Цифровой измеритель температуры Советский патент 1982 года по МПК G01K7/14 

Изобретение относится к температурным измерениям, а именно к устройствам дпя измерения температуры с компенсацией нелинейности характеристики первичного измерительного преобразователя. .

Известно устройство для измерения температуры, содержащее термопару и нуль-орган, являющиеся элементами ,« измерительной схемы, питаемой от источника постоянного тока, в котором термопара и соединенный с ней параллельно нуль-орган включены в измерительную диагональ моста, двумя смежными плечами которого служит реохорд, движок которого является одной из вершин диагонали питания мбста ij .

Однако недостаток устройства в том, что нуль-орган управляет ползун- о ком реохорда посредством механической связи, поэтому погрешность нульоргана прямо влияет на точность измерения температуры,.

Известен также цифровой измеритель температуры, содержащий термоэлектрический термометр, подключенный к 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 .

Однако погрешность измерения температуры данным устройством обусловлена в основном классом точности автоматического компенсатора. Это объясняется тем, что цифровой вольтметр соединен с выходной цепЬю автоматического компенсатора, класс точности которого значительно ниже класса точности цифрового вольтметра. Таким образом, точность измерения температуры прямо зависит от класса точности используемого в устройстве автоматического компенсатора постоя ного тока. Известен также цифровой измеритель температуры, содержащий термо электрический термометр, подключенный к входу автоматического компенсатора постоянного тока, цифровой вольтметр, источник стабили зированного напряжения и два реохорда, связанные с основным реохордом автоматического компенсатора З . Погрешность измерения температур данным устройством также определяется орежде всего классом точности используемого в нем автоматического компенсатора постоянного тока. Поскольку линеаризация измерительного сигнала в указанном устройстве осуществляется в цепи автоматического компенсатора постоянного тока, в ко торую включен цифровой вольтметр, точность измерения температуры oi раничена низким классом точности ав матического компенсатора. Несмотря на то, что класс точности цифровых вольтметров обычно гораздо выше кла са точности автоматических компенсаторов, при таком включении цифрового вольтметра собственная погрешность автоматического компенсатора прямо влияет на погрешность измерения температуры. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является устройство для измерения температуры, содержащее термоэлектрический преобра зователь, автоматический компенсатор постоянного тока, цифровой милл вольтметр,- основной, и дополнительны формирователи корректирующего напря жения, каждый из которых состоит из источника стабилизированного напряжения и четырех реохордов, механически связанных с основным реохордом автоматического компенсатора, два источника постоянного смещения и дв масштабирующих преобразователя,приче термоэлектрический преобразователь, соединенный последовательно с первы источником постоянного смещения, подключен к входу первого масштабир нщего преобразователя, к выходу которого подключена цепь из параллель соединенных входов цифрового милливольтметра и второго масштабирующег преобразователя, с которой последовательно соединены первые из пары в ходных реохордов основного и дополнительного формирователей корректирующего напряжения, каждый из которых состоит из двух пар реохордов, движки которых механически соединены с основными 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 токозадаюущх реохорда, а к выходу второго масштабирумцего преобразователя подключены последовательно соединенные второй источник постоянного смеще- . ния и автоматический компенсатор постоянного тока 41. Однако известное устройство также обладает недостаточной точностью за счет наличия остаточной погрешности, обусловленной нелинейностью выходной характеристики, составляющей 0,021% в диапазоне 700...1300°С. Цель изобретения - расширение нижней границы диапазона измерений и повьш1ение точности за счет снижения остаточной погрешности линейности. Поставленная цель достигается тем, что в известное устройство введены сумматор, аналого-цифровой преобразователь, предварительный усилитель постоянного тока, блок управления И формирователей корректирующего напряжения и устройств сравнения, причем выходы т формирователей корректирующего напряжения соединены со входами ri-l устройств сравнения и с одними из входов блока управления, другие входы которого подключены к выходам T1-I устройств сравнения, а выход блока управления соединен с одним из входов сумматора, к другому входу которого подсоединен термоэлектрический преобразователь, при этом выход сумматора через предварительный усилитель постоянного тока соединен с входом автоматического компенсатора постоянного тока и входом аналого-цифрового преобразова теля. На фиг. 1 показана структурная схема и;ифрового измерителя температуры, на фиг. 2 - принципигшьиая электрическая схема одного формирова теля корректирующего напряжения,

на фиг. 3 - графики зависимостей напряжения и погрешности линейност от температуры.

