Цифровой измеритель температуры Советский патент 1987 года по МПК G01K7/00 

Изобретение относится к термометрии, а именно к вторичным приборам для измерения температуры контактным методом с помощью терморезистивных преобразователей. Преимущества предлагаемого устройства проявляются при его использовании в цифровых щитовых приборах для измерения температуры с терморезистивными преобразователями, подключенными к прибору с помощью трех-или четырехпроводной соединителной линии. Может найти применение при измерении отклонения сопротивления от некоторого заданного значения.

Целью изобретения является повы- meHtje точности измерения путем уменьшения ошибки измерения, вызванной .нестабильностью элементов измерителя

На фиг.1 изображена структурная электрическая схема устройства.; на фиг.2 - схема усилителя-сумматора; на фиг.З - схема кодирующей части устройства; на фиг.4 - временные диаграммы его работы; на фиг.З - схема функционального преобразователя.

Устройство содержит источник 1 опорного напряжения, электронный переключатель 2, первый операционный усилитель 3, образцовый резистор 4, первый токовый 5, первый потенциальный 6, второй потенциальный 7, второй токовьш 8 соединительные провода, терморезистивный преобразователь 9, второй операционный усилитель 10, первьш 11 и второй 12 механически связанные переключатели, усилитель- сумматор 13, источник 14 напряжения смещения, коммутатор 15, интегратор 16, нуль-орган 17, блок 18 управления, генератор 19 счетных импульсов, блок 20 определения полярности, первый 21 и второй 22 селекторы, функциональный преобразователь 23, цифровое отсчетное устройство 24, реверсивный счетчик 25. Усилитель-сумматор 13 содержит первый 26 и второй 27 операционные усилители, перем ен- ный резистор 28, первьш 29, второй 30, третий 31 постоянные резисторы. Блок 18 управления содержит делитель 32 частоты, кольцевой счетчик 33, первый 34, второй 35, третий 36, чет вертьш 37, пятый 38 и шестой 39 RS- триггеры, D-триггер 40, первый 41, второй 42, третий 43 и четвертый 44 элементы ИЛИ, первый 45, второй 46, третий 47 и четвертый 48 импульсные трансформаторы, первьй 49, второй

5

0

5

0

5

0

5

0

5

50, третий 51 и четвертый 52 элементы И, сумматор по модулю два 53. Второй селектор 22 содержит первый 54 и второй 55 элементы И. Источник 1 опорного напряжения подключен параллельно к неподвижным контактам электронного переключателя, один из его выводов соединен с общей пганой, а второй - с входом коммутатора 13. Первый операционный усилитель 3 имеет отдельный источник питания. Инвертирующий вход этого операционного усилителя соединен с подвижным контактом электронного переключателя 2, а неинвертирующий вход подключен к средней точке его источника питания и через образцовый резистор 4 соединен с общей шиной устройства. Выход первого операционного усилителя 3 подключен к первому неподвижно му контакту первого переключателя 1 1 и через первый токовый соединительный провод 5 - к первому выводу термореактивного преобразователя 9, который через первый потенциальный соединительный провод 6 подключен к второму неподвижному контакту первого переключателя 11. Второй вывод терморезистивного преобразователя 9 через второй потенциальный соединительный провод 7 соединен с инвертирующим входом второго операционного усилителя 10, а через второй токовый соединительный провод 8 - с выходом второго операционного усилителя 10 и с первым неподвижным контактом второго переключателя.12. Неинвертирующий вход второго операционного усилителя 12 соединен с общей шиной устройства. Первый вход усилителя-сумматора 13 подключен к подвилсному контакту первого переключателя 11, второй вход - к подвижному контакту второго переключателя 12, третий вход - к неинвертирующему входу первого операционного усилителя 3, Выходы усилителя-сумматора 13 и источника напряжения смещения подключены к входу коммутатора 15, выход которого через интегратор 16 и нуль-орган 17 подключен к блоку 18 управления. Выход генератора 19 счетных импульсов подключен к блоку 1В управления, черер первый селектор 21 и цифровой функциональный преобразователь 23 - к цифровому отсчетному устройству 24, а через второй селектор 22 - к суммирующему и вычитающему входу реверсивного счетчика 25, выход которого подключен к блоку 18. Управляющие выходы блока управления подключены к электронному переключателю 2, коммутатору 15, блоку 20 определения по- лярности, цифровому функциональному преобразователю 23 и к цифровому от- счетному устройству 24. Усилитель- сумматор 13 имеет три входа. Неинвертирующий вход первого операцион,ного усилителя 26 служит его первым входом. Второй и третий входы усилителя-сумматора 13 через .соответственно переменный 28 и первьй постоянный 29 резисторы подключены к инвертиру- ющему входу его второго операционного усилителя 27, в цепь отрицательной обратной связи которого вклю чен третий постоянный резистор 31. Первый операционный усилитель 26 усили- теля-сумматора 13 включен как повторитель напряжения, выход которого соединен через второй точный резистор с инвертирующим входом второго операционного усилителя. Выход пер- всго операционного усилителя 26 соединен с общей шиной устройства, а выход служит выходом усилителя-сумматора 13.

