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

Изобретение относится к области температурных измерений, а именно к цифровым измерительным приборам с коррекцией нелинейности первичных измерительных преобразователей с индивидуальной градуировочной характеристикой, обусловленной технологическим разбросом при изготовлении.

Целью изобретения является повышение точности измерений в условиях высокого уровня помех.

На фиг. 1 представлена функциональная схема измерителя; на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие работу цифрового измерителя; на фиг.З - схема блока управления.

Цифровой измеритель температуры содержит термопреобразователь 1, первый аналоговый ключ 2, второй аналоговый ключ 3, нормирующий усилитель 4, цифроанало- говый преобразователь (ЦАП) 5, третий аналоговый ключ 6, четвертый аналоговый ключ 7, пятый аналоговый ключ 8, конденсатор 9, шестой аналоговый ключ 10, седьмой аналоговый ключ 11, восьмой аналоговый ключ 12, девятый аналоговый ключ 13, аналого- цифровой преобразователь (АЦП) 14, счег- чик 15, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 16, источник 17 опорного напряжения и блок 18 управления.

Блок 18 управления содержит (фиг.2) генератор 19 тактсвых импульсов (ГТИ), генератор 20 цикла измерения (ГЦИ), формирователь 21 интервала времени (to, 11) такта коррекции, формирователь 22 интервала времени (ti, ta) первого такта интегрирования, триггер 23 управления вторым тактом интегрирования, триггер 24 определения знака разности сигнала U (в) -- U (©о) , реверсивный счетчик 25 результата измерения, буферный регистр 26, логические элементы 2И 27 - 31. логические элементы НЕ 32 и 33, дифференцир/- ющие цепи 34 - 36, логические элементы 2ИЛ И 38-40 и логический элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 41.

АЦП 14 выполнен по схеме двухтактного интегрирования с коррекцией смеа(ения нуля. На выходе АЦП 14 формируется сигнал, информативным параметром которого является интервал времени (длительность второго такта интегрирования).

Усилитель 4 имеет дифференциальные вход и выход.

Период следования импульсов ГЦИ 20 блока управления выбирается кратным периоду промышленной или бортовой сети.

Частота ГТИ 19 блока управления определяется погрешностью дискретности преобразования, длительностью второго такта

интегрирования и длиной диапазона измерения.

Цифровой измеритель температуры работает следующим образом.

В момент времени о(для простоты анализа совпадающий с появлением импульса на выходе ГЦИ 20) формирователи 21 и 22, триггер 23, счетчик 25 (фиг.З) и счетчик 15 (фиг.1) устанавливаются в нулевое состояние. Первый (условно) тактовый импульс с выхода ГТИ 19запускаетформирователь21, в результате чего на его выходе появляется уровень Лог. 1, который подается на управляющие входы-аналоговых ключей 7, 8.

11 и 13 и аналогового ключа (не показан) цепи коррекции смещения нуля, находящегося в АЦП 14.

Дальнейшее рассмотрение работы устройства предполагает соответствие Лог. 1

на управляющем входе аналогового ключа открытому состоянию ключа.

Входное напряжение нормирующего усилителя 4 при открытых ключах 11 и 13 равно нулю и в АЦП 14 производится коррекция его аддитманой погрешности с учетом напряжения смещения нуля усилителя 4.

Счетчик 15, находяа ийся в нулевом состоянии, обеспечивает выборку из ПЗУ 16

двоичного числа No, которое определяет выходное напряжение ЦАП 5. Через открытые аналоговые ключи 7 и 8 конденсатор 9 зарядится до напряжения Uc, равного выходному напряжению термопреобраэователя 1 в

начальной точке диапазона измерения, определяемого выражением

Uc

2П

0

5

0

5

где Do напряжение на выходе источника Г/ опорного напряжения;

п -значение разрядности ЦАП 5;

No - десятичный эквивалент двоичного числа No по нулевому адресу ПЗУ 16.

