Устройство для измерения температуры Советский патент 1988 года по МПК G01K7/00 

Aiof/fu преаН/юзавФгая

SS9

с S

сл

со

о

О5 СО

выходного сигнала. В блок 13 памяти . записываются коды чисел, которые необходимо добавлять к коду числа, полученного на выходе сумматора 6, для получения линейно1|. зависимости выходного сигнала от температуры. На шину Пуск 26 подается сигнал низкого уровня, который, пройдя элемент ИЛИ 14, устанавливает счетчики 4,18, 20 и 21 в исходное состояние. Постоянное напряжение, соответствующее из-i меряемой температуре с выхода термопреобразователя 1, поступает на вход

1

Изобретение относится к области температурных измерений, а именно к устройствам для измерения температуры с коррекцией нелинейности термо- преобразователя, и может быть испольт- зовано при точных измерениях темпера-туры с представлением результата в .цифровой форме.

Цель изобретения - повьшение точности измерения путем повышения точ- ности аппроксимации характеристики термообразователя при сохранении объема памяти устройства.

На фиг.1 изображена схема устрой- ства; на фиг.2 и 3 - графики, поясня- ющие принцип работы устройства.

Устройство содержит термопреобразователь 1, например, термоэлектри. ческий, последовательный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 2,-содер жащий времяимпульсный преобразователь 3, преобразующий выходной сиг-, нал термопреобразователя в последова- тельность и шyльcoв, и счетчик 4, ре гистр 5 кода, первый сумматор 6, второй сумматор 7, регистр 8 результата, блок 9 индикации, первый формирователь 10 адреса , второй формирователь 11 адреса, первый блок 12 памя- ти, второй блок 13 памяти, первую схему ИЛИ 14 и элемент 15 задержки,со- единенный с шшюй Конец преобразования 16.

Первый 10 и второй Л формирователи адреса представляют собой устрой- ство поиска числа на числовой оси.

преобразователя 3 аналого-цифрового преобразователя 2, который преобразует это напряжение в последовательность импульсов, поступающих на вход счетчика 4. С выхода последнего код числа, соответствующий измеряемой температуре, поступает на регистр 5 кода и на вход формирователя ю адреса, который определяет номер участка аппроксимации. В устр-ве повышает ся точность аппроксимации характеристики термопреобразователя 1 при сохранении объема памяти устр-ва. 3 ил.

позволяющие поставить в соответствие группам возможных состояний его вхо- дов единственные дпя каждой группы состояния его выходов.

Первый формирователь 10 содержит схему 17 совпадения, первый счетчик 18 адреса и первое постоянное запоминающее устройство 19. Второй формирователь 11 адреса содержит вычитающий счетчик 20, имеющий входы предварительной установки, второй счетчик 21 адреса, второй элемент ИЛИ 22 и второе постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 23.

ПЗУ 23, счетчик 20 и элемент ИЛИ 22 образуют программный делитель 24. Выходы Конец преобразования 16 и Выход информации 25 предназначены для передачи информации во внешние устройства.

Устройство работает следующим образом.

Весь диапазон измеряемых температур разбивается на п поддиапазонов - участков аппроксимации. Число участков п определяется требуемой точностью измерения температуры. Границы участков и корректирующее число участка выбираются из условия, что погрешность на границах участков, получаемая в результате сложения корректирующего числа К участка и числа, соответствующего данной температуре Границы, равны между собой на протяжении всего диапазона измеряемых температур, причем корректирующее число

выбрано соответствующим середине всего диапазона измеряемых температур на участке, исходя из изложенного условия (фиг.2).

Каждый участок состоит из двух треугол ников, образованных идеальной характеристикой, ломаной кривой кусочно-линейной аппроксимации и границами участков, причем в первом приближении вследствие малости участ- ков тре угольника попарно равны (на фиг.З показаны две пары полученных треугольников). Если полученные участки диапазона температуры разбить на равные, например четыре, части (фиг.2) и с границ подученных частей участков (подучастков.) поднять высоты до пересечения со сторонами указанных треугольников, то внутри каждого треугольника образуются меньшие подобные треугольники, так как углы у полученных треугольников равны.

