Преобразователь температуры в код Советский патент 1987 года по МПК G01K7/00 

1

Изобретение относитс измерениям температуры нием термоэлектрических телей (ТЭП) с нелинейно термоЭДС от температуры спая (PC) .

Целью изобретения является повышение точности измерения и сокращение аппаратурных затрат за счет уменьше- кия необходимой емкости памяти постоянного запоминающего устройства.

На фиг.1 показана структурная схема устройства; на фиг,2 - схема компаратора; на фиг.З - графики номи- нальной и действительной корректирующих функций.

Устройство содержит термоэлектри- ческий преобразователь (ТЭП) 1, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 2, сумматор 3, первый двоичный счетчик 4, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 5, блок 6 , второй двоичный счетчик 7, дешифрато 8, компаратор 9, схему 10 начальной установки (СНУ), первый двухвходовый 11, второй 12 трехвходовый логически элементы ИЛИ и устройство 13 перемножения .

Компаратор содержит М } N/Af че- гырехразрядных узлов сравнения (где N - число разрядов сравниваемых кодов) первый логический элемент ИЛИ 14, второй логический элемент ИЛИ 15 причем каждый из узлов сравнения содержит четьфе логических элемента ИСКЛЮЧАЩЕЕ ИЛИ 16-19, четыре логических элемента НЕ 20-23, первый 24, второй 25 трехвходовые, третий 26, четвертый 27 четырехвходовые,, пятый 28, шестой 29, седьмой 30 пятивходо

вые, восьмой 31, девятый 32 шести- входовые логические элементы И, третий 33, четвертый 34 четь1рехвходовые логические элементы ШШ.

Устройство работает следующим образом.

При включении питания схема 10 начальной установки через первый логический элемент ИЛИ 11 устанавливает первый 4 и второй 7 счетчики в нулевое состояние. На первой группе выходов ПЗУ 5 появляется код первой границы, поступакнщй на первую группу

входов компаратора 9. Единичный сиг- 55 зультат, соответствующий значению конал с первого выхода дешифратора 8 поступает на вход Разрешение преобразования АЦП 2, к первому и второму входам которого подключен -термоэлекда на выходах сумматора 3. Ниже показано, что этот результат соответствует значению измеряемой температуры в градусах.

трический преобразователь 1, а группа выходов АЦП 2 соединена с второй группой входов компаратора 9. Сигна- лом АЦП 2 Преобразование заверщено, поступающим на третий вход второго логического элемента ИЛИ 12, состояние второго счетчика 7 увеличивается на единицу и единичным сигналом с второго выхода дешифратора 8 разрешается операция сравнения компарато-. ра 9. Если результат сравнения больше - равно, то единичный сигнал с первого выхода больше - равно компаратора 9 поступает на счетный вход первого счетчика 4 и состояние первого счетчика 4 увеличивается на единицу. Соответственно, на первой

группе выходов ПЗУ 5 появляется код второй границы, поступающий на первую группу входов компаратора 9, и вновь производится сравнение.

Если результат сравнения меньше то единичным сигналом с выхода 2 меньше компаратора 9, поступающим

На второй вход второго логического элемента ИЛИ 12, состояние второго счетчика 7 увеличивается на единицу и единичный сигнал с третьего выхода дешифратора 8 подается на вход Разрешение умножения устройства 13 умножения, первая и вторая группы входов которого соединены соответственно с группой вь1ходов АЦП 2 и третьей группой выходов ПЗУ 5. Сигналом готовности Умножение завершено, поступающим на первый вход второго логического элемента ИЖ 12, состояние второго счетчика 7 увеличивается на единицу, и единичньй сигнал с четвертого выхода дешифратора 8 подается на вход Разрешение суммирования сумматора 3, первая и вторая группы входов которого соединены соответственно с второй группой выходов ПЗУ 5

и группой вьпсодов устройства 13 умножения. Сигналом Суммирование завершено, поступающим на второй вход первого логического элемента ИЛИ 11, первый 4 и второй 7 счетчики перево- дятся В нулевое состояние и процесс преобразования начинается вновь.

Блок 6 цифровой индикации 6 инди- цирует на промежутке между завершениями двух циклов преобразования реда на выходах сумматора 3. Ниже показано, что этот результат соответствует значению измеряемой температуры в градусах.

