Цифровой измеритель низких температур Советский патент 1982 года по МПК G01K7/02 

(54)-ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР

1

Изобретение относится к температурным измерениям, а именно к устройствам для измерения низких температур с автоматической компенсацией термоЭДС свободных концов термоэлектрического термометра.

Известны способы и устройства для компенсации изменения термо-ЭДС термоэлектрического термометра при изменении температуры его свободных концов, например путем учета поправки на тем- пературу свободных концов, путем термостатирования свободных концов с применением пассивных или активных термостатов и удлиняющих термоэлектродных проводов - J3.

Однако известным способам и устройствам присущи существенные недостатки. При учете поправки к {езультату измерения необходимо измерять температуру свободных концов и, пользуясь градуировочной характеристикой термоэлектрического термометра, расчетным путем корректи-

ровать результат измерения. Такой способ трудно поддается автоматизации и требует измерения температуры свободных концов,

Известны также устройства тира ком- . пенсационного термометра КТ для автоматической компенсации изменения термо-ЭДС ТТ, представляющие собой равноплечий мост, три плеча которого выполнены из манганиновой проволоки,

10 а четвертое - из медной. Мост питается от источника стабилизированного напряжения и выходом включается в разрыв между выходом ТТ и входом вторичного измерительного прибора

Включение компенсационного устройства на входе прибора значительно ухудшает помехоустойчивость измерения, а кроме того, различные модификации КТ

