Устройство для измерения температуры Советский патент 1991 года по МПК G01K7/16 

с 4 Ю ГО

VJ о

Изобретение относится к температурным измерениям, а именно к устройствам для измерения температуры с коррекцией нелинейности первичных измерительных преобразователей, и может быть исполь- зовано при точных измерениях температуры.

Целью изобретения является повышение точности измерения устройства и рас- ширение класса аппроксимируемых Функций преобразования.

На чертеже представлена функциональная схема предлагаемого устройства.

Устройство для измерения температуры содержит первичный измерительный преобразователь 1, преобразующий температуру в напряжение, двоичный умножитель 2, включающий в себя последовательно соединенные реверсивный счетчик 3 и преобразователь 4 кода в частоту, частотный вход и выход которого являются соответственно входом и выходом двоичного умножителя 2, преобразователь 5 напряжения во временной интервал, последовательно соединенные счетчик б длины участка и счет- чик 7 номера участка, управляемый преобразователь 8 частоты, включающий в себя последовательно соединенные мультиплексор9 и преобразователь 10 кода в частоту, частотный вход и выход которого являются соответственно частотным входом и выходом управляемого преобразователя 8 частоты, реверсивный счетчик 11 результата измерения, генератор 12 импульсов, ключ 13,блок14управленияишиф- ратор 15.

Если весь диапазон изменения напряжения на выходе первичного измерительного преобразователя температуры разбить на m равных по длине участков и на каждом из них функцию преобразования первичного измерительного преобразователя аппроксимировать с достаточной степенью точности полиномом второй степени, то на любом i-ом участке аппроксимации измеря- емая температура может быть выражена формулой, определяющей функцию преобразования

в bol ± bli(U-UiM) ±02 (U-Uiff

причем

(1) 50

UiH U UIK, 1 m , где U - напряжение на выходе первичного измерительного преобразователя 1;55

Э- измеряемая температура;

UIH, UIK - напряжения выходе первич- ного измерительного преобразователя 1 в

начальной и конечной точках 1-го участка соответственно;

b-oi,bii,b2i - постоянные коэффициенты, соответствующие l-му участку, при этом знаки полярности перед коэффициентами Ьц и b2i могут принимать любые сочетания независимо от номера участка аппроксимации.

Необходимо отметить, что разбивка на участки диапазона изменения напряжения на выходе первичного измерительного преобразователя производится при условии не только, как отмечалось выше, равенства их длины Ди

AU UiK- U,H const,(2)

но и при условии, чтобы, во-первых, в узлах аппроксимации функция преобразования (1) не претерпевала разрыва, т.е. чтобы соблюдались равенства

boi boi-i + Д01-1 ,(3)

гдеД0|-1 ±bii-i -Ди ±Ь к-2 Д U2, (4) а, во-вторых, чтобы за узлы аппроксимации выбирались в том числе экстремальные точки и точки перегиба при наличии их в функции преобразования (1), в которых ее первые и вторые производные соответственно меняют знаки полярности на противоположные.

В начале цикла измерения импульс напряжения с первого выхода блока 14 управления, поступающий на входы записи реверсивных счетчиков 3 и 11, производит в них запись чисел, соответствующих кодам их начальных уставок Bi и В0. шины которых соединены с информационными вхо- дами этих счетчиков. Вслед за записью чисел импульс напряжения с второго выхода блока 14 управления запускает преобразователь 5 напряжения во временной интервал, длительность Тп которого определяется выражением

Тп KU(5)

где К - коэффициент преобразования преобразователя 5 напряжения во временной интервал.

Учитывая непрерывность и линейность преобразования напряжения во временной интервал, можно считать справедливыми следующие выражения;

Tni K(u-UiH))

дтп кди,ГО

где Ты - время преобразования, пропорциональное разности текущего и начального значений напряжения на I-ом участке;

ДТП - время преобразования, пропорциональное длине участка AU.

