Устройство для измерения температуры Советский патент 1987 года по МПК G01K7/02 

Изобретение относится к температурным измерениям, а именно к устройствам для измерения температуры термоэлектрическими преобразователями с автоматической калибровкой измери- тельного канала, и может найти применение в различных областях промышленности для измерения и контроля температуры в технологических процессах требующих точного измерения темпера- туры.

Цель изобретения - повьпиение точности измерения температуры за счет сквозной калибровки всего измерительного канала и последзпощёй автоматической коррекции суммарной погрешности измерения.

На фиг. приведена структурная t. схема устройства; на фиг.2 - графики поясняю1цие работу устройства; на фиг.3 - один из вариантов блока синхронизации; на фиг.4 - схема интерполятора; на фиг.5 - алгоритм работы устройства.

Устройство для измерения температуры содержит два термоэлектрических преобразователя 1 и 2 с ,калибраторами, два компаратора 3 и 4, первый управляемый коммутатор (УК,) 5, первый . аналого-цифровой преобразователь (АЩ1() 6, блок 7 индикации, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 8, второй управляемый коммутатор (УК) 9, второй аналого-цифровой преобразователь (ADJIj,) 10, три постоянных запоминающих устройства 11 - 13,три сумматора 14 - 16, два регистра 17 и 18, интерполятор 19 и блок 20 синхронизации.

Рабочие спаи первого 1 и второго 2 термоэлектрических преобразователей помещены в герметизированные полости двух измерительных зондов 21 и 22 и электрически изолированы от стенок этих полостей, например, высокотемпературной керамикой,, полости заполнены двумя различньвди реперны- ми материалами 23 и 24 с известными температурами фазового перехода, ле- лсащими в пределах рабочего диапазона измерения температуры.

. Блок 20 синхронизации выполняет функцию управления и синхронизации работы всех блоков устройства и может быть выполнен по схеме, приведенной на фиг.З. Он содержит два элемента ИЛИ 25 и 26, элемент НЕ 27, формирователь 28 импульсов, три груп

5

0

5

пы элементов И 29-31, группу элементов ИЛИ 32, регистр 33 микрокоманд, блок 34 памяти микрокоманд, регистр 35 адреса, два триггера 36 и 37, два элемента 38 и 39 задержки.

Устройство работает по алгоритму, схема которого приведена на фиг.З. При первичном включении устройства температура объекта измерения предполагается лежащей ниже нижней границы рабочего диапазЪна температуры устройства.

При повышении температуры объекта измерения ее значение в некоторые

моменты

и с-а достигает, а затем

v-a jv 1 irii eic 1 ,

И превышает значения температуры Т( и Т фазового перехода реперных материалов, содержащихся в полостях калибраторов, в которых размещены рабочие спаи (PC) первого и второго термоэлектрических преобразователей. На промежутках времени 1;, и с - t.j, когда в массе реперного материала каждого из калибраторов протекают процессы фазового перехода, темпера-, тура рабочих спаев термоэлектрических преобразователей и, соответственно, термо-ЭДС термоэлектрических преобразователей остаются постоянными. Благодаря этому на графике зависимости термо-ЭДС от времени для каждрго из термоэлектрических преобразовате- . лей (ТЭП) возникают площадки стабильности ,, соответствующие времени 5 протекания фазовых переходов (фиг.2о().

Поскольк у первый и второй ТЭП соединены последовательно-встречно,, их разностная термо-ЭДС

0

.ЕрС) .Е,() -

(I)

на промежутках о, -1),, и tj -,) отличается от нулевой, причем импульсы Ер( & ) при изменении температуры в области Т/, и Tj имеют противополож- ные знаки (фиг.28), а в течение все- го остального времени разностная ЭДС близка к нулю ввиду равенства температуры рабочих спаев обоих ТЭП.

. Это позволяет использовать значение разностной ЭДС и ее знак для автоматической идентификации периодов протекания процессов фазового перехода в реперных материалах. Разност- ная ЭДС поступает на вход АЦП 10, откуда ее код подается на компаратор 3, где и сравнивается с значениями кодов уставок Кр и Epj , причем Epg 0, Ер, 0.

3,

Моменты равенства Ер значениям кодов уставок определяют моменты начала и конца фазовых переходов.

