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

Изобретение относится к высокотемпературным измерениям и может быть использовано в черной металлургии при измерении температуры металла в ванне конвертера, и является усовершенствованием известного устройства по авт.сн. № 106А159.

Известное устройство для измерения температуры, содержащее термопреобразователь, подключенный через согласующий блок к входу аналого- цифрового преобразователя, первый блок сравнения, входы которого соединены с выходами первого и .второго блоков памяти, а выход подключен к входу счетчика числа совпадений, выход которого соединен с управляющими входами цифрового регистратора и информационного табло, блок управления, вход которого соединен с вы- ходом аналого-цифрового преобразователя и.управляющим входом счетчика числа совпадений, а выходьт подключены к управляющим входам первого и . второго блоков памяти, третий блок памяти, два фильтра низкой частоты И второй блок сравнения, входы кото- рого непосредственно и через первый фильтр низкой частоты соединены с выходом аналого-цифрового преобразователя, а выход через второй фильтр низкой частоты подключен .к информационным входам первого и второго блоков памяти, при этом ннфор- , мационный вход третьего блока памяти соединен с вьпсодом первого фильтра низкой частоты, выход подключен к информационным входам цифрового регистратора и информационного -табло, а управляющий вход соединен с выходом счетчика числа совпадений.

Целью изобретения является повышение точности измерения путем исключения ошибок измерения, вызванных перегревом и разрушеннём термо- преобразователя.

На фиг. 1 приведена блок-схема устройства; на фиг, 2 структурная схема первого вычислительного блока; на фиг. 3 - структурная схема второго вычислительного блока; на фиг. 4 - схема блока управления; на фиг, 5 - температурные кривые нагрева термопреобразоватепя.

Устройство (фиг. 1) содержит тер- мопреобразователь ), подключениы 11 через согласующий блок 2 к входу , аналого-цифрового преобразоватепя 3, первый выход которого соединен

с входом первого фильтра А низкой частоты, первый блок 5 сравнения, блок 6 управления, первый блок 7 памяти, второй фильтр 8 низкой Частоты, второй блок 9 памяти, второй блок 10 сравнения, счетчик 1J числа совпадений, третий блок 12 памяти, цифровой регистратор 13, информацн- онное табло 14, четвертый блок 15 памяти, счетчик 16 числа-измерений, первый 17 и второй 18 вычислительные блоки, пятый 19 и шестой 20 блоки памяти, третий блок 21 сравнення и блок 22 постоянной памяти.

5. ..,

Принцип работы устройства заключается в следующем. При изменении температуры металла в ванне конвертера следует учесть наличие двух

0 разнотемпературных сред: собствен- но металла и слоя шлака, обогащенного кислородом, имеющего более высокую тестературу. Поэтому реальные температурные кривые,.полученные

5 при измерении температуры металла в ванне конвертера термоПарам11 кратковременного погружения, имеют существенные особенности. Анализ зтих j кривых, приведенных на фиг. 5, по0 зволяет выделить несколько основных типов кривых. Идеальные температурные кривые (фиг. 5а,Н) имеют роя ные протяженные температурные площадки; Кривая (фиг. 5&) характе, ризуется сильными помехами в области установившегося значения сигнала термопары} кривая (фиг. 5,) имеет наклонную температурную,площадку{ кривая (фиг. 5,4) имеет шлаковую

0 температурную площадку. В то время, как истинное значение температуры равно ординате точки 2 этой кривой, разница этих двух значений может достигать 30-40 С; кривая (фиг.5е).

имеет участок резкого снижения сигнала термопары вследствие начавшегося ее разрушения. Анализ приведенных кривых показывает, что определение температуры металла путем регистрации сигнала на протяженных участках температурно : кривой с установившимся значением температуры, как в известном изобретении, не позволяет обеспечить высокой достоверности измерений. Поэтому в предлагаемом устройстве определение температуры осуществляется также путем регистрации сигнала на начальном участке температурной кривой. Исхо0

55

3 .1303850

из теории регулярного теплового има, участок 1-2 реальных темпеурных кривых, описывающий прос на грева термопреобразователя, ошо описывается простой экспоненльной зависимостью

Т.), (1)

пр

зн

ко

об

по ка со об во си не во 1 ус зо ет ко ан ко бл пи 9 на

- Т,t. где Т„ - искомая температура;

коэффициент, характеризующий термическую инерцию терт мопреобразователя; текущее значение сигнала термопары; время.