Одновременно с началом формирования временного интервала импульсы с частотой fo от генератора 12 импульсов через открытый ключ 13 поступают на частотные входы преобразователей 4 и 10 кода в частоту, а также на счетный вход счетчика б длины участка. Для каждого 1-го участка выходная частота fyMi двоичного умножителя 2, равная выходной частоте преобразователя 4 кода в частоту, определяется выражением

fyMi Kv N11

fo 2n

N11

где NII - выходной код реверсивного счетчика 3;

Kt - коэффициент преобразования преобразователя 4 кода в частоту;

п - число разрядов преобразователя 4 кода в частоту, равное числу разрядов реверсивного счетчика 3.

В каждый момент времени т на любом 1-ом участке в интервале преобразования ТП| выходной код NH реверсивного счетчика 3, поступающий на кодовые шины преобразователя 4 кода в частоту, будет равен

N11 В11 ±fyn4 t

причем

В ii В11-1 ± f упчм АТП

fyn4i K2B2I B2I , ,

где Вц-1, 811 - выходные коды реверсивного счетчика 3, соответствующие начальным моментам аппроксимации на (Ы)-ом и i-ом участках;

fynni-i, fyn4i - выходные частоты управляемого преобразователя 8 частоты на (1-1)-ом и i-ом участках соответственно;

B2I - выходной код мультиплексора 9 на 1-ом участке;

К2 - коэффициент преобразования преобразователя 10 кода в частоту;

р-число разрядов преобразователя 10 кода в частоту, равное числу разрядов мультиплексора.

При этом выходной код реверсивного счетчика 3 в начальный момент аппроксимации на i-ом участке соответствует записанной в него ранее начальной уставке BL Знаки полярности + либо - в выражениях (9) и (10) употребляются в зависимости от режима, в котором должен работать реверсивный счетчик 3: в суммирующем либо в вычитающем на i-ом и (Ы)-ом участках соответственно. С частотного выхода двоичного умножителя 2 на счетный вход реверсивного счетчика 11 результата измерения за время преобразователя Tni пройдет число импульсов N2i, равное

Tnl

ТП|

inl m f

N21 / fywidt (Bii ±fyn4rt)dt оо 2

JoJ3li.T fo-fynxi T2 rr; гм - . „ -L -1 i m .

2n

ТГТ1

(12)

Учитывая выражения (6) и (11), формулу 15 (12) запишем в виде

N2i „Kfo-Bn .(и-иГ)±

20 ).(1Ч

К концу времени преобразователя Тп 25 выходной код реверсивного счетчика 11 результата измерения будет соответствовать числу импульсов №, равному

N3 Boi ± N2i(14)

30 причем, в силу плавности .преобразования, характеризуемого отсутствием записи каких-либо чисел в этот счетчик в моменты прохождения узлов аппроксимации, что приводило бы к скачкообразному измене- 35 нию (разрыву) его выходного кода, будут справедливы равенства, соответствующие условию непрерывности функции преобра- - зования (1) согласно выражениям (3) и (4)

Boi BoM ± N21-1; .

К1е-Вц-1.д

2п

(Kf0)2-B2i-1 ди2

2 п + Р + 1

(15)

(16)

где Boi-1, Boi - выходные коды реверсивного счетчика 11 результата измерения, соответствующие начальным моментам аппроксимации на (1-1)-ом и i-ом участках.

При этом выходной код реверсивного счетчика 11 результата измерения в началь- ный момент аппроксимации на I-ом участке соответствует записанной в него ранее начальной уставке В0. Знаки полярности + либо - в выражениях (14) и (15) употребляются в зависимости от режима, в котором должен работать реверсивный счетчик 11

результата измерения: в суммирующем, либо в вычитающем на f-ом и (Ы)-ом участках соответственно. Учитывая выражение (13), формулу (14) запишем в следующем виде:

N3 Bol±iKf°.lBli -(и-иГ)±

2п

(КЬУ-Вя ()2

2 п тр +1 v

(17)

т.е. при разбиении на участки диапазона изменения напряжения на выходе первичного измерительного преобразоёзтеля значение коэффициента bi 1-го участка должно определяться по значениям коэффициентов bi и Ьа предшествующего 1-1 -го участка При этом нетрудно убедиться, что соблюдение соотношения (23) равносильно необходимости соблюдения в узлах аппроксимации непрерывности первой производной функции преобразования (1) при разбиении ее на участки, т.е. выполнения равенства

