Цифровой измеритель температуры Советский патент 1990 года по МПК G01K7/02 

d

ел

о о $с

00

ч

Изобретение относится к технике температурных измерений и может быт использовано при построении простых щитовых цифровых измерителей темпе- ратуры, работающих в комплекте с темоэлектрическими преобразователями.

Цель изобретения - повышение надежности цифрового измерителя температуры,,

На фиг,1 приведена структурная схема цифрового измерителя температуры; на фиг.2 - схема преобразователя напряжения в интервал времени; на фиг.З - схема компенсационного устройства; на фиг.4 - схема блока управления и его подключение к цифровой части прибора, на фиг.5 - бло схема функционального преобразователя

Цифровой измеритель температуры содержит термоэлектрический преобразователь (ТП) 1, переключатель полярности (ПП), усилитель 3, компенсационное устройство (КУ) 4, преоб- разователь 5 напряжения во временно интервал (ПНВ), источник 6 образцовго напряжения (ИОН), источник 7 напряжения смещения (ИНС), блок 8 управления (БУ), генератор 9 опорной частоты (ГОЧ)„ реверсивный счетчик (РСч) 10, первый 11 и второй 12 селекторы, блок 13 индикации полярности, функциональный преобразователь 14 и цифровое отсчетное устройство 15.

ПНВ 5 содержит коммутатор 16, поторитель 17 напряжения, интегрирующие резистор 18 и конденсатор 19, усилитель 20 интегратора и нуль-орган 210 Первый и второй входы ПНВ 5 через первый и второй ключи коммутатора 16 подсоединены к входу повторителя 17 напряжения, неинвертирующий вход усилителя 20 интегратора соединен с инвертирующим входом нул органа 21 и служит третьим входом ПНВ 5 о Выход нуль-органа 21 через третий ключ коммутатора 16 подсоединен к входу повторителя 17 Напряжения и служит выходом ПНВ 5. Управляющий вход коммутатора 16 является управляющим входом ПНВ 5.

КУ 4 содержит переключатель 22, выход которого подсоединен к неинве тирующему входу усилителя 23. Инвертирующий вход усилителя 23 подключен к точке соединения эмиттера первого транзистора 24 и образцовог

0

0

5

5

где

0

5

резистора 25, второй вывод которого подключен к общей шине устройства. База транзистора 24 соединена с выходом усилителя 23, а коллектор транзистора 24 через первый нестаби- лизированньш источник 26 напряжения подключен к первой вершине диагонали питания моста компенсации, вторая вершина этой диагонали соединена с эмиттером транзистора 27. База транзистора 27 подсоединена к выходу усилителя 28, а коллектор через второй нестабилизированный источник 29 напряжения - к четвертому входу КУ 4. Инвертирующий вход усилителя 28 подключен к первой вершине выходной диагонали моста, неинверти- рующий вход усилителя 28 соединен с общей шиной устройства о Вторая вершина выходной диагонали моста служит выходом КУ 4. В одной паре противоположных плеч моста расположены термочувствительные резисторы 30 и 31 с линейной зависимостью сопротивления от температуры, а в другой паре плеч - термонезависимые резисторы 32 и 33. Это дает возможность с помощью КУ 4 моделировать термо-ЭДС ТП в области изменения температур их свободных концов.

Сопротивление одного из термолезависимых резисторов должно быть в п раз больше, а другого - в п раз меньше сопротивления термочувствительных резисторов при температуре О С. При этом величину п определяют из уравнения

где

n2+2.n(1+dt,)

AL - il (2+0 X1+00:1) U ti re+rftiHlyf,) +

JLi. - il 2 + c{ t1

14 tj 2 + t2

где

-1

1

+ ,

c - температурный коэффициент сопротивления термочувствительных резисторов;

12 - значения температур свободного спая ТП в пределах диапазона их изменения;

1,2 - значения ЭДС ТЯ стандартной градуировки при температурах t1n t соответственно .

ЬУ 8 содержит делитель 34 частоты, кольцевой счетчик 35, элементы ИЛИ 36-39, RS-триггеры 40-45, D-триггер 46, импульсные трансформаторы 47-50, элементы И 51-54 и элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 55.

Первый селектор 11 выполнен на элементах И 56 и 57.

Функциональный преобразователь 14 содержит двоичный умножитель 56 частоты, счетчик 57 длины участка аппроксимации, формирователь 58 импульсов, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 59 и счетчик 60 числа участков аппроксимации.

