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

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

Изобретение относится к области и мерения температуры, а точнее к цифровым измерителям температуры с компенсацией нелинейности характеристик первичного измерительного преобразователя. Известно устройство для измерения температуры, содержащее измерительны мост, в одно плечо которого включен термометр сопротивления, усилитель разбаланса, реверсивный двигатель, причем три плеча моста образованы тремя постоянньши резисторами и включенными между ними двумя реохорд ми, движки которых механически свят заны между собой и двигателем l . Недостатком устройства является т что погрешность выходного сигнала (степень его линейности) опр еделяется классом точности моста, поскольку реохорды служат для компенсации разбаланса, вызванного изменением сопро тивления термометра сопротивления при изменении температуры. Известен также цифровой измеритель температуры, содержащий термоэлектрический термометр, подключенный ко входу автоматического компенсатора постоянного тока, дополнительный термоэлектрический термометр, зашунтированный последовательно включенными сопротивлением и реохордом, движок которого механически связан с движком реохорда компенсатора, и цифровой вольтметр ,2 j.% Цифровой :вольме тр подключен к выходной цепи автоматического компенсатора, поэтому точность измерения температуры, в основном определяется классом точности автома7Т1ческого компенсатора, так как класс точности цифровых вольтметров обычно значигеЛьно выше. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство для измерения температуры, содержащее термоэлектрический преобразователь, автомати3ческий компенсатор постоянного тока цифровой милливольтметр, формирователь корректирующего напряжения, сос тоящий из источника стабилизированного напряжения и четьфех реохордов механически связанных с основным реохордом автоматического компенсато ра 31. Низкая точность измерения темпера туры данным устройством также обусловлена классом точности автоматичес кого компенсатора постоянного тока. Это объсняется тем, что линеаризаци измерительного сигнала осуществлена в цепи автоматического компенсатора в которую включен цифровой милливол метр. Целью изобретения является повышенная точность измерения тe 5 пepaтy в широком диапазоне путем снижения погрешности нелинейности. Поставленная цель достигается те что в устройство- введены дополнител ный формирователь корректирующего напряжения, два источника постоянно то смещения и два масштабирующих преобразователя, причем термоэлектрический преобразователь, соединенный последовательно с первым источником постоянного смещения, подключен ко входу первого масштабирующего преобразователя, к выходу которого подключена цепь из параллельно соединенных входов цифрового милливольтметра и второго масштабирующего преобразователя, последовательно с ,которой соединены первые из пары выходных реохордов основного и допол нительного формирователей корректиру щего напряжения, каждый из которых состоит из двух пар реохордов, движк которых механически соединены с осно ным реохордом компенсатора и электрически попарно соединены между собой. Движки вькодных реохордов элект рически соединены с крайним выводом первого из пары выходных реохордов, к второму крайнему выводу которого последовательно с источником постоян ного напряжения и добавочным резисто ром подсоединены второй выходной реохорд и два токоведущих реохорда, к выходу второго масштабирзпощего преобразователя подключены последов тельно соединенные второй источник постоянного смещения и автоматический компенсатор постоянного тока. На фиг.1 показана структурная схема устройства дпя измерения тем 0 пературы на фиг.2,3 - графики зависимостей напряжений и погрешностей линейности от температуры. Устройство содержит термозлектри- ческий преобразователь 1, автоматический компенсатор постоянного тока 2, цифровой милливольтметр 3, источники стабилизированного напряжения 4,5 и четыре реохорда 6,7,8 и 9, составляющие основной формирователь корректирующего напряжения. Дополнительный формирователь корректирующего напряжения включает реохорды 10,11,12,13. В обоих формирователях первая пара реохордов является выходной, формирующей напряжение требуемой формы, а вторая пара реохордов является токозадающей. Питание обоих формирователей осуществляется от источников постоянного напряжения 4 и 5, последовательно с которыми включены добавочные резисторы 14 и 15Устройство содержит также источники постоянного смещения 16 и 17 и масштабируюище преобра-зователи 18 и 19, необходимые для промежуточных преобразователей измерительного сигнала. Устройство работает следующим образом. Выходной сигнал первичного измерительного преобразователя - термоэлектрического преобразователя l-E(t) поступает на вход масштабирующего преобразователя 18, предварительно просуммированный с постоянной ЭДС Ей источника постоянного смещения 16. На выходе масштабирующего преобразователя измерительный сигнал представляет собой номированное напряжение Е ft) - постоянное напряжение, величина которого в милливольтах равна значению температуры рабочего спая термоэлектрического преобразователя в градусах Цельсия, деленному на 100. Эта зависимость строго выполняется для двух точек - в начальной и конечной температурах диапазона. Па промежутке между верхней и нижней температурами рабочего диапазона устройства имеет место погрешность, обусловленная погрешностью линейности термоэлектрического преобразователя. Функцию, связываюшзпо измерительный номированный сигнал на выходе масштабирзтощего преобразователя с термоэдс, термоэлектрического преобразователя, можно записать в ., E(i)-«-E, EU)-где ТВ. - постоянное напряжение источника I6: К- - постоянный коэффициент мас табирования преобразователя 18. Описанное преобразование измерительного сигнала иллюстрируют графи ки, показанные на фиг.2 а,б. Как видно из фиг. 2,6, преобразованный измерительный сигнал Е (t) отличается от линейно зависящего от температуры сигнала Уд(t) на величину погрешности линейности лии)ил()-Е( Корректирующее напряжение, зависящее от температуры таким же образом, как и значение погрешности AU.