Многоканальное устройство для измерения температуры с автоматическим калиброванием каналов Советский патент 1987 года по МПК G01K7/02 G01K15/00 

13

ключ 11, блок 12 анализа, коммутатор 13, счетчик 14 каналов, переключатели 15-17, умножители 18 и 19, квадратор 20 и блок 21 индикации. Введение новых элементов и образование новых связей между элементами устройства обеспечивает работу с калибраторами, содержащими одну плавкую вставку с заданной температурой плавления, пди

1

Изобретение относится к области температурных измерений и может быть использовано в различных отраслях промьшшенности, где требуется измерение температуры с повышенной точностью.

Целью изобретения является повышение надежности устройства путем обеспечения работы с калибраторами, содержащими одну плавкую вставку с заданной температурой плавления, при сохранении точности измерения.

Высокая точность измерения обеспечивается путем использования в качестве реперных точек характерных точек стандартной градуировочной характеристики термоэлектрического преобразователя. Характерными точками могут служить точки перегиба градуировочной характеристики. Например, для термоэлектрического преобразователя (ТП) градуировки ХА они существуют при 565 и 1256 С. Реальные гра- дуировочные характеристики ТП в начальный момент их эксплуатации соответствуют, как правило, по форме кривой стандартной градуировочной характеристике. Поэтому кривая поправок незначительно отклоняется от прямой, что позволяет представить семейство реальных градуировочных характеристик ТП в начальный момент их эксплуатации практически подобными кривыми. Как показывают эксперименты, градуировочная характеристика в процессе эксплуатации ТП при высоких температурах меняется подобно самой себе, т.е. можно считать, что в характерных точках (точки перегиба) изменяется со временем только масшта по оси ординат (термо-ЭДС) при неизменном значении абсциссы (темпера830

сохранении точности измерения, которая обеспечивается путем использования в качестве реперных точек характерных точек стандартной градуиро- вочной характеристики термоэлектрического преобразователя 1, Характерными точками могут служить точки перегиба градуировочной характеристики. I ил.

туры), что и позволяет использовать точки перегиба градуировочной кривой в качестве реперных.

На чертеже приведена блок-схема

5 предлагаемого устройства.

Устройство содержит ТП 1 с встроенными калибраторами, выходы которых через входной коммутатор 2 подключены к входу аналого-цифрового преобра10 зователя (АЦП) 3, первый 4 и второй 5 сумматоры, блок 6 эталонных напряжений, соединенный входом и выходом с распределителем 7, блок 8 управления, блок 9 аппроксимации погре15 ностей, блок 10 памяти, ключ 11,

блок 12 анализа, коммутатор 13, счетчики 14 каналов, первый 15, второй 16 и третий 17 переключатели, первый 18 и второй 19 умножители, квадратор

20 20, блок 21 индикации и третий сумматор 22.

Калибраторы, встроенные в защитные чехпы ТП, содержат одну плавкую вставку с точно известной темпера25 турой плавления Т. В блоке 6 эталонных напряжений в двоичном коде записаны числа, соответствующие стандартным значениям ЭДС ТП при Т и температурам точек перегиба Т„ и Tj.

30 Устройство имеет три режима работы: Калибрование 1, Калибрование 2 и Измерение.

В режимах Калибрование 1 и Калибрование 2, первый из которьпс

эг используется для калибрования по плавкой вставке при Т , а второй - для калибрования по характерным точкам при Т и Tj, оператор Путем задания соответствующей уставки регу длирования переводит объекты, на которых калибруются ТП в состояние нагрева или охлаждения. Это состояfO

)5

- 31315830

ние может быть совмещено, например, с выходом объектов на технологический режим.

Предположим, что система имеет п каналов, а калибруется первьй канал. В режиме Калибрование Г выходной сигнал первого ТП через коммутатор 2 поступает на вход АЦП 3, с выхода которого сигнал температуры в двоичном коде через переключатель 15 поступает на вход сумматора А, На другой вход этого сумматора через переключатель 16 и распределитель 7 с блока 10 памяти поступает сигнал О. При этом информащ я, поступающая с блока 10 памяти или блока 6 эталонных напряжений, по команде блока 8 управления может подвергаться инвертированию таким образом, чтобы на вход переключателя 16 поступала разность сигналов.