312952

ТермоЭДС Е(Т) ТЭП 1, нелинейно зависящая от температуры Т его рабочего спая, поступает на вход АЦП 2, которым на каждом цикле преобразования формируется код термоЭДС N,(Е), про- 5 порциональный значению ЭДС Е(Т):

N, (Е) КЕ(Т), где К - постоянный коэффициент.

Поскольку ЭДС Е(Т) отличается от линейно зависящего от температуры напряжения U(Т), имеет место/абсолютная погрешность линейности

ли.(т) Е(Т) - и/(Т).

(2)

Из уравнения (2) может быть определена номинальная корректирующая функция UK (Т)

и„, (Т) -ли,(Т),

(3)

суммирование которой с измерительным сигналом Е(Т) обеспечивает нулевую остаточную погрешность линейности полученного измерительного сигнала

Е(Т) + 1 поскольку, ния (1):

кн как

(Т) и,(Т), следует из Е(Т) - iU.(T) иЛТ).

и.

Номинальная корректируюцая функция „„ (Т) может быть также определена

X ч

относительно переменных Е(Т) или N,(Е) в виде и (Е) или U(N), поскольку эти переменные связаны взаимно однозначными функциональными зависимостями

Е f(T), N, f(E).

Поскольку ТЭП характеризуется отличиями его действительной градуиро- вочной характеристики Е(Т) от номинальной (гостированной) Е (Т), мо- жет быть определена также и функция собственной погрешности ТЭП в зависимости, например, от параметра Т

Т) - Е„ (Т). (6) Значения 4Е.. (Т) также могут быть

I ЗП

определены относительно переменной Е в виде , (Е). Благодаря этому уже в номинальной корректирунщей функции (Е) может быть учтена поправка, компенсирующая собственную погрещ- ность ТЭП от несоответствия его действительной характеристики преобразования номинальной.

Определенная указанным образом номинальная корректирующая функция и, (Е) для серийных ТЭП имеет нелинейный характер.

Как видно из фиг.З, значения UKH (Т,Е) в рабочем диапазоне .

1

или

Е.

Е положитель

ны

нал

( (Т,Е) 0), а первая производ- функции ЛЕ)

ме

15

20

25

30

няет зндк внутри рабочего диапазона. При этом функция (Е) имеет точку перегиба, в которой вторая производная функции (Е), Uj (Е)

d4u...,(E) -Тргравна нулю.

В предложенном устройстве идеальная номинальная корректирукщая функция аппроксимирована кусочно-линейной действительной корректирующей функцией UK., (Е).

Таким образом, погрешность аппроксимации в данном случае определяет остаточную погрешность линейности и в любой точке рабочего диапазона не превышает значения предельно допускаемой абсолютной погрешности линейности дидЗоп . На фиг.З приведены значения и графики верхней

и,(Е) нижней

и.« (Е)

+ ли

Звп

(7)

UH (Е) и.« (Е) - iU.ao..

(8)

40

45

ограничивающих функций, в промежутке мезкду которыми могут лежать значения действительной корректирующей функции (Е). При этом должно быть выполнено условие

и, (Е) 6 U,j (Е) и(Е). (9) Очевидно, что при выполнении этого условия погрешность аппроксимации, и, соответственно, остаточная погреш-, ность преобразования устройства

1ик9(Е - (Ё)| (10)

ВО всем рабочем диапазоне не превысит допускаемого значения:

uU,

4 fiU,

(11)

гост лдвп

В памяти ПЗУ 5 хранятся значения коэффициентов, однозначно определяющих каждую из прямых действительной корректирующей функции, и коды границ отдельных участков аппроксимации, а

текущее значение функции циклически вычисляется устройством 13 перемножения и сумматором 3 на основании данных, хранимых в памяти ПЗУ 5 и текущего значения кода N (Е). Действительная корректирующая функция, таким образом, фактически реализована в виде цифрового кода N(N) и может быть представлена в виде

N

к, (N,) a.N, + Ь ; j 1m.

де а.

Ь.

J

- коэффициенты, однозначно определяющие каждую из m прямых, реализующих кусочно-линейную аппроксимирующую функцию;

m - число участков аппроксимации ;

j - номер участка аппроксимации, зависящий от значения кода N. , j f () .

