Устройство для измерения температуры Советский патент 1981 года по МПК G01K7/14 

(54) УСТРОЙСТВА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

I

Изобретение относится к температурным измерениям, в частности к устройствам для измерения температуры с коррекцией погрешности линейности первичного преобразователя, в которых используются цифровые вольтметры в комплекте с термоэлектрическими преобразователями (ТП) для точного измерения температуры. Пересчет показаний вольтметра в градусы температуры осуществляется с помощью стандартных градуировочных таблиц термометра, что является недостатком такого использования щ«фрового вольтметра.

Выбор диапазона измерения осуществляется созданием ЭДС противоположной ЭДС ТП, а индикация непосредственно в градусах температуры достигается шунтированием входа вольтметра. Однако ввиду нелинейности градуировочной характеристики ТП эта схема может обеспечить приемлемые метрологические характеристики только в весьма узком диапазоне температур, например 1100-1300°С, что является ее недостатком.

Известно устройство для измерения температуры, содержащее датчик температуры, выходной сигнал которого описывается полиноминальной ф)шкцией, и устройство для вычисления постоянных полинома и расчета на их основе числовых значений температуры. Вычислительное устройство содержит блок управления, генераторы импульсов, счетчик, ключи и регистры памяти. В схеме вычисления повторно и ступенчато .накапливаются постоянные полинома, а значение температуры определяется числом управляющих импульсов,

10 поступающих на счетчик 1.

Недостатком устройства является его высокая сложность -и стоимость. Кроме того, в автоматическом злектронном потенциометре, традиционно применяемом в системах авто15матического контроля температуры, совмещены измерения, индикации, регистрации и позиционного регулирования. Цифровой термометр брз дополнительных устройств может выполнять только функцию измерения

20 и индикации.