Причем для замеров, проводимых одним и,тем же типом тер.мопреобрАзо- вателя в определенном температурном диапазоне, протяженность участка 1-2 и значение Jt для различных замеров колеблется в незначительном диапазоне . Приближая реальнб е значения тем-. пературы на участке 1-2 зависимостью

fO

Сигнал с термопреобразователя 1 поступает на вход согласующего блока . 2, предназначенного для согласования низкоомного вьпсода термопреобразователя с входом аналого-цифрового преобразователя 3 и усиления сигнала термопреобразователя I до необходимой величит.1. Аналого-цифровой преобразователь 3 преобразует 1 усиленное напряжение термопреобразователя I в цифровой код и формирует тактовые импульсы с частотой, с которой производится, преобразование аналогового сигнала в цифровой код. Эти импульсы поступают на вход блока управления для управления записью информации в первый 7 и второй 9 блоки памяти, а также поступают на вход счетчика 16, осуществляющего

20

(1) путем подбора наилучшего Т по модулю наименьших квадратов, для за- 25 подсчет числа измерений, и на управ- данного диапазона значений Л, i Xj i Ац, ляющий вход счетчика 11 числа сов- можно определить искомое значение температуры Т. Это равносильно нахождению значения Т для заданного диапазона значений Л,. при котором функционал

падений, разрешая его работу (это необходимо для его более устойчивой и надежной работы). Цифровой код с выхода аналого-цифрового преобразователя 3 поступает на вход первого фильтра 4 низкой частоты, а также заносится в четвертый блок 15 памяти..

F. f(T;-T.)() i.l

(2)

3-

достигает минимума. При этом наилучшее Тд- для заданного Л описыва ется зависимостью

п. .n,.j.. . .ГТ; ()

°J

i 1 .

Будем считать t; целыми,, т.е. из- мерять время в дискретах t «1,п. - Лг , мем Е а, , i а,..., о,

- Пfl 4 1

. (, ) ,... ,b, .Hd-) ;

i« 11«1

тогда выражения (2) и (3) примут вид

Р|.Г,(Т;-1,.(1-а) -2T.2:T;(l-a .f,.-bj,

.т;(1-ар X..- .,..

(4)

0)

(5)

j

Зададим ,, ,; по выражениям (4) и (5) найдем Fj «F, , , затем, последовательно задавая aj ,,.. .а, bj «b ,b,.. .b, на каком-то шаге n найдем значение Тд,

при котором

имеет наименьшее

значение. Значение Т Т„ и вудет ис0

комым значением температуры.

Устройство работает следующим образом.

Сигнал с термопреобразователя 1 поступает на вход согласующего блока . 2, предназначенного для согласования низкоомного вьпсода термопреобразователя с входом аналого-цифрового преобразователя 3 и усиления сигнала термопреобразователя I до необходимой величит.1. Аналого-цифровой преобразователь 3 преобразует усиленное напряжение термопреобразователя I в цифровой код и формирует тактовые импульсы с частотой, с которой производится, преобразование аналогового сигнала в цифровой код. Эти импульсы поступают на вход блока управления для управления записью информации в первый 7 и второй 9 блоки памяти, а также поступают на вход счетчика 16, осуществляющего

подсчет числа измерений, и на управ- ляющий вход счетчика 11 числа сов-

- 25 подсчет числа измерений, и на управ- , ляющий вход счетчика 11 числа сов-

35

40

.

45

50

55

падений, разрешая его работу (это необходимо для его более устойчивой и надежной работы). Цифровой код с выхода аналого-цифрового преобразователя 3 поступает на вход первого фильтра 4 низкой частоты, а также заносится в четвертый блок 15 памяти..