Возможны три случая: Ер г Ер ; Epj и Ер i Ер , каждому из которых соответствует определенное состояние выходов компаратора. В первом случае единичный сигнал появляется только на третьем выходе компаратора 3, во втором - на втором выходе и в третьем - на первом выходе.

Выходные сигналы компаратора 3 подаются на управляющие входы управляемых коммутаторов 5 и 9. При подаче на первый вход коммутатора 5 нулевого сигнала, а на второй вход - единичного сигнала на его выходе появляется сигнал при подаче нулевых сигналов сигнал на его выходе f сит от сигналов на третьем и четвертом управляющих входах, а при подаче на первый вход единичного сигнала, а на второй вход нулевого сигнала на его выходе появляется сигнал Ej.

Состояния коммутатора 5 в зависи- .мости от сигналов, поступающих на его третий и четвертый управляющие входы, следующие.

При подаче нулевого сигнала на третий вход и единичного сигнала на четвертый вход на его выходе появляется сигнал Eg, при подаче единичного сигнала на третий вход и нулевого сигнала на четвертый на его выходе сигнал Е,.

С выхода коммутатора 5 сигналы Е/, и Eg поступают на вход АЦП 10, где преобразуются в цифровой код, и далее через коммутатор 9 поступают в зависимости от сигналов на его управляющих входах на один из сумматоров 14, 15 или 16.

Так, при наличии нулевых сигналов на первом и втором и единичного сигнала на третьем входах выход АЦП 10 подключается к входу сумматора 14, при наличии единичного сигнала на втором входе - к входам компаратора 4 интерполятора 19 и сумматора 16, а при наличии единичного сигнала на. третьем входе - к входу сумматора 15

Таким образом, в периоды протекания фазовых переходов в реперных материалах калибраторов выходы соответствующих ТЭП подключаются через коммутаторы 5 и 9 и АЦП 10 к сумматорам 14 и 16, на вторые входы которых

подаются из ПЗУ 12 и 13 коды номинальных значений выходных сигналов E,HOM(TV ). ,) тех же ТЭП при тех же температурах Т и Т. При этом 5 на выходе сумматоров получаем код абсолютной погрешности а Е,(Т,) и лЕ(Т) первого и второго ТЭП при температурах Т, и Tj в соответствии с выражениями

fO - ДЕ,(Т,) Е,(Т,) - Е,„„(Т,); , . UE,(T2) ) - Е.СТ)/ Полученные коды абсолютной погрешности дают оценку, суммарной погрешности ТЭП, соединительной линии,,обо- 15 их ко} 1мутаторов и АЦП. Поправки лЕп, (Т, ), b.Y.Cl) , представляющие собой абсолютные погрешности, взятые с обратным знаком

ЛЕ„, (Т,) - ЛЕ,(Т,); 0 йЕ„, (Т) - лЕ,,(Т), (3)

просуммированные с измерительным сигналом, обеспечивают коррекцию всех перечисленных вьщ1е составляющих погрешности5 ,Е„, (Т.) + Е,(Т,) Е,„,Т,);

ЬЕ„,(Т,) + ) Е,„,„(Т2). (4) Таким образом, после первого прохож- . дения значений Т и Tj температурой объекта измерения в регистрах 17 и 0 18 хранятся коды поправок ДЕр, (Т() и U (Т). После этого процесс калибровки считается .завершенным и устройство автоматически переходит в режим измерения с коррекцией. Графики 5 зависимостей EiCl), Е,,( 5 ) приведены на фиг..2а.

Выполнение условия Ер Ер Ерц означает, что ни в одном из реперных материалов не протекает процесс фазо- 0 вого перехода (график Е (-с) нафиг.28). При этом вход управляемого коммутатора 9 соединен с его третьим выходом и код измерительного сигнала поступает на компаратор 4, интерполятор 19 5 и сумматор 16. Одновременно на входы компаратора 4 подаются значения ко- Д°« Е„„„(Т,), Е,„„(Т) из ПЗУ 12 и 13. В результате сравнения текущего кода измерительного сигнала Е(Т) с 0 указанными выше уставками в компараторе 3 формируется выходной сигнал, управляющий переключением управляемого коммутатора 4 таким образом, что к входу АЦП 10 в режиме измерения 5 оказывается подключенным тот из ТЭП, который калиброван при температуре, наиболее близкой к текущей.

