Устройство для измерения температуры Советский патент 1990 года по МПК G01K7/22 

Изобретение относится к термометрии, а именно к устройствам для измерения температуры с полупроводниковыми терморезисторами в качестве первичных измерительных преобразователей, и может быть использовано при построении электронных термометров с самокалибровкой и функциональным преобразованием нелинейности термометрической характеристики термопреобразователя, коррекцией температурных

ных последовательно. Такое включение обеспечивает постоянство мощности нагрева термопреобразователя I измерительным током.

Выход схемы 6 логарифмирования подключен к неинвертирующему входу компаратора 8, инвертирующий вход которого через первый запоминающий конденсатор 10 соединен с выходом ЦАП 15 и входом резистивного делителя 12. Конденсатор 10

изменений постоянной материала термо- Ю заряжается при замыкании первого ключа преобразователя и стабилизацией мощности 9, соединяющего выход и инвертирующий его разогрева измеритетьным током.

Целью изобретения является повышение

вход компаратора 8.

Выход компаратора 8 через второй ключ 11 соединен с инвертирующим входом дифточности измерения при одновременном

Выход компаратора 8 через второй ключ 11 соединен с инвертирующим входом дифрасщирении диапазона измеряемых темпе- g ференциального усилителя 13, в обратной

ратур.связи которого включен второй запоминаюВ устройстве для измерения температурыщий конденсатор 14., Выход усилителя 13

компенсация постоянной составляющей тер-подключен к аналоговому входу умножаюмометрического параметра, аддитивной ищего ЦАП 15, а инвертирующий вход - к вымультипликативной составляющих погрещ- ности звеньев, входящих в устройство, так- 20 . же как и линеаризация термометрической характеристики, осуществляется в аналоговом виде, т.е. полностью используется динамический диапазон ЦАП, разрядность которого определяется только требуемой ,,р- разрядностью кода измеряемой температуры. Стабилизируется мощность нагрева термопреобразователя измерительным током, причем схема логарифмирования, применяемая в цепи стабилизации мощности, используходу резистивного делителя 12.

Выход компаратора 8 подключен также к входу схемы 20 совпадений, второй вход которой подключен к выходу генератора 19 счетных импульсов, а выход - к счетному входу счетчика 21.

Выход счетчика 21 соединен с входами отсчетного устройства 22 и мультиплексора 16, входы которого соединены также с выходами источников кодов первой 17 и второй 18 опорных температур, обеспечивающими подачу на входы мультиплексора лоных последовательно. Такое включение обеспечивает постоянство мощности нагрева термопреобразователя I измерительным током.

Выход схемы 6 логарифмирования подключен к неинвертирующему входу компаратора 8, инвертирующий вход которого через первый запоминающий конденсатор 10 соединен с выходом ЦАП 15 и входом резистивного делителя 12. Конденсатор 10

заряжается при замыкании первого ключа 9, соединяющего выход и инвертирующий

заряжается при замыкании первого ключа 9, соединяющего выход и инвертирующий

вход компаратора 8.

Выход компаратора 8 через второй ключ 11 соединен с инвертирующим входом диф ференциального усилителя 13, в обратной

ходу резистивного делителя 12.

Выход компаратора 8 подключен также к входу схемы 20 совпадений, второй вход которой подключен к выходу генератора 19 счетных импульсов, а выход - к счетному входу счетчика 21.

Выход счетчика 21 соединен с входами отсчетного устройства 22 и мультиплексора 16, входы которого соединены также с выходами источников кодов первой 17 и второй 18 опорных температур, обеспечивающими подачу на входы мультиплексора ло

Изобретение относится к термометрии и позволяет повысить точность измерения при одновременном расширении диапазона измеряемых температур. Работа устройства осуществляется в три такта. В течение первого и второго тактов проводится самоблокировка устройства. В третьем такте коммутатор 3 подключает к блоку 4 коррекции термопреобразователь 1. За счет действия отрицательной обратной связи, охватывающей компаратор 8 через ключ 9, напряжение на запоминающем конденсаторе 10 в первом такте устанавливается равным выходному напряжению логарифматора. При последующих тактах ключ 9 разомкнут и за счет большого входного сопротивления компаратора 8 напряжение на конденсаторе 10 остается неизменным, что обеспечивает вычитание из входного сигнала компаратора 8 постоянной составляющей термометрического параметра и аддитивной погрешности измерения. 1 ил.

