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

Изобретение относится к измерению температуры и может найти применение при точных измерениях температуры с представлением результатов в цифровой форме.

Целью изобретения является повышение точности измерения, путем уменьшения погрешности, обусловленной колебаниями температуры свободных концов термоэлектрического преобразователя .

На чертеже представлена структурная схема предлагаемого устройства для измерения темпера;туры.

Устройство содержит термоэлектрический преобразователь 1, входной ,

где Е р, Е , Т{ - коэффициенты преобразования.

Подставляя (2) и (4), (3) и (4) в (1) соответственно получим

+ 6v / ,

Е,1 Е(б, ,е,) + Е , X

10

X 1 Е,1

в.,1г ,

-бх /

(5)

-Е(в,, ,в,) + Е -ь Е; .(6

Если на первьй, второй и третий входы суммирующего усилителя 3 соот- 15 ветственно подаются усиленная термо- ЭДС К Е (6j.g,0j(), некоторое постоянное напряжение и напряжение, проусилитель 2, суммирующий усилитель 3, порциональное члену источник 4 опорного напряжения, пер- можно получить на выходе усилителя 3 вый резистор 5, второй резистор 6, jo напряжение U , где

у. - о - п , к,, - коэффициенты усиления усилителей 2 и 3 соответственно.

Если термопреобразователь 16 сопротивления (TG) имеет функцию преобпервый 7, второй 8, третий 9, четвер тый 10 и пятый 11 переключатели тактов, конденсатор 12, первьй интегратор 13, второй интегратор 14, преобразователь 15 сопротивления в напря- 25 разования вида

е

жёние с термопреобразователем 16 соп- Кд R - ,

(7;

ротивления, установленным в месте расположения свободных концов термоэлектрического преобразователя 17 нуль-орган, блок 18 управления, генератор 19 счетных импульсов, ключ 20, счетчик 21 импульсов .и блок 22 цифрового отсчета.

Устройство работает следующим образом. По правилу аддитивности показания по температуре термоэлектрических преобразователей (ТП), имеется соотношение

Е(0,9) Е(0св ,9,)+ E(0,0eg), (1)

30

где Rp, К, Tj - коэффициенты преобразования, то после преобразования и вычитания постоянного члена получим напряжение на выходе преобразователя

15,

(8)

, -0cefTi

Upe

35

где Kj - коэффициент преобразования преобразователя 15.

Устройство работает по четырем тактам преобразования. В первом и втором тактах переключатель 7 подключается к вьпсоду преобразователя 15.

где Е(0, ft J, Е(0,9,) - градуировоч- 40 В третьем и четвертом тактах - к вы

ев2.v/- rTtr R . watiaTTO ПППТТРПГ Я

ные характеристики ТП при температурах рабочих концов 0.... и 6у и нуле1-О

вой температуре свободных концов, Е(9 ®х термоЭДС ТП при температурах свободных и рабочих концов, соответственно равных 6. и б

Функции преобразования ТП с монотонно возрастающей и монотонно убывающей характеристикой соответственно имеют следующие виды:

Е(0,-0) -ЕО + Е, ; (2)

Е(0,б) +ЕО - Е, , (З; где Е о, Е , Т - коэффициенты преобразования ТП.

Для наиболее часто встречающихся типов ТП Е(0, б(,д) имеет вид

E(0,9ce)-E;-t-E;E ® e/ { , (4

ходу усилителя 3. В-начале процесса преобразования все конденсаторы были полностью разряжены, счетчик 21 бьш установлен в нулевом состоянии.

45

В первом такте переключатели 7 и 8 замкнуты, переключатель 9 разомкнут, переключатель 10 подключен к точке А. За время первого такта t. заряжаются конденсаторы С и Cj с напряжения U д -KjR r :e/7 2 -I соответственно. При этом выходные напряжения, интеграторов 13 и 14 в конце такта соответственно равны

„ t, tiK3RU ,Q

- «°s;cT

1

от -U2

55

и

ИН1

и

HH2

+ Ml.

(10

где Е р, Е , Т{ - коэффициенты преобразования.

