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 счёт реализации аппроксимирующего полинома n-й степени.

На фиг. 1 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 выходы 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-i, каждый из которых включает в себя последовательно соединенные счетчик 7i...7n-i импульсов и преобразователь 8i...8п-1 кода в частоту, частотный вход и выход которого являются соответственно частотным входом и выходом двоичного умножителя 6i...6n-i, счетчик 9 результата измерения и преобразователь 10 кода в

00

о о

СА) СА О

частоту, причем частотные входы двоичных умножителей 6i...6n-i и преобразователя 10 кода в частоту 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 GJ-M подключен ко входу счетчика 7 импульсов предыдущего двоичного умножителя 6j, а выход преобразователя 10 кода в частоту подключен ко входу счетчика 7п-1 импульсов последнего по порядку двоичного умножителя бп-1, где 1 j (n-1).

Функцию преобразования первичного измерительного преобразователя 1, аппроксимируемую полиномом n-ой степени, можно представить в виде

0 bo ± bi U ± b2 U2 ± ... ± bn-1 Un4 ±

±ьпип,

где Q- измеряемая температура;

U - выходное напряжение первичного измерительного преобразователя 1;

...bn - постоянные коэффициенты, причем знаки полярности перед коэффициентами bi...bn могут принимать различные сочетания за исключением тех, при которых в диапазоне изменения выходного напряжения. U происходит изменение знака полярности хотя бы одной из FI производных функции преобразования (1), т.е. рассматривается только такая функция преобразования, которая монотонна и не имеет точек перегиба.

Цикл измерения температуры в начинается с поступления на шину запуска 3 устройства импульса, запускающего по управляющему входу преобразователь 2 напряжения во временной интервал (ПНВИ) и производящего запись кодовых уставок 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 операции по установке счетчиков 7i...7n-i и 9 в исходное состояние. На выходы ПНВИ 2 формируется импульс напряжения, длительность Т которого пропорциональна выходному напряжению U первичного измерительного преобразователя 1, поступающему на информационный вход ПНВИ 2

T kU

(2)

где к - коэффициент преобразования ПНВИ 2.

Выходной импульс с 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 10 кода в частоту (ПКЧ).

Выходная частота fi первого двоичного умножителя 6i, равная выходной частоте ПКЧ 8i, определяется выражением

20

fo

2Pi

N1

(3)

где fo - частота генератора 5 импульсов;

PI - число разрядов ПКЧ 8i, равное числу разрядов счетчика 7i импульсов; 25 м-, - выходной код счетчика 7i импульсов.

В каждый момент времени t в интервале длительности выходной код NI счетчика 7i импульсов, поступающий на кодовые шины 30 ПКЧ выбудет равен

N1 81 ±f2t

(4)

35

причем

fo

2Р2

N2

(5)

0

5

0

5

где Bi- кодоваяуставкасчетчика7i.импульсов;

fa - выходная частота второго двоичного умножителя 62, равная выходной частоте ПКЧ 82;

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

N2 - выходной код счетчика 72 импульсов.

Знаки полярности + либо - в,выражении (4) употребляются в зависимости от режима, в котором должен работать счетчик 7т импульсов - в суммирующем либо в вычитающем соответственно.

Подставляя выражение (4) в (3), получаем

fi

fo Bi 2Ri

fo f2 t

2 R2

(6)

Имея ввиду, что

N2 B2 ± f3 t

(7)

где В2 - кодовая уставка счетчика 72 импульсов:

fa - выходная частота третьего двоичного умножителя бз, равная выходной частоте ПКЧ8з, 5 и подставляя выражение (7) в (5). получаем

fd1 1 В п 2 Pi +Р2 +... + Рп-1 f8 -Вп

1

п-1

2 Pi + Р2 +... + РГ

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 устройство введены преобразователь напряжения во временной интервал, (п-2) двоичных умножителя и преобразователь кода в частоту, причем частотные входы (п-2) двоичных умножителей и преобразователя кода в частоту подключены к выходу ключа, выход каждого следующего по.порядку двоичного умножителя подключен ко входу счетчика импульсов предыдущего двоичного умножителя, а выход преобразователя кода в частоту подключен к выходу счетчика импульсов последнего по порядку (п-1)-го двоичного умножителя. Это позволило повысить точность измерения температуры в силу того, что в отличие от прототипа, в котором алгоритм линеаризации позволяет реализовывать функциональные зависимости только квадратичного вида, в предлагаемом устройстве могут реализовываться функциональные зависимости, аппроксимируемые полиномом n-ой степени. 1 ил. ел с

f2

f о В2 fo з

2Р2

2Р2

Знаки полярности + в выражении (8) употребляются в зависимости от режима, в котором должен работать счетчик 72 импульсов - в суммирующем либо в вычитающем соответственно.

По аналогии с выражением (6) и (8) выходная частота fj j-ro двоичного умножителя 6j, равная выходной частоте ПКЧ 8j, определяется выражением

fo Bj f о f j +1

2Pj

2Pj

Знаки полярности + в выражении (9) употребляются в зависимости от режима, в котором должен работать счетчик 7j импульсов - в суммирующем либо в вычитающем соответственно.