Так как в производстве для управления технологическими процессами необходимы также функции регистрации и регулирования. замена электронных потенциометров на цифровые термометры сопровождается установкой дополнительной аппаратуры. Для осуществления регистрации значений температуры необходимо цифропечатающее устройство, трансскриптор, устройство отчета времени с возможностью выхода на печать. Для осуществления позиционного регулирования в системе, с цифровым термометром необходимым блок памяти для хранения установок регулирования, устройство сравнения кодов и формирования управляющего воздействия. Поскольку все эти устройства по сложности и стоимости значительно превосходят сам вдфровой термометр, приемлемые экономические характеристики могут получить только при работе системы в многоканальном режиме. В этом случае к указанному объему аппаратуры добавляются коммутаторы низкого и высокого уровня, групповые унифицирующие преобразователи, блоки управления и т.д а весь комплект аппаратуры превращается в систему сбора первичной информации, используемую, как правило, в составе комплексов АСУ ТПП. Значительно более дешевыми и простыми являются комбинированные устройства для измерения температуры, например автоматические потенциометры постоянного тОка и пос ты, имеющие аналоговую схему линеаризации для создания возможности отсчета температуры в градусах на табло цифрового вольтметра, входящего в состав комбинированного ус ройства. Достоинством этих устройств является также совмещений фзшкций измерения, регистрации и регулирования. Однако по точности устройства значительно уступают измерителям температуры с цифровой линеаризацией характеристики ТП. Известен цифровой прибор для измерения температуры, содержащий мостовую потенциометрическую схему, в одну из диагоналей ко торой включен источник стабилизированного питания, а в другую - датчик термо-ЭДС по следовательно с усилителем разбаланса, и сле дящий , двигатель, уравновещивающий схем подачи сшнала разбаланса на усилитель, причем последовательно с рабочим датчиком термо-ЭДС встречно включен дополнительный датчик термо-ЭДС, защунтированный последовательно включенными сопротивлением и реохордом, основание и движок которого механически связаны с основанием и движком измерительного реохорда. В этом устройстве достигается линеаризация шкалы автокомпенсатора и линейность выходного напряжения, снимаемого с дополнительного реохорда 2. Однако вследствие того, что цифровой вольтметр подключен к выходной цепи компенсатора, точность измерения температуры полностью определяется классом точности компенсатора, что является недостатком устройства, так как класс точности современных цифровых вольтметров значительно вьпие, чем у автокомпенсаторов. Известно устрюйство для измерения температуры, содержащее измерительный мост, в одно плечо которого включен платиновый термометр сопротивления, усилитель разбаланса, реверсивный двигатель и источник питания, три плеча моста образованы тремя постоянными резисторами и включенными между ними двумя реохордами, движки которых механически связаны между собой и двигателем, причем движок одного реохорда подключен к усилителю, а движок другого - к источнику питания 3. Однако в этом устройстве реохорды участ вуют в компенсации разбаланса схемы, розникщего при изменении сопротивления термометра, поэтому погрещность выходного линеаризованного сигнала также определяется классом точности моста, что является недостатком устройства. Известен также цифровой прибор для измерения температуры, содержащий термопару, включенную последовательно с усилителем разбаланса в мостовую потенцкометрическую схему, питаемую от стабилизированного источника, и следящий дви,атель, последовательно с измерительным реохордом дополнительно включен резистор и реохорд, движок которого закорочен на свое начало и механически связан с движком измерительного реохорда 4}. Однако в этом устройстве осуществлена линеаризация вьходной цепи автокомпенсатора, в которую и включен цифровой вольт-, метр, Погрещность схемы компенсатора полностью входит в погрещность измерения всего устройства. Таким образом, применение цифрового вольтметра в таком устройстве неэффективно, так как его высокий класс точности все равно не реализуется в схеме измерения,что является недостатком устройства. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является измеритель температуры,содержащий термоэлектрический преобразователь, подключенный ко входу автоматического потен- . циометра постоянного тока, цифровой вольтметр, источник стабилизированного 1тапряжения и два дополнительных реохорда, механкчески связанные с основным реохордом потенциометра, причем первый дополнительный реохорд включен последовательно с термо: лсктрическим преобразователем и цифровым вольтметром И зашунтирован цепью из после довательно включенных второго дополнительного реохорда, резистора и источника стабилизированного напряжения, причем ветви вто рого дополнительного реохорда соединены последовательно, а у первого дополнительного реохорда начало одной ветви подключено к концу другой и соединена с электродом ТП и 1:леммой источника стабилизированного напряжения, конец этой ветви подключен к клемме входа цифрового вольтметра, ко второй клемме которого подключен другой, электрод термометра. В данном измерителе совмещены функции измерения, индикации, регистрации и регулирования. В класс точности компенсатора не входит в общую погрешность измерения, поэтому могут получить принципиально более высокие метрологические характеристики, чем в других схемах, где для линеаризации также использована схема автоматического потен циометра постоянного тока 51. Однако известный измеритель имеет иедостаточно высокую точность линеаризадаи в расширенных диапазонах и связанная с этим погрешность измерения. Погрешность регистрации, особенно при применении малогабарит ных потенциометров постоянного тока с узкой диаграммой, значительно выше, чем погрешность измерения и индикации. Цель изобретения - повышение точностн и расширение диапазона измеряемых температур. Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения температуры, содержащее термоэлектрический преобразователь цифровой вольтметр, источник стабилизирован ного напряжения, автоматический потенциометр постоянного тока с реохордом, механически связанным с дополнительным реохор дом, первая ветвь которого включена между выводом термоэлектрического преобразователя и входом цифрового вольтметра, введены два набора резисгоров, дешифратор, подключенный к выходу цифрового вольтметра, и управляемые им коммутаторы, ключи и циф роаналоговые преобразователи, причем выход первого цифроаналогового преобразователя включен последовательно между вторым выводом термоэлектрического преобразователя и входом цифрового вольтметра, вход потенциометра - последовательно с выходом второго цифроаналогового преобразователя подключен ко входу цифрового вольтметра, вто рая ветвь дополнительного реохорда - через набор резисторов, коммутируемых первым коммутатором, подключена к соответствующим выходам делителя напряжения, вход которого подключен к источнику стабилизированного напряжения, другой конец второй ветви дополнительного реохорда через другой набор резисторов, коммутируемых вторым коммутатором, подключен к источнику стабилизированного напряжения, а через ключи - к началу и концу первой ветви дополнительного реохорда. На фиг. 1 изображена функционально-принципиальная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - векторные диаграммы, поясняющие работу .