Значение измеряемой температуры определяют посредством нахождения разности результатов двух двухтактных интегрирующий преобразований выходного напряжения усилителя-сумматора в число импульсный код, полу- ченных при подключении к источнику опорного напряжения, или к общей шине устройства инвертирующего входа первого операционного усилителя 3 и последующего функционального преобра зования этой разности. При работе устройства с терморезистивным преобт разователем 9, подключенньм при помощи четырехпроводной соединительной линии, переключатели 11 и 12 нахо- дятся в нижнем по фиг.1 положении, а при работе с терморезистивным преобразователем 9 подключены при помощи трехпроводной соединительной линии, первый потенциальный провод 6 отсутствует, и переключатели 11 и 12 .находятся в верхнем по фиг.1 положении.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии, инвертирующий вход первого операционного усилителя 3 через электронный переключа5

5 О 5 0

5

тель 2 подключен к общей шине устройства, реверсивный счетчик 25, цифровой функциональный преобразователь

23и цифровое отсчетное устройство

24обнулены. В первом цикле работы устройства сумма выходного напряжения усилителя-сумматора и источника напряжения смещения методом двухтактного интегрирования преобразуется в число - импульсньш код, который через второй селектор 22 подается на суммирующий вход реверсивного счетчика 25. Таким образом, в конце первого цикла преобразования в реверсивном счетчике будет записано число

N вых гр (1)

UQ

где , выходное напряжение усилителя-сумматора 13;

П(, - напряжение смещения; U - дрейф эквивалентного напряжения смещения интегратора 15 и нуль-органа-18;

UQ - напряжение источника 7 опорного напряжения;

Т - время интегрирования напряжения.

По окончании первого цикла преобразования инвертирующий вход первого операционного усилителя 3 подключается через переключатель 2 к источнику 1 опорного напряжения. Во втором цикле сумма выходного напряжения усилителя-сумматора 13 и источника 14 напряжения смещения преобразуется в число - импульсный код. В обоих циклах преобразования число - импульсный код формируется путем з-аполнения импульсами частоты f генератора 19 счетных импульсов, временного интервала, образующегося между началом разряда интегратора 16 напряжения . Uj5 и моментом обрабатывания нуль-органа 17. Во втором цикле с началом разряда интегратора 15 блок 18 управления разрешает прохождение импульсов на вычитающий вход реверсивного счетчнка 25 до момента его обнуления. Сигналы,, проходящие в блок 18 управления с нуль-органа 17 и реверсивного счетчика 25, сигнализир тощие о срабатывании нуль-органа и перехода через нуль реверсивного счетчика, служат для формирования временного интервала, на протяжении которого импульсы с генератора 19 счетных им513038496

пульсов через первый селектор 21 бу- Можно записать выходное напряже- дут поступать на функциональный пре- кие усилителя-сумматора при трех :проводно к( и

и четьтрехпроводном подключении терморезистивнообразователь 24. Таким образом, на функциональный преобразователь пройдет число импульсов

ВЫУ

N N,-N, fcU

-Tf.

(2)

м - Tf . 2О

УО Ь Mj,n

(3)

Выходное, напряжение усилителя-сум- мато&а 13 можно определить как

-.