Выходная частота fn-1 последнего по порядку (п-1)-го двоичного умножителя 6п-1, равная выходной частоте ПКЧ , определяется выражением

f0 В n - 1 2 Pn-1

fQ- fn 2Р„t (Ю)

причем

fn

fo Bn 2Pn

где Bn-i - кодовая установка счетчика 7п-1 импульсов;

Pn-1 - число разрядов ПКЧ 8п-1. равное числу разрядов счётчика 7n-i импульсов;

f n - выходная частота ПКЧ 10;

Рп - число разрядов ПКЧ 10;

Вп - кодовая установка ПКЧ 10. Знаки полярности + либо - в выражении (10) употребляются в зависимости от режима, в котором доджен работать счетчика 7п-1 импульсов - в суммирующем либо в вычитающем соответственно.

Подставляя в (6) выражение(8) и используя при этом формулы (9)...(11), получаем

f8 B2 2 Pi + P2

t ±,

С частотного выхода первого двоичного умножителя 61 зэ время длительности Т на 10 вход счетчика 9 результата измерения поступит число импульсов N, равное

15

N JTfidt о

(13)

Подставляя формулу (12) в (13) и производя интегрирование, получаем1

20 N /° BJ Т ±1 2 Pi

f8 В2 . Т2 ±

2 -2 Pi +Р2

f(P

- 1

Bn-1

25

(n-1 )-2Pi +P2+... + Pn-i

f8 -Bn

n 2 Pi +P2 +... + Pn

Tn

(14)

К моменту окончания длительности Т, соответствующему концу цикла измерения температуры в, выходной код N0 счетчика 9 результата измерения будет соответство- вать числу импульсов, равному

±N

(15)

50

Знаки полярности + либо - в выражении 40 (15) употребляются в зависимости от режима, в котором должен работать счетчик 9 результата измерения - в суммирующем либо в вычитающем соответственно.

Учитывая выражения (2) и (14), формулу 45 (15) запишем в виде

; + (k-fo)-Bi . + (k-fo)2-B2 . 2 + - 1 -2 Pi2 2 Pi 4P2 -1

(k-fo)

л -1

Bn-1

(n-1)-2Pi+P2+...+Pn-i

±

( k fp ) Bn

n 2 Pi +P2 +,.. +Pn

Un

(16)

Сопоставляя формулы (1) и (16), можно отметить, что при соблюдении равенств

bo

. a

li i °liJBj

--

a J 2 Pi + Pa +... + Pj ( k fp )n Bn

a n 2 Pi +P2 +... +Pn

будет выполняться соотношение, выражающее прямо пропорциональную зависимость выходного кода N Q счетчика 9 результата измерения от температуры в

Мв ав

где а- коэффициент масштабирования,

Для удобства отсчета результата измерения счетчик 9 результата измерения может быть выполнен двоично-десятичным, а коэффициент а выбран кратным десяти.

Соблюдение равенств (17)...(19) при заданных a, k, fo, n,. Pi...Pn обеспечивается путем выбора величин кодовых уставок.

Во.;.Вп.

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

если знак полярности первой производной 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 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 0, учет знаков полярности вышеуказанных производных при выборе режимов работы счетчиков 7i...7n-i и 9 можно заменить на более простой учет знаков полярности перед коэффициентами bi...bn функции преобразования (1), а, именно:

если перед коэффициентом bi 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 функ

ции преобразования (1), начиная с bi и кончая bj+i, положительна, то счетчик 1 импуль- - сов необходимо устанавливать в режим сложения, а если отрицательна, то в режим

5 вычитания.

Таким образом, благодаря новым свя. зям, элементам и возможности установки

различного сочетания режимов работы счет

чиков 7i...7n-i и 9, обеспечивается с учетом

10 масштабирования аппаратурная реализация измерения температуры, первичным измерительным преобразователем которой может служить преобразователь, имеющий функцию преобразования, аппроксимируе-.

15 мую полиномом n-й степени, причем знаки полярности перед коэффициентами, полинома могут принимать различные сочетания за исключением тех, при которых в диапазоне изменения выходного напряжения U выше20 указанного преобразователя происходит изменение знака полярности хотя бы одной из n-производных функции преобразования (1), что позволяет более точно измерять температуру.

25 Фор мула изобретения

Устройство для измерения температуры, содержащее первичный измерительный преобразователь, двоичный умножитель, включающий в себя последовательно соеди30 ненные счетчик импульсов и преобразователь кода в частоту, выходом подключенный к входу счетчика результата измерения, и генератор импульсов, выходом подключенный к информационному входу ключ-ч, вы35 ход которого подключен к частотному входу двоичного умножителя, отли.чающее- с я тем, что, с целью повышения точности измерения, в него дополнительно введены преобразователь напряжения во временной

40 интервал, шина запуска, п-2 двоичных умножителя и преобразователя кода в частоту, причем управляющий и информационный входы и выход преобразователя напряжения во временной интервал соединены со45 ответственно с шиной запуска, выходом первичного измерительного преобразователя и управляющим входом ключа, каждый из ()-х двоичных умножителя выполнен в виде последовательно соединенных счетчи50 ка импульсов и преобразователя кода в частоту, частотные входы (п-2) двоичных умножителей и преобразователя кода в частоту подключены к выходу ключа, выход каждого следующего по порядку двоичного

55 умножителя подключен к входу счетчика импульсов предыдущего двоичного умноижте- ля, а выход преобразователя кода в частоту подключен к входу счетчика импульсов последнего по порядку (п-1)-го двоичного умножителя.