При этом, если Е() ,„о(Т,) + (l)l первом выходе компаратора 4 появляется единичный, а на втором - нулевой сигналы. Если Е(Т) 1/2{Е,{Т,)4Е,.,),то на первом выходе компаратора 3 нулевой, а на втором выходе единичный сигна лы. Графики выходного напряжения компараторов 3 и 4 приведены соответственно на фиг.2 Ь,г.а.е.

Код основного измерительного сигнала Е(Т). поступает далее на интерполятор 19, функцией которого является вычисление кода поправки ьЕ(Т) для текущей температуры Т по известным значениям поправок uE, (Т() и ЛЕ (Т) для температуры Т, и T,j и известному текущему значению Е(Т). Интерполяция в простейшем случае может быть линейной, что приемлемо для случаев, когда зависимость погреш12819216

функцию ЕЗ, (Т) Е(Т) +ЛЕ„(Т), вследствие чего на вход блока индикации подается скорректированное значение кода с учетом поправок, ком- 5 пенсирующих собственные погрешности ТЭП, соединительной линии, коммутаторов, АЦП.

Блок синхронизации (фиг.З) работает следующим образом. 10 При включении питания формирователь 28 импульса, вход которого подключен к источнику питания устройства, вырабатывает импульс начальной установки, устанавливающий в нулевое 5 состояние первый 36 и второй 37 триггеры и регистр 33 микрокоманд. На выходе элемента НЕ 27 появляется сигнал единичного уровня, пропускающий нулевой код, хранящийся в поле А.„о 1

ности измерения от температуры Т близ-20 регистра 33 микрокоманд, через соотка к линейной.

В качестве интерполятора может быть использовано любое вычислительное устройство или специализированный вычислитель, вьшолненный, например, по схеме, приведенной на фиг.4. Он содержит три регистра 40 - 42, три сумматора 43 - 45, два перемножителя 46 и 47 и элемент 48 заДерж- ки. В первом регистре 40 хранится код, пропорциональный величины А 1

Т,- Т,

в третьем регистре 42 код , . Сигнал, поступающий на управляющий вход интерполятора, разре- щает его работу. В первом сумматоре

43осуществляется операция нахождения величины (Т,) - дЕ, (Т, ). На выходе пегремножителя 46 формируется код С В-А, на выходе сумматора

44- код, пропорциональный величине (Т) - .ЬЕ „, (Т,) , на выходе перемножителя 47 - код- В А В. Во втором сумматоре 45 осуществляется операция нахождения величины I и ) - ЬЕ„,(Т,)- Е(Т)-6Е,, (Т, ) /(Т,-Т,)uE,, (Т,).

Результат вычисления заносится сигналом, вырабатываемым элементом 48 задержки. Этот же сигнал свидетельствует об окончании работы интерполятора 19. Полученный на выходе интерполятора 19 код поправок дЕ,,(Т) для произвольной текущей температуры Т подается на один из входов сумматора 16, на второй вход которого подается код текущего измерительйого сигнала Е(Т). Сумматор 16 реализует

ва, вырабатывает импульс начальной установки, устанавливающий в нулевое состояние первый 36 и второй 37 триггеры и регистр 33 микрокоманд. На выходе элемента НЕ 27 появляется сигнал единичного уровня, пропускающий нулевой код, хранящийся в поле А.„о 1

ветствующую группу элементов И 31 и группу элементов И 32 на входы регистра 35 адреса. Через промежуток времени, определяемый параметрами

второго элемента 24 задержки, в регистр 35 адреса заносится код, находящийся в поле регистра 33 микрокоманд. Через промежуток времени, определяемьй параметрами первого элемента 23 задержки, считанная из блока 34 памяти микрокоманд 34 информация заносится в регистр 33 микрокоманд. Сигналы синхронизации появляются на соответствующих выходах поля

микрокоманд регистра 33 микрокоманд. При запуске узлов и блоков, обладающих постоянным временем выполнения операции, сигнал присутствует также и на первом выходе поля микрокоманд

регистра 33 микрокоманд.

При запуске узлов с переменным временем работы (АЦП 6 и АЦП 10),а также при запуске интерполятора 19

ответные сигналы этих устройств поступают на соответствующие входы пер- вого элемента ИДИ 25. При поступлении сигнала на один из входов первого элемента ИЛИ 25 при помощи первого 38 и второго 39 элементов задержки осуществляется выборка из блока 34 памяти микрокоманд очередного управляющего слова.

