Устройство для измерения температуры Советский патент 1987 года по МПК G01K7/16 

Изобретение относится к области температурных измерений, а именно к устройствам для измерения температуры термопреобразователями сопротивления, и может найти применение при высокоточных измерениях.

Целью изобретения является повышение точности измерения путем уменьшения ошибки измерения, вызванной нагревом термопреобразователей изме- рительным током.

На фиг, 1 представлена функциональная схема устройства; на фиг, 2- схема блока поиска поддиапазона; на фиг. 3 - схема блока управления; на фиг. 4- схема первого цифроаналого- вого преобразователя; на фиг. 5 - схема второго цифроаналогового преобразователя.

Устройство содержит источник 1 тока, п измерительных каналов, каж- дьш из которых состоит из термопреобразователя 2 сопротивления, первого Зо, второго 3.2 и третьего 3,3 ключей (на фиг. 1 показан один изме- рительный канал), первый 4 и второй 5 цифроаналоговые преобразователи, схему 6 сравнения, операционный усилитель 7, блок 8 управления, источник 9 .опорного .напряжения., суммиру- ющий усилитель 10 с резистором 11 в цепи обратной связи, m токовых ключей 12,1-12.т, где m - число поддиапазонов, m дополнительных :ключей 13,1-13,т, m образцовых резисторов , п элементов И 15.1-15,п, четыре элемента И 16-19, инвертор 20, элемент ИЛИ 21, пятый элемент И 22, две ЕС-цепочки на конденсаторах 23 и 24 и резисторах 25 и 26,- два диода 27 и 28, блок 29 памяти, три RS-триггера 30-32, схему 33 задержки, шифратор 34 и блок 35 поиска поддиапазона.

Блок 35 поиска поддиапазона (фиг. содержит m RS-триггеров 36,l-36,m, неинвертирующие выходы которых являются управляющими выходами блока, две группы элементов ИЛИ 37,1-37,т и 38Л-38.m по m элементов в . каждой группе, - пять групп элементов И, первая из которых состоит из m элементов 39,1-39 „т, вторая - из т-1 элементов 40.1-40,(т-1), третья - из т-1 элементов 41,1-41.(т-1), четвер- тая - из т-1 элементов 42.2-42, (га-1) пятая - из и-1 элементов 43.1-43(ш- -1), т-входовый элемент ИЛИ-НЕ 44, первый 45, второй 46, третий 47 и

четвертый 48 двухвходовые элементы И, распределитель 49 импульсов, N- входовый элемент ИЛИ-НЕ 50, где N - число разрядов ЦАП 5, и N-входовой элемент И 51.

Блок 8 управления (фиг. 3) содержит генератор 52 тактовой частоты, выход которого является тактовым выходом блока управления, распределитель 53 импульсов, два формирователя 54 и 55 импульсов, выходы которых являются соответственно первым и вторым выходами блока управления, счетчик 56, выходы которого являются адресными выходами блока управления, и дешифратор 57, выходы, которого образуют m управляющих выходов.

Первый ЦАП 4 м:(фиг, 4) содержит распределитель 58 импульсов, входные элементы И-59, выходной рег.истр 60 и резистивный делитель 61,

Второй ЦАП 5 (фиг. 5) содержит резистивный делитель 62 с ключами, управляющие входы которого сбедине- ны с выходом реверсивного счетчика 6 с дредустановочными входами, при это питающий вход и аналоговый выход ре- зистивного делителя являются соответственно опорным входом и аналсГговым выходом ЦАП, а предустановочные вход реверсивного счетчика, вход установки О, входы сложения и вычитания являются соответственно входом предустановки, установочным, суммирующим и вычитающим входами ЦАП, а выход реверсивного счетчика - выходом ЦАП.

Устройство работает следующим об- разом.

Весь диапазон измеряемых темпера-

тур в зависимости от типа используемых термопреобразователей разбивается на m поддиапазонов. Для каждого поддиапазона устанавливается оптимальное значение измерительного тока , пропускаемого через термопреобразователь сопротивления, выбираемое из условия

. (,2,...,m), (1)

IM

где лд„ допустимая мощность рассеивания;

Rj - максимальное значение сопротивления термопреобразователя в данном поддиапазоне.

При включении устройства по п сигналам с блока 8 управления термопреобразователи 2 сопротивления по.

