Устройство для измерения температуры Советский патент 1982 года по МПК G01K7/22 

(5) УСТРОЙ(ТВО для ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

1

Изобретение относится к температурным измерениям, а именно к цифровым измерителям температуры, и может быть использовано в электротермометрах.

Известно цифровое устройство для измерения температуры, содержащее термопреобразователь сопротивления, аналого-цифровой преобразователь, генератор импульсов, формирователь временных интервалов, схему сравнения, два счетчика и индикатор.

Это устройство дает возможность корректировать нелинейность первичного преобразователя при измерении 11.

Однако зависимость параметров этого устройства от дестабилизирующих факторов, например, изменения температуры внешней , существенно увеличивает погрешность проводимых измерений, уменьшение которой в этом случае требует стабилизации параметров генератора, аналого-цифрового преобразователя и проведения

периодического контроля и коррекции. При этом достижение заданной точности связано с трудностью выбора параметров устройства, в связи с тем, что большинство термопреобразователей сопротивления имеют весьма существенный разброс характеристик.

Погрешность линеаризации измерителя определяется величиной дискретности преобразователя, т. е., в конеч10ном итоге, объемом и быстродействием счетчиков что приводит к применению цифровых элементов с большой частотой переключения и к увеличению числа счётчиков, а это связано с усложнени15ем устройства и повышением потребляемой мощности от источника питания.

