Устройство для измерения средней температуры Советский патент 1993 года по МПК G01K3/02 

1/

ел

С

Использование: измерительная техника, измерение температурных полей. Сущность изобретения: устройство содержит п термопреобразователей 1, п аналого-циф- ровых преобразователей 2, реверсивный счетчикЗ, преобразователь 4 код-последо- вательнрсть импульсов, генератор 5; счетчик 6, п элементов И 7, п формирователей 8 импульсов; afleMeHtN ИЛИ 9,12, регистр 10, выходную шину 1-1, распределитель 13 импульсов, делитель 14 частоты, п шин сигналов рэзрёок :1ия 15si .. 15sn- 1 ил

vi ю

со ю VJ

СП

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться при измерении температурных полей,

Известно устройство дли измерения среднеинтегрального значения температуры среды, содержащее измеритель и термометр сопротивления из последовательно включенных четырёх тёрмЬрезисторов, начальное сопротивление каждого из которых пропорционально значению весовой функций на контролируемом им участке и обратно пропорционально величине температурного коэффициента сопротивления его материала.

Недостатками устройства являются низкая точность измерения, обусловленная используемыми аналоговыми элементами, и качество усреднения, связанное с усред- нением лишь по малому числу терморезй- стОррв. КроМе того, данное устройство характеризует низкая надежность, поскольку выход из. строя любого тёрморезистора приводит к катастрофическому отказу всего устройства..- : ,

Известно устройство для автоматического измерения средней температуры среды, содержащее п датчиков температуры, коммутатор, преобразователь аналог - код, делитель, счетчик и использующее метод начета число-импульсных эквивалентов сигналов датчиков, прямо пропорциональных величине температуры и обратно пропорциональных их числу.

Недостатками известного устройства являются возможность усреднения лишь по количеству датчиков без учета их исправности и низкая надежность, поскольку выход из строя любого датчика приводит к нештатным ситуациям, приводящим к искажению результата измерения.

Известно устройство для измерения средней температуры, содержащее термопреобразователи, коммутатор, аналого- цифровой преобразователь, три счетчика, преобразователь код - последовательность импульсов, регистр, мультиплексор, генератор, элемент И, использующее преобразование сигналов датчиков, опрашиваемых последовательно, с Дальнейшим усреднением по их количеству и с учетом числа неисправных датчиков.

Недостатками устройства являются невысокая точность измерения средней температуры и низкая помехоустойчивость, что обусловлено получением среднего лишь по количеству датчиков без определения среднего по времени.

Наиболее близким по технической сущности к техническому решению является устройство, предназначенное для измерения температурных полей путем преобразования сигналов датчиков опрашиваемых последовательно с дальнейшим усреднением как по их количеству, так и по времени. Устройство содержит п термопреобразовате- лей, аналого-цифровой преобразователь, реверсивный счетчик, преобразователь код

-- последовательность импульсов, генератор, выход которого подключен к входу счет- ччика, первый и второй элементы ряда

0 конъЮнкторов. ТерМопрёобразователи подключены к информационным входам коммутатора, выход которого через аналого-цифровой преобразователь подключен к первому входу Первого элемента И, выход которого под5 ключей к суммирующему входу реверсивного счетчика, выход которого подключен к кодовому входу преобразователя код - последовательность импульсов, выход которого соединен с вторым входом второго элемен0 та И, а частотный вход подключен к второму выходу генератора. Выход счетчика объединен с управляющим входом коммутатора и мультиплексора, выход которого объединен с вторым входом первого элемента И и пер5 вым входом второго элемента И, выход которого соединен с вычитающим входом реверсивного счётчика.

Недостатком прототипа является невысокая точность, обусловленная малым вре0 менем считывания информации в каждом канале в течение обращения к каждому термопреобразователю в цикле сканирования датчиков. Кроме того, из-за неравномерности потоков импульсов в цепях прямой и

5 обратной связи код среднего, формируемый реверсивным счетчиком в режиме динамического равновесия, характеризуется пульсацией части его младших разрядов, снижающей информативность и соответст0 венно точность результата.

Целью изобретения является повышение точности измерения средней температуры.