очередно подключаются к схеме 6 сравнения через ключи 3.2-З.п и к операционному усилителю 7 через ключи 3.3-3.п.

Рассмотрим работу первого измерительного канала.

Преобразование сигнала осуществляется в два такта. В первом такте замкнуты ключи 3.2 и 3.3, термопреобразователь 2 при этом находится в обесточенном состоянии, а имеющиеся на входе схемы 6 сравнения сигналы и помехи, дрейфа нуля и другие паразитные сигналы измерительной цепи сравниваются с аналоговым сигналом ЦАП 4, который поступает через суммирующий усилитель на второй вход схемы 6 сравнения до ее уравновешивания. ЦДЛ 4 работает по принципу поразрядного кодирования. По сигналу Пуск 1, формируемому на первом выходе блока управления, устанавливаются в ноль ЦАП 4 и 5 и блок 35 поиска поддиапазона и открывается триггер 32, сигнал с выхода которого открывает элементы И 16 и 17 для прохождения импульсов с блока 8 управления соответственно на входы сброса и включения ЦАП 4 (фиг. 4). -С выхода элемента И 17 импульсы поступают на вход распределителя 58, где формируются сигналы управления выходного регистра 60, поступающие на его R- и S-входы со сдвигом относительно друг друга в один такт, причем на R-входы - через элементы И 59, вторые входы которых соединены с выходом элемента И 16. При поступлении пачки импульсов с элемента И 17 осуществляется поочередное включение всех разрядов ЦАП 4, начиная со старшего, и в -зависимости от результата сравнения измеряемого сигнала с выходным напряжением U разряд остается либо включенным, когда либо сбрасьшается следующим ймпуль- сом, поступающим с выхода элемента И 16 на R-вход выходного регистра через элементы И 59, когда , для чего управление элементом И 16 осуществляется сигналом, снимаемым с выхода схемы 6 сравнения. По окончании первого такта измерения по сигналу Пуск 2 с второго управляющего выхода блока управления триггер 32 и элементы И 16 и 17 закрываются, а на аналоговом выходе ЦАП 4 остается сигнал и, сформированный в результате уравновешивания схемы срав314

нения, равный сигналу помехи-измерительной цепи который сохраняется на время второго такта.

Во втором такте замкнуты ьслючи

3.1-3,3 и один их ключей 12 соответствующего поддиапазона измерения, номер которого по сигналу Пуск 2 списывается с блока 29 памяти в ЦАП 5. При этом ток от источника 1 тока

протекает по цепи: ключ 13.т, ключ 3.1, термопреобразователь 2, ключ 3.3, операционный усилитель 7, общая шина. Полученное при этом падение напряжения И на сопротивлении термопреобразователя 2 сравнивается с аналоговым напряжением Uj второго ЦАП 5 до уравновешивания схемы 6 сравнения. ЦАП 5 работает в следящем режиме и имеет предустановку начального кода, переписьшаемого из блока 29 памяти по адресной выборке и записанного в предшествующем цикле измерения. Если при этом на выходе схемы сравнения появляется сигнал

° открывается элемент И 18 и на вычитающем входе ЦАП 5 появляется импульс сброса единицы разряда, а если Uj г; U, то открывается элемент И 19 и пропускает тактовый импульс с блока 8 управления на суммируюп;ий вход ЦАП 5, в результате чего аналоговый сигнал-на выходе ЦАП 5 увеличится на единицу дискретности. Если после этого сигнал

на выходе схемы сравнения изменяет свой знак, то это означает, что сигналы на входе схемы сравнения уравновешены и на входе RC-цепочек и элементов 21 и 22 формируется сигнал

Конец измерения, по которому триггер 30 закрывается. Выходной сигнал последнего закрывает ключ 3.1, который, в свою очередь, отключает источник 1 тока от термопреобразователя 2,- Одновременно с этим по сигналу Конец измерения осуш,ествляется запись в блок 29 памяти кодовой информации с ЦАП 5, номера поддиапазона с блока 35 поиска поддиапазона и

адреса канала с блока 8 управления. Далее цикл измерения повторяется.

Во втором такте схема 6 сравнения уравновешивается с помощью ЦАП.5 до получения равенства

U,p+I,-dR, + I-R,,U, 1 , (2)

где I. - ток питания термопреобразователя в данном поддиапазоне;

51

ARjf - приращение сопротивления

термопреобразователя; К,.„- начальный уровень сопротивления термопреобразователя в данном поддиапазоне; Ццу- аналоговый сигнал на выходе

ДАЛ 5;

Up - напряжение опорного источника 9;

RPJ.- сопротивление в цепи отрицательной обратной связи суммирующего усилителя; R g- сопротивление образцового резистора I4.m данного поддиапазона.