Известен также цифровой измеритель температуры, содержащий термометр сопротивления, подключенный к перво20му входу операционного усилителя, ко второму еходу и выходу которого подключен эталонный резистор, соединенные последовательно интегратор, нуль орган, формирователь временных интер валов, логическуюсхему,счетчик импульсов и генератор импульсов, вход которого соединен с выходом интегра тора , а выход - с одним из входов логической схемы. Измеритель температуры позволяет уменьшить погрешность измерения путем исключения влияния нестабильнос ти характеристик усилителя и генера тора импульсов 2 , Однако на погрешность измерений оказывает влияние нестабильность ге нераторов тока, в случае использова ния прибора в широком диапазоне тем ператур рабочих условий применения. Кроме этого, измеритель обеспечивае линеаризацию характеристики термопре образователя, зависимость величины сопротивления которого от температу описывается функцией, представляемо тремя членами степенного ряда: R RO(I At + Bt }, где RO - значение сопротивления при 0°С; А и В - постоянные значения, зависящие от конструкции термопреобразователя. Это не позволяет применять измеритель при использовании термопреобразователей сопротивления, имеющих экспоненциальную зависимость величины сопротивления от температуры, на пример, терморезисторов. Из известных устройств для измере ния температуры наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство, содержащее триггер, один из входов которого подсоединен к генератору тактовых импульсов, а другой - к блоку сравнения, выход триггера соединен с транзисторным ключом и одним из входов селектора, другой вход которо го подключен к генератору стандартной частоты, а выход к счетчику им пульсов. Нагрузкой ключа является измерительная цепь, состоящая из раз рядного сопротивления, термопреобразователя сопротивления, образцового конденсатора и шунтирующего его резистора,о Импульсы генератора стандартной частоты, несущие информацию об измеряемой температуре, поступают на вхо суммирующего счетчика за время заряда образцового конденсатора до определенного напряжения через термопреобразователь сопротивления и шунтирующий резистор З . В этом устройстве погрешность, вызванная нелинейностью чувствительного элемента первичного преобразователя, компенсируется тем, что параллельно ему и конденсатору включён разрядный резистор, а конденсатор, кроме этого, зашунтирован другим резистором. Разрядный и шунтирующий резисторы оказывают влияние на время заряда конденсатора, т. е. на длительность интервала времени, в течение которого происходит заполнение счетчика импульсами стандартной частоты, что дает возможность несколько уменьшить погрешность измерений, связанную с нелинейностью характеристики первичного преобразователя. Однако приведенная погрешность измерений, даже при тщательном подборе параметров зарядной цепи, в диапазоне в несколько десятков градусов составляет величину порядка 2% и растет с расширением диапазона измерений. При работе устройства в широком интервале температур внешней среды погрешность проводимых измерений зависит от стабильности параметров генератора стандартной частоты, транзисторного ключа и напряжения питания, Для проведения более точных измерений необходимо жестко стабилизировать параметры и напряжение узлов, что приводит к дополнительному расходу энергии источников питания и существенному усложнению схемотехнического решения . Все это не позволяет использовать данное устройство для измерений с малой погрешностью в широком диапазоне рабочих температур. Цель изобретения - повышение точности измерений. Указанная цель достигается тем, что в известное устройство для измерения температуры, содержащее термопреобразователь сопротиаления, соединенный с постоянным резистором, транзисторным ключом и источником питания, счетчик импульсоз, соединенный с генератором опорной частоты через селектор, подключенный к триггеру, входы которого соединены с генератором тактов и блоком сравнения, дополнительно введены два эталонных делителя напряжения, два транзисторных ключа, функциональный преобразователь, распределитель импульсов, счетчик импульсов, формирователь импульсов коррекции и интегратор, управляющий генератором опорной частоты и соединенный с формирователем импульсов коррекции, святанным с выходами триггера и второго см тчика, вход которого подключен к вых.. ду селектора, а другие выходы соед шны с распределителем импульсов, управляющим работой функционального преобразователя, соединенного выходом со вторым входом блока сравнения, на первый вход которого подключаются сигналы с эталонных делителей напряжения и термопреобразователя сопротивления через транзисторные ключи, переключаемые генератором тактов, соединенным с формирователем импульсов коррекции и функциональным преобразователем. Но выходе функционального преобразователя формируется функция, алпроксимироваиная набором экспонент. Введение дополнительных блоков и установление новых функциональных связей в устройстве позволяет провес ти линеаризацию характеристики термопреобразователя сопротивления путе сравнения выходной величины первичного преобразователя с выходной величиной функционального преобразователя, изменяющейся во времени так же как характеристика первичного преобразователя изменяется от температуры Заданная характеристика функционального преобразователя изменяется во времени между пусковым моментом и моментом, когда выходное значение ее совпадает со значением характеристик примененного термопреобразователя, соответствующим измеряемой температу ре. Перед каждым измерением, предварительно осуществляется калибровка измерительной цепи устройства по эталонным резисторам. Все это уменьшает погрешности измерения, связанны .с нелинейностью характеристики первичного преобразователя и нестабильностью параметров блоков устройства в рабочих условиях применения. Выходная характеристика функционального преобразователя реализуется с помощью изменяющей во времени свои параметры цепи разряда или заряда конденсатора постоянной емкости. При этом, используя распределитель импульсов и второй счетчик, выходную характеристику функционального преобразователя с необходимой точностью можно приблизить к виду выходной характеристики примененного термопреобразователя сопротивления. На фиг. 1 представлена блок-схема устройства для измерения температуры; на фиг. 2 - диаграмма временной последовательности сигналов. Устройство для измерения температуры содержит постоянный резистор 1, термопреобразователь 2 сопротивления, эталонные делители 3 и напряжения, транзисторные ключи 5. 6, 7, блок 8 .сравнения, функциональный преобразователь 9 генератор 10 тактов, триггер 11, распределитель 12 импульсов, селектор 13, первый счетчик Т, формирователь 15 импульсов коррекции, второй счетчик 16, генератор 17 опорной частоты, интегратор 18, источник питания {не показан) (фиг.1). Термопреобразователь сопротивления например, терморезистор 2, установлен в точке, где следует измерить температуру. Делители 3 и содержат эталонные резисторы высокой стабильности. Величины сопротивлений нижних резисторов делителей напряжения равны величинам сопротивления примененного в устройстве первичного преобразователя при температурах, близких к на чалу и концу диапазона измерений, например, при и соответственно. Резистор 1 и вторые резисторы делителей 3 и ) напряжения должны быть равные по величине и обладать стабильными параметрами. Эти резисторы соединены с источником питающего напряжения и величина их выбирается такой, чтобы не получить погрешности при измерении от самонагрева первичного преобразователя. Устройство предусматривает выполняемые последовательно два режима работы - режим автоматической калибровки измерительной цепи и режим измерения. В режиме калибровки в начальный момент времени t (фиг. 2) все узлы устройства устанавливаются в исходное состояние сигналом с генератора 10 тактов. Селектор 13 в этом состоянии запрещает поступление импульсов генератора 17 опорной частоты на входы обоих счетчиков 1, 16. В этот же момент времени открывается ключ 6 (фиг. 26), обеспечивающий передачу напряжения с делителя 3 соответствующего величине сопротивления первичного преобразователя при 0°С (фиг, 2г, Ио), на первый вход блока 8 сравнения. На втором входе блока 8 сравнения постепенно устанавливается выходное напряжение функционального преобразователя 9 (фиг, 2г). С момента tj этот процесс, в случае применения в качестве первичного преобразователя терморезистора, связан с зарядом конденсатора постоянной емкости функционального преобразователя 9 (фиг, 2г) Процесс установления напряжения на выходе функционального преобразователя 9, т, е. заряд емкости, протекает до тех пор, пока выходное напряжение не сравняется с напряжением, передаваемым с делителя 3. В

