Устройство для измерения температуры Советский патент 1992 года по МПК G01K7/30 

±L

П

жит термошумовой преобразователь 1, усилитель 2 напряжения, преобразователь 3 тока в напряжение, два полосовых фильтра 4 и 6, источник 5 эталонного постоянного напряжения, переклю- чатели I, II, III, IV, V и VI с неподвижными 7, 8, 11, 12, 13, 14, 16,

18, 19, 20 и 23 и подвижными контактами 9, 10, 15, 17, 21 и 24, перемножитель 25, фильтр 26 низких частот, аналого-цифровой преобразователь 27 двухтактного интегрирования, сумматор 28, регистратор 29 и формирователь 30 управляющих сигналов. 1 ил.

Изобретение относится к шумовой термометрии. Цель изобретения - повышение точности результата измерения температуры. Отличительной особенностью устройства для измерения температуры является введение новых блоков : преобразователя тока в напряжение, двух полосовых фильтров, источника эталонного постоянного напряжения, четырех переключателей, фильтра низких частот, а также их связь с остальными элементами схемы. Устройство для измерения температуры содер

Изобретение относится к шумовой термометрии,

Известен шумовой термометр, содержащий шумовой термопреобразователь, предусилитель напряженности, преобразователь тока в напряжение, усилитель, фильтр, измеритель среднеквадратичных значений (СКЗ) сигналов, пропорциональных измеряемым напряжению и току, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), запоминающие устройства среднеквадратичных значений и перемножающее устройство.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для измерения температуры, содержащее термошумовой преобразователь, образцовый резистор, два усили- чтеля, перемножитель, аналого-цифровой преобразователь двухтактного интегрирования, сумматор, преобразователь сопротивление - код, коммутатор, ключи,цифровое делительное устройство, регистратор и блок управления.

Однако известное устройство для измерения температуры обладает низкой точностью измерения температуры ввиду влияния погрешностей преобразования сопротивления измерительного резистора в напряжение делительного устройства, а также поддержания на определенном уровне температуры образцового резистора.

Целью изобретения является повышение точности результата измерения температуры.

Указанная цель достигается тем, что в устройство для измерения температуры, содержащее аналого-цифровой преобразователь, выход которого соединен через сумматор с входом регистратора, термошумовой преобразователь, первьй вывод которого подсоединен к общей шине, формирователь управляющих сигналов, подключенный выводами к управляющим входам первого и второго переключателей, аналого-цифрового

0

преобразователя и сумматора, перемножитель и усилитель напряжения, введе, ны первьй полосовой фильтр, подключенный выходом к первому неподвижному контакту первого переключателя и соединенный входом с выходом усилителя напряжения, второй полосовой

0 фильтр, подключенный выходом к первому неподвижному контакту второго riервключателя, третий и четвертый переключатели, подключенные первыми неподвижными контактами к подвижному

5 контакту первого переключателя и подключенные подвижными контактами соответственно к первому неинвертирующему и первому инвертирующему входам перемножителя, пятый и шестой переключатели, соединенные первыми неподвижными контактами с подвижным контактом второго переключателя и подклю- - ченные подвижными контактами соответственно к второму неинвертирующему и второму инвертирующему входам пере5 множителя, фильтр низких частот,

включенный между выходом перемножителя и информационным входом аналого- цифрового преобразователя, источник эталонного постоянного напряжения,

0 подключенный выходом к вторым неподвижным контактам первого и второго переключателей, преобразователь тока в напряжение, подсоединенный входом к второму выводу термошумового пре5 образователя, соединенному с входом усилителя напряжения, причем, выход преобразователя тока в напряжение подключен к входу второго полосового фильтра, а другие выходы формирова0 теля управляющих сигналов соединены с управляющими входами третьего,четвертого,пятого и шестого переключателей, подсоединенных вторыми неподвижными контактами к общей

5 шине.

На чертеже приведена схема устрой ства для измерения температуры.

Устройство для измерения температуры содержит термошумовой преобразователь 1, усилитель 2 напряжения, преобразователь 3 тока в напряжение, первый 4 и второй 6 полосовые фильтры, источник 5 эталонного постоянного напряжения, переключатели I-VI с неподвижными . 7, 8, 11, 12, 13, 14, 16, 18, 20, 22 и 23 и подвижными 9, 10, 15, 17, 21 и 24 контактами, перемножитель 25, фильтр 26 низких частот аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 27 двухтактного интегрирования, сумматор 28, регистратор 29, формирователь 30 управляющих сигналов.