Сопротивление резисторов 14.m и ,11 выбирается таким образом, чтобы

,./. ROC

выполнялось соотношение U - ., В ЭТОМ случае

I 1Н ,

I., (3)

т.е. напряжение на выходе ЦАП 5, а следовательно, и его код являются эквивалентом измеряемой величины (температуры), из которого исключены сигналы помехи, дрейф нуля измерительной цепи и начальный уровень шкалы, что обеспечивает высокую точность измерения.

Измерительная информация выдается с кодов ого выхода второго ЦАП 5, одновременно с которой с выхода дешифратора вьщается код номера поддиапазона, а с блока управления - код номера канала.

В первом цикле измерения, когда в блоке памяти отсутствует запись номера поддиапазона, о чем свидетель ствует появление сигнала на выходе элемента ИЛИ-НЕ 50 блока 35 поиска поддиапазона, который в свою очередь открывает элемент И 45, пропускающий первьй пусковой импульс через элемент ИЛИ 37.1 на вход триггера 36,1. В результате этого включаются ключи 12,1 и 13.1 и по цепи: ключ 12.1. ключ 3.I термопреобразователь 2 сопротивления, ключ 3.3, операционный усилитель 7, общая щина от источника I тока протекает ток первого поддиапазона (минимальный) и создает падение напряжения на сопротивлении; термопреобразователя 2, который через ключ 3.2 подключен к схеме 6 сравнения, к другому входу которой через ключ 13.1 подключен сигнал, соответствующий начальному уровню щка- лы первого поддиапазона. Если при

158316

этом на выходе схемы 6 сравнения появляется отрицательный сигнал, что соответствует соотношению Uj Ux, то на выходе элемента И I8, а также на

ij выходе элемента И 47 блока 35 появляется импульс, так как его второй вход в первом Щ1кле измерения открыт. Все разряды ЦДЛ 5 находятся в состоянии логического нуля, который про10 ходит через элемент И 46 и распределитель 49 на входы элементов ИЛИ 38.1 и 37.2, в результате чего триггер 36.1 закрывается, а триггер 36.2 открывается и включаются, соответст15 венно, ключи 12.2 и 13.2. Если при этом на выходе схемы 6 сравнения опять появляется отрицательный сигнал, происходит аналогичное переключение на следующий поддиапазон с большим то20 ком, и т.д. до тех пор, пока сигнал на выходе схемы сравнения не изменит знак на положительный, что соответствует соотношению , и на выходе элементов 21 и 22 появится импульс

25 Конец измерения. На этом поиск поддиапазона заканчивается, и его номер записывается в блок памяти. В следующем цикле с блока памяти в блок поиска поддиапазона переписывается

30 номер поддиапазона, в соответствии с которым устанавливаются ток питания и начальный уровень шкалы, и последовательно включаются разряды ЦАП 5 до получения равновесия схемы сравэс нения.

Если в процессе измерения на цифровом выходе ЦАП 5 все разряды уста- навливаются в 1, о чем свидетельствует появление сигнала на выходе

40 элемента И 51, а на выходе элемента И 19 появляется сигнал сложения, это означает выход сигнала измерения из данного поддиапазона при соотношении . В этом случае на элементах

48, 44, 43, 38 и 50 блока 35 формируется сигнал переключения с меньшим током, что соответствует поддиапазону с меньшим порядковым номером. Если в процессе измерения на цифровом

выходе ЦАП 5 все разряды устанавливаются в О, о чем свидетельствует появление сигнала на выходе элемента ИЛИ-НЕ 50, а на выходе элемента И 18 появляется сигнал вычитания, это означает выход сигнала измерения из данного поддиапазона при соотношении . На элементах 50, 47, 42, 38, 41 и 37 формируется сигнал переключения в диапазон с большим током, что

соответствует поддиапазону с большим порядковым номером.