J(N,)-

(13)

N,, , N,, , N,,, ..., N,,, ...N,,- граничные значения кода N (E), соответствующие границам участков аппроксимации .

В конце каждого цикла преобразования АЦП 2 его выходной код N(E) одновременно поступает на входы компаратора 9 и устройства 13 перемножения. При этом компаратор 9, сравнивая поступившее на его вход значение

Если на вход разрешения сравнения компаратора 9 подается сигнал единичного уровня, то происходит сравнение кодов X(X,X,j, . .. ,Х „ ) и Y(Y,jYj,...,Y ), поступающих соответственно на первую и вторую группы входов компаратора 9, причем поразрядное сравнение кодов X,-- и Y.;j(i

кода с кодами границ участков аппрок- „

„., .2..,.,М) осуществляется в соотсимации, записанными в ПЗУ 5, опреде- О i,,..., J- У „шлпшпАтттгтг

,ветствуюших элементах ИСКЛЮЧАКлдЕЕ

ляет при помощи счетчика 4 принадлежИЖ 16-19 и элементах НЕ 20-23 каждого узла сравнения.

ность текущего значения кода N (Е)

к одному из участков аппроксимации,

счетчик 4 вьщает признак этого участка на адресньш вход ПЗУ 5 в виде кода « f°fl°l.Ll ±.

ИЖ 16-19 и элементах НЕ 20-23 к дого узла сравнения.

В случае равенства поступающи

ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 16-19 появляется нал нулевого уровня, а на выхода элементов НЕ 20-23 - единичного ня. На выходах седьмых элементов

адреса, который устанавливает на второй и третьей группах выходов ПЗУ 5

соответствующие коэффициентом а ., Ь. т «,J 4

КОДЫ Njj , N, .

Таким образом, компаратор ПЗУ 5 и счетчик 4 реализуют функцию распознавания принадлежности поступающего на вход компаратора 9 кода к одному из участков, на которые разбит весь диапазон вдех возможных состояний АЦП 2. Таким образом, рабочий диапазон устройства разбит на m неперекрывающихся и непосредственно примыкаюпшх друг к другу участков так, что каждому участку соответствует определенный интервал измеряемого параметра Т и, соответственно, кода на вы- ходе АЦП 2 N ЛЕ) . Это означает, что каждому из участков аппроксимации соответствует группа последовательных возможных состояний АЦП 2.

Значения а., Ь- кодов N , коэффициентов подаются на первые группы входов перемножителя 13 и сумматора 3, где и вычисляется значение функции по формуле (12). На выходе сумматора 3 формируется скорректированное значение кода

N,JN) N,(E) + N (N) (14)

a

N, (N, ) N, (E) + a, N, + bj . (15)

Фактически в устройстве реализуется вычитание по формуле

25

NCKCN,) N,(a j + 1) + bj,

(16)

которая легко может быть получена из выражения (15), а в памяти ПЗУ хранятся, соответственно, коды коэффициентов (аj + 1), bj вместо ay и bj.

Компаратор 9 работает-следующим образом.

Если на вход разрешения сравнения компаратора 9 подается сигнал единичного уровня, то происходит сравнение кодов X(X,X,j, . .. ,Х „ ) и Y(Y,jYj,...,Y ), поступающих соответственно на первую и вторую группы входов компаратора 9, причем поразрядное сравнение кодов X,-- и Y.;j(i

„

ИЖ 16-19 и элементах НЕ 20-23 каждого узла сравнения.

В случае равенства поступающих

f°fl°l.Ll ±.

ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 16-19 появляется сигнал нулевого уровня, а на выходах элементов НЕ 20-23 - единичного уровня. На выходах седьмых элементов И

30 всех узлов сравнения появляется сигнал единичного уровня, т.е. на третьих выходах всех узлов сравнения появляется единичный уровень и с тре- .тьего выхода М-го узла сравнения этот

единичный уровень поступит на (М+1)-й вход второго логического элемента ИЛИ 15, т.е. на втором выходе больше-равно коьтаратора 9 появится сигнал единичного уровня.

