Устройство для измерения температуры Советский патент 1993 года по МПК G01K7/00 

Изобретение относится к области температурных измерений, а, именно, к устройствам для измерения температуры с коррекцией нелинейности первичных измерительных преобразователей и может быть использовано при точных измерениях температуры.

Цель изобретения - повышение точности измерения за счет реализации на каждом участке аппроксимации полинома п-ой степени

На чертеже представлена функциональная схема устройства.

Устройство для измерения температуры содержит первичный измерительный преобразователь 1, преобразующий температуру в напряжение, преобразователь 2 напряжения во временной интервал, управляющий и информационный входы и выход которого соединены соответственно с шиной запуска 3 устройства, выходом первичного измерительного преобразователя 1 и управляющим входом ключа 4, информационный вход которого подключен к выходу генератора 5 импульсов, двоичные умножители 6i...6n-ti каждый из которых включает в себя последовательно соединенные счетчик 7i...7n-i импульсов и преобразователь 8i...8n-i кода в частоту, частотный вход и выход которого являются соответственно частотным входом и выходом двоичного умножителя 6i...6n-l. счетчик 9 результата изСО

о о W ю

00

ста

мерения, управляемый преобразователь 10 частоты, включающий в себя последовательно соединенные мультиплексор 11 и преобразователь 12 кода в частоту, частотный вход и выход которого являются соот- ветственно частотным входом и выходом управляемого преобразователя 10 частоты, и последовательно соединенные счетчик 13 длины участка и счетчик 14 номера участка, выход которого подключен к управляющему входу управляемого преобразователя 10 частоты, а вход счетчика 13 длины участка подключен к выходу ключа 4, причем частотные входы двоичных умножителей 6i,..6n-i и управляемого преобразователя 10 частоты подключены к выходу ключа 4, выход первого по порядку двоичного умножителя 6i подключен ко входу счетчика 9 результата измерения, выход каждого следующего по порядку двоичного умножителя 6j+i подклю- чён к входу счетчика 1 импульсов предыдущего двоичного умножителя 6j, а выход управляемого преобразователя 10 частоты подключен ко входу счетчика 7п-1 импульсов последнего по порядку двоичного умножи- теля 6п-1, где 1 j /n-1/.

Функцию преобразования первичного измерительного преобразователя 1, диапазон изменения выходного напряжения которого разбит на m равных по длине участков, каждый из которых аппроксимирован полиномом n-й степени, на любом 1-м участке аппроксимации можно представить в виде

0 boi±bi, -(U -UF)±

±Ь2, (и -иГ)2±...±ь(п-1 х x(U-UT) ±bni -(и-иГ)п(1)

причем UiH U UIK 1 I m, .

где в- измеряемая температура;

U - выходное напряжение первичного измерительного преобразователя 1;

UiH, UIK - выходные напряжения первичного измерительного преобразователя 1 в начальной и конечной точках 1-го участка соответственно;

boi... Ьщ постоянные коэффициенты, соответствующие i-му участку, причем знаки полярности перед коэффици- ентами bi|... ЬП могут принимать различные, но одинаковые для всех m участков сочетания за исключением тех сочетаний, при которых в диапазоне изменения выходного напряжения U происходит изменение

знака полярности хотя бы одной из п производных функции преобразования (1), т.е. рассматривается только такая функция преобразования, которая монотонна и не имеет точек перегиба.

Необходимо отметить, что разбиение на участки диапазона изменения выходного напряжения U должно производиться при условии не только, как отмечалось выше, равенства их длины Ли

AU UiK-UiH const

(2)

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

boi boi - 1 + Д#| - 1 Д01-1 ±bi,1 Ли ±

(3)

±Ь2|-1.-Ди2±,,.±Ь(п-1)|-1 X

±Ьщ-1 Дип (4)