(4)

напряжение на соответствующих входах усилителя-сумматора эквивалентный дрейф усилитепя-сумматор а; эквивалентное напряжение смещения от термоЭДС, -возника-. ющих в соединительных линиях.

при трехпроводном резистивного преоб

U,I (R,-b,,)-&y.,,

.+Лу,,

U,,,

где V - сопротивление первого токового провода 5;

(S1

у - сопротивление второго токового проводаiполучим UIJ2.- эквивалентный дрейф второ-.- 0 - го операционного усилителя lOi

g - напряжение на инвертирующем входе первого операционного усилителя 3,

45

N

(41

ц - эквивалентный дрейф первого операционного усилителя при четырехпроводном подключении .

(8) (9) (10)

(, )/(R«//R,), (11) 55

где R.., R, - сопротивление резисторов соответственно 4 и 29.

Можно записать выходное напряже- кие усилителя-сумматора при трех :проводно к( и

и

(4)

ы

и четьтрехпроводном подключении терморезистивновы«

ГО преобразователя как

Ugn / ,

(R //R/ R

fO

4.УА1+-1 1 -Ayi- + -)R +

R RH+R, R Rt,

ОС

Л

1

(12)

Цех (R T/RTT

- R

R - o

(13)

где R. - сопротивление резистора 31.

Учитывая, что Ug в первом цикле принимает значение О, а во втором UQ и подставив в выражение (2) зна,W

,Й1

чение и;; и при этих значениях

Uj , получим

й.цп

где R - сопротивление резистора 30. Учитывая, что ( l+ott +/ t° + +....) и обеспечив

учим

D -R.Jjl- RR

Ум RH+R,

R.

(S1

получим 0

02 ,

Ro(ott%|ir+...)R

ОС

1 +

5

N

(41

un Uo

. о . „.Х2

Tf. , (16)

Ro(oi- 1: +Pt +...)Rot т.: /.,4

т (7

1 J. йдип

где Rn - сопротивление резистора 28. Функциональный преобразователь 23 моделирует зависимость0 F(Rg-Rp). Таким образом, пройдя через функци- ональньй преобразователь импульсов, преобразуется в N импульсов,

(18)

N б .

Для нормальной работы устройства источник 1 опорного напряжения и источник 14 напряжения смещения должны быть противоположной полярности. Значение U. определяют из соотношеЧм

ния

/и

вых, мокс

/,

(19)

fO

f5

где Ujjj, j, |ддц(, - выходное напряжение усилителя-сумматора при ..

Блок управления кроме изначальной установки схемы управления коммутатором 15 и переключателем 2, формирования по частоте генератора 19 временного интервала Т, фиксации срабатывания нуль-органа 17 и перехода через нуль реверсивного счетчика 25, управления селекторами 21 и 22, обеспечивает определение знака измеряемой температуры. Знак измеряемой температуры определяется полярностью 20 напряжения Если С или тогда Ugj,,,p, или N N, , т.е. во втором цикле преобразования нуль-органа 17 срабатывает после перехода через нуль реверсивного счетчика 25, что зафиксирует блок 20 оп- ределения полярности и покажет знак

и п л - лО .

25

йых О,

-. С, Rg RO, ,, т.е. нуль-орган 17 сработает до перехода через нуль реверсивного счетчика 25, и блок определения полярности покажет +.

Блок 18 управления работает следующим образдм.

Делитель частоты 32 по частоте f генератора счетных импульсов формирует импульсы с периодом следования Т. Кольцевой счетчик 33 циклически формирует ше сть сдвинутых во времени импульсов длительностью Т. По переднему фронту первого и четвертого импульса на выходе второго импульсного трансформатора 46 формируется сигнал начала первого такта интегрирования, второго и пятого импульса на выходе третьего импульсного трансформатора 47 - сигнал начала второго такта интегрирования, шестого импульса через первый импульсный трансформатор 45 - сигнал начала первого цикла преобразования. Эти сигналы фиксируются первым 34, вторым 35 и третьим 36 RS-триггерами. Четвертый RS-триг- гер 37 фиксирует срабатывание нуль- органа 17. Второй 35, третий 36 и четвертый 37 RS-триггеры сбрасываются в нуль сигналом установки в единицу следующего после него триггера.