В блок 12 памяти для каждого участка аппроксимации записываются коды чисел, которые необходимо добавлять к коду числа, записанного в счетчике 4, для предварительной аппроксимации выходного сигнала время- импульсного преобразователя аналогично известному устройству. 20 в блок 13 памяти для каждого под- участка записываются коды чисел, которые необходимо добавлять к коду числа, полученного на выходе сумматора 6, для получения линейной зависиИзвестно, что у подобных треуголь- 25 „ости выходного сигнала от температуНИКОВ соответствующие стороны пропорциональны, а именно:

ры. Процесс измерения температуры начинается с подачи на входную шину Пуск 26 сигнала низкого уровня, который, пройдя элемент ИЛИ 14, устанавливает счетчики 4,18,20 и 21 в исходные нулевые состояния.

rv

- сторо(треII

где а, а , а , Ь, с, с , ны треугольников,

А так как а а .,. а угольники равны), то с с ... с

Если треугольники аппроксимации р разбить на большее одинаковое количество частей, результат будет тот же: соответствующие стороны, которые представляют собой погрешности ап-:и проксимации, будут равны. Если эти погрешности запомнить и в нужный момент прибавлять (или вычитать) к результату предварительной аппроксимации, то для получения, например, JOOO аппроксимируемых точек необходимо J30 ячеек памяти - 25 ячеек для разбиения диапазона на 25 участков поддиапазона и запоминания 25 средних значений корректирующих чисел К и 40 ячеек для разбиения на 40 подучастков каждого участка (каждый треугольник разбивается на 20 частей) и для запоминания 40 чисел дополнительной коррекции. Для разбиения можно применить и другие пропорции: 50x20, JOOxJO и т.п. Выбор этих

4063

соотношений определяется конкретной элементной базой.

Предлагаемая процедура аппрокси5 нации состоит из двух этапов: грубой (предварительной-) коррекции и точной (дополнительной ) коррекции результат- та измерения.

Рассмотренньй принцип аппроксима- 10 ции реализован с помощью устройства (фиг.J ).

В блок 12 памяти для каждого участка аппроксимации записываются коды чисел, которые необходимо добавлять к коду числа, записанного в счетчике 4, для предварительной аппроксимации выходного сигнала время- импульсного преобразователя аналогично известному устройству. 20 в блок 13 памяти для каждого под- участка записываются коды чисел, которые необходимо добавлять к коду числа, полученного на выходе сумматора 6, для получения линейной зависи15

25 „ости выходного сигнала от температу

30

ры. Процесс измерения температуры начинается с подачи на входную шину Пуск 26 сигнала низкого уровня, который, пройдя элемент ИЛИ 14, устанавливает счетчики 4,18,20 и 21 в исходные нулевые состояния.

Постоянное напряжение, соответствующее измеряемой температуре, с выхода термопреобразователя J поступа

35 ет на вход времяимпульсного преобразователя 3 последовательного АЦП 2, которьй преобразует это напряжение в последовательность импульсов, поступающих на счетный вход счетчика 4

40 АЦП 2.

С выхода счетчнка 4 код числа, со ответствующий измеренной температуре, поступает на регистр 5 кода и на вход формирователя JO адреса, который

45 определяет номер участка аштроксима- цки. По сигналу с выхода формирователя 1 О адреса блок J 2 памяти вьщает код числа, которое необходимо добавлять к содержимому регистра 5 кода

50 для получения предварительно аппроксимированной характеристики выходного сигнала4изменяемой температуры. По сигналу Конец преобразования с выхода времянмпульсного преобразовате55 ля 3 код счетчика 4 фиксируется в регистре 5, сумматор 6 суммирует коды чисел с выхода регистра 5 и блока 7 памяти. Результат первого суммирования поступает на первые входы второго

сумматора 7. На вторые входы сумматора 7 поступают коды чисел с выхода бл|ока 13 памяти, где записаны числа дс|полнительной коррекции. Код адреса &ь|бора ячейки блока 13 памяти выраба- тьШается в формирователе 11 адреса чисел дополнительной коррекции.