Итак, сигнал текущей температуры без изменений через переключатель 17 поступает на блок 12 анализа. Последний представляет собой логическое устройство с синхронизирующим и рабочим входами и двумя выходами. При поступлении положительного или отрицательного сигнала с выхода сумматора 4 на рабочий вход сигнал управления формируется на выходе блока анализа, соединенном с управляющим входом ключа 11. Если при подаче на синхронизирующий вход блока анализа с выхода блока управления команды, разрешающей прием информации, на рабочий вход поступает О, сигнал вырабатывается на выходе блока анализа, соединенном с коммутатором 1 3.

I

В данном случае вырабатывается сигнал управления ключом 11, и сигнал текущей температуры записывается в соответств ,тощей ячейке блока 10 па20

25

30

35

40

При плавлении вставки калибратора при Т температура рабочего- спая калибруемого ТП в течение 20-40 с остается постоянной, и сигналы температур двух циклов сов1:адают. Тогда сигнал совпадения с блока анализа через коммутатор 13 поступает на вход интегрирующего счетчика первого канала. Если этот процесс повторяется m раз до заполнения счетчика 4, в блок 8 управления поступает команда начала калибрования. Тогда на вход сумматора 4 через переключатель 16 с блока 6 эталонных напряжений поступает сигнал, соответствуюпщй стандартной термо-ЭДС ТП при Т . Разность сигналов t текущей температуры канала и действительной температуры плавления вставки калибратора Т записывается в блоке 10 памяти. Это число соответствует погрешностей калибруемого ТП при Т, .

В режиме Калибрование 2 по команде блока 8 управления происходят отключение выхода сумматора 4 от рабочего блока 12 анализа и подключение выхода сумматора 22 к входу блока 12 анализа через переключатель 17.

Температуры ,Т и Т., определяются по характерным точкам градуировочной кривой ТП - точкам перегиба. В окрестности точек перегиба вторая производная термо-ЭДС по температуре изменяет знак, а в самой точке перегиба oiia равна нулю. Так как изменение температуры при линейном изменении температуры объекта, в котором измеряется температура, за время между циклами измерения достаточно мало (несколько градусов), то производ-. ные термо-ЭДС по температуре могут быть замещены разностями температур в соседних циклах измерения. Первая производная заменяется разностью теммяти. После прохождения полного цикла45 ператур в текущем и предыдущем циклах

опроса каналов системы сигнал текущей температуры вновь поступает на вход сумматора 4. На другой вход сумматора поступает сигнал температуры этого канала в предьщущем цикле, 50 Так как отот сигнал инвертируется, то на вход блока 12 анализа поступает разность сигналов. При отличии выходных сигналов сумматора 4 от нуизмерения, а вторая - разностью разностей температур в предыдущем и текущих циклах измерения. Например, пусть ряд последовательно измеренных температур Т запишется как Т, Т,, Tg, Т,..., тогда первая производная может быть определена как (Т2- Т), (Tj-Tj),...,а вторая производная - как (T -TJ-CT.-T,) , (Т .

ля формируется команда управления клю55 -ДВ устройстве значение разностей, соответствующих первой производной, образуется на выходе сумматора 4, кочом Пив блок 10 памяти записывается новое значение температуры, а значение предьщущего цикла автоматически стирается.

торый, как и при калибровании при

5

0

5

0

5

0

При плавлении вставки калибратора при Т температура рабочего- спая калибруемого ТП в течение 20-40 с остается постоянной, и сигналы температур двух циклов сов1:адают. Тогда сигнал совпадения с блока анализа через коммутатор 13 поступает на вход интегрирующего счетчика первого канала. Если этот процесс повторяется m раз до заполнения счетчика 4, в блок 8 управления поступает команда начала калибрования. Тогда на вход сумматора 4 через переключатель 16 с блока 6 эталонных напряжений поступает сигнал, соответствуюпщй стандартной термо-ЭДС ТП при Т . Разность сигналов t текущей температуры канала и действительной температуры плавления вставки калибратора Т записывается в блоке 10 памяти. Это число соответствует погрешностей калибруемого ТП при Т, .