I

Термошумовой преобразователь 1

подсоединен к входам усилителя 2 напряжения и преобразователя 3 тока в напряжение, выходы которых соединены с входами полосовых фильтров 4 и 6, а выходы полосовых фильтров соединены через переключатели I-VI с инвертирующими и неинвертирующими входами перемножителя 25. Первый неподвижный контакт 8 переключателя I соединен с выходом фильтра 6, а неподвижный контакт 12 переключателя II - с выходом фильтра 4. Вторые неподвижные контакты 7 и 11 переключателей I и II соединены с выходом источника эталонного постоянного напряжения. Подвижные контакты 9 и 10 переключателей I и II соединены с соответствующиIS I

и, (t) + ) + in(t)dt, П)

I

где tL.(t), iu(t) - мгновенные значения напряжения и тока тепловых шумов термошумового преобразователя 11

tt - напряжение помех, включающее собственные шумы усилителя 2 напряжения, дрейф напряжения смещения перемко- жителя 25 ;ч

n - ток помех, включающий собственный шум преобразователя 3 тока в напряжение, дрейф тока перемножите- f ля 25;

- результирующий

коэффициент пере

ми неподвижными контактами 20, 22 и 14, 16 переключателей V, VI и III, IV соответственно. Вторые неподвижные контакты 13, 18, 19 и 23 переключателей III-VI соединены с общей шиной, а подвижные контакты 15, 175 21 и 24 этих же переключателей соединены с инвертирующими входами 17, 24 и неинвертирующими входами 15, 21 перемножителя 25. Выход перемножителя 25 подключен к входу последовательно соединенных фильтра 26 низких частот, АЦП 27, сумматора 28 и регист-4 ратора 29. Выходы формирователя 30 управляющих сигналов соединены с соответствующими управляющими входами переключателей I-VI, АЦП 27 двухтактного интегрирования и сумматора 28.

Устройство работает следующим образом.

Измерение температуры осуществляется за четыре цикла двухтактного интегрирования АЦП. Во время первого

5 цикла при первом такте интегрирования контакт 9 переключателя I замкнут на контакт 8, контакт 10 переключа- теля II - на контакт 12, контакт 15 переключателя III - на контакт 14, контакт 17 переключателя IV - на контакт 18, контакт 21 переключателя V - на контакт 20, контакт 24 переключателя VI - на контакт 23 При этом на выходе интегратора АЦП напряжение

S I

5

0

t) + in(t)dt, П)

I

дачи преобразователя 3 тока в

напряжение усилителя

напряжения 2 и перем- ножителя 25;

t - время первого такта интегрирования.

При втором такте интегрирования контакт 9 переключателя I замкнут на контакт 7, контакт 10 переключателя II - на контакт Н, контакт 15 переключателя III - на контакт 13, контакт 17 переключателя IV - на контакт 16, контакт 21 переключателя V - на контакт 20, контакт 24 переключателя VI - на контакт 23,

На вход АЦП при этом подается напряжение

U2 - K2(-U0 + ПГ) (U0 + Ищ) (2) где Uo - напряжение источника эталонного постоянного напряжения :

Un, - напряжение собственного

шума перемножителя 25; К- - коэффициент передачи перемножителя 25.

Учитывая известное соотношение, характеризующее баланс напряжений

17321868

на выходе интегратора АЦП 27, результирующее напряжение на выходе интегратора АЦП 27 изменяется по за- , кону

- иш+ии)(1

ш

i« + (-u0 + um)(u0 + um), (з)

Со

где te( - время второго такта интегрирования в первом цикле. На выходе АЦП 27 двухтактного интегрирования формируется число- импульсный код интервала времени, определяемый из выражения (3):

Vw PUI

Ц4К &fTRT -44K&fT/RT 4KftfT. (5)

ч Алгоритм преобразования во втором - четвертой циклах осуществляется следующим образом.