Изобретение относится к термометрии и позволяет повысить точность измерения и расширить класс аппроксимируемых функций преобразования. Выходной сигнал первичного измерительного преобразователя 1 преобразуется во временной интервал с помощью преобразователя 5 напряжения во временной интервал. На время действия сигнала с выхода преобразователя 5 напряжений во временной интервал открывается ключ 13, через который с выхода генератора 12 проходят импульсы на частотные входы двоичного умножителя 2, управляемого преобразователя 8 частоты и на счетный вход счетчика 6 длины участка. Количество импульсов, прошедшее с выхода генератора 12, определяет номер участия аппроксимации, в соответствии с которым на выходе двоичного умножителя 2 появляется количество импульсов, пропорциональное аппроксимированому значению функции преобразования. Результат измерения накапливается в счетчике 11 результата измерения. 1 ил. со С

Сопоставляя выражения (1) и (17), мож-d 0

но отметить, что при соблюдении равенств 15 dU

-I- Bo,.

- (Kfo)

aT

Bn

(KfoV

a2n +P + 1

B2i

(18) (19)

(20)

будет выполняться соотношение Na a Э,

где а- коэффициент пропорциональности.

Для удобства отсчета коэффициент а выбирается кратным десяти.

Соблюдение равенства (18) при заданном а обеспечивается путем выбора величины начальной уставки Во, соответствующей коэффициенту Ь0 первого участка аппроксимации, и выполнения равенства (19) и (20) для каждого из m участков, необходимость выполнения которых вытекает из формул (3), (4) и (15), (16).

В свок очередь соблюдение равенства (19) при заданных а, К, f0 и п обеспечивается путем выбора величины начальной уставки Bi, соответствующей коэффициенту bi первого участка аппроксимации, и выполнения для последующих участков определенного соотношения между значением коэффициента bi i-ro участка и значениями коэффициентов bi и ba (i-1)-ro участка, которое сводится к следующему. Учитывая равенства (7), (11) и (19), формулу (10) можно записать в виде

bi.-bii-i± ICfo Pn2 -1-AU. (21)

а2Р1-л

Учитывая равенство (20), получаем соот- нвшение

birbn-i ±2 b2M AU,(22)

d0

dU

IU Uf . (23)

Таким образом, разбиение на участки диапазона изменения напряжения на выходе первичного измерительного преобразователя должно производиться при условии отсутствия а узлах аппроксимации разрыва не только функции преобразования, но и ее первой производной.

Что касается соблюдения равенства(20)

при заданных а. К, f0, n и р, то оно обеспечивается установлением числа B2i на входе преобразователя 10 коДа в частоту в начальный момент аппроксимации 1-го участка, .что достигается следующим образом. В момент

начала формирования временного интервала Тп импульсы с частотой f0 начинают поступать с выхода ключа 13 на счетный вход предварительно обнуленного (цепь сброса не показана) счетчика 6 длины участка, период Т выходных импульсов которого равен

т-Ј- . РО

где Кз - коэффициент пересчета счетчика 6 длины участка.

Период Т выбирается таким, чтобы он был равен времени преобразования АТп длины участка AU, т.е. чтобы выполнялось равенство

0

5

Кз К -to AU.(25)

Выходные импульсы счетчика 6 длины участка с периодом Т поступают на счетный вход счетчика 7 номера участка, в результате чего последний поочередно устанавливается в одно из m состояний, начиная с второго. Установка счетчика 7 в первое состояние, соответствующее первому участку и тем самым дальнейшее установление соответствия между номерами участков и состояниями счетчика 7, производится путем подачи импульса обнуления (цепь сброса не показана) в тот же момент, что и для счетчика 6, а именно перед запуском преобразователя 5 напряжения во временной интервал, например в момент записи начальных уставок Во, Bi. Последовательно сменяемая по мере перехода с участка на участок кодовая комбинация с выходных шин счетчика 7 поступает на управляющие входы мультиплексора 9, в результате чего на выходе последнего в моменты перехода с i-1-ro на i-й участок устанавливается необходимое i-му участку число B2i из ряда мультиплексируемых чисел 621...B2m, шины которых соединены с информационными входами мультиплексора 9.