ется одновременно и для линеаризации тер- зо гических уровней напряжения в соответстмометрической характеристики, что обеспечивает упрощение устройства. Обеспечивается коррекция температурных изменений постоянной материала термопреобразователя, что повышает точность линеаризации термометрической характеристики. 35

На чертеже представлена структурная схема устройства для измерения температуры.

Устройство содержит термопреобразователь 1, полупроводниковый терморезисвии с двоичным (или двоично-десятичным в зависимости от вида применяемого кода) представлением кодов опорных температур. Выход мультиплексора 16 подключен к цифровому входу ЦАЦ 15.

Управляющие входы комммутатора 3, первого 9 и второго 11 ключей, мультиплексора 16 и установочный вход счетчика 21 подключены к соответствующим выходам блока 23 управления.

В устройстве применена экспоненциальLJ 1-1 1 v. J , I Ч ,i 1 ri l vj u iJJLri1 .,lJivi 1 ij vo /iv,

тор, блок 2 образцовых резисторов, комму-ная аппроксимация термометрической хататор 3, блок 4 коррекции, гиперболическийрактеристики термопреобразователя вида

преобразователь 5, схему 6 логарифмиро-R(T) (To)exp{B/ Y- E/To)/

вания, схему 7 антилогарифмирования, компаратор 8, первый ключ 9, первый запоминающий конденсатор 10, второй ключ 11, 45 резистивный делитель 12, дифференциальный усилитель 13, второй запоминающий конденсатор 14, цифроакалоговый преобразователь (ЦАЦ) 15, мультиплексор 16, источники 17 и -18 кодов первой и второй опорных температур, генератор 19 импуль- 50 сов, схему 20 совпадения, счетчик 21, отсчет- н е устройство 22 и блок 23 управления. Термопреобразоватеяь 1 и резисторы бло- .а 2 образцовых резисторов через комму- гатор 3 и блок 4 коррекции включены в цепь

/t/Cf(To)exp(B/T B/T«-)3, .(1)

где/(Т ) - сопротивление термопреобразователя при температуре Т;

/(То) - сопротивление .термопреобразователя при начальной температуре;

Rg - постоянное добавочное сопротивление;

Rui - постоянное щунтирующее сопротивление;

В -постоянная материала термопреобразователя;

Т -абсолютная температура.

Введение добавочного и щунтирующего

обратной связи функционального гипербо- 55 сопротивлений позволяет учесть температурлического преобразователя 5 - между выходом схемы 7 аптилогарифмирования и входом схемы 6 логарифмирования, соединенные изменения постоянной материала термопреобразователя и повысить точность аппроксимации.

вии с двоичным (или двоично-десятичным в зависимости от вида применяемого кода) представлением кодов опорных температур. Выход мультиплексора 16 подключен к цифровому входу ЦАЦ 15.

Управляющие входы комммутатора 3, первого 9 и второго 11 ключей, мультиплексора 16 и установочный вход счетчика 21 подключены к соответствующим выходам блока 23 управления.

В устройстве применена экспоненциальная аппроксимация термометрической хаR(T) (To)exp{B/ Y- E/To)/

/t/Cf(To)exp(B/T B/T«-)3, .(1)

где/(Т ) - сопротивление термопреобразователя при температуре Т;

/(То) - сопротивление .термопреобразователя при начальной температуре;

Rg - постоянное добавочное сопротивление;

Rui - постоянное щунтирующее сопротивление;

В -постоянная материала термопреобразователя;

Т -абсолютная температура.

Введение добавочного и щунтирующего

сопротивлений позволяет учесть температурные изменения постоянной материала термопреобразователя и повысить точность аппроксимации.

Термопреобразователь 1 через коммутатор 3 подключен к блоку 4 коррекции, осуществляющему преобразование характеристики (1) к более простому виду

/,(Т)/(То)ехр(В;/Г-В/Т„),(2)

где (Т) - эквивалентное сопротивление блока 4 коррекции с подключенным к нему термопреобразователем 1. Функцию преобразования гиперболичесрез замкнутый ключ 9, напряжение на запоминающем конденсаторе 10 в течение первого такта устанавливается равным выходному напряжению логарифматора. При этом учтено то, что и .