Функционирование первогсг фильтра 4 низкой частоты .описывается вьфа- жением

,-,a)-x(i.,),p - - P t bx(t-.n/f

/i;6ign xW-x(i-t),npl,)- x(

t, .

где x(t) - выходной сигнал фильтра низкой частоты в t-й момент дискретного времени;

x(t) - входной сигнал фильтра

низкой частоты;

ОС и ft - настроечные коэффициенты; 4i выбирается из диапазона 0-1, а jb примерно равно максимальной величине скорости изменения полезного сигнала.

Поступление информации на вход фильтра 4 низкой частоты и в четвертый блок 5 памяти прекращается при достижении заданного числа измерений, например, 30, счетчик 16 числа измерений подает управляющий импульс на аналого-цифровой преоб51

азователь 3, который запрещает даль ейшее прохождение информации с выода аналого-цифрового преобразоваеля.

Количество измерений вырабатыватся равньи временной длительности частка температурных кривых, изображенных на фиг. 5, тем caNWM существляется обработка сигнала только на участке 1-2, несущем достоверную информацию о температуре.

Выходной код x(t) первого фильтра 4 низкой частоты вычитается во втором компараторе 0 из выходного кода x(t) аналого-цифрового преобразователя 3. Из анализа выходного кода блока 10 сравнения 5(t)«x(t)3с(t) принимается решение о наличии стационарного участка на измеренном сигнале. Для этого код 6(t) поступает На второй фильтр 8 .низкой частоты, где появляется высокочастот-. ная измерительная помеха. Структура и закон функционирования второго шьтра 8 низкой частоты аналогичны перпому фильтру 4 иизкой частоты .С выхода второго фильтра 8 низкой частоты цифровой код поочередно по- ступает на входы первого 7 и второ-г го 9 блоков памяти. Запись информации в блоки памяти обеспечивается блоком 6 управления, который вырабатывает импульсы разрешения на запись при поступлении управляющих сигналов с выхода аналого-цифрового преобразователя 3. Таким образом, в первом 7 и втором 9 блоках памяти запоминаются и хранятся коды двух последовательных измерений, которые подастся на вход первого компаратора 5, При наличии стационарного участка значения цифровых кодов предыдущего и последующего измерений бут дут одинаковыми, и компаратор 5 формирует на выходе сигнал, который поступает на счетчик I1 числа совпадений и устанавливает его в нулевое состояние. Одновременно зтот же сигнал разрешает работу счетчика П числа совпадений. При наличии заданного числа близких измерений,на- примёр шести, счетчик 1I числа совпадений формирует-сигнал, который включает цифровой регистратор 13 и информационное табло 4, а также дает разрешение на запоминание в третьем блоке 12 памяти цифрового кода с выхода первого фильтра 4 низкой частоты. На цифровом регистраторе

038506

13 и информационном табло 14 регист- .рируется значение измеренного параметра, записанное S третьем блоке 12 памяти. Если счетчик 1 числа- совпа- 5 дений не наберет заданного числа близких измерений, то он вырабатыва- ет импульс для блока управления. По зтому импульсу блок 6 управления осуществляет выборку-первых значе- Ю НИИ а, и Ь, из блока 22 постоянной памяти, разрешает считывание значений x(t), накопленных в четвертом блоке 15 памяти первым 17 и 18 вычислительными блоками. В пер- 15 вом вычислительном блоке 17 вычисляется первое приближение L :

,i:x;(t)(l-aV)

т и .iii-.

0«

Ь;

Первый вычислительный блок 17 может быть реализован, например (фиг. 2), в виде последовательно, оединенных коммутатора 23, первого

множителя 24, накопительног о регистра 25, компаратора 26, второго

множителя 27, сумматора 28 и Делителя 29, причем выход накопительного регистра 25 соединен с первым

входом коммутатора 23, а на вторЪ вход коммутатора 23 и второй вход компаратора 26 постоянно подается уровень логической 1. На вход первого умножителя 24 подается а| из

блока 22 постоянной памяти (фиг.I), а на вход второго умножителя 27 из четвертого блока 15 (фнг. 1) поступают значення x;(t). По окончачин

въгчнслнтельного цикла в cytwaTope 28- . п .

