход которого соединен с первыми входами первого и второго селекторов, вычитающий счетчик, нуль-орган, вход которого соединен с вьгходом интегратора, а выход подключен к входу бло71278622

ойство, информационный вход которого оединен с информационным выходом ифровой схемы линеаризации, отх оТти ны вы ля ни ни ть ве вы вы вх вт ор но сч ни ра ля

личающийся тем, что, с це- целью повышения точности измерения температуры путем снижения динамической погрешности, в него дополнительно введены третий образцовый резистор, второй переключатель, второй дифференциальный усилитель, счетчик, 10 схема перезаписи, четыре триггера, четыре схемы И, схема ИЛИ, два формирователя импульсов и переключатель полярности, входы которого соединены с выходами источника тока, первый вы- t5 ход подключен к первому выводу второго образцового резистора и перво- му входу первого дифференциального усилителя, второй вход которого соединен с вторым выводом второго образ-20 второй вход которой подключен к нулецового резистора,- первым входом второго переключателя и через третий образцовьш резистор подключен к общей тине измерителя, а второй выход переключателя полярности соединен с вто- -25 рым выводом термопреобразователя сопротивления и первым входом второго дифференциального усилителя, второй вход которого соединен с первым выводом термопреобразователя сопротивле- 30 выходом второй схемы И, а выход поднияи вторым входом второго переключателя, а вьпкод подключен к первому входу сумматора, второй и третий вход которого соответственно соединены с выходом источника напряжения смещения и выходом первого дифференциального усилителя, а выход подключен к первому входу первого переключателя, выход которого через повторитель напряжения -соединен с входом интегратора, а второй вход соединен с выходом второго переключателя, управляющий вход которого соединен с управляющим входом переключателя полярности, при этом выход первого селектора подклю- чен к входу счетчика, информационные выходы которого соединены с входами схемы перезаписи, информационные вых оды которой соединены с входами за- Ттиси числа вычитающего счетчика,счетный вход которого подключен к первому выходу второго селектора, а выход нуля соединен с входом установки в единичное состояние первого триггера,единичный выход которого подключен к третьему входу второго селектора, четвертый вход которого соединен с нулевым выходом первого триггера и с первым входом первой схемы И, второй вход которой соединен с пятым входом второго селектора, с выходом нуль- органа, с входом установки в единичное состояние второго триггера и с счетным входом третьего триггера,единичный выход которого соединен с управляющим входом второго переключателя и с первым входом второй схемы И,

вому выходу четвертого триггера, вход установки в единичное состояние которого подключен к выходу первой схемы И, а единичный выход соединен с первым входом третьей схемы И, второй вход которой подключен к нулевому выходу третьего триггера, а выход подключен к первому входу схемы ИЛИ, второй вход которой соединен с

ключен к входам управления полярности отсчетного устройства и цифровой схемы линеаризации, счетный вход которой подключен к второму выходу второго селектора, шестой вход которого подключен к единичному выходу второго триггера и к первому входу четвертой схемы И, второй вход которой соединен с вторым выходом блока управления, а выход подключен к входу первого формирователя,выход которого соединен с входом управления схемы перезаписи и входом второго формирователя, выход которого подключен к входу отсчетного устройства и входам установки в нулевое состояние счетчика, первого и четвертого триггеров.

а

ii.

,

Ч

t

5

i

и

М

ь и

.

т

tz t3 t3

Редактор Г. Волкова

Составитель В. Куликов

Техред Л.Олейник Корректор М.Самборская

Заказ 6822/36Тираж 778Подписное

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

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

t5

if

.kL

h tf

ts

s

t9

ts t-}

tff

t7

t

iiu

и f

Фаг.е

ts У

Изобретение может быть использовано при температурных изменениях и позволяет повысить точность измерения температуры путем снижения динамической погрешности. На точность измерения будет влиять неравенство коэффициентов передачи дифференциальных усилителей 2 и 15, неравенство сопротивлений 3 и 20 и дрейф нуля повторителя напряжения 8. Наличие единичного сигнала на выходе нуль-органа 10 и триггера 23 приводит к появлению единичного сигнала на выходе схемы ИЛИ 35, что свидетельствует о положительной полярности измеряемой температуры. Нулевой сигнал на выходе схемы ИЛИ 35 свидетельствует об отрицательной полярности измеряемой температуры. 2 ил. W с tsO 00 05 го ю