В режиме Калибрование 2 по команде блока 8 управления происходят отключение выхода сумматора 4 от рабочего блока 12 анализа и подключение выхода сумматора 22 к входу блока 12 анализа через переключатель 17.

Температуры ,Т и Т., определяются по характерным точкам градуировочной кривой ТП - точкам перегиба. В окрестности точек перегиба вторая производная термо-ЭДС по температуре изменяет знак, а в самой точке перегиба oiia равна нулю. Так как изменение температуры при линейном изменении температуры объекта, в котором измеряется температура, за время между циклами измерения достаточно мало (несколько градусов), то производ-. ные термо-ЭДС по температуре могут быть замещены разностями температур в соседних циклах измерения. Первая производная заменяется разностью темизмерения, а вторая - разностью разностей температур в предыдущем и текущих циклах измерения. Например, пусть ряд последовательно измеренных температур Т запишется как Т, Т,, Tg, Т,..., тогда первая производная может быть определена как (Т2- Т), (Tj-Tj),...,а вторая производная - как (T -TJ-CT.-T,) , (Т .

торый, как и при калибровании при

температуре фазового перехода, находит разность текущего значения температуры, поступившего из АЦП 3 через переключатель 15, и значен ия температуры в предыдущем цикле, которое хранилось в блоке 10 памяти и поступило на сумматор 4 через распределитель 7 и переключатель 16. Разности разностей температур, соответствующие второй производной, образуются на выходе сумматора 22 путем вычитания сигнала, формируемого на выходе сумматора 4 в текущем цикле измерения, и сигнала, формируемого на выходе сумматора 4 в предьщу- .щем цикле измерения. Значение последнего сигнала хранится в блоке 10 памяти. Сигнал с выхода сумматора поступает на блок 12 анализа. Если этот сигнал становится равным нулю (или изменяет знак), это свидетельствует о достижении характерной точки - ТОЧКИ , перегиба.

Порядок работы блоков устройства следующий. Преобразованное в код в АЦП 3 значение термо-ЭДС ТП через переключатель 15 поступает на сумматор 4, где из него вычитается значение температуры в предыдущем цикле измерения, поступающее на второй вход сумматора 4 с блока 10 памяти через распределитель 7 и переключатель 16. Разность, полученная на выходе сумматора 4, поступает на вход сумматора 22, на второй вход которого подается с блока 0 памяти через распределитель 7 значение разности, полученное на выходе сумматора 4 в предыдущем цикле измерения. Переключатель 17 подключает к входу блока 12 анализа выход сумматора 22. Если на входе блока 12 сигнал не равен нулю, т.е. точка перегиба еще не достигнута, то блок 12 анализа посредством ключа 11 и распределителя 7 производит запись в блок 10 памяти нового значения текущей температуры. Одновременно через переключатель 17 и распределитель 7 в блок 10 памяти записывается значение разности, полученное на выходе сумматора 4. В дальнейшем продолжается включение других каналов устройства. При достижении точки перегиба градуиро- вочной характеристики ТП на вход блока 12 анализа из сумматора 22 поступает нулевая разность (или разность с другим знаком). Блок анализа фиксирует достижение точки перегиба и производит через коммутатор 13 заполнение соответствующего счетчика 14. Так как температура рабочего спая ТП при этом изменяется, заполнение счетчика необходимо произвести за один - два цикла измерения. Сигнал с выхода счетчика 14 поступает на блок 8 управления, который, воздействуя на распределитель 7, подает с блока 6 -через переключатель 16 на вход сумматора 4 сигнал стандартной термо-ЭДС в соответствующей точке перегиба. На выходе сумматора 4 появляется разность, соответству-

ющая погрешности ТП 4t; в точке перегиба Т , которая через переключатель 17 и распределитель 7 поступает в блок 10 памяти.