Во втором цикле соответственно в первом и втором тактах замкнуты ключи 10-12, 9-8, 15-14, 17-18, 21-20, 24-23 и 10-11, 9-7, 15-14, 17-18, 21-20, 24-23; разомкнуты 11, 7, 13, 16, 19, 22 и 12, 8, 13, 16, 19, 22. Напряжение на выходе интегратора АЦП соответственно

- - on+V«« V.

и

К4Јгг(ио + Um)(U04- U,).

to Интервал времени на выходе АЦП

(6)

KjOJ,

+ ит)(и0 + иы

)

- тгЧм-и0 ип,+ iU

«

В третьем цикле соответственно

ключПо- Гз-б 1 Г21-19, интервал времени t равен,

4S

1ШЧП - , - 1- .

24-22 и 10-11, 9-7, 15-13. 17-16 разомкнуты 11, 7, 14, 18, 20, 23 и 12, 8, 14, 18, 19, 22. Напряжение на выходе интегратора АЦП соответственно

-44

. Kjti - yuuIlnJL

K4(Um- U0)(Uh, При суммировании кодов инт t«i «tt44 B сумматоре 28 полу результирующий код, соответст 50 интервалу времени

K4(Um- U0)(Uh, U0) При суммировании кодов интервало t«i «tt44 B сумматоре 28 получим результирующий код, соответствующий 50 интервалу времени

ЩЧи,,- Uw)(in-iu)

,. - K±t. Г4й1муа - 4yuywiy -ШЛаУйУа.УаХщуЯ (g)

ч tz L . - +Ж- . , v J

Учитывая малость величин UHiBi { выражение tg можно записать в виде Ж , US, , 2UT,UL а тем более Un,,. ee .

-К1Ј1в4уь, . К Ь14 ШЭсш1. Тх АТХ, (10)

Цифровой код, пропорциональный измеряемой температуре Т), фиксируется регистратором 29. После фиксации регистратором результата изме p (-u0 + um)(u0 + um), (з)

Со

10

fcfi « I JW.,

K/l(Uni- Ue)(«ni+ U0)

который затем поступает в сумматор 5 28. Произведение в последнем выражении равно: I

и

-

т

+ U0).

Интервал времени на выходе АЦП

2Ь

I

(,

Мип«- U0) (U, U0)

(7)

В четвертом- цикле соответственно в первом и втором тактах замкнуты ключи 10-12, 9-8, 15-13, 17-16, 21-20, 24-23 и 10-11, 9-7, 15-13, 17-16, 21-20, 24-23; разомкнуты 11, 7, 14, Т8, 19, 22 и 12, 8, 14, Г8, 19, 22. Напряжение на выходе интегратора АЦП соответственно

K«t

Sr OJn-V n Ц,) to

40 и

- тгЧм-и0 ип,+ iU

«

интервал времени t рав

интервал времени t равен,

4S

-44

. Kjti - yuuIlnJLkl (8

K4(Um- U0)(Uh, U0) При суммировании кодов интервалов t«i «tt44 B сумматоре 28 получим результирующий код, соответствующий 50 интервалу времени

ется регистратором 29. После фиксации регистратором результата измерения процесс измерения повторяется с первого цикла двухтактного интегрирования .

Усилитель 2 напряжения и преобразователь 3 тока в напряжение построены на малошумящих полевых транзисторах, например, КП307Г и малошумящих широкополосных операционных уси- (лителях, например, 1407УД1, перемво- житель 25 - на КМ525ПСЗА, переключатели 7, tl, 15, t9, 23, 27 - на КР590КН4. Источник 5 эталонного постоянного напряжения может быть реализован по одной из известных схем, интегрирующий АЦП 27 - на микросхе- ме КР572ПВ2. Формирователь 30 управ- |Ляющих сигналов, включающий в себя генератор опорной частоты, генератор запуска, делитель частоты, триггеры цикла, двоично-десятичные счетчики, может быть построен на микросхемах ;серии КТ55. На микросхемах этой же серии может быть построен сумматор 28, а регистратор 29 - на микросхемах 514ИД1 и АЛ304А. В предлагаемом устройстве измерения температуры результат измерения не зависит от значения сопротивления термошумового преобразователя и погрешность измерения температуры, обусловленная шумами в усилителе напряжения, преобразователе тока в напряжение, а также аддитивными, мультипликативными и нелинейными погрешностями перемножителя, мала, так -как при суммировании интервалов - времени в конце четвертого цикла ,в сумматоре устраняются погрешности, обусловленные постоянной составляющей напряжения на выходе перемножителя, а также составляющими напряжения высших порядков, обусловленных нелинейностью характеристики перемножителя. В устройстве отсутствуют также погрешности преобразователя сопротивление - код термошумового преобразователя. Вместо образцового резистора, находящегося при известной температуре, введен источник эталонного постоянного напряжения, стабильность которого намного выше, чем системы измерения или поддержания известной температуры, В этом случае устраняется также погрешможет быть размещен в корпусе устройства для измерения температуры в непосредственной близости к перемножителю „ Формула изобретени