накапливается значение ZI.X(t)(tч. .«

, затем в делителе 29 производится деление полученного результата на значение Ь, , поступающее из блока 22 постоянной памяти. Значение Т, вычисленное первым вы-: числительным блоком 17 записывается

в пятый блок 19 памяти. Значени1я

п , ; . .

Т., 2 x-(t)(1-а,) поступают во вто- i«t

рой вычислительиый блок 18, где пронзводнтся вычисление .

55

F,« g.x(t:)-2.T,|::x;(t)(l-a;)H

« . .

,ь;. :

.

Второй вычислительный блой 8 может быть реализован, например, в

71303850

виде первого умножителя 31, выход которого соединен с входом первого сумматора 32, выход которого соединен с первым входом компаратора 33, второй вход .которого соединен с выходом масштабирующего блока 36, а выход - с первьм входом второго сумматора ЗА, второй вход которого соединен с выходом третьего умножителя 37, первый вход которого соединен с четвертым умножителем 38, :вход наситабирующего блока 36 соединен с выходом четвертого умножителя 35. На вход niepBOro умножителя 31 поступают значения из четвертого блока 15 пaкяtи (фиг. I), на входы втЬрого умножителя 35 поступают знаW

8

памяти, и значение Т регистрируется на пнфроичм регистраторе 13 и информационном табло 1А. Все блоки устройства могут быть 15еализованы на основе стандартных схем, широко применяекьгх в вычислительной технике.

Блок 6 управления может быть выполнен, например (фиг. 4), в виде .последовательно соединенных первого триггера 39 с управляющим выходом аналого-цифрового преобразователя 3 (фиг, I), .выходы первого триггера 39 и первого счетчика 40 соединены с входами блоков 7 и 9, последова- 15 хельйо соединенных задающего генератора 41, второго 42, третьего 43, четвертого 44 счетчиков, а также второго триггера 45, причем входы задающего генератора 41 и второго

ленные первым вычислительным блоком 20 триггера 45 соединены с выходом бло

ка 11,выходы второго счетчика 42 соединены с входами четвертого блока 15 памяти и третьего 43 и четвертого 44 счетчиков, выходы которых соединены с входами ..блока 22 постоянной памяти, выход второго триггера 45 соединен с входами первого I7 и, второго 18 вычислительных блоков. Блок 6 управления работает следук)масштабируюс;е.го блока 36 формируется зо образом. Тактовые импульсы с

;,

чения Т , и ZIx (t)(l-a ), опреде01

17 (фиг. I). Значение Тд, также поступает на вход четвертого умножителя 28, значение Ь, из блока 22 постоянной памяти (фиг. 1) поступает на вход третьего умножителя 37

По. окончании вычислительного цикла в первом сумматоре 32 накапливается значение 2llx(t), на выходе

25

1

значение 2То, (.t)(,l-a ), компара.

тор-33 производит вычитание этих значений, а на выходе третьего умножителя 37 получается значение и на выходе второго сумматора 34 формируется значение F, , которое з аписы- вается в шестой бло 20 памяти (фиг. I). Затем блок 6 управления осуществляет выборку следующих значений а и Ь из блока 22 постоянной памяти. Первым 17 и вторым 18 вычис- лительньми бАоками вычисляются значения TQJ, и F соответственно. Третий компаратор 21 вычисляет разность А, F,-F, если эта разность больше О, то блок 6 управления осуществляет выборку следующего значения а, из блока постоянной памяти, вычисляется Тд, и F, третий компаратор 21 вычисляет разность , если разность больше О, то процесс повторяется} на каком-то шаге п Л станет больше О, значит значение Тд.,, записанное в пятом блоке 19 памяти, будет наилучшим приближением температуры, при этом включаются цифровой регистратор 13 и информационное табло 14 по сигналу от пятого блока 19