Подставляя (2) и (4), (3) и (4) в (1) соответственно получим

+ 6v / ,

Е,1 Е(б, ,е,) + Е , X

X 1 Е,1

в.,1г ,

-бх /

(5)

-Е(в,, ,в,) + Е -ь Е; (7;

где Rp, К, Tj - коэффициенты преобразования, то после преобразования и вычитания постоянного члена получим напряжение на выходе преобразователя

15,

(8)

, -0cefTi

Upe

где Kj - коэффициент преобразования преобразователя 15.

Устройство работает по четырем тактам преобразования. В первом и втором тактах переключатель 7 подключается к вьпсоду преобразователя 15.

В третьем и четвертом тактах - к вы

R . watiaTTO ПППТТРПГ Я

ходу усилителя 3. В-начале процесса преобразования все конденсаторы были полностью разряжены, счетчик 21 бьш установлен в нулевом состоянии.

5

В первом такте переключатели 7 и 8 замкнуты, переключатель 9 разомкнут, переключатель 10 подключен к точке А. За время первого такта t. заряжаются конденсаторы С и Cj с напряжения U д -KjR r :e/7 2 -I соответственно. При этом выходные напряжения, интеграторов 13 и 14 в конце такта соответственно равны

„ t, tiK3RU ,Q

- «°s;cT

1

от -U2

5

и

ИН1

+ Ml.

(10)

Во втором такте переключатели 7 и 8 разомкнуты, переключатель 9 замкнут, а переключатель 10 подключается к резистору 6 -Rg. Конденсатор Сд разряжается через резистор R по экспоненциальному закону до напряжения Uj . Время разряда. С определяется выражением

i- - р г 1 - R r 1 КзКоК С ч - , - «п7R;c,

eg

„1 КэНоКзС бсвмакс

При 3TOMl -§- -----7-L---.

В момент равенства выходных напряжений двух интеграторов 13 и 14 происходит разряд конденсаторов С и Cj до нуля.

За время tj конденсатор Сд также заряжается от напряжения U через резистор R, по экспоненциальному закону. В момент окончания промежутка времени t , переключатель 10 подключается к входу усилителя 3. Напряжение на конденсаторе С,.остается пос- тоянньм и равняется

-i /ffjCj

- 1 ).

Подставляя в последнее выражение знчение t 2 из (11).получаем

R . с,

Uc-j U4(U,1

RfC, все

R С

en

Uj R, с,

X

(12)

X 1

Для получения на выходе усилителя 3 напряжения согласно (5), необходимо подавать на его первьй второй и третий инвертирующие входы соответственно напряже- ния и -К,Е(0,в,0,), и, --КДЕ - - Е) - и, и и„. При этом

U.R.C, ,

- К,Е.4

(13)

,

T T ---i л R , C, Для получения на выходе/усилителя

3 напряжения U согласно (6) при выполнении условия (13) необходимо подавать на первый, второй и третий инвертирующие входы соответственно напряжения U

-к,Е(0св, 9х), Ui -U +K/EO +

+ Е;) и Uc3.

В третьем такте переключатели 7 и 8 замкнуты, переключатель 9 разомкнут, а переключатель 10 подключен к

третьему входу усилителя 3. За время третьего.такта tj заряжаются конденсаторы С и С, от напряжения U

10

15

-К,

t6x IT,

и -Ъ д соответствени

ИН 1

и

но. При этом выходные напряжения интеграторов 13 и 14 в конце такта соответственно равны

t3 tiK,KaEa .

,C, Е,СГ тт (

I U2t3

«HI (15)

В четвертом такте переключатели 7 и 8 разомкнуты, переключатель 9 замкнут, а переключатель 10 подключен к общей точке А. Конденсатор Cj разряжается до нуля. Конденсатор:С, разря- 2Q жается через резистор К, по экспоненциальному, закону до напряжения и „. Время разряда;С, определяется выра- .