схемы. Схема содержит ТП J, один из выводов которого через первую ветвь дополнительного реохорда 2, механически соединенного с основным реохордом потенциометра 3, подключена ко входу цифрового вольтметра (ЦВ) 4. Второй вывод ТП 1 соединен последовательно с выходом первого цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 5 и вторым входом ЦВ 4. Вход потенциометра 3 соединен последовательно с выходом второго ЦАП 6 и подключен ко входу ЦВ 4. Вторая ветвь дополнительного реохорда 2 через набор резисторов 7 и коммутатор 8 подключена к выходам делителя 9 напряжения, ко входу которого подключен источник 10 стабилизированного напряжения. Другой конец второй ветви реохорда 2 через второй набор резисторов 11 и второй коммутатор 12 подключен к клемме источника 10. Кроме того, та же клемма 1Йточкика 10 через ключи 13 и 14 соединена с началом и концом первой ветви реохорда 2. Управление коммутаторами 8 и 12, ЦАП 5 и 6, ключами 13 и 14 осуществляется через дешифратор 15, подключенный к выходу ЦВ 4. Измерительный диапазон устройства разбит на ряд поддиапазонов линеаризации (фиг. 2). Каждому диапазону соответствует включение своего напряжения на выходе ЦАП 6 для обеспечения равенства диапазона линеаризации длине шкалы потенциометра 3. Кроме того, каждому дасапазону линеаризации соотетствует подключение своего резистора 7 и 11 в наборах, а также своего значения наального напряжения линеаризации, формируемого ЦАП 5. Устройство работает следующим образом. Выходной сигнал ТП 1 поступает на вход В 4, выходной код которого устанавливат выходной код дешифратора в состояние, оответствующее диапазону линеаризации. Пусть, апример, значение измеряемой температуры авно i,f выходной сигнал ТПЕ, что сответствует второму диапазону линеаризации (фиг. 2). Второму диапазону соответствует ыход1гое напряженне ЦАП 6 (вектор на фиг. 2), равное значение линеаризованной градуировочной характеристики измерителя (-Ь) в точке начала диапазона. Выходное напряжение ЦАП 5 (вектор равно разности значений линеаризованной характеристики Оцц - Ч С) измерителя и градуировочной характеристики термоэлектрического преобразователя Е.. - M(-t) в начальной точке диапазона линеаризации. В зтой точке движок дополнительного реохорда 2 находится в крайнем левом (по схе ме на фиг. 1) положении, позтому падение напряжения на реохорде равно нулю и линеаризация осуществляется только за счет напряжения и ЦДЛ 5 рассматриваемого значения температуры Ь напряжение на входе компенсатора 3 равно вектору U| (фиг. 2), чему соответствует определенное положение движка дополнительного реохорда 2 и падение напряжения на нем Ij г (вектор на фиг. 2). Таким образом, напряжение на входе цифрового вольтметра 4 равно и,, . линейно зависит от температуры. Показания потенциометра 3 также линейны в пределах диапазона линеаризации. В связи с тем, что для некоторых диапазонов линеаризации функция нелинейности ТП из монотонно возрастающей переходит в монотонно убывающую, для обеспечения лине аризации необходимо изменение направления вектора LJRpZ , что достигается размыканием ключа 13 и замыканием ключа 14. Упра ление ключами. 13 и 14 осуществляется от дешифратора 15. Предлагаемое устройство реализуется на ос нове стандартного цифрового вольтметра и малогабаритного потенциометра постоянного тока (например, А541 с предварительным усилением). Схема дешифратора должна обеспечивать расшифровку номера диапазона по коду цифрового вольтметра. С целью упрощения дешифратора и облегчения анализа записи на диаграмме потенциометра диапазоны линеаризации предпочтительно выбирать кратными 100° С. Схема дещифратора реализуется на интегральных элементах ТТЛ логики, например серии КМ 155. Число уровней выходного напряжения циф роаналоговых преобразователей равно числу диапазонов линеаризации. Класс точности цифроаналоговых преобразователей равен 0,1, поэтому VX. схемная реализация на современной элементной базе не представляет сложности. Так как коммутаторы и ключи в предлагаемом устройстве не входят в измерительные цепи и требования к их характеристикам невысоки, они выполнен., как на основе контактных так и бесконтактных переключак щих устройств. Преимуществом предлагаемого устройства по сравнению с известным является возможность получения чрезвычайно высоких метрологических характеристик. Расчет параметров и погрешностей схемы показывает, что погрешность линеаризации сопоставима с погрешностью задания градуировочных характеристик стандартными граду иров очны ми таблицами. Высокие метрологические характеристики достигаются при сравнительно простой и дешевой схеме. Так как предел измерения потенциометра укладывается только в диапазон линеаризации, который значительно (примерно в 5-10 раз) меньше диапазона измерения всего устройства, соответственно снижается иогретность записи (по сравнению с известным) и порог чувствительности схемы регулирования. В зависимости от количества диапазонов,линеаризации достигают погрешность записи 0,1 - 0,15% от верхнего предела измерения при классе потенциометра 1. При диапазоне линеаризации в целые сотни градусов уточнение начала отсчета при анализе записи на диаграмме потенциометра не представляет труда. Предлагаемое устройство позволяет совместить в одном приборе функции измерения, цифровой индикации, аналоговой регистрации и позиционного регулирования (за счет контактов потенциометра) и могут быть использованы в комплексах АСУ Ttl без дополнительных дорогостоящих устройств: цифропечатающих устройств, таймеров, блоков цифрового регулирования. Предлагаемый цифровой измеритель температуры может н&йти широкое применение в системах контроля температуры технологических процессов, так как в приборе совмещения функции измерения, регистрации и регулирования, он может быть широко использован для замены автоматических потенциометров и мостов без привлечения дополнительной дорогостоящей аппаратуры. Достигаемое при этом значительное повышение точности систем температурного контроля обеспечит снижение процента брака и улучшения качественных характеристик выпускаемой продукции в ряде отраслей промыщленности. Формула изобретения Устройство для измерения температуры, содержащее термоэлектрический преобразователь.