Цифровой измеритель температуры работает следующим образом.

Перед измерением рабочий спай ТП 1 помещают в среду, температуру которой необходимо измерить,а в месте подключения свободных концов ТП располагают термочувствительные резисторы 30 и 31.

Цикл измерения состоит из двух циклов преобразования, каждый из которых состоит из трех тактов. В конце предыдущего цикла измерения ФП 14 и ЦОУ 15 обнуляются (устанавливаются в исходное состояние). В каждом цикле преобразования входное напряжение по методу двухтактного интегрирования преобразуется в числоим- пульсный код. Результат измерения определяется по методу коммутационного инвертирования как разность двух результатов двухтактных преобразований, проведенных при противоположных полярностях входного напряжения.

Каждый цикл преобразования состоит из трех тактов. В первом такте происходит установка начального уровня напряжения на интегрирующем конденсаторе 19. Это осуществляется при разомкнутых первом и втором и замкнутом третьем ключах коммутатора 16. При этом на конденсаторе 19 запоминается напряжение смещения UHO НО 21 Во втором такте происходит заряд конденсатора 19 входным напряжением усилителя 3. В цикле коррекции выходное напряжение усилителя 3

U иус

де К

+ 4Ч + 4„),

УС

«- коэффициент усиления усилителя 3; термо-ЭДС ТП;

4Ч

АКПри этом U

эквивалентное напряжение смещения, приведенное к входу прибора-, эквивалентное напряжение смещения КУ 4.

йк RM

с а

+ ui3

ft

1+/S

1

где

R«

RN1+/5 1 + 1/К2з

Кэ1 R зо Кэг.Кзз.

+4

23

R3,+

1зт

R3,+

7з

R

30

R33

5

4«rKJ3

5

0

сопротивления резисторов 30-33j Uc- - напряжение сдвига

1 (блок 7);

R - сопротивление токоза- дающего резистора 25; эквивалентное напряжение смещения и коэффициент передачи усилителя 23 -,

коэффициент усиления транзистора 24j эквивалентное напряжение смещения усилителя 28.

К концу второго такта выходное напряжение интегратора

Р 4

VT ги1Ьс-ЦсЭ+еи+еп т

но исЭЈL

5

0

где

R UC 1Э

;п

5

постоянная времени интегрирующей цепи; соответственно сопротивление и емкость резистора 18 и конденсатора 19,1

е и - эквивалентные напряжения смещения повторителя 17 и усилителя интегратора 20;

Т - время заряда конденсатора 19.

В третьем такте происходит разряд конденсатора 19 до значения напряжения UH(J + ис. В этот момент ПНВ 5 переводится в такт установки начального уровня. От начала третьего такта до момента срабатывания НО 21 на протяжении отрезка времени t БУ 8 разрешает прохождение импульсов ГОЧ 9 частотой fо через селектор 11 на вычитающий вход РСч 10„

N

где

Е - напряжение ИОН 6.

В цикле измерения в код зуется выходное напряжение ля 3 К

F

где UK KN

Ус(е в Р

+ йк+ Л

1

1+0 ТиЖ

23

Напряжение Uyc преобразуется в интервал времени

U

ус

- Ucd + е ы + ег

Ео Т,

С началом третьего такта цикла измерения БУ 8 разрешает импульсам ГОЧ 9 проходить через селектор 11 на суммирующий вход РСч 100 В момен перехода РСч 10 через нуль по его выходному сигналу БУ 8 прекращает подачу импульсов ГОЧ 9 на селектор 11 и разрешает их прохождение через селектор 12 на ФП 14. Таким образом происходит вычитание в реальном масштабе времени из длительности интервала t длительности интервала

К

t x и формирование интервала времени t х t - t,. пропорционального результату измерения. По моменту срабатывания НО 21 в цикле измерения прекращается формирование интервало времени t и tx соответственное и

Ч

U

к

ус

- U ус

ЕО - е,

Т

Кч,с(ее + UK)

Дс ЕО - е.

, По моментам перехода НО 21 и РСч 10 через нуль в БУ 8 определяют полярность измеряемого напряжения. Если первым через нуль переходит РСч 10, а вторым НО 21, то КИП 13 покажет знак +, если наоборот - то -. Соответственно по этому сигналу в ФП 14 подключается схема линеаризации положительных либо отрицательных температур.