При последующих тактах ключ 9 разомкнут и за счет больщого входного сопротивления компаратора 8 напряжение на конденсаторе 10 остается неизменным, вкЛ ючен- ным последовательно с инвертирующим вхоИУ1 I ИИСиииЛИЧСС- J - ..-- t1

кого-„ре„аразо,..я 5 „ож„о выразить Ю K apio pT

/I(3)постоянной составляющей термометричес,деР„1 постоянный коэффициент, имеющий кого параметра и аддитивной составляюразмерность мощности;Щей погрещности измерения.

/ - входной ток схемы 6 логарифми- - рования.

При этом мощность, подводимая к термопреобразователю 1,

P. .(4)

не зависит от его сопротивления и, следовательно от температуры (при выводе учтено, 20 что /()% / (Т) С/,о).

Для более полного использования дина

На время второго такта самокалибровки замыкается ключ 11, и мультиплексор 16 подключает к входу ЦАП 15 выходной код 2 источника 18 кода второй опорной температуры 2мического диапазона ЦАП в устройстве осуществляется преобразование в цифровой код приращения t температуры термо- 25 преобразовате„1я относительно начальной температуры Ъ диапазона измеряемых температур.

Для устранения зависимости результата измерения от неконтролиуемых параметров

За счет действия отрицательной обратной связи, охватывающей компаратор 8 по цепи: ключ 11, усилитель 13, ЦАП 15, конденсатор 10, напряжение на конденсаторе 14 устанавливается таким, чтобы обеспечивалось равенство напряжений на входах компаратора 8.

В течение третьего такта ключ 11 разомкнут и за счет больщого входного сопротив- ления усилителя 13 напряжение на конденг„ --„ сатопе 14 остается неизменным, что обеспеW и V. работа устройства осуществляется ЗО Р запоминание крутизны преобразования и компенсацию мультипликативной погрешности измерения.

В течение третьего такта осуществляется

в три такта.

В течение первого и второго тактов проводится самокалибровка устройства, для чего коммутатор 3 подключает к входу блока 4 коррекции один из резисторов блока 2 образцовых резисторов с сопротивлениями, равными сопротивлению термопреобразователя 1 соответственно при первой Ti второй Т2 опорных температурах, лежащих в диапазоне измеряемых температур. Выбор значений опорных температур основан на следующем. Первая опорная температура выбирается равной начальной температуре диапазона измеряемых температур, что обеспечивает выполнение самокалибровки за два такта. Значение второй опорной темпеаналого-цифровое последовательное преобразование термометрического параметра со ступенчатым пилообразным напряжением. Для этого по сигналу блока 23 управления обнуляется счетчик 21 и разрещается прохождение счетных импульсов генератора 19 через схему 20 совпадений на вход счетчика 21, выходной код которого через мультиплексор 16 поступает на вход ЦАП 15. Последовательное увеличение кода Л счетчика 21 продолжается до момента установления равенства напряжений на входах компара40

два такта оначсиис шииип uuupnun iv-m.iv. г

ратуры выбирается в той части диапазона 45 с которого выходной сигнал

г Jtг„ .,г, m.r-,0 п/ / -гг/паа ия RVnn rvPMKl /Л

измерения, в которой желательно обеспечить наивысщую точность измерения.

В течение третьего такта коммутатор 3 подключает к блоку 4 коррекции термопреобразователь .

компаратора, поступая на вход схемы 20 совпадений, запрещает прохождение счетных импульсов на вход счетчика 21. Выходной код Л счетчика 21 определяется из равенства напряжений на входах компаратора

Стечение первого такта самокалибровки 50 8, достигаемого в момент останова счета, ключ 9 замкнут, ключ 11 разомкнут. Мультиплексор 6 подключает к входу ЦАП 15 вы-Таким образом, выходной код счетчика ходной код источника 17 кода первой опорной температуры. При выборе первой опорной температуры, равной начальной температуре диапазона измеряемых температур, справедливо равенство .

За счет действия отрицате льной обратной связи, охватывающей компаратор 8 че21, поступающий после останова счета на отсчетное устройство 22, прямо пропорционален измеряемой температуре. Осуществляя соответствующий выбор масщтабного множителя, можно обеспечить представление результата измерения в любой требуемой щкале температур.