В момент времени ti на выходе формирователя ,появится Лог. О, согласно которому аналоговые ключи 7, 8, 11 и 13 закроются, а АЦП 14 перейдет в режим интегрирования. Перепад логических уровней на выходе формирователя 21, воздействуя на вход разрешения V формирователя 22, вызовет появление Лог, 1 на его выходе, согласно которой откроются ключи 2, 3 и 6. При этом на входе усилителя 4 будет иметь место разность напряжений U (©) -U (©о), где U (©о) напряжение с выхода термопреобразователя 1, а напряжение на выходе интегратора станет линейно изменяйся, К моменту времени t2 приращение напряжения на выходе интегратора будет определяться выражением вида

UMHTI т / (U (в) - U (0o)dt

ч

К U (Э) - U (0о)

t2-ti

пад уровней, который через элемент 2ИЛИ 40 поступит на счетный вход счетчика 15, который, изменив состояние, обеспечит выборку из ПЗУ 16 двоичного числа N2, что приведет к изменению значения напряжения на выходе ЦАП 5. Напряжение на выходе интегратора АЛ Ц 14 в момент времени Т2.1 будет равно

Изобретение относится к области температурных измерений и позволяет повысить точность измерения в условиях высокого уровня промышленных помех. Сигнал от термопреобразователя 1 поступает через аналоговые ключи 13,2,6, конденсатор 9, нормирующий усилитель 4 на входы аналого-цифрового преобразователя 14. Линеаризация характеристики термопреобразователя, коррекции аддитивной погрешности осуществляется с помощью счетчика 15, постоянного запоминающего устройства 16, цифроаналогового преобразователя 5, источника 17 опорного напряжения и аналоговых ключей 3,7,8,10,11,12, управляемых сигналами с блока 18 управления. Результат измерения формируется в блоке 18 управления. 3 ил.

где К - коэффициент усиления усилителя 4;

г - постоянная времени интегрирования АЦП 14;

(t2 - ti) - длительность первого такта интегрирования.

Перепад логических уровней на выходе формирователя 21 в момент времени ti установит счетчик 25 результата в состояние, соответствующее кодовой комбинации на входах установки счетчика.

В момент времени t2 выход формиро- вателя 22 устанавливается в состояние Лог. 1, аналоговые ключи 2.3 и 6 закроются, перепад логических уровней на выходе формирователя 22 через инвертор 32 переключит триггер 23 в единичное состояние (на входе D триггера постоянно присутствует Лог. 1), при котором единичный сигнал с его выхода поступает на первые входы элементов 2И 27 - 30 управления ключами 10- 13.

Рассмотрим работу триггера 24 определения знака разности U (0) - U (0o). Пусть разность U (0) - U (0o) 0. Тогда в соответствии с представляемым графическим материалом к моменту времени т.2 на выходе компаратора АЦП 14 будет сформирован низкий уровень напряжения, соответствующий Лог. О. Перепад логических уровней на прямом выходе триггера 23 установит прямой выход триггера 24 в состо- яние Лог. О, при этом открываются аналоговые ключи 11 и 12; напряжение на входах усилителя 4 изменяет полярность, а изменение состояния счетчика 15, вызванное прохождением перепада напряжения с прямого выхода триггера 23 через дифференцирующую цепь на счетный вход, обусловливает выборку двоичного числа NI на цифровые входы ЦАП 5 из ПЗУ 16 по первому адресу. Таким образом, в момент време- ни t2 напряжение на входах усилителя 4 изменяет свои значение и знак.

Этим же перепадом уровней разрешается поступление импульсов с выхода ГТИ 19 через элемент 2И 31 на счетный вход С счетчика 25 результата, а Лог. Г на инверсном выходе триггера 24 обеспечивает прямой счет импульсов.

В момент времени t2.i на одном из выходов счетчика результата появится пере/21Ц0

J

122

N

dt

UHHT.I у

К Lb-N 2п

(tii-ta), (3)

где NI -десятичный эквивалент двоичного числа NI.

Пусть (t2.i - 12) AT. Тогда в момент времени t2.i + AT на счетчик 15 поступит следующий импульс, напряжение на выходе ЦАП 5 изменит свою величину, а напряжение на выходе интегратора будет определяться выражением вида

иинт2.2 UHHT.I -f

К UbNi

2n

ДТК. Lb г 2П

-Ј..

(«)

где N2 - десятичный эквивалент двоичного числа N2.

Процесс выборки чисел NI из ПЗУ 16 идет из массива памяти, признаком которого является наличие Лог. О на дополнительном входе ПЗУ 16 (для положительных значений разности , U (0) - U (©о).