передаваемым с момент времени t, на выходе блока

8 сравнения появляется сигнал, свидетельствующий о моменте равенства входных напряжений (фиг, 2д). Сигнал с выхода блока 8 сравнения поступает на вход триггера 11 и устанавливает его в состояние, противоположное исходному. По совпадению переднего фронта сигнала с выхода триггера. 11 и сигнала, соответствующего режиму калибровки с генератора 10 тактов, селектор 13 открывает доступ импульсов опорного генератора на счетчик 1. Одновременно генератор 10 тактов закрывает ключ 6 (фиг. 26) и открывает ключ 7 (фиг, 2

Выход счетчика И связан с распределителем 12 импульсов и формирователем 15 импульсов коррекции. Распределитель 12 импульсов в параллельном позиционном коде вырабатывает последовательность импульсов, управляющих работой функционального преобразователя 9 осуществля ощего аппроксимаци функции температурной зависимости термопреобразователя сопротивления 2 набором экспонент. Последовательност импульсов управляет транзисторными ключами функционального преобразователя 9, включающими в цепь разряда или заряда конденсатора постоянной емкости С резисторы в определенной последовательности. Путем подбора этих резисторов и распределением установленных интервалов времени вкл чения их, подбирают выходную характеристику функционального преобразователя 9 такой, чтобы обеспечить требуемую погрешность линеаризации характеристики примененного первичного преобразователя. В случае применения в качестве первичного преобразователя полупроводникового терморезистора, имеющего экспоненциальную температурную характеристику, описываемую выражением

R, где Q температура терморезистора;

А и В- параметры терморезистора, распределитель импульсов управляет включением резисторов в цепь разряда конденсатора С (не показан). Выходная характеристика функционального преобразователя Цф может быть представлена следующим образом -- t