В ФП 14 происходит преобразование количества импульсов N х tvf0, пропорциональных измеряемой термо-ЭДС ТП е9 f(CJx), в количество импульсов Ng FNX , пропорциональное измеряемой температуре Q х M(eg) , где F - коэффициент преобразования ФП 14. Аппроксимация производится по программе, записанной в ПЗУ 59. В ПЗУ 59 записаны коэффициент преобразования

N

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

8

на каждом участке аппроксимации р,- каждого участка.

К,

и длительность N

Код N к,- устанавливает коэффициент преобразования умножителя 56 частоты, а код Noi устанавливает в счетчике 57 длительность участка, Числоим- пульсный код N д, поступает на умножитель 56, где делится на коэффициент FJ . С выхода умножителя импульсы . поступают в ЦОУ 15 и на счетчик 57. При переходе счетчика 57 через нуль на его выходе формируется импульс, который приводит к увеличению на единицу содержимого счетчика 60, т.е. изменению адреса выборки ПЗУ. На выходах ПЗУ 59 устанавливаются следующие значения N K44i и .По заднему фронту импульса, приходящего в счетчик 57, формирователь 58 формирует импульс разрешения предварительной записи, по которому в счетчик 57 записывается код N -4 .При установке ФП 14 в исходное состояние счетчик 60 сбрасывается в нуль, а в счетчике 57 записывается код N длительности первого участка аппроксимации. Алгоритмы аппроксимации для температур выше и ниже О С устанавливаются путем выборки соответствующих областей ПЗУ подачей на старший разряд адреса 0 при и 1 при Qx 0°C.

Компенсационное устройство работает следующим образом. I

Переключателем 22 подают на вход стабилизатора тока (элементы 23-26) напряжение U cn в цикле коррекции, либо ЕО + исл в цикле измерения. Нестабилизированный источник 26 напряжения служит для обеспечения активного режима работы транзистора 24. Резистор 25 служит опорным элементом стабилизатора тока. Преобразователь 28 ток - напряжение преобразует плавающее падение напряжения на мосте в напряжение, отсчитывае- |мое относительно общей шины устройства. Нестабилизированный источник 29 напряжения служит для задания активного режима работы транзистора 27. Ток питания моста компенсации замыкается только через источники 26 и 29, транзисторы 24 и 27 и резистор 25. Это позволяет значительно упростить реализацию КУ 4 по . сравнению с прототипом без ухудшения метрологических характеристик прибора в целом. Для уменьшения влияния

на результат измерения коэффициента усиления р транзистора 24 он может быть выполнен по схеме составного транзистора. В предлагаемом устройст ве практически без методической погрешности моделируется термо-ЭДС ТП в области изменения температуры СК. Кроме этого, исключена АСП, вызванная влиянием активных элементов КУ, контактными ЭДС и токами утечки источников питания.

БК 8 работает следующим образом.

Делитель 34 частоты по частоте f ГОЧ 9 формирует импульсы с периодом Т0. Кольцевой счетчик 35 формирует шесть сдвинутых по времени импульсов длительностью Т. Но переднему фронту первого и четвертого импульсов на выходе второго импульсного трансформатора 41 формируется сигнал начала второго такта каждого цикла, второго и пятого импульсов на выходе третьего импульсного трансформатора 49 - сигнал начала третьего такта, шестого импульса через первый импульсный трансформатор 47 - сигнал начала первого цикла преобразования. Эти сигналы формируются RS-триггера- ми 40-42. RS-триггер 43 фиксирует срабатывание НО 21. RS-триггеры 41- 43 сбрасываются в О сигналом установки в 1 следующего после него. триггера. Триггер 40 сбрасывается в О сигналом срабатывания НО. Выходной сигнал триггера 40 управляет ПП 2 и переключателем 22 КУ 4, а триггеров 41-43 - работой коммутатора 16 ПНВ 5. Замыкание ключей коммутатора 16 производится единичным уровнем на выходах триггеров 41-43. Триггер 41 задает время заряда интегрирующего конденсатора напряжением , триггер 42 - время интегрирования опорного напряже - ния Е0 до момента срабатывания НО, триггер 43 вырабатывает сигнал установки начального уровня интегратора о Выходной сигнал импульсного трансформатора 50, свидетельствующий о срабатывании НО, и сигнал перехода через нуль РСч 10 фиксируются путем сброса в нуль RS-триггеров 44 и 45. Очередность их срабатывания фиксируется D-триггером 46 путем записи в него состояния триггера 44 в момент прохождения сигнала перехода через нуль РСч 10. Таким образом, при на выходе D-триг