В случае U (0) - U (0о) 0 напряжение на выходе интегратора в момент времени 12 будет положительным, а состояние на выходе компаратора будет соответствовать Лог. 1. Перепад уровней на выходе триггера 23 обеспечит установку прямого выхода триггера 24 в состояние Лог. 1, при этом открываются аналоговые ключи 10 и 13; знак напряжения на входах усилителя 4 будет противоположен знаку разности напряжений U (0) - U (©о). Процесс выборки чисел из ПЗУ 16 идет аналогично описанному за исключением того, что выборка идет из массива памяти, признаком которого является наличие Лог. 1 на дополнительном адресном входе ПЗУ 16 (для отрицательных значений разности U (0) - U (0o)).

Для момента времени t2i 12 + AT- i справедливо выражение

I I

UHHT2.I UnHTl - Y -Ј AT 2N (5)

21

где NI - десятичный эквивалент двоичного числа NI по -му адресу ПЗУ 16.

В момент времени ta 12 + AT- m (анализ ведется для значений измеряемой температуры, пропорциональных шагу кусочно-линейной аппроксимации

-г-д - const при I т) выражение будет

равно нулю,

Компаратор АЦП 14 изменит свое состояние на противоположное, на входах элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 41 будет 15 иметь место неравнозначность логических уровней, что вызовет переход выхода данного элемента в состояние Лог. 1. Этот перепад логических уровней дифференцируется дифференцирующей цепью 35 и че- уп рез элемент ИЛИ 37 поступит на вход R триггера 23, прямой выход которого установится в состояние Лог, 0. Аналоговые ключи, находящиеся в открытом состоянии, закроются, а перепад логических уровней 25 на инверсном выходе триггера 23 через дифференцирующую цепь 34 поступит на вход записи С регистра 26, где результат измерения хранится до окончания следующего цикла измерения.од

Для того, чтобы результат измерения был бы прямо пропорционален измерямой температуре, необходимо соответствие чисел No , NI системе уравнений

Ю длины диапазона измерения к числу участков (числу чисел NI),

Формула изобретения

(0;

Uo

. i.

(ео-ио,-,),

где Ti - длительность первого такта интегрирования (t2 - ti);

ДТ- длительность шага кусочно-линейной аппроксимации А в;;

0| - дискретные значения измеряемой температуры по диапазону измерения с шагом А®, ,1 1т.

Результат измерения для значений тем- CQ пературы, кратных шагу кусочно-линейной аппроксимации А©, определяется формулой

в

|1

Ав

в+slgn ((U (в)-и (во)) у (13 -12).

(7)

где cb число, которое записывается в счетчик результата СТ10 в момент времени ti;

Цифровой измеритель температуры, содержащий термопреобразователь, нормирующий усилитель, аналого-цифровой преобразователь, постоянное запоминающее устройство, адресные входы которого соединены с выходом счетчика, а выходы подключены к цифровым входам цифроана- логового преобразователя, блок управления, выходы которого соединены с управляющими входами счетчика и аналого- цифрового преобразователя, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения в условиях высокого уровня помех, в него введены девять аналоговых ключей, источник опорного напряжения и конденсатор, первый вывод которого соединен через первый и второй аналоговые ключи с первым выводом термопреобразователя сопротивления и общей шиной цифрового измерителя температуры соот35 ветственно, а второй вывод конденсатора через третий и четвертый ключи соединен с инвертирующим входом нормирующего усилителя и аналоговым выходом цифроаналого- вого преобразователя соответственно, (6) 40 опорный вход цйфроаналогового преобразователя соединен с первым выводом источника опорного напряжения, второй вывод которого подключен к общей шине, соединенной через пятый и шестой аналоговые ключи с неинвертирующим и инвертирующим входами нормирующего усилителя, соединенными через седьмой и восьмой аналоговые ключи с аналоговым выходом цйфроаналогового преобразователя, при этом выходы нормирующего усилителя подключены к входам аналого-цифрового преобразователя, неинвертирующий вход нормирующего усилителя соединен через девятый аналоговый ключ с вторым выводом термопреобразователя, а

55 управляющие входы всех аналоговых ключей и постоянного запоминающего устройства соединены, с соответствующими выходами блока управления.

45

sing (U (в) - U (во)) - функция знака разности (U (в) - U (в о)), равная: +1 - для положительных значений разности; -1 - для отрицательных значений разности; 0 для нулевого значения разности.

В точках диапазона измерения, лежащих между узлами кусочно-линейной аппроксимации, будет иметь место погрешность аппроксимации, пропорциональная отношению

длины диапазона измерения к числу участков (числу чисел NI),

Формула изобретения