Цель достигается тем, что в устройство

S для измерения средней температуры, содержащее п термопреобразователей, первый аналого-цифровой преобразователь, реверсивный счетчик, преобразователь код

- последовательность импульсов, генера- 0 fop, подключенный к входу счетчика, выходную шину, шины сигналов разрешения и два элемента И. введены п-1 аналого-цифровых преобразователей, п формирователей импульсов, два элемента ИЛИ, регистр, делитель 5 частоты, п-2 элементов И и распределитель импульсов, стробирующий вход которого соединен с выходом генератора, а другой вход-с кодовым выходом счетчика, связанного выходом переполнения через делитель частоты с управляющим входом регистра,

информационный вход которого подключен к выходу реверсивного счетчика, а выход - к выхоДной:шине и кодовому входу преобразователя код - последовательность импульсов, связанного частотным входом с выходом элемента ИЛИ, а выходом с вычи ающим входом реверсивного счетчика, соединенного суммирующим входом с выходом другого элемента ИЛИ, выход каждого из п термопреобразователей подсоеди- йен к входу соответствующего формирователя импульсов через соответствующий аналого- Иифровой преобразователь, другие входы Формирователей импульсов объединены ежду собой и с выходами элементов И, связанных с входами элемента ИЛИ, при том выходы формирователей импульсов юдключены к входам другого элемента /ТЛИ, выходы распределителя импульсов соединены с входами элемента ИЛИ через соответствующие элементы И, подключенные другими входами к шинам сигналов раз ещенйя. / . . . У: /.; ..-. .. V; .- . .

Сущность техничесфгЬ решения состоит

создании точного устррйства для измерения

средней температуры с использованием меода одйоврёменног считыв ния информативных сигналов со всех каналов с их юелёДующим преобразованием в частоту и суммированием при дальнейшем их несчете j прямой цепи Следящей частотно-импульсной системы посредством организации отрицательной обратной связи с ее фиксацией в сонце периода обращения к датчикам-суче

ом предыдущих измерений и блокировкой .tenей прямой и обратной связи в моменты, соответствующие фазам опроса неисправных датчиков.

На чертеже показана схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит п термопреОбра- ювателей 1, п .аналбго-цифровых преобразователей 2, реверсивный счетчик 3, преобразователь 4 код - последовательность импульсов, генератор 5, выход кото- эого подключён к входу счетчика 6, п злементов И 7, п формирователей 8 импульсов, элемент ИЛИ 9, регистр .10, выход кото- эого подключен к выходной шине 11, элемент ИЛИ 12, распределитель 13 импульсов, Делитель Т4 частоты, щины If5si ...15sn сигналов разрешения. Устройство работает следующим обра- юм.; . .. ; . ; .-

Аналого-цифровые преобразователи 2 преобразуют информативный;сигнал каждого из п термопреобразователей 1 в сигна- ш с частотами Fxi (i 1,..., п, где п - число включенных термопреобразователей), пропорциональные температуре и проходящие на первые входы п формирователей 8, вторые входы которых подключены к выходам элементов И 7. В случае неисправности ча- сти датчиков соответствующие сигналы Si...Sn принимают низкий уровень (исправным датчикам соответствует высокий уровень сигнала) и блокируют прохождение импульсов распределителя 13 импульсов на

выход соответствующих элементов И 7 и на ,. вторые входы п формирователей 8 срответ ствённо. Последние осуществляют синхронизацию выходных импульсов; а налоп цйфрового преобразователя 1 по фазам ... выходных импульсов элементов И 7, при этом частота синхронизации импульсов на выходах элементов И 7 выбирается равной максимальной частота .Fxmaxc. формируемой ана- логО-цифровымй преобразователями 2.

