Цифровой измеритель температуры Советский патент 1982 года по МПК G01K7/02 

1

Изобретение относится к измерению температуры при помощи преобразования температуры в электрические параметры с коррекцией нелинейности их характеристики преобразования.

Известно устройство для измерения температуры, содержащее термочувствительный мост и стабилизированный источник питания, причем источник питания подключен к мосту через термозависимый делитель напряжения, состоящий из термометра сопротивления и двух резисторов Cl.

Недостатком этого устройства является значительная погрешность линейности характеристики преобразования устройства, а также наличие паразитных тепловых связей, возникающих за счет повышенного самонагрева одного из термометров сопротивления, что приводит к возникновению дополнительной погрешности.

Известно устройство для измерения температуры, содержащее термопару и нуль-орган, являющиеся элементами мостовой измерительной схемы, питаемой от источника постоянного тока, в котором термопара и соединенный с ней параллельно нульорган включены в измерительную диагональ моста, двумя смежными плеча Q ми которого служит реохорд, движок которого является одной из вершин диагонали питания моста С2.

Недостатками такого устройства 5 являются необходимость использования в схеме устройства источника тока, а также то, что собственная погрешность нуль-органа прямо влияет на результирующую погрешность измере20ния температуры. Это приводит к значительной погрешности измерения температуры, особенно в области высоких температур. Известно также устройство для измерения температуры, содержащее мостовую схему, в одно плечо которой введены терморезистор и резистор обратной связи, источник стабилизированного питания, усилитель постоянного тока и измерительный прибор, последовательно с которым включен дополнительный датчик измеряемой тем пературы СЗЗ . Однако в этом устройстве дополнительный термоэлектрический преобразователь нагружен низким сопротивлением цепочки резисторов, что является источником дополнительной погрешности. Кроме того, наличие в устройстве цепи.обратной связи приводит к увеличению нелинейности выходного измерительного сигнала, что снижает -точность измерения температуры, Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является преобразователь температуры, содержащий мостовую схему с термометром сопротивления в одном из плеч и резисторами в остальных плечах, последовательно соединенные стабилизированный источник питания и переменный резистор включенные в диагональ питания моста соединенный последовательно с выходной диагональю термочувствительного моста термоэлектрический преобразователь и делитель напряжения, вывод которого соединен с последовательно включенным термометром сопротивления образцовым резистором и входом усилителя постоянного тока, к выходу которого подключен аналого-цифровой преобразователь, а параллельно термометру сопротивления и образцовому резистору включены цепочки, каждая из которых содержит последовательно соединенные стабилизированный источник питания и ограничительный резистор . Однако известному устройству также присуща остаточная погрешность в диапазоне 0-600 С, равная Q,7 мВ, что ограничивает область его исполь зования. Целью изобретения является повышение точности измерения температур Поставленная цель достигается те что в устройство введены переменные ограничительные резисторы, движки которых механически связаны между с бой, подключенные последовательно с дополнительным термометром сопротивления и образцовым резистором к стабилизированным источникам питания, а в диагональ питания и смежные плечи термочувствительного моста постоянного тока включены цепочки, состоящие из зашунтированных резисторами последовательно соеди ненных постоянных и переменных резисторов, причем движки переменных резисторов, включенных в смежные плечи моста, механически соединены между собой. На фиг. 1 показана принципиальная схема измерителя; на фиг. 2 и 3графики зависимостей напряжений на отдельных элементах измерителя. Цифровой измеритель температуры содержит термочувствительный мост, в одно плечо которого включен термочувствительный резистор-термометр 1, сопротивления, в другое плечо - резистор 2, а два других смежных плеча моста образованы цепочками, состоящими из зашунтированных резисторами 2 и 3 последовательно соединенных постоянных 5 и 6 и переменных 7 и 8 резисторов, движки которых механически связаны .между собой. В диагон ль питания моста последовательно со стабилизированным источником 9 питания также включена цепочка, состоящая из зашунтированных резистором 10 последовательно соединенных постоянного И и переменного 12 резисторов , служащая для регулировки температурной чувствительности моста. Степень нелинейности характеристики преобразования термочувствительного моста регулируется при помощи переменных резистров 7 и 8,движки которых механически связаны между собой. Последовательно с выходной диагональю термочувствительного моста соединен термоэлектрический преобразователь 13, а также вход усилителя 1 постоянного тока с гальванической развязкой входа и выхода, дополнительный термометр 15 сопротивления и образцовый резистор 16. Дополнительный термометр 15 сопротивления и образцовый резистор 1б через переменные ограничительные резисторы 17 и 18, движки которых механически связаны между собой, подключены к стабилизированным источникам питания 19 и 20 так, что напряжения на дополнительном термометре 15 сопротивления и образцовом резисторе 1б направлены встречно. К выходу усилителя постоянного ток подключен аналого-цифровой преобразователь 21, с блоком индикации. Чувствительные элементы обоих термо метров 