Блок 8 управления вырабатывает импульсы управления устройсовом в заданном алгоритме. Распределитель 53 импульсов вьфабатывает импульсы Пуск и Пуск 2, задающие двухтактный алгоритм работы устройства. Запуск счетчика 56 импульсов осуществляется импульсом Пуск 1 .С выхода 10 счетчика 56 сигнал адреса канала в i двоичном коде поступает на адресный вход блока 29 памяти и на вход дешифратора 57, где формируются п импульсов последовательного переключения f5 каналов,

В процессе измерения время, необходимое для сравнения измеряемого напряжения с термопреобразователя с эталонным, и время подключения тер- 20 мопреобразователя к источнику тока определяются длительностью включения или вьжлючения только одного разряда эталонного напряжения, что сущест- венно меньше общего времени сравне- 25 ния, необходимого при поразрядном методе приближения. Следовательно, во столько же раз можно повысить ток питания термопреобразователя,а соответственно, увеличить точность изме- 30 рения.

Формула изобретения

1, Устройство для измерения тем- 35 пературы, содержащее п измерительньпс каналов, каждый из которых включает в себя три ключа и термопреобразователь сопротивления, первый токовый вывод которого через первый ключ и 40 m токовых ключей, где m - число поддиапазонов измерения, подключен к выходу источника тока, соединенному с общей шиной устройства, а второй токовый вывод через второй ключ под- 45 ключей к выходу операционного усилителя, неинвентирующий вход которого соединен с общей шиной устройства, а инвентирующий вход подключен к второму потенциальному выводу термопре- 50 вход первого элемента И подклю-.

образователя сопротивления, первый потенциальный вывод которого подключен к первому входу схемы сравнения, соединенной с общей шиной устройства, второй вход которой подключен к выходу суммирующего усилителя с резистором в цепи обратной связи, иеинвентирующий вход которого соединен с общей шиной устройства, соединенной с источником опорного напряжения, а инвентирующий вход подключен г аналоговым выходам первого иг второго цифроаналоговых преобразователей, установочные входм которых подключены к перЬому выходу .блока управления, опорные входы соединены с выходом источника опорного напряжения, соединенного через m цепочек, состоящих из последовательно включенных дополнительных ключей и образцовых резисторов, с инвентирующим входом суммирующего усилителя, блок, поиска поддиапазона, m управляющих выходов которого подключены соответственно к управляклцим входам токовых и дополнительных ключей и входам щиф- ратора, а первый и второй управляющие входы соединены с первым и вторым вы- ходом блока управления, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения путем уменьшения ошибки измерения, вызванной нагревом термопреобразователей, в него введены три RS-триггера, схема задержки, элементы И, два диода, две RC-цепочки, элемент ИЛИ, инвертор и блок памяти, адресные входы которого соединены с адресными выходами блока управхтения, управляющие входы подключены соответственно к m управляющим выходам блока поиска поддиапазона,информационные входы и выходы соединены соответственно с кодовыми выходами и входами предустановки второго цифроаналого- вого преобразователя,вход Считывание подключен к второму выходу блока управления, соединенному с S-входом второго RS-триггера,через схему задержки с S-входом третьего RS-триггера и R-входом первого RS-триггера, S-вход которого подключен к первому выходу блока управления, а выход подключен к первым входам первого и второго элементов И, вторые входы которых соединены с тактовым выходом блока управления, выходы соединены с управляющими входами первого цифро- аналогового преобразователя, а тре5

чен к выходу схемы сравнения, соединенному непосредственно и через инвертор с первыми входами третьего и четвертого элементов И, вторые вкходы которых соединены с тактовым выходом блока управления, выходы подключены к суммирующему и вычитающему входам второго цифроаналогового преобразователя, соединенным с третьим

и четвертым управляющими входами блока поиска поддиапазона, кодовые входы которого соединены с кодовым выходом второго цифроаналогово го преобразователя, а входы номера поддиапа зона соединены с выходом блока памяти, при этом третьи входы третьего и четвертого элементов И соединены с выходом третьего RS-триггера и первым входом пятого элемента И, выход которого подключен к входу Запись блока памяти и R-входам второго и третьего триггеров, а второй вход подключен к выходу элемента ИЛИ, входы которого соответственно через по- следовательно включенные диоды и RC- депочки подключены к входу и выходу инвертора, при этом выход второго RS-триггера подключен к первым входам 11 элементов И, вторые входы которых соединены с п управляющими выходами блок-а управления, соединенными с управляющими входами вторых и третьих ключей каждого измерительного

канала,а выходы п элементов И подклю-25 йены с инвентирующими выходами RSчены к управляющим входам первых 1.:лючей каждого измерительного канала,