Таким образом, при исправности п дат- чикбв термопреобразователёй, что соответствует высокому уройню Ьигнало:в Si...Sn на выходах формирователей 8, вырабатываются п синхронизированных по фазам

ф...фп последовательностей несовпадающих импульсов, средние частоты которых равны Fi...Fn соответственно. Очевидно, что

элемент ИЛИ 12 выполняет функцию частотного румматора и на суммирующий вход ревёрсйвного счетчика 3 поступают сигналы со средней частотой, равной сумме частот сигналов, снимаемых с выходов формирователей 8. Код счетчика 3 переписывается в регистр 10 сигналом, формируемым делйтелем 14 частоты, поступающим с периодом Т - 2 К/Ре, где К - разрядность счетчика 3. регистра 10 и преобразователя 4 код - последовательность импульсов. Благодаря этому преобразователь 4 код- пбслёдовательность импульсов, находящийся в цепи отрицательной обратной связи и выполненный, например, в виде двоичного умножителя частоты, начинает вырабатывать сигналы

под воздействием кода регистра и суМмарной частоты сигналов с выходов элементов И 7, формируемой на выходе элемента ИЛИ 9, причем средняя частота импульсов, по- ступаю|Дих при этом на вычитающий вход реверсивного счетЦйка 3, стремится к средней частоте импульсов «а его суммирующем входе. Блокирование сигналов прямой и обратной связи при обращении к неисправным термопреобразователям реализуется путем искл10чения участия в их формировании соответствующих фазирующих импульсов синхронизации, производя, таким образом, усреднение по количеству датчиков температуры. Изменение сигнала л юбо- го из термопреобразователей 1, равно как и

выход его из строя, приводит к изменению средней частоты последовательности импульсов на суммирующем входе реверсив ного счетчика 3 и благодаря отрицательной обратной связи формированию компенси- рующей средней частоты последовательности импульсов на его вычитающем входе, что, в свою очередь, приводит к установлению в регистре 10 в режиме динамического равновесия кода среднего как по количеству исправных термопреобразователей, так и по времени за перйодТ. ,;

В основу работы устройства положен итерационный принцип усреднения им- пульсных последовател ьностёй с использо- йанием частотно-ймпуль сной следящей системы. В качестве схемы сравнения, вырабатывающей сигнал рассогласования, используется реверсивный счетчик 3, с помощью которого осуществляется сумми- рование и вычитание частоты и интегрирование полученной разности. Условием динамического равновесия устройства является равенство приращений кодов суммирующих и вычитающих цепей реверсивного счетчика 3 в течение периода усреднения Т, т.е. равенство средних значений частот импульсных последовательностей, поступающих на суммирующие и вычитающие входы счетчика 3-, состояние которого фиксируется регистром 10, формирующим код среднего сигналов термопреобрззователей 1, : ;

При нулевом начальном состоянии кодов реверсивного счетчика 3 и регистра 10 на суммирующий вход счетчика 3 в течение первого периода Т поступает

AI Т 2 F х1

Si Та импульсов,

где Si 1 или 0 при исправном или неисправном 1-м термопреобразователе соответственно.:

Код Д| по окончании периода Т с по- мощью выходного сигнала делителя 14 частоты переписывается в регистр 10, т.е. в регистре 10 получается код числа

NZ1 Д1«Та.

Генератор 5 формирует последователь- ность импульсов с частотой F0, проходящую на счетный вход счетчика 6, имеющего п состояний. Код последнего в свою очередь управляет работой распределителя 13 импульсов, на выходах которого формируются несовпадающие во времени фазирующие импульсы Р.,.РП с частотой F0/n, равной максимальной частоте на выходе аналого- цифровых преобразователей.

На частотный вход преобразователя 4 код - последовательность импульсов поступает суммарная частота с выходов элементов И 7, поскольку поступление на вход элемента ИЛИ 9 импульсных последовательностей, сигналы каждой из которых фазированы не совпадающими импульсами фаз р... фп, позволяет этому элементу выполнить функцию частотного сумматора. Таким образом, среднее значение частоты на выходе элемента ИЛИ 9 определяется выражением

v TS,

.I -1 -...-

или, учитывая соотношение частот - Рхмакс, выражением

:I2 2

F хмакс Si - IF хмакс ,

i 1 ;,.;

где i - количество исправных термопреобразователей.