В С лучае неравеАстиа ко/ ов X и У хотя бы в одном из разрядов X и Yj(i 1,.. . ,N) на выходе соотпетству- ющего элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ появится сигнал единичного уровня, а на выходе соответствующего элемента НЕ - нулевого уровня. В результате на первом или втором выходах соответствующего узла сравнения (в зависимости от того, X. У. или X - У со- ответственно), в котором выявится признак неравенства, появится сигнал единичного уровня, который поступит на вход первого или второго логических элементов ИЛИ 14 и 15 соответ- ственно.

Таким образом, в зависимости от того, X У или X у. соответственно на выходах 1 меньше или 2 больше-равно компаратора 9 появится сигнал единичного уровня.

Формула изобретения

1. Преобразователь температуры в код, содержащий термоэлектрический преобразователь, подключенный к входу аналого-цифрового преобразователя, два счетчика, выход первого из кото- рых соединен с адресным входом постоянного запоминающего устройства, блок цифровой индикации и компаратор, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, сокращения аппаратурных затрат за счет уменьшения необходимой емкости блока памяти, в преобразователь дополнительно введены дешифратор, схема начальной установки, первый двухвхо- довой и второй трехвходовой логические элементы ИЛИ, устройство перемножения и сумматор, причем выходы аналого-цифрового преобразователя подключены к первой группе входов ком- паратора, вторая группа входов которого соединена с первой группой выходов постоянного запоминающего устройства, а первый выход подключен к счетному входу первого двоичного счетчика, второй выход компаратора соединен с первым входом вт.орого логического элемента ИЛИ, выход схемы начальной установки соединен с первым входом первого логического элемента ИЛИ, выход которого подключен к установочным входам первого и второго двоичных счетчиков, приче вторая группа выходов постоянного запоминаю50

0

5

0 г 0 5 0 5

щего устройства соепинрна с группой входов сумматора, а третг я группа выходов подключена к первой группе входов устройства перемножения, вторая группа входов которого соединена с выходами аналого-пифро- Boi o преобразователя, а выходы - с второй группой входов сумматора, выход которого соединен с блоком цифровой индикации, при этом выход второго логического элемента ИЛИ соединен со счетным входом второго двоичного счетчика, выход которого соединен с. адресным входом дешифратора, первый выход которого соединен с входом запуска аналого-цифрового преобразователя, второй выход подключен к входу разрешения выполнения операции сравнения компаратора, третий и четвертый выходы соединены соответственно с входами разрешения выполнения операций устройства перемножения и сумматора, а выходы готовности результата устройства перемножения и аналого-цифрового преобразователя соединены соответственно с вторым и третьим входами второго логического элемента ИЛИ, причем выход готовности результата сумматора подключен к второму входу первого логического элемента ИЛИ.

2. Преобразователь по п.1, о т - личающийся тем, что компаратор содержит М N/4 четырехразрядных узлов сравнения, где N - число разрядов сравниваемых кодов, М-входовый и (М+1)-входовый логические элементы ИЛИ, причем первая группа входов компаратора является первыми группами входов всех узлов сравнения, вторая группа входов компаратора является второй группой входов всех узлов сравнения, первые выходы всех узлов сравнения подключены к входам М-входового первого логического элемента ИЛИ, выход которого является первым выходом компаратора, вто- рые выходы всех узлов сравнения подключены к входам (М+1)-входового второго логического элемента ИЛИ, выход которого является вторым выходом компаратора, причем каждый из узлов сравнения содержит четыре логических элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, четьфе логических элемента НЕ, первый, второй |трехвходовые, третий, четвертый че- тырехвходовые, пятый, шестой, седьмой пятивходовые, восьмой, девятый шести- входовые логические элементы И, тре91295237тий, четвертый четырехвходовые логические элементы ИЛИ, первые входы всех логических элементов ИСКЛЮЧАЮП1ЕЕ ИЛИ соединены с первой группой входов каждого узла сравнения и с вторы- 5 ми входами первого, третьего, третьим входом пятого и четвертым входом восьмого логических элементов И соответственно, вторые входы всех логи10