Цикл измерения температуры в начинается с поступления на шину запуска 3 устройства импульса, запускающего по управляющему в ходу преобразователь 2 напряжения во временной интервал (ПНВИ) и производящего запись кодовых уставо,к Во и Bi.,.Bn-i в счетчик 9 результата измерения и в счетчики 7i...7n-i импульсов соответственно (цепи записи счетчиков на чертеже не показаны). Для обеспечения более четкой работы устройства,запись кодовых уставок Во...Вп-1 должна производиться передним фронтом запускающего импульса, а запуск ПНВИ 2 - задним, либо запись указанных кодов должна производиться заранее перед запускающим импульсом, как операция по установке счетчиков 7i...7n-i и 9 в исходное состояние. На выходе ПНВИ 2 формируется импульс напряжения, длительность Т которого пропорциональна выходному напряжению U первичного измерительного преобразователя 1, поступающему на информационный вход ПН ВИ 2

T kU,

(5)

где k - коэффициент преобразования ПНВИ 2.

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

Ti k(U- UiH) AT kAU,

где Tj - время преобразования, пропорциональное разности текущего и начального значений напряжения на t-м участке;

AT - время преобразования, пропорциональное длине участка Л U.

Выходной импульс ПНВИ 2, поступая на управляющий вход ключа 4, открывает последний, в результате чего импульсы с генератора 5 импульсов, приходящие на информационный вход ключа 4, поступают, на частотные входы преобразователей 8i...8n-i и 12 кода в частоту (ПКЧ).

Выходная частота fi| первого двоичного умножителя 6i на l-м участке, равная выходной частоте ПКЧ 8-н определяется выражением

PI

Ni,,

где fo - частота генератора 5 импульсов;

Pi - число разрядов ПКЧ 8i, равное числу разрядов счетчика 7i импульсов;„

Ni| - выходной код счетчика 1.импульсов на i-м участке.

В каждый момент времени t в интерсале длительности Ti на любом i-м участке выходной код Nij счетчика 1 импульсов, поступающий на кодовые шины ПКЧ 8i, будет равен

МП Bij ±f2i -t(9) причем

Bi Bii-т ±f2|-i -AT (Ю)

,(11)

10

Знаки полярности + либо - в выражениях (9) и (10) употребляются в зависимости от режима, в котором должен работать счетчик 7i импульсов - в суммирующем либо в вычитающем соответственно, при этом выходной код счетчика 7i импульсов в начальный момент аппроксимации на 1-м участке соответствует записанной в него ранее начальной уставке BL

Подставляя выражение (9) в (8), получаем

f fa Bii fl r7--pT 2

Имея в виду, что

fo f2i

PI

t

(12)

N2i В2| ±Ь t

(13)

20

25

где В2| - выходной код счетчика 1г импульсов, соответствующий начальному моменту аппроксимации на i-м участке;

fsi - выходная частота третьего двоичного умножителя 6з на i-м участке, равная выходной частоте ПКЧ 8з, и подставляя выражение (13) в (11), получаем

fci f° Вг

. Р,

fO f3| Р2

(14)

Знаки полярности + либо - в выражении (14) употребляются в зависимости от режима, в котором должен работать счетчик 1г импульсов - в суммирующем либо в вычитающем соответственно, при этом выходной код счетчика 1г импульсов в начальный мо- мент аппроксимации на 1-ом участке соответствует записанной в него ранее начальной уставке Ва.

По аналогии с выражениями (12) и (14) выходная частота fj j-ro двоичного умножи- теля б/на l-м участке, равная выходной частоте ПКЧ 8j, определяется выражением

.Изобретение относится к приборостроению, а именно к устройствам-для измерения температуры с коррекцией нелинейности первичных измерительных преобразователей и может быть использовано при точных измерениях температуры. Изобретение может найти применение при измерениях температуры теплоносителя в реакторах АЭС, а также при измерениях теплотехнических величин, первичные измерительные преобразователи которых имеют нелинейную зависимость. С целью повышения точности измерения, в него введены (п-2}-а двоичных умножителя, причем частотные входы (п-2)-х двоичных умножителей подключены к выходу ключа, выход каждого следующего по порядку двоичного умножителя подключен ко входу счетчика импульсов предыдущего двоичного умножителя, выход управляемого преобразователя частоты подключен ко входу счетчика импульсов последнего по порядку (п-1)-го двоичного умножителя, а управляющий вход преобразователя напряжения во временной интервал подключен к шине запуска устройства. Это позволило повысить точность измерения температуры в силу того, что в отличие от прототипа, в котором алгоритм линеаризации позволяет реализовать функциональные зависимости только кусочно-квадратичного вида, в предлагаемом устройстве могут реализовываться функциональные зависимости кусочно-полиномиального вида. 1 ил. ел