Аналогично, как при Т. в режиме

Калибрование 2, формирует.ся и записывается в блоке 10 памяти погрешность /jtj при Tj . Далее сигналы, соответствующие At , Jt2 и лtj, с блок.а 10 памяти через распределитель

7 поступают на входы блока 9 аппроксимации погрешности. Этот блок является специапизированным решающим устройством для определения коэффициентов , а и а 2 системы трех

уравнений вида

.T.. ; ap+a T +a2T| Atj ; a„+a,TJ -a2T2 лtз.

При поступлении на входы блока 9 аппроксимации погрешности сигналов, соответствующи с At , utj и t, на его выходах формируются сигналы, соответствующие а,, а и а, которые

через распределитель 7 поступают в блок 6 эталонных напряжений и запоминаются в нем. По времени процесс определения коэффициентов а, а и а. для одних каналов совпадает с определением погрешностей 4t, t и atj для других каналов. После того, как в блоке 6 эталонных напряжений запомнились сигналы, соответствующие коэффициентам а, а и а для всех

калибруемых каналов, режимы Калибрование 1 и Калибрование 2 закончены.

В реясиме Измерение с выхода АЦП 3 на входы квадратора 20 и умножителя 18 поступает сигнал текущей температуры, а с блока 6 эталонных напряжений через распределитель 7 на входы умножителей 18 и 19 и сумматора 5 поступают соответственно сигналы, сформированные для данного канала в режимах Калибрование, тогда На выходе сумматора 5 формируется сигнал коррекции вида ,Т+а Т, где Т - текущая температура. Этот сигнал через переключатель 16 поступает на вход сумматора 4, где складывается с сигналом текущей температуры канала. На блок 21 индикации поступает скорректированный с учетом погрешности измерительного канала сигнал температуры.

Формула изобретения

Многоканальное устройство для из- мерения температуры с автоматическим калиброванием каналов, содержащее термозлектрические преобразователи с встроенными калибраторами, аналого цифровой преобразователь, вход которого через входной коммутатор подключен к выходам термозлектрических преобразователей, а выход соединен с входом ключа и входом первого пере- ключателя, выходы которого соединены соответственно с входом квадратора, .первым входом первого умножителя и первым входом первого сумматора,второй вход которого соединенс выходом второго переключателя, а выход - с.входом третьего переключателя, выходы которого соединены с блоком индикации и блоком анализа, первый выход которого подключен к управляющему входу ключа, а второй выход через коммутатор соединен со счетчиками каналов, выходы которых подключены к блоку управления, управляю

Редактор О.Юрковецкая Заказ 2352/44

Составитель В.Куликов Техред А.Кравчук

Корректор С

Тираж 776Подписное

ВГОШПИ 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

5 0 ,5

0

5

щие выходы которого соответственно подключены к управляющим входам входного коммутатора, первого сумматора, блока анализа, первого, второго и третьего переключателей,коммутатора, распределителя и второго сумматора, соединенного с управляющими входами умножителей и квадратора, выход которого соединен с первым входом второго умножителя, первый и второй входы второго сумматора соединены с выходами умножителей, а его выход подключен к первому входу второго переключателя, распределитель, выходы которого соединены соответственно с вторыми входами умножителей, третьим входом второго сумматора и вторым входом второго переключателя, а входы распределителя соединены соответственно с выходом ключа и вторым выходом третьего переключателя, блок аппроксимации погрешности, блок эталонных напряжений и блок памяти, входы и выходы которых соединены соответственно с распределителем, отличающееся тем, что, с целью повьщ1ения надежности устройства, в него введен третий сумматор, входы которого соединены соответственно с выходом первого сумматора и дополнительным выходом распределителя, а вьрсод подключен к дополнительному входу третьего переключателя, при этом встроенные калибраторы термоэлектрических преобразователей содержат одну плавкую вставку с заданной температурой плавления.

Корректор С.Шекмар

Изобретение касается температурных измерений. Цель изобретения - повышение надежности устройст.ва, которое содержит термоэлектрический преобразователь 1, коммутатор 2, аналого-цифровой преобразователь 3, сумматоры 4, 5 и 22, блок 6 эталонных напряжений, распределитель 7, блок 8 управления, блок 9 аппроксимации погрешностей, блок 10 памяти. х ш (Л О9 СП 00 оо