цифровой вольтметр, источник стабилизированного напряжения, автоматический потенциометр постоянного тока с реохордом, механически связанным с дополнительным реохордом, первая ветвь которого включена между выводом термоэлектрического преобразователя и входом цифрового вольтметра, отличающееся тем, что, с целью повышения точности, в него введены два набора резисторов, дешифратор, подключенный к выходу цифрового вольтметра, и управляемые им коммутаторы, ключи и цифроаналоговые преобразователи, причем выход первого цифроаналогового преобразователя включен последовательно между вторым выводом термоэлектрического преобразователя и входом цифрового вольтметра, вход потеициометра - последовательно с выходом второго цифроаналогового преобразователя подключен ко входу цифрового вольтметра, вторая ветвь дополнительного реохорда через набор резисторов, коммутируемых первым коммутатором, подключена к соответствуH4ZI t4ZD- IIZH-CIbJ

ющим выходам делителя напряжения, вход которого подключен к источнику стабилизированного напряжения, другой конец второй ветви дополнительного рехохорда через другой набор резисторов, коммутируемых вторым коммутатором, подключен к источнику стабилизированного напряжения, а через ключи - к началу и концу первой ветви дополнительного реохорда. I

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

5.Авторское свидетельство СССР № 625139, кл. G 01 К 7/02, 1977 (прототип).