1 и 15 сопротивления и рабочий спай термоэлектрического преобразователя 13 помещены в среду изме ряемой температурой. Цифровой измеритель температуры работает следующим образом. Напряжение на выходной диагонали термочувствительного моста равно нулю при начальной температуре рабочего диапазона, и с ее повышением нелинейно возрастает (фиг.2а). Характер нелинейности выходного напря жения моста таков, что для его лине ризации из него необходимо вычесть некоторое корректирующее напряжение равное разности между напряжением U(t), и линейно зависящим от температуры, напряжением U(t)(0иг.2б Для форм1 Ьования такого напряжения в схеме измерителя используется до%полнительный термоэлектрический пре образователь 13, термо-ЭДС которого зависит от температуры по закону, который описывается вогнутой кривой (фиг.2вК Суммарное напряжение на дополнительном термометре 15 сопротивления и образцовом резисторе 6 U3(t) описывается выпуклой кривой (фиг.2в). Разность термо-ЭДС E(t) и напряжения UjCt) равна нулю в начале и конце диапазона измерения температуры, поскольку напряжение (i(t) выбрано равным термо-ЭДС E(t) при конечной температуре диапазона. По абсолютной величине это разностное напряжение больше погрешности dU(t) при любом значении температуры в пределах рабочего диапазона. Чтобы уменьшить это напряжение, надо изменить параметры схемы, дополнительный термометр 15 сопротивления и образцовый резистор 16, изменяя степень нелинейности выходног напряжения. Однако гораздо удобнее регулировать степень нелинейности в ходного напряжения термочувствитель ного моста, изменяя сопротивление двух смежных его плеч на одинаковую величину. При этом не нарушается ни равновесие моста, ни его температур ная чувствительность. Плавная регул ровка степени нелинейности характер ТИКИ U(t) достигается благодаря наличию в двух смежных плечах моста цепочек, состоящих из зашунтированных резисторами 3 и последовательно соединенных постоянных 5 и 6 и переменных 7 и 8 резисторов. Движки переменных резисторов 7 и 8 механически связаны между собой, что является необходимым для того, чтобы при изменении сопротивления плеч моста оно было одинаковым для обоих плеч. Регулировкой степени нелинейности выходного напряжения U|(t) термочувствительного моста можно добиться того, что разность AU(t) станет больше напряжения U4(t) при любом значении температуры в пределах рабочего диапазона (фиг. 2а,б и фиг.ЗаК Плавной регулировкой степени нелинейности напряжения можно достичь того, что при некотором значении сопротивления плеч моста его выходное напряжение отличается от линейного на величину ,равную U.(t), причем эти значения будут равнь не менее, чем при двух значениях температуры в пределах рабочего диапазона (фиг.36/. Остаточная погрешность линейности в таком случае будет равна нулю в начале, конце и двух знамениях температуры внутри рабочего диапазона (фиг.Зв). Нелинейность напряжения, приложенного к входу усилителя 1, на промежутках между этими температурами минимальна, что обеспечивает возможность резкого повышения точности измерения температуры. Собственные погрешности усилителя постоянного тока и аналого-цифрового преобразователя значительно меньше остаточной погрешности линейности, поэтому не оказывают влияния на результирующую погрешность измерения температуры. Благодаря линейному характеру зависимости информативного сигнала на входе усилителя, на выходе аналого-цифрового преобразователя 21 измерительная информация представляется в виде цифрового кода, который при подаче на блок индикации обеспечивает ци()ровой отсчет результата измерения температуры непосредственно в градусах Цельсия с высокой точностью. Предлагаемый измеритель предназначен для использования метрологического обеспечения температурных измерений в различных отраслях про7мышленности. Особенно эффективно использование его при многоточечном ко троле температуры в технологических процессах, требующих высокой точности измерения и высокого быстродействия. Предлагаемый измеритель обеспечит значительный технико-экономический эффект при внедрении его для температурного контроля термообработки изделий из алюминиевых сплавов, он может быть получен за счет повышения качественных характеристик изделий благодаря повышению точ ности измерения температуры. Формула изобретения Цифровой измеритель температуры, содержащий термочувствитальный мост постоянного тока с термометром сопр тивления в одном из плеч, термоэлек трический преобразователь, усилител постоянного тока,к выходу которого подключен аналого-цифровой преобразователь, образцовый резистор и дополнительный термометр сопротивления , подсоединенные к стабилизирова ным источникам питания, о т л и чающийся тем, что, с целью повышения точности измерения температуры,в измеритель введены переменные ограничительные резисторы, движки которых механически связаны между собой, подключенные последовательно с дополнительным термометром сопротивления и образцовым резистором к стабилизированным источникам питания, а в диагональ питания и смежные плечи термочувствительного моста постоянного тока включены цепочки, состоящие из зашунтированных резисторами последовательно соединенных постоянных и переменных резисторов, причем движки переменных резисторов, включенных в смежные плечи моста, механически соединены между собой. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 309257, кл. G 01 К 7/20. 2.Авторское свидетельство СССР № , кл. G 01 К 7/02, 1970. 3.Авторское свидетельство СССР № 463007, кл. G 01 К 7/00, 1972. Ц. Авторское свидетельство СССР по заявке № 2910953/18-20, кп. G 01 К 7/00, 17.0.80 (прототип).

фуг. /

I/

to

f

svYthf/f ft/-ff f /

4

tf

/f/J - -/5y- y z.J