рез замкнутый ключ 9, напряжение на запоминающем конденсаторе 10 в течение первого такта устанавливается равным выходному напряжению логарифматора. При этом учтено то, что и .

При последующих тактах ключ 9 разомкнут и за счет больщого входного сопротивления компаратора 8 напряжение на конденсаторе 10 остается неизменным, вкЛ ючен- ным последовательно с инвертирующим ..-- t1

K apio pT

Щей погрещности измерения.

На время второго такта самокалибровки замыкается ключ 11, и мультиплексор 16 подключает к входу ЦАП 15 выходной код 2 источника 18 кода второй опорной температуры 2За счет действия отрицательной обратной связи, охватывающей компаратор 8 по цепи: ключ 11, усилитель 13, ЦАП 15, конденсатор 10, напряжение на конденсаторе 14 устанавливается таким, чтобы обеспечивалось равенство напряжений на входах компаратора 8.

В течение третьего такта ключ 11 разомкнут и за счет больщого входного сопротив- ления усилителя 13 напряжение на конден сатопе 14 остается неизменным, что обеспеВ течение третьего такта осуществляется

аналого-цифровое последовательное преобразование термометрического параметра со ступенчатым пилообразным напряжением. Для этого по сигналу блока 23 управления обнуляется счетчик 21 и разрещается прохождение счетных импульсов генератора 19 через схему 20 совпадений на вход счетчика 21, выходной код которого через мультиплексор 16 поступает на вход ЦАП 15. Последовательное увеличение кода Л счетчика 21 продолжается до момента установления равенства напряжений на входах компара0

г

5 с которого выходной сигнал

с которого выходной сигнал

г, m.r-,0 п/ / -гг/паа ия RVnn rvPMKl /Л

компаратора, поступая на вход схемы 20 совпадений, запрещает прохождение счетных импульсов на вход счетчика 21. Выходной код Л счетчика 21 определяется из равенства напряжений на входах компаратора

8, достигаемого в момент останова счета, Таким образом, выходной код счетчика

8, достигаемого в момент останова счета, Таким образом, выходной код счетчика

21, поступающий после останова счета на отсчетное устройство 22, прямо пропорционален измеряемой температуре. Осуществляя соответствующий выбор масщтабного множителя, можно обеспечить представление результата измерения в любой требуемой щкале температур.

Формула изобретения Устройство для измерения температ;уры, содержащее коммутатор, первый, второй и третий входы которого подключены соответст

ровому входу цифроаналогового преобразователя, второй ключ, второй конденсатор, первый и второй источники кодов опорных температур, выходами подключенные к соотвенно к блоку образцовых резисторов, тер- с ветствующим входам мультиплексора, пер- мопреобразователю и блоку управления, генератор импульсов и отсчетное устройство, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения при одновременном расширении диапазона измеряемых

вым входом соединенного с входом отсчет- ного устройства, а вторым входом - с вторым входом счетчика и первым выходом блока управления, второй и третий выходы которого подключены соответственно к уптемператур, в него введены блок коррекции, - равляющим входам первого и второго клю- выходом соединенный со своим вторым вхо- чей, входы которых объединены с вторым дом через гиперболический преобразоватль, а первым входом подключенный к выходу

коммутатора, последовательно соединенные

входом элемента И и подключены к выходу компаратора, входом подключенного к второму выходу гиперболического преоб- компаратор, первый ключ, первый конден- 15 разователя, а инвертирующим входом - сатор, резистивный делитель, дифференци- к выходу первого ключа, выход второго клю- альный усилитель и цифроаналоговый пре- ча подключен к инвертирующему входу диф- образователь, последовательно соединен- ференциального усилителя и через второй ные элемент И, вторым входом подключен- конденсатор - к его выходу, выход цифро- ный к выходу генератора импульсов, счет- аналогового преобразователя подключен к чик и мультиплексор, подключенный к циф- 20 входу резистивного делителя.

ровому входу цифроаналогового преобразователя, второй ключ, второй конденсатор, первый и второй источники кодов опорных температур, выходами подключенные к соответствующим входам мультиплексора, пер-

ветствующим входам мультиплексора, пер-

вым входом соединенного с входом отсчет- ного устройства, а вторым входом - с вторым входом счетчика и первым выходом блока управления, второй и третий выходы которого подключены соответственно к управляющим входам первого и второго клю- чей, входы которых объединены с вторым