( получают основным формирователем корректирующего напряжения, который состоит из двух пар реохорда, движки которых механически соединены с основнЕЛУ реохордом автоматическог компенсатора постоянного тока 2. Электрически движки реохордов попар но соединены между собой. Движки вы ходных реохордов электрически соединены также с крайним выводом первог из пары выходных реохордов, к второму Крайнему выводу которого последовательно с источником постоянного напряжения 4 и добавочным резистором 14 подсоединены второй выходной реохорд 7 и два токозадающих реохорда 8 и 9. Напряжение на выходе основного формирователя корректирующего напряжения зависит от температуры следующим образом: ..... ) «- R,,.Mi4) где Е. - ЗДС источника постоянного стабилизированного напряжения 4j - сопротивление добавочного резистора 14: Ы - безразмерный коэффициент, определяющий величину.откло нения движков реохордов от крайнего положения в абсолю ных единицах о/- 0... 1) и 06 может быть связан со значением температуры следующим соотношением: W-- t6-t. где t. - начальная; t- - конечная температура рабочего диапазона устрд йства; t - текущее значение температуры. Из приведенной вьопе зависимости и графика, показанного на фиг.2 в видно,.что при крайних положениях движков реохордов, т.е. в начальной и конечной точках рабочего диапазона устройства, корректирующее напряжение U(t) на выходе основного формирователя равно нулю, а при двух произвольно выбранных значениях температур, в пределах рабочего диапазона, это напряжение, точно равно значению абсолютной погрешности линейности Д U ( t ). График зависимости остаточной погрешности линейности после коррекции измерительного сигнала напряжением на выходе основного формирователя показан.на фиг.З а. Как видно из графика, остаточная погрешность линейности равна нулю при четырех значениях температуры г t 2. -р Ч Для компенсации этой погрешности/ которая в средней части диапазона достигает значительных величин (см.фиг.З а), служит дополнительный формирователь корректирующего напряжения, реализующий на выходе корректирующее напряжение-Urt(t). Величина этого напряжения такова, что оно авно остаточной погрешности линейности при двух значениях температуы в средней части рабочего диапазона температуры - при температурах t (см.фиг.З б). На промежутах t. ... tc...tg напряжение ) равно нулю, поскольку на этих частках диапазона уровень остаточой погрешности достаточно мал (см.фиг.З а), и дальнейшее сниже- . ие не является необходимым. Напряение и. может быть описано анаитически следукяцим образом. . EgR()((i5-), ()(ot5-ti2)R.Cdl-ollXc 5-«) где Е - ЭДС источника постоянного стабилизированного напряжения 5; сопротивление добавочного резистора 15 (а учетом изложенного выше допущения), Коэффициент, определяющий степень отклонения движков реохордов от крайнего положения об , имеет то же значение, что и для основного формирователя, так как все реохорды механически связаны между собой и с основным реохордом автоматического компенсатора постоянного тока 2. Выполнение дополнительного формироватедя корректирующего напряжения аналогично выполнению основного формирователя. Единственное отличие сос тоит в том, что, крайние части пары выходных реохордов дополнительного формирователя (0,ll) вьшолнены из материала с удельным сопротивлением, близким к нулю, а. средние части из материала с высоким удельным сопротивлением. Границы проводящих крайних участков реохордов установлены совпадающими со значениями температуры t и tg-, т.е. протяженность первого проводящего участка от ti до t- затем - резистивная средняя часть на промежутке от t д tc- , и второй проводящий участок от tr до tg. Это требование может выполняться только для левой ветви реохорда 10 и правой ветви реохорда П (сМофиг.О, поскольку правая вет реохорда 10 при отклонениях движка реохорда, соответствующих промежутк температур te-...t, оказывается зам нутой перемычкой между Движком реохорда и правым (по схеме) вьгаодом, а левая ветвь реохорда 11 включена последовательно с токозадающими рео хордами 12 и 13 и выполняет аналоги ную выполняемой ими функцию. Поскольку корректирующее напряжение на выходе дополнительного формирователя Ug(t) при температурах t t. полностью компенсирует остаточную погрешность линейности (см.(.З б) измерительный сигнал U-(t) после кор рекции имеет нулевзта погрешность линейности при следующих значениях тем пературы: t , tg,tyt,tj. и tg, то есть в шести точках в пределах рабочего диапазона температуры (см.. фиг.