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

гера 46 устанавливается нулевой уровень, а при ( - единичный. Выход D-триггера 46 служит для индикации знака в БИП 13 и управления ФП 14. Команду разрешения прохождения импульсов с ГОЧ 9 на вычитающий вход РСч 10 по состоянию RS-триггера 44 и второго выхода кольцевого счетчика формирует элемент И 53. Команду разрешения прохождения импульсов на суммирующий вход РСч 10 до момента его обнуления формирует элемент И 54. Сумматор по модулю два 55 анализирует состояние RS-триггеров 44 и 45. При несовпадении их состояний элемент 55 переходит в единичное состояние, что в третьем такте второго цикла преобразования служит сигналом разрешения прохождения импульсов с генератора 9 через селектор 12 на ФП 14.

Формула изобретения

1. Цифровой измеритель температуры, содержащий термоэлектрический преобразователь, подключенный к входам переключателя полярности, первый выход которого соединен с первым входом усилителя, источник напряжения смещения, источник опорного напряжения, первый вывод которого соединен с первым входом компенсационного устройства и вторым входом преобразователя напряжения в интервал времени, выход которого подключен к первому входу блока управления, второй вход которого соединен с выходом генератора опорной частоты и первыми входами первого и второго селекторов, реверсивный счетчик, входы которого соединены с выходами первого селектора, а выход подключен к третьему входу блока управления, первый выход которого соединен с управляющими входами компенсационного устройства и переключателя полярности, второй выход подключен к управляющему входу преобразователя напряжения в интервал времени, третий и четвертый выходы соединены соответственно с управляющими входами первого и второго селекторов, пятый выход соединен с третьим входом первого селектора, а шестой выход подключен к управляющим входам блока индикации полярности и функционального преобразователя, вход которого соединен с выходом второго селектора, выход подключен к входу цифрового отсчет

ного устройства, а управляющий вход соединен с управляющим входом цифро- врго отсчетного устройства и седьмым выходом блока управления, о т л и- чающийся тем, что, с целью повышения надежности, первый вывод источника напряжения смещения подключен к общей шине измерителя, а второй вывод соединен с вторым выводом источника опорного напряжения, вторым входом компенсационного устройства и третьим входом преобразователя напряжения в интервал времени, первый вход которого соединен с выходом усилителя, второй вход которого подключен к общей шине измерителя, соединенной с четвертым входом компенсационного устройства, третий вход которого соединен с вторым выходом переключателя полярности.

2. Измеритель по п.1, отличающийся тем, что компенсационное устройство содержит два операционных усилителя, образцовый реячс тор, мост компенсации, два транзистора, два дополнительных источника напряжения и переключатель, первый -к второй входы которого соединены соответственно с первым и вторым вхо-

0

5 0

5

0

дами компенсационного устройства, управляющий вход соединен с управляющим входом компенсационного устройства, а выход - с неинвертирующим входом первого операционного усилителя, инвертирующий вход которого подключен к точке соединения эмиттера первого транзистора и первого вывода образцового резистора, а выход подключен к базе первого транзистора, коллектор которого через первый дополнительный источник напряжения подключен к первой вершине диагонали питания моста компенсации, вторая вершина которого соединена с эмиттером второго транзистора,база которого соединена с выходом второго операционного усилителя, а коллектор через второй дополнительный источник соединен с четвертым входом компенсационного устройства, вторым выводом образцового резистора и неинвертирующим входом второго операционного усилителя, инвертирующий вход которого соединен с первой вершиной выходной диагонали моста компенсации, вторая вершина выходной диагонали которого является выходом компенсационного устройства.

Изобретение относится к температурным измерениям и позволяет повысить надежность цифрового измерителя. На входы преобразователя напряжения в интервал времени (ПНИВ) 5 поступают напряжения с выходов источника 7 напряжения смещения, источника 6 образцового напряжения, компенсационного устройства 4 и усилителя 3, на вход которого поступает через переключатель 2 полярности сигнал с термоэлектрического преобразователя (ТП) 1. ПНИВ 5 совместно с генератором 9 опорной частоты, селекторами 11,12, блоком 8 управления и реверсивным счетчиком 10 осуществляет преобразование поступающих напряжений в числоимпульсный код, пропорциональный температуре ТП 1, который поступает через функциональный преобразователь 14 в отсчетное устройство 15. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

Фиъ.2

фиг.З

Фиг А

.«

56

J I

r i

M

JL.

1

.J

Фаг. 5

CSpoc