где Bi | - 1 , Bij - выходные коды счетчика 7i импульсов, соответствующие начальным моментам аппроксимации на i-1-м и i-м участках;

f21 - 1 1 f2j выходные частоты второго двоичного умножителя 62 на i-1-м и -м участках соответственно, равные выходным частотам ПКЧ 82;

Р2 - число разрядов ПКЧ 82, равное числу разрядов счетчика 72 импульсов;

N2j - выходной код счетчика 72 импульсов на l-м участке.

fn

fb-Bj| fo-fQ + Qi

PJ

PJ

(15)

Знаки полярности + либо - в выражении (15) употребляются в зависимости от режима, в котором должен работать счетчик 1 импульсов - в суммирующем либо в вычитающем соответственно, при этом выходной код счетчика.7j импульсов в начальный момент аппроксимации на 1-ом участке соответствует записанной в него ранее начальной уставке Bj.

:7 1809328 8

Выходная частота jn-1 последнего по по- Подставляя формулу (18) в (19) и производя рядку (п-1)-го двоичного умножителя 6п-1 на интегрирование, получаем 1-ом участке, равная выходной частоте ПКЧ 8п-1, определяется выражениемfo Bi. f§ 621

5 N, ---FT Ti±---р7+рутг±--- f/ 1Л fo B(-Qi + f° f .tf 2 2-2

4n 1J -Pn-1 Pn-1 frT 1q-Br -1

22± TO B(n-iji x

(16) P1+P2

1 °J(n-1)-2 +...+Р„-1

причемЮ

-.n -1 -L.f8 Bni

-.n -1 -L.f8 Bni

X Tin 1 + TP fo Вщ„. P1+P2

.(1) +...+РП

импульсов, соответствующий начальномуК моменту окончания длительности Т, coot- моменту аппроксимации на i-ом участке;ветствующему концу цикла измерения темРп-1-число разрядов ПКЧ 8п-1, равноепературы в, выходной код N0 счетчика 9

числу разрядов счетчика 7п-1 импульсов;20 результата измерения будзт соответствоfm - выходная частота управляемоговать числу импульсов, равному преобразователя 10 частоты-(УПЧ) на 1-м

участке;N0 B0i±Ni (21)

Рп - число разрядов ПКЧ 12, равное

числу разрядов мультиплексора 11; .25 причем, в силу плавности преобразования,

Вщ - выходной код мультиплексора 11характеризуемого отсутствием записи кана i-м участке.ких-либо чисел в этот счетчик в моменты

Знаки полярности + либо - в выражениипрохождения узлов аппроксимации, что

(16) употребляются в зависимости от режи-приводило бы к скачкообразному изменема, в котором должен работать счетчик 7п-130 нию (разрыву) его выходного кода, будут

импульсов - в суммирующем либо в вычита-справедливы с учетом формулы (7) равенстющем соответственно, при этом выходной. вд, соответствующие условию непрерывнокод счетчика 7п-1 импульсов в начальныйсти функции преобразования (1) согласно

момент аппроксимации на 1-ом участке со-выражениям (3) и (4)

ответствует записанной в него ранее на-35

чальной уставке Вп-1.BOI Во - 1 ± N i - 1 (22)

Подставляя в (12) выражение (14) и используя при этом формулы (15)...(17), получа-М„ -&, (Ы0)г Ва;. « ем 1-г,. ,((|.-.Ч., «-« ,;., ,М ,-ч

fit fo-Вц fS-B2| ..Ь2Р....р„-. .... (23)

Р1. P1 +P2

22где Во |-1 , Во|-выходные коды счетчика 9

-В(п-1)1п-2 АС результата измерения, соответствующие

- Р1+Р2 г начальным моментам аппроксимации на I2 +...+РП -11-ом и i-ом участках.