Отличное от нуля значение кода NZ1 регистра 10 инициирует формирование преобразователем 4 в течение следующего периода Т

TF|2K,IFхмакс м -,- Т-JT-NZJ ---f--Nzi Т

импульсов, поступающих на вычитающий вход реверсивного счетчика 3, где Nzi - значение кода регистра 10, зафиксированное в первом периоде Т, Очевидно, что по окончании второго периода Т код регистра 10 получает приращение

IF хмакс оК

N21

IF

хмакс т Та -

; ,.-Т

Та()Ta(1

где 1 IFxM,aKC -. 2К

и код регистра 10 получает значение

Nz2 NZ1 + Л 2 Та + Т а (И) Та {1 + (1-1)} Та(2-0.

Аналогично в конце третьего периода Т код регистра 10 получает приращение

А « - т т F хмакс м

ДЗ - Та -.Т --тр-- N z2

2 a-i-- --Та (2-1)

Та-Т

IF хмакс

-Ta(lIF

хмакс

(2-1)}

T8i{l - I (2 - I )Та ( 1 -21 -И2 )

та(1-о2 и т.;;; .. - - Зыражение для 1-го приращения значения

кода регистра 10 принимает вид

J-1

(Н)м.

Гак как I 1-1 1 1, то очевидно, что код регистра 10 получает ряд сходящихся к ну- люприращений.

Докажем условие сходимости ряда приращений кода регистра 10:

г- , :, . .,... :. :;

или:

.

отс

юда

.i

или wnv

,

О - 2. n

i

Фор мула и з о б р е т е н и я

Устройство для измерения средней температуры, содержащее n термопреобразовате- лей, первый аналого-цифровой преобразователь, реверсивный счетчик, преобразователь код - по ;ледовательность импульсов, генератор, подключенный к входу счетчика, выходную ил/ ну, n шин сигналов разрешения и два эле- мента И, отличающееся тем, что, с це тью повышения точности, в него введены п- аналрго-цйфровых преобразователей, n формирователей импульсов, два элемента ИЛИ, регистр, делитель частоты, п-2 эле5

10

Так как максимальное значение Г п, то

последнее неравенство всегда ВЫПОЛНЯеТ- СЯ- .. - .. -:.

Динамическое равновесие реверсивного счетчика 3 характеризуется равенством количества импульсов, приходящих на суммирующий и вычитающий входы счетчика 3 за период Т, и дальнейшей фиксацией кода результата в регистре 10. Очевидно, что при этом средние частоты на входах счетчика 3. равны, т.е.

Г FX, -si

IF

хмакс

Мг

I 1

где NZ - значение кода регистра 10, Отсюда в установившемся режиме

Nz

2 К Fix Si Fxi S(

IF

хмакс

где /3 2 К/рхмакс - коэффициент пропорциональности,. Таким образом, на выходе регистра 10 сформирован код среднего как rio количеству исправных датчиков температуры, так и по времени. Усреднение температуры за одно и тр же время Т требует от устройства- прототипа в отличие от настоящего устройства промежуток времени считыва ния информации с каждого из п датчиков, определяемый Т/п, что снижает информативность в л раз каждого канала, а соответственно и ТбчйЬсть, Кроме того, отсутствие пульсации части младших разрядов результата на выходе регистра в режиме динамического равновесия из-за неравномерности импульсных потоков во входных цепях реверсивного счетчика также повышает точность измерения средней температуры.

ментов И и распределитель импульсов, стробирующий вход которого соединен с выходом генератора, а другой вход- с кодовым выходом счетчика, связанного выходом переполнения через делитель частоты с управляющим входом регистра, информационный вход которого подключен к выходу реверсивного счетчика, а выход - к выходной шине и кодовому входу преобразователя код - последовательность импульсов, связанного частотным входом с выходом элемента ИЛИ, а выходом - с вычитающим входом реверсивного счетчика, соединенного суммирующим входом с выходом дру

того элемента ИЛИ. выход каждого из п тер-ми элемента ИЛИ, при этом выходы формимопреобраэователей подсоединен к входурователей импульсов подключены к входам

соответствующего формирователя импульсовдругого элемента ИЛ И, выходы распределичерез соответствующий аналого-цифровойтеля импульсов соединены с входами элепреобразователь, другие входы формирова-5 мента ИЛИ через соответствующие

телей импульсов объединены между собой иэлементы И, подключенные другими входас выходами элементов И, связанных с входа-ми к шинам сигналов разрешения.