35

0

30

40

O

5

0

5

Первый триггер 34 сбрасывается в нуль сигналом срабатывания нуль-органа. Выходной сигнал первого RS- триггера 34 управляет переключателем 2, второго 35, третьего 36 и четвертого 37 RS-триггеров - работой коммутатора 15. Замыкание ключей коммутатора 15 производится единичным уровнем на выходе второго 35, третьего 36 и четвертого 37 RS-триггеров. Второй RS-триггер 35 задает время интегрирования выходного напряжения усилителя-сумматора 13 и источника 14 напряжения смещения, третий 36 - подключение источника 1 напряжения до момента срабатывания нуль-органа 17, четвертьш 37 - обнулению интегратора 16 до начала первого такта преобразования. Обнуление интегратора 16 производится путем подключения выхода нуль-органа 17 к входу интегратора 16 через коммутатор 15. Выходной сигнал четвертого импульсного трансформатора 48, свидетельствующий о срабатывании нуль-органа, и сигнал перехода через нуль реверйивного счетчика 25 фиксируются путем сброса в нуль соответственно пятого 38 и шестого 39 RS-триггеров. Очередность их срабатывания фиксируется D-триг- гером 40 путем записи в него состояния триггера 38 в момент прохождения сигнала перехода через нуль реверсивного счетчика 25. Таким образом,

5 при б 0°С на выходе D-триггера установится нулевой уровень, а при С- единичный. Выход D-триггера служит для определения знака и управления функциональным преобразователем 23, Команду разрешения прохождения импульсов с генератора 19 на суммирующий вход реверсивного счетчика по состоянию пятого RS-триггера 38 и второго выхода кольцевого счетчика

формирует третий элемент И 51. Команду разрешения прохождения импульсов на вычитающий вход реверсивного счетчика 25 до момента его обнуления формирует элемент И 52. Сумматор по

0 модулю два 53 анализирует состояние пятого 38 и шестого 39 RS-триггеров, При несовпадении их состояний элемент 53 переходит в единичное состояние, что во втором такте второго цик5 ла преобразования служит сигналом разрешения прохождения импульсов с генератора 19 на функциональньй преобразователь 23.

0

0

Функхщонапьный преобразователь (ФП) 23 может быть выполнен по схеме приведенной на фиг.5. Он содержит двоичный .умножитель 56 частоты, счетчик 57 длины участка аппроксимации, формирователь 58 импульсов, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 59 и счетчик числа участков аппроксимации 60. Функциональный преобразователь 23 осуществляет кусочно-линей- ную аппроксимацию зависимости б F(RQ-RQ). -Аппроксимация производится по программе, записанной в ПЗУ. В ПЗУ записаны коэффициент преобразования длительность Np каждого участка аппроксимации. Значение N устанавливает коэффициент преобразования двоичного умножителя 56 частоты, а Np устанавливает в счетчике 57 длительность участка аппро ксима- ции. Последовательность импульсов, соответствующая результату преобразования (RQ-RQ) в цифровой код

Nr

R

поступает на умножитель 56, где делится на коэффициент К. Импульсы с выхода умножителя 5 поступают на индикацию и счетчик длительности участка аппроксимации. При переходе счетчика 57 через нуль на его выходе формируется импульс, который приводит к увеличению на единицу содержимого счетчика 60, т.е. изменению адреса выборки содержимого ПЗУ. На выходах ПЗУ устанавливается следующее значение , и ,. По заднему фронту импульса, приходящего в счетчик 57, формирователь 58 импульсов формирует импульс предустановки счетчика 57. В результате в счетчике 57 записьшается код Нд;ц.;, . При начальной установке счетчик 60 сбрасьшает- ся в нуль, а в счетчике 57 записывается код N

Dt-n

При начальной установке счетчик 60 сбрасывается в нуль, а в счетчике 57 записывается код , . При начальной установке счетчик 60 сбрасывается в нуль, а счетчик 57 записывается код NJ, - длительности первого участка аппроксимации. Алгоритмы аппроксимации для температур вьше и ниже устанавливаются путем выборки соответствующих областей ПЗУ подачей на старший разряд адреса О при & и 1 при в сО°С. Формула изобретения