Знаки полярности + либо - в выражениях

то ВП| n --i ,g.(21) и (22) употребляются в зависимости от

PI +P250 режима, в котором должен работать счетчик

2+... + Рп 9 результата измерения - в суммирующем

либо в вычитающем соответственно, при этом

С частотного выхода первого двоичного выходной код счетчика 9 результата измере- умножителя 6i за время преобразования Т| ния в начальный момент аппроксимации на на вход счетчика 9 результата измерения 55 1-ом участке соответствует записанной в него поступит число импульсов NI, равноеранее начальной уставке Во.

Учитывая выражения (6) и (20), формулу N, /firdt (19) (21)запишем в виде о

-.n -1 -L.f8 Bni

in 1 + P1+P2

........(ТП., (зо)

гР«. Р,...Р„.,„ti P,t....p/

(k-t.r-B,n- „. „и,„., (k.i.i -en: г 2

P (- (24) 5 Учитывая равенства (7), (30) и (26) для j 1. IM-u . i пформулу (10) запишем в виде Сопоставляя формулы (1) и (24), можно

отметить, что при соблюдении равенствM0f&zi, (v-tai.eVl «

b,-4(...

Ь0| -1в0|(25) 1P t (М0Г .б(п-.к.. «.t (k-t.r-ь,,;.. ... , .

.HV...,., Л.йР,Р. 1JI

&., Используя равенство (26) для 2 j (n-1) и «.j.a (26) равенство (27), получаем соотношение

15

с ( в,„, Ь,; Ь,;.,4г.ь,;.,.ьз;м.йий± „.„.u.-.. (27) ...t(M-(VbCn,n.,.V,. (32)

будет выполняться соотношение, выражающее прямо пропорциональную зависи- 20 Учитывая, что в моменты прохождения уз- мость выходного кода N0 счетчика 9 лов аппроксимации в счетчиках 7i...7n-i им- результата измэрения от температуры впульсов не происходит каких-либо записей

чисел, что приводило бы к скачкообразным

N Q (I Q(28) изменениям (разрывам) их выходных кодов,

25 а также вычисляя эти коды к моменту оконгде а- коэффициент масштабирования.чания Длительности Т подобно вычислению Для удобства отсчета результата изме- выходного кода N 0 для счетчика 9 резуль- рения счетчик 9 результата измерения мо- тата измерения и сравнивая вычисленные жет быть выполнен двоично-десятичным, а „п К°ДЬ| счетчиков 7i..,7n-i соответственно с . коэффициент а выбран кратным десяти. JU производными функции преобразования (1), Соблюдение равенства (25) при за- начиная с 1-ой и кончая (п-1)-ой, можно ана- данном а обеспечивается путем выбора логично выражению (32) получить следую- величины начальной уставки Во, соответ- щие соотношения ствующей коэффициенту bo первого участка ос аппроксимации, и выполнения равенства

(26) и (27) для каждого из m участков, необ- .i.2 t2..1ta.3-bj.i.1.bUi3-4-b4i.1-uU4t#:. ходимость выполнения которых вытекает из+/ п /,1 n u л и м.п-з формул (3), (4), (22) и (23). , t(H«-0 b(n.0..,-bU свою очередь соблюдение равенства .,ь2.э.4-Ь4;.,-йи±з-4-5-Ь6. bliV..