5

жением

t R С

InyjSKi. - - ,.K,K2E,R2C2

МН1

+

- т х-

1 1-и;1:ВГ

(16)

, KtKiEtRzCz Эх-макс При этом In -;:,Г-;г -т

1 i,

30; Заполнив интервал времени t импульсами частоты f с генератора 19, количество импульсов, поступивших через ключ 20 на вход счетчика 21 импульсов, равно

35

N.

fo

f R C In-i-i-J-J - +

UtR,C, - (17)

40

± f 5iC:, 0 T -)

выбирая 10, где n 0, 1,

1,

2, ..., обозначая N foRiC, x

K,KjE,R2Cz

45

получим

NP N) ± . (18) В момент заканчивания t происхо- ;ДИт разряд конденсаторов С и С до 50 нуля.

Для обеспечения высокой помехоустойчивости устройства необходимо выбирать длительность первого и Tpefbe- 55 го тактов преобразования, равную периоду помех в данном моменте преобразования.

Блок 18 управления предлагаемого устройства незначительно отличается

от блока управления прототипа, т.е. в его структуре дополнительно введены триггер для деления частоты переключения переключателей 7 и 8 на два (для управления переключателем 7) и некоторые логические элементы для открывания ключа 20 за время t и управления переключателем 10.

Предлагаемое устройство позволяет получить линейную зависимость цифровых показаний от измеряемой температуры, повысить точность измерения за счет формирования сигнала коррекции изменения термоЭДС ТП, обусловленног колебанием температуры их свободных концов, обеспечить высокую помехоустойчивость при преобразовании сигналов от ТП и дополнительного ТС.

Формула изобретения

Устройство для измерения температуры, содержащее термоэлектрический преобразователь, -подключенный к входному усилителю, первьй интегратор, вход которого соединен с выходом первого переключателя тактов, а выход соединен с первым входом нуль-органа, второй вход которого подключен к вы- ходу второго интегратора, вход которого через второй переключатель тактов соединен с первым выходом источника опорного напряжения, первьй резистор, подключенный через третий переключатель тактов к конденсатору первого интегратора, счетчик импульсов, вход которого через ключ соединен с выходом генератора счетных импульсов, а выход подключен к блоку цифрового

Редактор Ю.Середа Заказ 6390/28

Составитель В.Куликов

Техред Л.Сердюкова Корректор О.Кравцова

Тираж 776Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 1.13035, Москва, Ж-35, Раушская наб. , д. 4/5

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

0

5

0

5 о Q

5

отсчета, блок управления, соединен- ньш с управляющими входами всех переключателей тактов и ключа, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения, путем уменьшения погрешности, обусловленной колебаниями температуры свободных концов термоэлектрического преобразователя, в него введены преобразователь сопротивления в напряжение, снабженньй термопреобразователем сопротивления для измерения температуры свободных спаев термоэлектрического преобразователя, четвертый и пятьй переключатели, второй резистор, конденсатор и суммирующий усилитель, первьй вход котор-ого соединен с выходом входного усилителя, второй вход - с вторьм выходом источника опорного напряжения, третий вход - с первым входом четвертого переключателя тактов, а выход подключен к первому входу пятого переключателя тактов, выход которого соединен с входом первого пе-, реключателя тактов а второй вход соединен, с выходом преобразователя сопротивления в напряжение, вход которого подключен к третьему выходу источника опорного напряжения, четвер- тьй выход которого через второй резистор подключен к второму входу четвертого переключателя тактов, выход которого через конденсатор подключен к его третьему входу, соединенному с общей шиной устройства, при этом управляющие входы четвертого и пятого переключателей и счетчика импульсов связаны с блоком управления, вход которого соединен с выходом нуль-органа.

Изобретение может найти применение при точных измерениях температуры с представлением результатов в цифровом виде. Цель изобретения - повышение точности измерения. Устройство содержит термоэлектрический преобразователь 1, усилитель 2, суммирующий усилитель 3, источник 4 опорного напряжения, переключатели 7, 8, 9, 10 и 11 тактов, интеграторы 13 и 14, преобразователь 15 сопротивления в напряжение с термопреобразователем 16 сопротивления, нуль-орган 17,. блок 18 управления, генератор 19 счетных импульсов, ключ 20, счетчик 21 импульсов и блок 22 цифрового отсчета. Введение новых элементов и образование новых связей между элементами устройства позволяют уменьшить погрешности, обусловленные колебаниями тем- пературы свободных концов термоэлектрического преобразователя 1. 1 ил.. (Л оо О) to со СП О5