Формирователь 10 адреса функциони

ные шины блока 13 памяти, где происходит выборка первого дополнительного числа, которое поступает на вторые входы сумматора 7 и, сложившись с результатом предварительной аппроксимации, поступает в регистр 8 результата и далее в блок 9 индикации. На вход схемы ИЛИ 22 поступают с

следующим образом. В ПЗУ 19 фор- ю выходов счетчика 20 нулевые потенциа15

мирователя 10 адреса хранятся коды участков аппроксимации. При нулевом состоянии счетчика 18 адреса н,1 выходах ПЗУ JO сформирован код границы первого участка аппроксима- . С началом счета импульсов счет

±ком 4 его выходной код поступает входы схемы J7 совпадения и при фвпадении входного кода и кода ПЗУ i9 с|хема 17 совпадения вырабатывает ригнал, увеличивающий состояние счет- гика 18 адреса на единицу. При этом ta вход ПЗУ 19 поступает этот сигнал, а на его выходе появляется код грани- ijlbi последующего участка аппроксима- 25 1)ЩИ. При совпадении этого кода с ко- ом, формируемым счетчиком 4, схе 1Йа 17 совпадения снова вырабатьшает сигнал, увеличивающий состояние счет Чика 18 адреса на единицу, Лее до окончания цикла измерения. В Начале следующего цикла измерения . выходным импульсом времяимпульрного Преобразователя 3, указывающим на конец преобразования, задержанным эле- 35 ментом 15 задержки и прошедшим схему ИЛИ 14, счетчик 4 обнуляется, соответственно происходит и сброс счет чика 18 адреса, и цикл измерения повторяется. 40

Формирователь И адреса работает следующим образом. Функциями преобра- зователя И адреса являются разбиение каждого участка аппроксимации на равные подучастки, число которых от участка к участку не изменяется, и выдача адреса в блок 12 памяти. Для этого в ПЗУ 19 записаны коды чисел для каждого участка, с помощью рых программный делитель 24 путем изменения от участка к участку своего коэффициента деления делит участки на равные (внутри каждого участка) подучастки. Для этого в начале измерения одновременно с обнулением счетчиков 4 и 18 обнуляются счетчи ки 20 и 21, С выхода счетчика 21 адреса информация поступает на адреслы, поэтому на выходе схемы ИЛИ 22 устанавливается нулевой потенциал, соответствующий логическому нулю. Этот сигнал поступает на вход записи счетчика 20, по которому код числа с выхода ПЗУ 23, соответствующий коэффициенту деления счетчика 20 на первом участке аппроксимации, сьшается в его счетные триггеры. 20 Адресные входы ПЗУ 19 и 23 совмещены, поэтому номер участка для ПЗУ 23 уже сформирован в формирователе 10 адрет са. Счетчик 20 работает в режиме вычитания. По мере доступления импульсов с выхода времдимпульсного преобразователя 3 содер шмое счетчика 20 уменьщается до полного обнуления. При этом срабатывает схема ИЛИ 22 и вновь записывает .код числа первого и п.о,г гто чп участка аппроксимации с выхода ПЗУ 23,

лЛ То-К М

а также переводит счетчик 21 адреса в следующее состояние, соответствующее в данный момент второму номеру подучастка первого участка аппроксимации. Новый код числа счетчика 21 адреса выбирает из блока памяти второе дополнительное корректирующее число, которое поступает на сумматор 7 для дополнительной коррекции кода, соответствующего данной температуре.

Этот цикл повторяется до тех пор, пока не будут перебраны все ячейки блока 13 памяти, если позволит измеряемая температура, т.е. время- импульсньй преобразователь 3 не прекратит выдачу импульсов. Таким обра45

50

55

зом, весь первый участок аппроксимации разбивается на равные подучастки, каждому из которых ставится в соответствие дополнительно корректирующее число в блоке 13 памяти. По достижении следующего участка (если этого требует температура) из ПЗУ 23 выбирается следующая ячейка, содержащая число, с помощью которого счетчиком 20 второй подучасток будет разбит на разные подучастки, причем их количество будет равно количеству

ные шины блока 13 памяти, где происходит выборка первого дополнительного числа, которое поступает на вторые входы сумматора 7 и, сложившись с результатом предварительной аппроксимации, поступает в регистр 8 результата и далее в блок 9 индикации. На вход схемы ИЛИ 22 поступают с

зом, весь первый участок аппроксимации разбивается на равные подучастки, каждому из которых ставится в соответствие дополнительно корректирующее число в блоке 13 памяти. По достижении следующего участка (если этого требует температура) из ПЗУ 23 выбирается следующая ячейка, содержащая число, с помощью которого счетчиком 20 второй подучасток будет разбит на разные подучастки, причем их количество будет равно количеству

подучастков первого участка аппроксимации. Благодаря этому те же дополнительные корректирующие коды блока 13 памяти вновь будут использованы, но уже для дополнительной коррекции температуры второго участка аппроксимации.