2, Устройство по п. 1, отличающее ся тем, что блок по- иска поддиапазона содержит две группы элементов ИЛИ по m элементов в каждой группе 5 пять групп элементов И, первая из которых состоит из m элементов, а остальные - из (ш-1) элементов, распределитель импульсовs четыре двухвходовьгх элемента. И, N входовые элементы И и ИЛИ-НЕ, где К - число разрядов второго дифроана- логового преобразователяр т-входо- вьш элемент ИЛИ-НЕ и m Б.Б-триггеров выходы которых являются управляющими выходами блока поиска поддиапазона, а R-входы соединены соответственно с выходами m элементов ИЛИ пер- на, а второй вход соединен с выходом

вой группы, первый вход первого из которых соединен с выходом первого двухвходового элемента И, а первые входы остальных элементов ИЛИ первой группы подключены соответственно к выходам распределителя импульсов , вторые входы элементов ИЛИ соединены соответственно с выходами m элементов И первой группы, третьи входы элементов ИЛИ, за исключением последнего, соединены соответственно

-ШJ520 1583110

с выходами (т-1) элементов И второй группы, третий вход последнего и четвертые входы остальных элементов ИЛИ, за исключением первого элемента, подключены соответственно к выходам (т-1) элементов И третьей группы, первые вход1л которых соединены соответственно с выходами элементов ИЛИ второй группы, первые входы которых соединены с первым управляющим входом блока поиска поддиапазона, вторые входы элементов ИЛИ, за исключением последнего, соединены соответственно с выходами (т-1) элементов И четвертой группы, соединенными соответственно с вторыми входами элементов И третьей группы, второй вход последнего элемента ИЛИ и третьи входы остальных элементов ИЛИ, за исключением первогоj соединены соответственно с выходами (т-1) элементов И пятой группы, соединенными соответственно с первыми входами элементов И второй группы, вторые входы которых соедитриггеров, за исключением первого, при этом первые входы элементов И первой, четвертой и пятой групп и N-BXO- дового элемента ИЛИ-НЕ соединены с входом номера поддиапазона блока поиска поддиапазона, а выход т-входо- вого элемента ИЛИ-НЕ соединен с первыми входами первого и второго двух- входовых элементов И, вторые входы которых подключены соответственно к второму управляющему входу блока поиска поддиапазонов, соединенному с вторыми входами элементов И первой группы и вторыми входами элементов И четвертой группы, соединенными соответственно с выходом третьего двух- входового элемента И, первьй вход которого соединен с четвертым управляющим входом блока поиска поддиапазо

N-входового элемента ИЛИ-НЕ, входы которого соединены с кодовыми входами блока поиска поддиапазона, соединенными с входами N-входового элемента И, выход которого подключен к первому входу четвертого двухвходового элемента И, второй вход которого соединен с третьим управляющим входом блока поиска поддиапазона, а выход подключен к вторым входам элементов И пятой группы.

v

Ji.

У7-/

7i M

son Q9 ff-il Ш

I-

/ V / V ; V

ад 47

/П-/

т

V /-Д/V

48

/

Лускгж

22

m

J52

53

cuФиг2

Изобретение относится к устройствам для измерения температуры термопреобразователей сопротивления (ТП) и может найти применение в высокоточных измерениях. Цель изобретения - повьшение точности измерения путем уменьшения ошибки измерения, Klm-tljf вызванной нагревом ТП 2 измерительным током. В циклах измерения из блока 29 памяти в блок 35 поиска поддиапазона переписывается номер поддиапазона, в соответствии с которым устанавливаются ток питания и начальный уровень шкалы, и последовательно включаются разряды цифроаналогового преобразователя 5 до получения равновесия схемы 6 сравнения. Время, необходимое для сравнения измеряемого напряжения ТП 2 с эталонным, а вместе с тем и время подключения ТП 2 к источнику тока определяются длительностью включения или выключения -, только одного разряда эталонного напряжения. 1 з.п. ф-лы, 5 ил. с S (Л со сл 00 со

i

I i

H:: ,

(риг.

Выход

Ч

Составитель В.Куликов Редактор О.Юрковецкая Техред А.Кравчук

Заказ 2352/44 Тираж 776Подписное

ВНИИПИ 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

/f77

Фиг Л

.И

6S

.J

Корректор И.Муска