(26) при заданных a, k, to, Pi... Pj обеспечи-...±()(.i)(}.,(. -..п.,л.-.,,

вается путем выбора кодовых уставок, . |М

BL..BJ, соответствующих коэффициентам.....j-bj1-.1t2.3...-(j+()..i.u±

bi...bj первого участка аппроксимации, и вы-±V.4-...t|H)(j+2}-b(jtJ:V .iU2±...t(n-i (n-aHn-iV

полнения для последующих участков опре-45i(, i -i-U/ u и

деленного соотношения между значением |h- 4-r bU ).(ti-(Vw-bn.(.bU J

коэффициента bj i-ro участка и значениями2.3...(п-г)м-1).Ь(п.Л;-г.э...(п-2}(п-0-Ь( ,- ±

коэффициентов bj ...bn i-1-ro участка, кото-tJ2 ,

рое сводится к следующему. По аналогии с п Ч п ь ч-гьи

выражением (18) формулу (14) запишем всл

видеbu (36)

„,, „, т.е. при разбиении на участки диапазона

i - ° BuiL tt t o -BIB-JI; n.i fa -6ц; п-г изменения выходного напряжения-U пер4l грг api+fV.-.pn-. ..Pnвичного измерительного преобразователя 1

(29) значение коэффициента bj 1-го участка должно определяться по значениям коэффиципричем для f21 - , будет справедливо выра- ентов bJ b предшествующего 1-1-го

участка. При этом нетрудно убедиться, что

ж нисоблюдение соотношений (32)... (36) равносильно необходимости соблюдения в узлах

1809328Ю

Ј&.«...

аппроксимации непрерывности производных функций преобразования (1), начиная с 1-ой и кончая (п-1)-ой, при разбиении ее на участки, т.е. необходимости выполнения равенства.

ill -fill

Ju 1 и.и.,«шМи.и ;(37)

Ч Таким образом разбиение на участки

диапазона изменения выходного напряжения U первичного измерительного преобразователя 1 должно производиться при условии отсутствия в узлах аппроксимации разрыва не только функции преобразования (1), но и ее производных, начиная с l-ой и кончая (п-1)-ой.

Что касается соблюдения равенства (27) при заданных a, k, f0, n, Pi, ... Рп, то оно обеспечивается установлением числа ВЩ на входе ПКЧ 12 в начальный момент аппроксимации 1-го участка, что достигается следующим образом. В момент начала формирования временного интервала Т импульсы с частотой f0 начинают поступать с выхода ключа 4 на вход предварительно об- нуленного (цепь сброса на чертеже не показана) счетчика 13 длины участка, период Тп повторения выходных импульсов которого равен

Тп

ki fo

где ki - коэффициент пересчета счетчика 13 длины участка. Период Тп выбирается та- ким, чтобы он был равен времени преобразования Д Т длины участка Л U, т.е. чтобы выполнялось равенство

TO Ли

г.

Выходные импульсы счетчика 13 длины участка с периодом Тп поступают на вход счетчика 14 номера.участка, в результате чего последний поочередно устанавливается в одно из m состояний, начиная со второго. Установка счетчика 14 номера участка в первое состояние, соответствующее первому участку, и, тем самым, дальнейшее установление соответствия между номерами участ ков и состояниями счетчика 14 номера участка, производится путем подачи импульса обнуления (цепь сброса на чертеже не показана) в тот же момент, что и для счетчика 13 длины участка, а, именно, перед запуском ПНВИ 2. например, в момент записи начальных участков Во ... Вп-1. Последовательно сменяемая по мере перехода с участка на участок кодовая комбинация с выходных шин счетчика 14 номера участ.к.а

25

10

15

20

30

35

40

45

50

.

поступает на управляющие входы мультиплексора 11, в результате чего на выходе последнего в моменты перехода с l-1-го на l-ый участок устанавливается необходимое i-му участку число Вщ из ряда мультиплексируемых чисел Bni... Bnm, шины которых соединены с информационными входами мультиплексора 11. Установление необходимых чисел ВП| на входе ПКЧ 12 может производиться не только с помощью мультиплексора 11, но и с помощью, например, преобразователя кода на программируемой логической матрице или ПЗУ, в котором заранее прошиты вышеуказанные числа. По этому для каждого из заменяющих элементов входным кодом (для ПЗУ - адресным), как и для мультиплексора 11, является код выходных шин счетчика 14 номера участка, а их выходным кодом - код чисел Вщ ,

полученный в результате операции преобразования (выборки).