W

15

25

5

выхода аналого-цифрового преобразователя 3 поступают на вход первого триггера 39, который вьщает поочередно разрешение на запись информации в первый 17 и второй 9 блоки памяти; первый счетчик 40 служит для адресации памяти этих блоков. При поступлении импульса из счетчика 11 числа совпадений о том, что он не д набрал необходимого числа близких . измерений, запускается задающий генератор 41, соединенный с вторым счетчиком 42, который осуществляет - адресацию четвертого блока 15 памя ти{ второй триггер 45 дает разрешение на работу первого 17 и второго 18 вычислительных блоков. После того, как второй счетчик 42 заполнится (до последнего заряда), возникает импульс переноса, поступающий с его выхода на входы третьего 43 и четвертого 44 счетчиков и наращивающий их значения на единицу, из блока.22 постоянной памяти извлекаются следующие значения а; и Ь; , дальше процедура повторяется.

Для установки всех элементов устройства в исходное состояние используется сигнал сброса от пятого.

5

5

303850

блока 19 памяти, соответствующий якЛючению цифрового регистратора 13 я информациоикого табло 1А,

Форму лай зобретения

Устройство дня иэмереиия температуры по asT.CB. И 1064159, о т- л и ч а ю ц 6 е с я тем, что, с Це лью повьпвбния точности измерения путей исключеиия ошибок, вызванных перегревом и разрушением т ермопре- образоватёля, в него дополнительно введены счетчик числа измерений,три блока памяти, третий блок сравнения, два объединенных между собой вычислительных блока и блок постоянной памяти, выходы которого соответственно подклочены к первым входам вычислительных блоков, вторые входы которых соединены с выходом четвертого влока памяти, а выходы соответственно подключены к входу пятого

10

блока памяти и входу шестого блока памяти, соединенному с аервьм входом третьего блока сравнения, второй вход которого соединен с выходом ;

шестого блока памяти, а выход подключен К управляющему входу пятого блока пакЫти, выход KOTojioro соединен cf цифровым регистратором и ин формационным табло, при этом дополнительйый вьйсод счетчика числа совпадений подключен к дополнительному входу блока управления, дополнительные выходы которого соединены соответственно с управляпощими входаг

ми блока постоянной ламяти, в гчис- лительных блоков и четвертого блока памяти, вход которого подключен к выходу аналого-цифрового преобразователя, управлягаций, вход которого

соединен с: выходом счетчика числа измерений, вход, которого подключен . к входу блока ления.

управ г

ИгбА.К

S8A.16

Изобретение может быть испооь- зова1|о в черной меташ ургии при из- 4ерении температуры металла в ванне конвертера. Цель изобретения - повы- аение точности и сключения ошибок измерения, вызванных перегревом и раз- рутением термопреобразователя. Устройство содержит термопреобразова- . тель 1, согласующий блок 2 аналого-цифровой преобразователь 3, филь тры 4 и 8 низкой частоты, блоки 5, lOj 21 сравнения, блок 6 управления блоки 12, 15, 19, 20 памяти,- счетчик. П числа совпадений, регистратор 13, информационное табло 14, счетчик 16 числа измерений, вычислительные блоки 17 и 18 и блок 22 постоянной па7 мяти. Введение новых элементов, и о.б- разовдние новых связей между элементами устройства позволяют определять температуру путем регистрации сигнала на начальном участке температурной кривой. Осуществляют подбор наилучшей искомой температуры по. моду- лю наименьших квадратов для заданно го диапазона значений коэффициентов, характеризующих термическую инерцню термопреобразователя I. Изобретение дополнительное к основному авт.св. 1064159. 5 ил., (Л N

B&iJO

itiiA.}

J

ввА75

В9л7

вгл.п

Составитель Ъ.Купикок Редактор Э.Слйган Техред А.КравчукКорректор А.Зимокосов

Заказ 1298/41Тираж 777Подписное

ВНИИПИ Государствениого комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская иаб,, д. 4/5

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