10

20

25

Устройство для измерения темпера туры, содержащее аналого-цифровой преобразователь, выход которого соединен через осумматор с входом регис ратора, термошумовой преобразовател первый вывод которого подсоединен к общей шине, формирователь управля

15 ющих сигналов, подключенный выходам к управляющим входам первого и втор го переключателей, аналого-цифровог преобразователя и сумматора, перемножитель и усилитель напряжения, отличающееся тем, что, с целью повышения точности результата измерения температуры, в него введены первый полосовой фильтр, подключенный выходом к первому непод вижному контакту первого переключателя и соединенный входом с выходом усилителя напряжения, второй полосо вой фильтр, подключенный выходом к первому неподвижному контакту вто,0 рого переключателя, третий и четвертый переключатели, подсоединенные первыми неподвижными контактами к подвижному контакту первого переключателя и подключенные подвижными контактами соответствейно к первому неинвертирующему и первому инвертирующему входам перемножителя, пятый и шестой переключатели, соединенные первыми неподвижными контактами с подвижным контактом второго переключателя и подключенные подвижными контактами соответственно к второму неинвертирующему и второму инвертирующему входам перемножителя, фильтр

35

40

4S

50

нижних частот, включенный между выхо дом перемножителя и информационным входом аналого-цифрового преобразователя, источник эталонного постоянного напряжения, подключенный выходом к вторым неподвижным контактам первого и второго перемножителей, преобразователь тока в напряжение, подсоединенный входом к второму выводу гермошумового преобразователя, соединенному с входом усилителя наность, обусловленная влиянием на точ- 55 пряжения, причем выход преобразованость измерения постоянной времени образцового резистора, а источник эталонного постоянного напряжения

теля тока в напряжение подключен к входу второго полосового фильтра, а другие выходы формирователя управ1732186Ю

может быть размещен в корпусе устройства для измерения температуры в непосредственной близости к перемножителю „ Формула изобретения

0

0

5

Устройство для измерения температуры, содержащее аналого-цифровой преобразователь, выход которого соединен через осумматор с входом регистратора, термошумовой преобразователь, первый вывод которого подсоединен к общей шине, формирователь управля

5 ющих сигналов, подключенный выходами к управляющим входам первого и второго переключателей, аналого-цифрового преобразователя и сумматора, перемножитель и усилитель напряжения, отличающееся тем, что, с целью повышения точности результата измерения температуры, в него введены первый полосовой фильтр, подключенный выходом к первому неподвижному контакту первого переключателя и соединенный входом с выходом усилителя напряжения, второй полосовой фильтр, подключенный выходом к первому неподвижному контакту вто0 рого переключателя, третий и четвертый переключатели, подсоединенные первыми неподвижными контактами к подвижному контакту первого переключателя и подключенные подвижными контактами соответствейно к первому неинвертирующему и первому инвертирующему входам перемножителя, пятый и шестой переключатели, соединенные первыми неподвижными контактами с подвижным контактом второго переключателя и подключенные подвижными контактами соответственно к второму неинвертирующему и второму инвертирующему входам перемножителя, фильтр

5

0

нижних частот, включенный между выходом перемножителя и информационным входом аналого-цифрового преобразователя, источник эталонного постоянного напряжения, подключенный выходом к вторым неподвижным контактам первого и второго перемножителей, преобразователь тока в напряжение, подсоединенный входом к второму выводу гермошумового преобразователя, соединенному с входом усилителя нателя тока в напряжение подключен к входу второго полосового фильтра, а другие выходы формирователя управ11173218612

ляющего сигнала соединены с управля- подсоединенных вторыми неподвижными ющими входами третьего, четвертого, контактами к общей шине„ пятого и шестого переключателей,.