Для анализа выполнения условий ис.пользуются сигналы опроса условий, формируемые на выходах поля условий регистра микрокоманд. Для осуществления перехода по условию в поле Ann 2 указывается адрес перехода. При вы7

полнении условия на выходе второго элемента ИЛИ появляется единичный сигнал, разрешающий прохождение адреса, указанного в поле Ann 2, через соответствующую группу элементов И 30 и группу элементов ШШ 32 на входы регистра 35 адреса.

Первый 36 и второй 37 триггеры служат для формирования условий выполнения этапов определения фазовых переходов и устанавливаются в единичное состояние при сигналах, включающих на табло индикацию о фазовых переходах реперных материалов.

Формула изобретения

Устройство дпя измерения температуры, содержащее два идентичных термоэлектрических преобразователя, ра- бочие спаи которых размещены в герметизированных полостях двух измерительных зондов, заполненных двумя ре перными материалами с различной температурой фазового перехода, первые выводы соединены между собой, а вторые подключены к первому и второму входам первого коммутатора, выход которого соединен с входом первого аналого-цифрового преобразователя, два компаратора, постоянное запоминающее устройство и блок индикации, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения температуры за счет сквозной калиб- ровки всего измерительного канала и последующей автоматической коррекции суммарной погрешности измерения, в него введены три сумматора, два регистра, три постоянных запоминаю- щих устройства, блок синхронизации, интерполятор, второй коммутатор и второй анало го-цифровой преобразователь, вход которого соединен с вторыми вьшодами двух термоэлектрических преобразователей, а выход подключен к первому входу первого компаратора, второй и третий входы которого сое

.

fO 15

20 25 30 3540 45

9218

динены соответственно с выходам первого и второго постоянных запоминаю- , щих устройств, а первый, второй и третий выходы соединены с соответствующими входами второго управляемого коммутатора, вход которого подключен к выходу первого аналого-цифрового преобразователя, а первый и второй выходы соединены соответстде нно с первыми входами первого и второго сумматоров, вторые входы которых под- ключены соответственно к выходам третьего и четвертого постоянных запоминающих устройств, соединенных с nepBJ iM и вторым входами второго компаратора, выходы первого и второго сумматоров соответственно через первый и второй регистры подключены к первому и второму входам интерполятора, третий вход которого соединен с третьим выходом второго компаратора и первым входом третьего сумматора, выход которого соединен с блоком индикации, а второй вход подключен к выходу интерполятора, при этом первые выводы термоэлектрических преобразователей соединены с третьим :: входом первого коммутатора, первый и второй управляющие входы которого соединены соответственно с первым и третьим выходами первого компаратора,о а третий и четвертый управляющие входы соединены с первым и вторым выходами второго компаратора, уцравля- ющие входы аналого-цифровых преобразователей, постоянных запоминающих устройств, регистров, компараторов, интерполятора, сумматоров и блока индикации соединены с соответствующими выходами блока синхронизации, первый вход которого соединен с первым выходом второго компаратора, второй и третий входы - с первым и третьим выходами первого компаратора, соответственно, а четвертый, пятый и шестой входы - с выходами готовности результата аналого-цифровых преобразователей и интерполятора.

Шина Si,tj( сигнадоб бС(ШВСбС)Г

:(

.5

Изобретение относится к устройствам для измерения температуры термоэлектрическими преобразователями с автоматической калибровкой измерительного канала. Цель изобретения - повышение точности измерения температуры. После первого прохождения значений температуры объекта измерения в регистрах 17 и 18 хранятся коды поправок. После этого процесс калибровки заканчивается и устройство переходит в режим измерения с коррекцией. Код основного измерительного сигнала поступает на интерполятор 19, функцией которого является вычисление кода поправки для текущей температуры по известным значениям поправок для известных температур и известному текущему значению измерительного сигнала . Полученный на выходе интерполятора 19 код поправки подается на вход сумматора 16, на второй вход которого подается код текущего измерительного сигнала, а на блок индикации - скорректированное значение кода с учетом поправок, компенсирующих собственные погрешности термоэлектрических преобразователей, соединительной линии, коммутаторов. Описана работа блока 20 синхронизации. 5 ил. i (Л 23 ю 00 N)