восьмого, девятого логических элемен тов И, выход третьего логического . элемента НЕ соединен с третьими входами седьмого, восьмого, девятого ло гических элементов И, выход четверто го логического элемента НЕ соединен с четвертым входом седьмого логического элемента И, первый, второй, тре тий, четвертый входы третьего логических элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ со- ческого элемента ИЛИ соединены соотединены с второй группой входов каждого узла сравнения,.а также с вторыми входами второго, четвертого, третьим входом шестого и четвертым входом девятого логических элементов И соответственно, при этом выходы первого и второго логических элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ подключены соответственно к третьим входам первого и второго и третьего, четвертого логических элементов И и входам первого и второго логических элементов НЕ соответственно, выходы третьего и четвертого логических элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ подключены соответственно к четвертым входам пятого, шестого и пятым входам восьмого и девятого логических элементов И и соответственно к входам третьего и чет- .вертого логических элементов НЕ, а выход первого логического элемента Н соединен с первыми входами третьего, четвертого, пятого, шестого, седьмоветственно с выходами второго, четвертого, шестого, девятого логическ элементов И, а первый, второй, третий, четвертый входы четвертого лог ческого элемента ИЛИ соединены соот ветственно с выходами первого, третьего, пятого, восьмого логических элементов И, вход разрешения выполнения операции каждого узла сравне- |ния соединен с первыми входами перв го, второго, четвертыми входами тр тьего, четвертого, пятьпчи входами того, шестого, седьмого и шестыми входами восьмого, девятого логичес элементов И, причем выход седьмого логического элемента И является тр тьим выходом каждого из узлов срав ния, вход разрешения выполнения оп рации первого узла сравнения являе входом разрешения выполнения опера компаратора, а вход разрешения опер ции i-ro узла сравнения соединен с третьим выходом (i-l)-ro узла ср нения, где i 2...М, а третий вых

го, восьмого, девятого логических элементов И, выход второго логическо-35 М-го узла сравнения подключен к го элемента НЕ соединен с вторыми (М+1)-му входу второго логического входами пятого, шестого, седьмого, . элемента ИЛИ.

710

восьмого, девятого логических элементов И, выход третьего логического . элемента НЕ соединен с третьими вхо дами седьмого, восьмого, девятого логических элементов И, выход четвертого логического элемента НЕ соединен с четвертым входом седьмого логического элемента И, первый, второй, третий, четвертый входы третьего логи5

0

5

0

ветственно с выходами второго, четвертого, шестого, девятого логических элементов И, а первый, второй, тре тий, четвертый входы четвертого логического элемента ИЛИ соединены соответственно с выходами первого, третьего, пятого, восьмого логических элементов И, вход разрешения выполнения операции каждого узла сравне- |ния соединен с первыми входами первого, второго, четвертыми входами третьего, четвертого, пятьпчи входами пятого, шестого, седьмого и шестыми входами восьмого, девятого логических элементов И, причем выход седьмого логического элемента И является третьим выходом каждого из узлов сравнения, вход разрешения выполнения операции первого узла сравнения является входом разрешения выполнения операции компаратора, а вход разрешения операции i-ro узла сравнения соединен с третьим выходом (i-l)-ro узла сравнения, где i 2...М, а третий выход

5 М-го узла сравнения подключен к (М+1)-му входу второго логического . элемента ИЛИ.

CM n

J-4

118

Изобретение касается контактных измерений температуры с использованием термоэлектрических преобразователей с нелинейной зависимостью термо- ЭДС от температуры рабочего спая. Цель изобретения - повьппение точности измерения и сокращение аппаратурных затрат. В памяти постоянного запоминающего устройства 5 хранятся значения коэффициентов, определяющих каждую из прямых действительной корректирующей функции и коды границ отдельных участков аппроксимации. Текущее значение функции циклически вычисляется устройством 13 перемножения и сумматором 3 на основании да нных, хранимых в памяти постоянного запоминающего устройства 5, и текущего значения кода термоЭДС. Рабочий диапазон устройства разбит на m неперекрывающихся и примыканицих друг к другу участков так, что каждому участку соответствует определенный интервал измеряемого параметра температуры и кода на выходе аналого-цифрового преобразователя 2 (АЦП). Каждому из участков аппроксимации соответствует группа последовательных возможных состояний АЦП 2. 1 з,п.ф-лы, 3 ил. Q S с кэ сл ts3 оо

Редактор А.Шандор

Составитель Е.Зыков Техред В.Кадар

Заказ 609/47Тираж 777Подписное

ВНЖПИ Государственного комитета СССР

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

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

Корректор Т.Колб