1. Цифровой измеритель температуры, содержащий образцовый резистор,

0

5

0

5

0

-5 0

5

терморезистинный преобразователь, соединенный с потенциальными и токовыми проводами линии связи, электронный переключатель, первый неподвижный контакт которого соединен с общей шиной измерителя, коммутатор, первьй и второй входы которого подключены соответственно к выходам усилителя-сумматора и источника напряжения смещения, а выход через последовательно соединенные интегратор и нуль-орган подключен к первому входу блока правления, второй вход которого соединен с выходом реверсивного счетчика, а выходы подключены соответственно к управляющим входам электронного переключателя, коммутатора, первого и второго селекторов, .блока определения полярности цифрового отсчетного устройства и функционального преобразователя, выход которого подключен к входу цифрового отсчетного устройства, а вход соединен с выходом первого селектора, вход которого подключен к выходу генератора опорной частоты, соединенному с третьим входом блока управления и входом второго селектора, выходы которого подключены к суммирующему и вычитающему входам реверсивного счетчика, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения путем уменьшения ошибки измерения, вь1званной нестабильностью элементов измерителя, в него введены два операционных усилителя, источник опорного напряжения и два механически связанных переключателя, первые неподвижные контакты которых подключены соответственно к выходам первого и второгооперационных усилителей, вторые неподвижные контакты соединены соответственно с первым потенциальным проводом и общей шиной измерителя, а подвижные.контакты подключены соответственно к первому и второму входам усилителя-сумматора, третий вход которого соединен с неинвертирующим входом первого операционного усилителя и средней точкой его источника питания, подключенной через образцовый резистор к общей шине измерителя, соединенный с первым выводом источника опорного напряжения, второй вывод которого подключен к третьему входу коммутатора и второму неподвижному контакту электронного пер.еключателя, подвижный контакт которого соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя, выход которого соединен с первым токовым проводом терморезис- тивного преобразователя, второй токовый провод которого соединен с выходом второго операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной измерителя, а инвертирующий вход подключен к второму потенциальному проводу терморезистив- ного .преобразователя, при этом четвертый вход коммутатора соединен с . выходом нуль-органа,

2. Измеритель температуры по п,1, отличающийся тем, что усилитель-сумматор содержит два операционных усилителя, три постоянных и один переменньпЧ резистор, причем первый вход усилителя сумматора соединен с неинвертирующим входом первого операционного усилителя, инвертирующий вход которого соединен с его выходом и через первьй постоянный резистор подключен к инвертирующему входу второго операционного усилителя, соединенному через переменный и второй и третий постоянные резисторы соответственно с вторым и третьим входами усилителя-сумматора и его выходом, соединенным с выходом второго операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной измерителя.

К мммут 5 К переключ. 2.

7r 7r Эг ST ffr fr Zr 3т 4r fr ffr

Изобретение относится к термометрии. Цель изобретения - повьшение точности измедения путем умен шения ошибки измерения, вызванной нестабильностью элементов измерителя. Устройство содержит источник 1 опорного напряжения, переключатель 2, операционные усилители 3 и 10, образцовый резистор 4, соединительные провода 5,6,7 и 8, терморезестивный преобразователь 9, переключатели 11 и 12, усилитель-сумматор 13, источник 14 напряжения смещения, коммутатор 15, интегратор 16, нуль-орган 17, блок 18 управления, генератор 19 счетных импульсов, блок 20 определения полярности, селекторы 21 и 22, функциональный преобразователь 23, отсчетное устройство 24 и реверсивный счетчик 25. Введение новых элементов и образование новых связей между элементами устройства позволяют значение измеряемой температуры определять посредством нахождения разности результатов двух двухтактных интегрирующих преобразований выходного напряжения усилитель-сумматора 13 в импульсный код, полученных при подключении к ис точнику 1 опорного напряжения и последующего функционального преобразования этой разности. 1 а.п. ф-лы, 5 ил. , SS сл СА: о DO эо 4 х Фиъ.1

нл

Mr uHfuftoifu/ff

Редактор Э.Слиган

puff.S

Составитель В.Куликов

Техред Л.Сердюкова Корректор Л.Патай

Заказ 1296/40 Тираж 777Подписное

. 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