Цифровой измеритель температуры содержит термоэлектрический преобразователь 1, автоматический компенсатор 2 постоянного тока, блок 3 управления, сумматор 4, гфедварительный усилитель 5 постоянного тока, аналого-цифровой преобразователь 6. Устройство содержит такж Л формирователей корректирующего напряжения 7-1,...,7-п и п-1 уст7 ройств сравнения 8-1,..,,8-(п-1). Каждь1й из формирователей состоит из двух пар реохордов, движки которых механически связаны с движко реохорда автоматического компенсатора 2, Формирователь (фиг. 2) содержит пару выходных 9-1, 10-1 реохордов и пару токозадакхдих 11-1, 12-1 реохордов. Движки выходных реохордов 9-1, 10-1 электрически соединены с крайним выводом первого из пары выходных реохордов 9-1 и с последовательно соединенными источником постоянного стабилизированного напряжения 3-1, добавочным резистором 14-1, двумя токозадагацими реохордами II-I, 12-1 и вторым выходным реохордом 10-1. Противоположные Крайние участки первого 9-1 и второго 10-1 выходных реохордов выполнены из материала с удельным сопротивлением, близким к нулю а оставшиеся части реохордов выполненъ из материала с высоким удельным сопротивлением.

Принципиальные схемы всех 71 формирователей корректирукщего напряжения одинаковы. Единственным конструктивным различием между формирователями является различная протяженность проводящих участков на Противоположных краях выходных рео- хордов 9 и 10. Также для всех формирователей различны значения параметров элементов схем - ЭДС, источников постоянного стабилизированного напряжения I3 и сопротивлений резисторов 14.

Цифровой измеритель температуры работает следующим образом.

Термо-ЭДС термоэлектрического преобразователя 1 E(t), нелинейно зависящая от температуры его рабочего спая (при постоянной температуре свободных концов термоэлектри22536-6

ческого преобразователя), подается на один из входов сумматора 4, на второй вход которого из блока 3 управления поступает суммарный кор5 ректируюций сигнал Ujn,(t), представляющий собой постоянное напряжение. Просуммированный измерительный сигнал далее поступает на усилитель 5 постоянного тока, и с его выхода

О усиленное напряжение подается параллельно на аналого-цифровой преобразователь 6 и автоматический компенсатор 2 постоянного тока. Аналого-цифровой преобразователь 6 снаб 5 жен устройством индикации, благодаря которому обеспечивается непосредственный отсчет результата измерения температуры в градусах Цельсия. Измерительньш сигнал в кодовой форме с

20 выхода аналого-цифрового преобразователя подается в процессор для Дальнейшей обработки и-анализа.

Линеаризации измерительного сиг-. нала выполняются следующим образом.

25 Термо-ЭДС термоэлектрического преобразователя E(t) (фиг. 3) отличается от линейно зависящего от температуры напряжения UH величину погрешности линейности U(t) (фиг.За), 30 Дая компенсации вызванной погрешности к термо-ЭДС термоэлектричес- кого преобразователя необходимо прибавить постоянное термозависимое корректирующее напряжения, зависящее от температуры таким же образом как и погрешность u.0(t). Для формирования суммарного корректируЛщего напряжения в устройстве используются п формирователей, которые комму тир у юте я блоком управле.ния в зависимости от значения напряжения на рыходе каждого из формирователей. Выходное Напряжение каждого из формирователей зависит от отклонения

45 движка реохорда автоматического компенсатора постоянного тока, а следовательно, от значения измеряемой температуры. Для первого формировав теля, например, зависимость выходного напряжения от температуры

50

следующая:

,, ш ..). (R.,fti;i«l}- i)ll6i- l)li4- -

где Е,.- ЭДС источника постоянного стабилизированного напряжения 13-К 7 R - номинальное сопротивлени реохордов 9-1,...,12-1, ftit сопротивление добавочног резистора 14-1, - безразмерный к эффициент, определяющий степень от клонения движков реохордов от край него положения -to где ...1, tf - начальная, нечная температура рабочего диапазона; .4 - текущее значение температуры; , - значения отклонени движков реохордов, соответствуЮЕще границам проводя1чих участков на ре хордах 9-1, 10-1. Очевидно, что выходное напряжен формирователя равно нулю, когда дв ки его выходных реохордов- находятся на проводящих участках. Это поз ляет реализовать смещение корректирующих напряжений по оси температуры (фиг. 3, б).. Выходные напряжения двух последуищих формирователей /фиг. 1) подаются на устройство сравнения и н входы блока управления. TaiaiM образом обеспечивается формирование суммарного корректирующего напряже ния U(t). Например, когда выходно напряжение первого корректирующего формирователя U (t) становится рав ным выходному напряжению второго корректирукн(его формирователя устройство сравнения 8-1 подает в блок управления сигнал, который вы зывает коммутацию входов блока управления с его выходом, в результате которой напряжение U,i(t) снимается с выхода блока управления, |а вместо него на выход подается уже напряжение .), Таким образом, решается задача выделения огибающей корректирующих напряжений формирователей 7-1... 7-я. Огибаю0 ая, представляющая собой суммарное корректирующее напряжение (фиг. 3,б) показана сплошной линией, а графики корректирукицих напряжений формирователей - штрихами. Благодаря тому, что подгонкой каждого формирователя корректирующего напряжения можно получить на его выходе напряжение, равное знач ниям .погрешности iU(t) при двух, п извольно выбранных значениях тем6пературы, суммарное корректирующее напряжение будет равно погрешности линейности aU(t) при 2 TI значениях температуры. Соответственно при 2п значениях температуры остаточная погрешность линейности цифрового измерителя температуры определяется как iU..(t)U,(.t)-uU(fc) также будет равна нулю. Это позволяет достичь высокой степени линейности выходного сигнала цифрового измерителя температуры. Погрешность линейности устройства, таким образом, зависит исключительно от количества формирователей корректирующего напряжения., используемых в нем, и от выбора распределения рассматриваемой погрешности по рабочему диапазону температуры устройства. Устройство позволяет получить любое, заранее заданное значение остаточной погрешности линейности в сколь угодно широком диапазоне температуры, включив в устройство необходимое количество формирователей и устройств сравнения, в качестве которых используются компараторы с высоким входным сопротивлением. Одним из преимуществ цифрового измерителя температуры, помимо высокой точности в сколь угодно широком диапазоне температуры, является то, что погрешность измерения температуры практически не зависит от класса точности автоматического компенсатора 2 постоянного тока. Это объясняется тем, что автоматический компенсатор связан лишь со схемой линеаризации, и его погрешность влияет на точность формирования корректирукщего напряжения. Очевидно, что степень влияния этой погрешности определяется отношением максимального значения суммарного корректи-ругацего напряжения к оснрвному и.змерительному сигналу E(t). Это отношение очень мало и составляет величину порядка единиц процентов. Таким образом, собственная погрешность автоматического компенсатора входит в результирующую погрешность измерения, как величина второго порядка малости, и ей практически можно пренебречь. Это дает возможность использова-jb в цифровом измерителе температуры автоматический самопишущий потенциометр низкого класса точности без ущерба для точности измерения температуры. Самопишущий потенциометр одновременно с работой в схеме линеаризации может выполнятьи функцию известной регистрации измерительной информации в виде непрерывной запи, си на ленту графика температуры. Результат измерения температуры с высокой точностью может считываться оператором с табло устройства индикации аналого-цифрового преобразователя, а также в. виде цифрового кода передаваться для дальнейшей обработки цифровой ЭВМ, что позволяет использовать устройство в автоматических системах управления технологическими процессами. Областью применения устройства является измерение температуры в широком диапазоне 0.о.1300°С в различных областях промышленности-. Так, на пример, цифровой термометр может быт использован для контроля и измерения температуры в диапазоне до 1300, при проведении технологических процессов окисления, диффузии и эпитаксии .при производстве интегральных ми росхем и полупроводниковых приборов, Применение ycipoficTBa позволит создать автоматическую систему управления технологическими процессами на базе цифровой ЭВМ, повысить точность измерения и регулирования температур в диффузионной печи, что даст возмож ность повысить важнейший экономический показатель - процент выхода годных микросхем. Цифровой измеритель температуры может быть использован также для кон троля температуры при выращивании кристаллов полупроводников в подупро водниковой промьшшенности, для контроля и измерения температуры в про-, цессе термообработки изделий из алюминиевых сплавов, для измерения температуры рабочего тела турбогенератора в электроэнергетике и т.д., что обеспечит значительный технико-экономический эффект. Формула изобретения Цифровой измеритель температуры, содержащий термоэлектрический Лреобразователь, автоматический компенсатор постоянного тока, источники постоянного стабилизированного напряжения и формирователи корректирующего напряжения, каждый из которых состоит из двух пар реохордов, движки которых механически связаны с движком реохорда автоматического компенсатора постоянного тока и электрически попарно соединены между собой, причем движки выходных реохордов электрически соединены с крайним выводом первого из пары выходных реохордов и с последовательно соединенными источником постоянного стабилизированного напряжения, добавочным резистором, двумя токозадагащини реохордами и вторым выходным реохордом, отличающийся тем, что, с целью расширения нижней границы диапазона измерений и повьшения точности за счет снижения остаточной погрешности линейности, в измеритель введены сумматор, аналого-цифровой преобразователь, предварительный усилитель постоянного тока, блок управления rt формирователей корректиpyH 5ero напряжения устройств сравнения,причем выходы п формирова- телей корректирующего напряжения .соединены с входами n-l устройств сравнения и с одними из входов блока управления, другие входы которого подключены к выходам-q-l устройств сравнения, а выход блока управления соединен с одним из входов сумматора, к другому входу которого подсоединен термоэлектрический преобразователь, при этом выход сумматора через предварительный усилитель постоянного тока соединен с входом автоматического компенсатора постоянного тока и входом аналого-цифрового преобразователя. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР N 316945, кп, G 01 К 7/00. 2.Авторское свидетельство СССР № 280923, кл, G 01 К7/14, 1969. 3.Авторское свидетельство СССР № 327386, кп. G 01 К 7/10, 1970. 4.Заявка № 2857057/18-10, кл. G 01 К 7/24(прототип).

r

,

u,itj

jer

9J

J&

к дВшкку peox9p

автоматического компенсатор

/

}H

t

/

/

Фuг.Z