З в). Это особенно важно для шир ких диапазонов температуры, в которы трудно обеспечить достаточную линейность иомерц-гсл1,1Ю1-о сшнала. Оптимизацией распределения температур полной компенсации по рабочему диапазону можно достичь пренебрежимо малых значений погрешности линейности. Таким образом, преимуществом предлагаемого устройства дпя измерения температуры является высокая степень линейности характеристики преобразования температуры в постоянное линейно зависящее от температуры напряжение, что позволяет получить цифровой отсчет результата измерения нет посредственно на табло цифрового милливольтметра 3 в градусах Цельсия. Параллельно цифровому милливольтметру 3 включен вход второго масштабирующего преобразователя 19, на выходе которого имеется напряжение, равное входному Uo(t), разделенному в К2 раз. Последовательно с выходом масштабирующего преобразователя 19 включены второй источник постоянного смещения 17 с ЭДС Е , направленной встречно выходному сигналу масштабирующего преобразователя, и вход автоматического компенсатора постоянного тока 2. Второй масштабирующий преобразователь 19 совместно с источникам постоянного смещения 17 выполняют функцию согласования диапазона напряжений на входе цифрового милливольтметра с диапазоном входных напряжений автоматического компенсатора, . Важньм преимуществом устройства является независимость точности измерения температуры цифровым милливольтметром 3 от класса точности авто«матичёского компенсатора постоянного тока 2. Это обусловлено тем, что автоматический компенсатор связан только со схемой линеаризации, включающей основной и дополнительный формирователи корректирующего напряжения, общий (суммарный) корректируюпщй сигнал на выходе которой составляет малую часть от основного Измерительного сигнала (порядка О,1%). Таким образом, погрешность автоматического компенсатора ослабляется в 1000 раз и поэтому является влияющей величиной второго порядка малости, которой практически можно пренебречь. Это позволяет использовать в предлагаемом устройстве автоматический самопишущий потенциометр низкого класса точности, который одновременно с работой в системе линеаризации обеслечивает регистрацию температуры в аналоговой форме на ленте самописца. Результат измерения с высокой точнос тью считывается с табло цифрового 1;илливольтметра, а также в кодовой форме может вводиться в ЭВМ для даль нейшей обработки, а сравнительно менее точная запись на ленте служит при этом для документирования измери тельной информации. Устройство может быть использовано в полупроводниковой промьгашеннос- ти - для контроля и измерения темпедиапазоне до 1300 С при про ратуры в ведении технологических процессов диффузии, окисления и эпитаксии при производстве интегральных микросхем и ползшроводниковых приборов. Наличи кодового выхода измерительной информации позволяет при этом обеспечить прямой ввод информации в управляющую ЭВМ, что делает возможным создание автоматической системы управления технологическим процессом. Применение предлагаемого устройства на пред приятиях полупроводниковой промышлен ности, таким образом, позволит на ка чественно новом уровне .решать целый ряд производственно-технических зада и обеспечит тем самым значительный технико-экономический эффект. Устройство для измерения температ ры может быть использовано и во многих других отраслях промьш1ленности, где необходимы точные измерения и контроль температуры. Цифровая индикация результата измерения температуры непосредственно в градусах Цельсия даст возможность повысить точность и быстродействие измерения, что особенно важно при многоточечном контроле температуры в производственных условиях. Формула изобретения Устройство для измерения температ ры, содержащее термоэлектрический преобразователь, автоматический компенсатор постоянного тока, цифровой милливольтметр, формирователь коррек тирующего напряжения, состоящий из источника стабилизированного напряжения и четьфех реохордов, механически -связанных с основным раохордом автоматического компенсатора, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения температуры в широком диапазоне путем снижения погрешности нелинейности, в устройство введены дополнительный формирователь корректирующего напряжения, два источника постоянного смещения и два масштабирующих преобразователя , причем термоэлектрический прёобразователь, соединенный последовательно с первым источником постоянного смещения, подключен ко входу первого масштабирующего преобразователя, к вькоду которого подключена цепь из параллельно соединенных входов цифрового милливольтметра,и второго масштабирующего преобразователя, последовательно с которой соединены первые из пары выходных реохордов основного и дополнительного формирователей корректирующего напряжения, каждый из которых состоит из двух пар реохордов, движки которых механически соединены с основным реохордом компенсатора и электрически попарно соединены между собой, движки выходных реохордов электрически соединены с крайним выводом первого из пары выходных реохордов, к второму крайнему выводу которого последовательно с источником постоянного напряжения и добавочным резистором подсоединены второй выходной реохорд и два токозадающих реохорда, а к выходу второго масштабирующего преобразователя подключены последовательно соединенные второй источник постоянного смещения и автоматический компенсатор постоянного тока. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 381921, кл. G 01 К 7/24, 1971. 2.Авторское свидетельство СССР № 280923, кл. 6 01 К 7/14, 1969. 3.Авторское свидетельство СССР № 327386, кл. 0 01 К 7/10, 1970 (прототип). lt)i

U(i(

W

&U(t)-UM-f(i} f(t)m

S)

is

.Uf(t)

S)

Фиг.г iit