tpStSt

t) 99 При действии дестабилизирующих фак торов на измерительную цепь прибора (изменения температуры .рабочих условий применения, напряжения питания и т. п.) момент установления счетчика Ц в конечное состояние, в общем случае, не совпадает с момент.)м времени t 1/3. Формирователь имп льсо: коррек ции 15 по сигналу триггера 11 мс мент времени t 1/3 и сигналу с,-:-ановки счетчика 1А в режиме калибровки вырабатывает импульсы коррекции, поступающие на интегратор 18, выходное напряжение которого, зависящее от Длительности приходящих импульсог, управляет работой генератора 17 опорной частоты, изменяя частоту следова ния импульсов этого генератора таким образом, чтобы момент времени t 1/5 и сигнал установления счетчика в конечное состояние совпали. Таким образом осуществляется обратная связь, т. е, автоматическая калибровка измерительной цепи прибора, охватывающая и функциональный преобразователь, исключающая влияние аддитивной и мульти пликативной погрешностей на режим измерения, следующий за режимом калибровки. После момента t 1/3 следует выдержка времени, необходимая на выработку импульсов коррекции и установление выходного напряжения интегратора 18. Интегратор 18 обладает памя тью и f о выходное напряжение поддер живает в режиме измерения параметры опорного генератора 17. т. е. его частоту, в соответствии с поступившими сигналами коррекции предыдущего режима калибровки. В следующий момент времени t 1/4 генератор 10 тактов включает режим измерения. Одновременно, так же как и в режиме калибровки в момент t 1/1 все узлы устанавливаются в исходное состояние. После сравнения напряжения на входах блока 8 сравнения в момент времени t 1/5 (фиг. 2г) (на первом входе напряжение с подключенного делителя 3, а на втором - устанавливающееся напряжение на выходе функционального преобразователя 9) на выходе его появляется сигнал, переключающий триггер в состояние, противоположное исходному. По совпадению переднего фронта этого сигнала и сигнала генератора 10 тактов, соответствующего режиму измерения, селектор 13 откры2импульсов генератора 17 вает доступ опорной частоты на счетчик 16,Одновременно генератор 10 тактов закрывает ключ 6 (фиг. 26) и открывает ключ 5 (фиг. 2а),обеспечивающий передачу с первичного преобразователя напряжения, соответствующего его температуре. Процесс измерения т. е. процесс заполнения счетчика 16 длится до момента t 1/6 (фиг. 2г) - момента равенства входных напряжений блока 8 сравнения (на первом входе напряжение с подключенного термопреобразователя 2 сопротивления (фиг. 2г, Uo). а на втором - изменяющееся по заданному закону выходное напряжение функционального преобразователя 9). В момент t 1/6 на выходе блока 8 сравнения появляется сигнал (фиг. 2д). устанавливающий триггер 11 в исходное состояние и запрещающий доступ импульсов в счетчик 16. Содержание счетчика 16 соответствует температуре термопреобразователя 2 сопротивления, установленного в точке, где измерялась температура. Выходы этого счетчика можно соединить с устройством цифровой индикации или каналами связи с ЭВМ. После проведения режима измерения, по сигналу генератора 10 тактов устройство снова переключается на режим автоматической калибровки, подготавливающий измерительную цепь для последующего реиима измерения температуры и т. д. Длительность режимов калибровки и измерения связана лишь с частотой следования импульсов генератора опорной частоты и быстродействием примененной элементной базы. Введение дополнительных узлов и установление новых функциональных связей выгодно отличает предлагаемое устройство, так как уменьшаются составляющие погрешностей, обусловленных нелинейностью характеристики термопреобразователя сопротивления и влиянием дестабилизирующих факторов в рабочих условиях применения, расширяются функциональные возможности, в части применения различных термопреобразователей сопротивления, характеристика которых имеет нелинейную зависимость от температуры. В результате снижены суммарные значения -погрешностей измерения, что позволяет проводить более томные измерения в широком диапазоне температур и 8 различных рабочих условиях применения. Кроме этого,устраняется необходимость разработки рядз устройств, имеющих меньшие рабочие диапазомы в целях сохранения небольшой погрешности при проведении измерении в пределах диапазона температур в 100 и более градусов. Практически, величина основной приведенной погрешности измерения может быть достигнута 0,25.

Формула изобретения

Устройство для измерения температуры, содержащее термопреобразователь сопротиэления, соединенный с источником питания через постоянный резистор и транзисторным ключом, сметчик импульсов, соединенный с генератором опорной частоты через селектор, подключенный к триггеру, зходы которого связаны с генератором тактов и блоком сравнения, отличающееся тем, что, с целью поаышения точности измерения, в устройство введены два эталонных делителя напряжения , два транзисторных ключа, функциональный преобразовател распределитель импульсов, счетчик, формирователь импульсов коррекции и интегратор, выход которого соединен

со входом генератора опорной частоты а вход - с выходом формирователя импульсов коррекции, входы которого соединены с выходом генератора тактов, выходом триггера и выходом второго счетчика соответственно, вход которого соединен с выходом селектора, а другой выход подключен ко входу распределителя импульсов, выход которого соединен со входом функционального преобразователя, второй вход которого соединен с одним из выходов генератора тактов, а другой выход связан с первым входом блока сравнения, второй вход которого соединен с эталонными делителями напряжения и термопреобразователем сопротивления через соответствующие транзисторные ключи.,управляющие вход которых соединены с соответствующими выходами генератора тактов, остальны выходы которого соединены с входами триггера, селектора и первого счетчика соответственно.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

fr 110267, кл. G 01 К 7/28, 1972 (прототип) ,