Измерение прекращается по сигналу Конец преобразования, прекращается поступление импульсов, поступающих с выхода времяимпульсного преобразователя. При этом на выходе блока 12 памяти находится корректирующее число соответствующего участка и на выхо де блока J3 памяти - код числа, соответствующего последнему подучастку данного участка.

Эти числа поступают на соответствующие сумматоры 6 и 7. В результа- те, -по окончании измерения, через время, необходимое для 2-кратногп суммирования в сумматорах 6 и 7, на информационных входах регистра 8 результата устанавливается скорректиро- ванный код числа, соответствующий из- меренной температуре. По импульсу ; Конец суммирования с вькода время- импульсного преобразователя 3, задержанному элементом J5 задержки, время задержки которого выбрано соответствующим времени 2-кратного суммирования, результирующий код фиксируется в регистре 8 результата для отображе ния значения температуры блоком инди- кации в течение следующего ишсла из- мерения. Следующий цикл измерения начинается с момента прихода задержанного импульса элементом 15 задержки ; на второй вход элемента ИЛИ. Для сложения и вычитания корректи рующих кодов при дополнительной рекции в блоке 13 памяти записаны числа как в прямом, так и в дополни-, тельном кодах.

В конце каждого участка счетчик 2/ должен быть обнулен вследствие деле-; ния участков на целое число подучастков. Но в случае сбоя счетчик 2J v сбрасывается в О дополнительным . импульсом начала нового участка, по-; ступающим с выхода схемы J7 совпадения ,

Для регистрации измерений предуг смотрен выход Конец преобразова-i- ; ния . 16, по сигналу которого с выхо- да 25 информация может быть принята внешними устройствами. Увеличение

времени элементом 15 задержки менее чем на I МКС за счет 2-кратного суммирования незначительно изменяет временные характеристики устройства, так как время работй аналого-цифрового преобразователя 2 со счетом единичных приращений, уже при разрядности выходного кода равным 10, в 1024 раза больше. Кроме того, инерционность , лучших термопреобразователей составляет десятые доли секунд, что более чем в 10000 превышает время задержки дополнительного суммирования.

Формула изобрете н.и я

Устройство для измерения темпера г туры, содержащее термопреобразователь аналого-цифровой преобразователь последовательного типа, включающий в себя счетчик импульсов и времяимпульс ный преобразователь, вход которого соединен с выходом термопреобразователя , а выходы подключены к счетчику импульсов, первый формирователь адре са, включающий в себя первое постоянное запоминающее устройство, схему совпадений и первый счетчик адреска, вход которого соединен с выходом схе мы совпадений, а выходы подключены к адресным входам первого постоянного запоминающего устройства, выходы которого подключень к первым входам схемы совпадений, вторые входы которой соединены с выходом счетчика и входами регистра кода, выходы которб- го подключены к первым входам перво- го сумматора, вторые входы которого соединены с выходами первого блока памяти, входы которого подключены к выходам первого счетчика адреса, пер вый элемент ИЛИ, выход которого соединен с установочным входом счетчика адреса, и блок индикации, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения при сохранении объема памяти устройства, в него введены элемент задержки,второй блок памяти, регистр результата, второй формирователь адреса, включающий в себя второе постоянное запоминающее устройство, второй элемент ИЛИ, второй счетчик адреса и вычитающий счетчик, второй сумматор, входы которого соответственно соединены с выходом первого сумматора и выходом второго блока памяти, а выход подключен к блоку индикации через регистр

результата, управляющий вход которо го соединен с первым входом первого элемента ИЛИ и через элемент задержки подключен к выходу Конец преобразования времяимпульсного преобразог вателя, выход которого подключен к счетному входу вычитающего счетчика, входы предварительной записи которо то соединены с выходами второго по- :стоянного запоминающего устройства, выходы и вход записи соединены соответственно с входами и выходом второго элемента ИЛИ, соединенным с входом второго счетчика адреса, :;ВЬР-

в б iS 8 d d d d

ходы которого соединены с aдpecны и входами второго блока памяти, а первый и второй установочные входы соединены соответственно с первым и вторым установочными входами вычитающего счетчика и подключены соответственно к выходу схемы совпадения и выходу первого элемента ИЛИ, соеди ненному с установочным входом счетчика импульсов, при этом адресные входы первого постоянйого запоминающего устройства соединены с адресными вхо дани второго постоянного запоминающего устройства.

ire

фиг2

а

Ц)иг.