Упоминаемые ранее режимы работы счетчиков 7i... 7п-1 и 9 на сложение либо на вычитание устанавливаются заранее, исходя из знаков полярности производных функции преобразования (1), а, именно:

если знак полярности первой производной на любом без исключения i-ом участке положителен, т.е. если функция преобразования (1) монотонно возрастающая, то счетчик 9 результата измерения необходимо устанавливать в режим сложения, а если отрицателен, то в режим вычитания;

если полярность произведения знаков полярности производных, начиная с первой и кончая ()+1)-ой, на любом без исключения 1-ом участке положительна, то счетчик 7j импульсов необходимо устанавливать в режим сложения, а если отрицательна, то в режим вычитания.

. Учитывая, что в устройстве рассматривается функция преобразования (1), у которой полярность всех ее n производных неизменна во всем диапазоне изменения выходного напряжения U, в том числе и при U UiH; учет знаков полярности вышеуказанных производных при выборе режимов работы счетчиков 7i ... 7п-1 и 9 можно заме- нить на более простой учет знаков полярности перед коэффициентами bij...bnj функции преобразования (1), каждый из которых, какуказывалось выше, одинаков для любого из m участков, а, именно:

если перед коэффициентом bij знак +, то счетчик 9 результата измерения необходимо устанавливать в режим сложения, а если знак -, то в режим вычитания;

если полярность произведения знаков полярности перед коэффициентами функции преобразования (1), начина с bi| и кончая b(j + i)i, положительна, то счетчик 7j импульсов необходимо устанавливать в режим слежения, а если отрицательна, то в режим вычитания.

Необходимо подчеркнуть, что в силу одинаковости знаков полярности перед одноименными коэффициентами функции преобразования (1) на каждом из m ее участков, режим работы счетчиков 7i ... 7п-1 и 9 на сложение либо на вычитание, заранее устанавливаемые согласно вышеуказанным знакам, также одинаковы на каждом из этих участков.

Таким образом, благодаря связям, элементам и возможности установки различного сочетания режимов работы счетчиков 7i ... 7п-1 и 9, обеспечивается с учетом масштабирования аппаратурная реализация измерения температуры, первичным измерительным преобразователем которой может служить преобразователь, имеющий функцию преобразования, аппроксимируемую кусочно-полиномиальной функцией, причем знаки полярности перед коэффициентами этой функции могут принимать различные сочетания, но одинаковые для всех m участков за исключением тех сочетаний, при которых в диапазоне изменения выходного напряжения U вышеуказанного преоб- разователя происходит изменение знака полярности хотя бы одной из п производных функции преобразования (1), что позволяет более точно измерять температуру.

Формула изобретения

Устройство для измерения температуры, содержащее первичный измерительный преобразователь, выходом подключенный к информационному входу преобразователя напряжения во временной интервал, двоичный умножитель, включающий в себя последовательно соединенные счетчик импульсов и преобразователь кода в частоту, выходом подключенный к входу счетчика результата измерения, управляемый преобразователь частоты, выполненный в виде последовательно соединенных мультиплексора и преобразователя хода в частоту, последовательно соединенные счетчик длины участка и счетчик номера участка, выходом подключенный к управляющему входу управляемого преобразователя частоты, и генератор импульсов, выходом подключенный информационному входу ключа, управляющий вход которого подключен к выходу преобразователя напряжения во временной интервал, а выход ключа подключен к частотным входам двоичного умножителя и управляемого преобразователя

частоты и к входу счетчика длины участка, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения за счет реализации на каждом участке аппроксимации полинома n-й степени, в него

дополнительно введены п-2 двоичных умножителя, каждый из которых выполнен в виде последовательно соединенных счетчика импульсов и преобразователя кода в частоту, причем частотные входы (п-2)-х

двоичных умножителей подключены к выходу ключа, выход каждого следующего по порядку двоичного умножителя подключен к входу счетчика импульсов предыдущего двоичного умножителя, выход управляемого преобразователя частоты подключен к входу счетчика импульсов последнего по порядку (п-1)-го двоичного умножителя, а управляющий вход преобразователя напряжения во временной интервал подключей к шине запуска устройства.