Упоминаемые ранее режимы работы реверсивных счетчиков 11 и 3 на сложение, либо на вычитание определяются исходя из знаков полярности первой и второй производной функции преобразования (1) на каждом из m участков, причем, если первая производная d0

dll

±Ьц ±2b2i U,H ±2b2l U (26)

положительна на i-ом участке, т.е. если функция преобразования (1) на i-ом участке монотонно возрастающая, то реверсивный счетчик 11 результата измерения должен устанавливаться в режим сложения, а, если отрицательна, т.е. если функция преобразования (1) на i-ом участке монотонно убывающая - то в режим вычитания, если вторая производная

d20

dl)2

± 2 D2i

(27)

положительна или отрицательна на i-ом участке, т.е. если функция преобразования на i-ом участке будучи монотонно возрастающей либо монотонно убывающей, выпукла вниз (знак + перед коэффициентом b2i) либо вверх (знак - перед коэффициентом b2i), то реверсивный счетчик 3 на этом участке должен устанавливаться в режим сложения, если полярность произведения знаков полярностей первой и второй производных на указанном участке положительна, и в режим вычитания, если отрицательна.

Установление необходимых режимов работы реверсивных счетчиков 3 и 11 на каждом из m участков осуществляется с помощью шифратора 15. Последовательно сменяемая по мере перехода с участка на участок кодовая комбинация с выходных шин счетчика 7, поступающая на входные шины шифратора 15, шифруется на каждом из его выходов в логические уровни - в нижний, либо в высокий - в зависимости от необходимых режимов работы реверсивных счетчиков 3 и 11 на каждом из m участков

аппроксимации. При этом первый выход шифратора 15, обеспечивая реверс счетчика 11 результата измерения в экстремальных точках, в которых первая производная меня- ет знак полярности, позволяет реализовать аппроксимацию немонотонных функций, а второй выход шифратора 15. обеспечивая реверс счетчика 3 в точках перегиба, позволяет реализовать аппроксимацию функций,

0 имеющих в диапазоне своего изменения разную степень выпуклости, характеризуемую разной полярностью ее второй производной.

Таким образом,реализация в предлага5 емом устройстве разбивки диапазона изменения напряжения на выходе первичного измерительного преобразователя на участки аппроксимации, выражаемые полиномами второй степени, выбор в качестве

0 узлов аппроксимации наряду с другими точками экстремальных точек или (и) точек перегиба, в которых первые и вторые производные функции преобразования меняют знаки полярности, и установление в

5 пределах каждого из участков аппроксимации необходимых режимов работы реверсивных счетчиков 11 и 3 согласно знакам этих полярностей, дают возможность повысить точность измерения температуры и

0 охватить кусочно-нелинейной аппроксимацией широкий класс функций преобразования как монотонных, так и немонотонных, имеющих одну или более точек экстремума или (и) перегиба.

5

Формула изобретения 1. Устройство для измерения температуры, содержащее первичный измерительный преобразователь, двоичный умножитель,

0 включающий в себя последовательно соединенные счетчик импульсов и преобразователь кода в частоту, выходом подключенный к счетчику результата измерения, последовательно соединенные генератор импуль5 сов и ключ, выходом подключенный к частотному входу двоичного умножителя, блок управления, первый выход которого подключен к входам записи счетчика импульсов двоичного умножителя и счетчика

0 результата измерения, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены преобразователь напряжения во временной интервал, вход и выход которого соединены соответствен5 но с выходом первичного измерительного преобразователя и с управляющим входом ключа, последовательно соединенные счетчик длины участка и счетчик номера участка, и управляемый преобразователь частоты, выполненный в виде последовательно

соединенных мультиплексора и преобразователя кода в частоту, причем управляющий вход и частотный выход управляемого преобразователя частоты соединены соответственно с выходом счетчика номера участка и со счетным входом счетчика импульсов двоичного умножителя, выход ключа соединен с частотным входом управляемого преобразователя частоты и со счетным входом счетчика длины участка, а второй выход блока управления соединен с управляющим входом, преобразователя напряжения во временной интервал.

0

3.Устройство по пп. 1 и 2, отличающее с я тем, что второй выход шифратора соединен с управляющим входом счетчика результата измерения, выполненного реверсивным.