20 обладают низкой точностью. Погрешность компенсаций изменения термо-ЭДС ТТ в диапазоне изменения температуры свободных концов О-50 С ниже ±3 С. Наиболее близким по технической cyuuiocTvi и достигаемому результату к предлагаемому цифровому измерителю температуры является устройство для измерения температуры, содержащее термо электрический термометр и тоследовательно соединенные усилитель, резистор, переключатель, интегратор, сравнивающее устройство и селектор, ко второму входу которого подключен выход генератора так товых импульсов, вход которого соединен с выходом устройства автоматической подстройки частоты, второй вход сравнивающего устройства связан с общей шиной, цифровое отсчетное устройство, блок управления и блок кусочно-линейной аппроксимации, выход которого соединен с одним из неподвижных -контактов переключателя и входом интегратора, к другому неподвижному контакту переключателя подключена общая щина, причем сиг нальные входы блока управления соедине ны со входом устройства автоматической подстройки частоты и выходом генератора тактовых импульсов, а. выходы связаны с управляющими входами переключателя, блока. Кусочно-линейной аппроксимации, селектора и цифрового от- счетного устройства 5. Недостатком этого устройства является отсутствие автоматической компенсации изменений температуры свободных ко цов ТТ, а применение любого из описанных способов и устройств компенсации не обеспечивает достаточной точности. Цель изобретения - повыщение точности измер-эния температуры. Поставленная цель достигается тем, что в устройство введены реверсивный счетчик, второй блок кусочно-линейной аппроксимации, ключ, терморезистор и преобразователь сопротивления в напряжение, ко входу которого подключен по четырехпроводной линии связи терморезистор, а выход соединен с одним из неподвижных контактов ключа, другой непод вижный контакт которого связан с выходом термоэлектрического термометра, а подвижный контакт соединен со входом усилителя, выход второго блока кусочнолинейной аппроксимации связан с общей точкой соединения необходимого контакта переключат(У1Я выхода первого блока кусочно-пинейной аппроксимации и входа интегратора, суммирующий и вычитающий входы реверсивного счетчика подключены к соответствующим выходам селектора, а выходы соединены со входами цифрового отсчетного устройства, причем- до 714пол 5ительные выходы блока управления связаны с управляющими входами второго блока кусочно линейной аппроксимации и ключа, а сигнальные входы - с выходом сравнивающего устройства и реверсивного счетчика . На фиг. 1 приведена схема цифрового измерителя , низких температур; на фиг. 2 (а, б) - графики, поясняющие работу устройства, Устройство содержит термоэлектрический термометр 1, ключ 2, усилитель 3. резистор 4, переключатель 5, интегратор 6, сравнивающее устройство 7, селек-: тор 8, цифровое отсчетное устройство 9, первый блок 10 кусочно-линейной аппроксимации, устройство 11 автоматической подстройки частоты, генератрр 12 тактовых импульсов, реверсивный, счетчик 1 3 импульсов, терморезистор 14, преобразователь 15 сопротивления в напряжение, второй блок 16 кусочно-линейной аппроксимации, блок 17 управления. Цифровой измеритель низких температур (фиг. 1) содержит последовательно соединенные термоэлектрический термометр 1, ключ 2, усилитель 3, резистор 4, переключатель 5, интегратор 6, сравнивающее устройство 7, и селектор 8, ко второму входу селектора 8 подключен выход генератора 12 тактовых импульсов, а соответствующие выходы селектора соединены с суммируклцим и вычитающим входами реверсивного счетчика 13 импульсов, выходы которого подключены ко входам цифрового отсчетного устройства 9, а также устройство 11 автоматической подстройки частоты, .выход которого подключен ко входу генератора 12 тактовых импульсов, первый 1О и второй 16 блоки кусочно-линейной аппроксимации, выходы которых соединены и подключены, к общей точке соединения бдного из неподвижных контактов переключателя 5 и Входа интегратора 6. Терморезистор 14 с помощью четырехпроводно.й. линии св-язи подключен ко входу преобразователя 15 сопротивления в напряжение, выход кото - рого связан с одним из неподвижных контактов ключа 2. Блок 17 управления сигнальными входами соединен с выходом . сравнивающего устройства 7, входом устройства 11 автоматической подстройки частоты и выходом реверсивного счетчика 13 импульсов, а выходами с управляющтй.га входами ключа 2, переключателя 5, селектора 8, цифрового отсчетного устройства 9, генератора 12 тактовых импульсов и блоков 10 и 16 кусочнолинейной аппроксимации. Устройство работает следующим образом. При включении устройства сигналы с блока 17 управления переводят ключ 2 в нижнее положение, соответствующее подключению выхода преобразователя 15 сопротивления в напряжение на вход усилителя 3, переключатель 5 переводят в верхнее положение, что соответствует по ключению резистора 4 ко входу интегратора б, а выходы бчоков 10 и 16 ку сочно-линейной аппроксимации отключают от входа интегратора 6, выходы селектора 8 отключают от входов реверсивного счетчика импульсов 13. При этом на вход интегратора 6 посту пает напряжение равное , (1) -коэффкци.;)нт усиления усилитегде К ля 3; -напряжение на выходе преобразователя 15 сопротивления в напряжение, величина которого равна бс. - .коэффициент преобразователя 15 сопротивления в напряжение; приращение сопротивления термо резистора 14 е изменением тем пературы 9 ев . значение которого равно ARft. (начальное смещениеUoi;g l n o ° ® сируется любым известным способом); где RO - сопротивление терморезистора 14 при О°С; об - температурный коэффициент сопротивления резистора 14;© температура свободных концов термоэлект рического термометра 1, поскольку терморезистор 14 размещается в непосредственной близости: от свободных концов термоэлектрического термометра 1 и та- КИМ образом находится при той же температуре 0(-.g , что и свободные концы. Напряжение U интегрируется интегра тором 6 в течение интервала времени Т, длительность которого выбирается равной периоду напряжения сети питания устрой- ства и задается блоком управления. В конце интервала Т на выходе интегратора возникает напряжение . .. где ( - сопротивление резистора 4; С - емкость обратной связи интегратора 6. После окончания интервала Т сигналы с блока управления переводят переключатель 5 в нижнее положение, соответствующее подключению общей шины, выход второго блока 16 кусочно-линейной аппроксимации подключают ко входу интегратора .. 6, а выход селектора 8 подключают к вычитающему входу реверсивного счетчика 13 импульсов для прохождения импуль сов от генератора 12 тактовых импульсов, Напряжение с выхода второго блока 16 кусочно-линейной аппроксимации интегрируется в течение времени i/x , до момен- та пока интегратор 6 не возвратится в исходное состояние, т. е. пока не выпо/ьнится равенство гUo-t кдвсв сП д ;; : (5) - напряжение, противоположной полярности к U , которое через разрядные резисторы R (0(-g) второго блока 16 кусочно-линейной аппроксимации разря жает интегратор до нуля (фиг. 2, а). Таким образом, интервал времени определяют, приравнивая (4) и (5), откудаК-Т-Цбсв- Дбсв) uTi гдеКД Св) значение разрядных сопротивлений блока 16 кусочнолинейной аппроксимации, который работает аналогично блоку кусочно-линейной аппроксимации известного устройства. Момент окотания интервала t , т. е. возвращение интегратора в исходное состояние) фиксируется сравнивающим устройством 7, по выходному сигналу которого блок 17 управления свои1 и сипналами переводит ключ 2 в верхнее полоение, соответствующее переключеш1ю термоэлектрического термометра 1 ко входу усилителя 3, переключатель 5 переходит в верхнее положение, подключая резистор 4 ко входу интегратора 6, выод второго блока 16 кусочно-линейной аппроксимации отключает от входа интегратора, а селектор 8 закрывает, и прохождение импульсов от генератора тактовых импульсов 12 на вычитающий вход реверсивного счетчтжа импульсов 13 прек- решается. В реверсивном счетчике зафнзссируется код числа N.iot.,, где {Q - частота следования импульсов or генератора тактовых импупьсой 12. В момент окончания интервалаt после соответствующих переключений ко входу интегратора 6 прикладывается усилен-ная усилителем .3 выходная тррмо-ЭДС термоэлектрического термомет ра 1, значе ние которой равно (0„©св), - коэффициент усиления усилителя 3; (бхбсв) выходная Tepvio-ЭДС термоэлектрического термометра 1 9 X - измеряемая температура; Qpj - температура свободных концо Значение Е(0 х, 0 се) Но представить в таком виде Е(ех,бсв) Е(бх,0С)ДЕ(о°С,всв), (9) где ,О С) - термо-ЭДС соответствующая значениям, при котором градуиро - ван прибор; ЛЕ (О°С, QCB поправка к термоЭДС термоэлектрического термометра 1 при отличии температуры свободных концов ©се , причем ® X (цифровой измеритель низких температур) а Q се Ос (что всегда имеет место при эксплуатации прибора). При этих уело ВИЯХ всегда Е(бх ,0св)Е. ® ) и всег да выполняется соотношение (9). Напряжение Uj интегрируется интегратором 6 (как в предыдущем случае vJ) в течение интервала времени Т, длительность которого задается блоком 17 управления посредством выделения периода помехи (периода напряжения питания прибора). В конце интервала Т на выходе интегратора возникает напряжение П- III А i QxQcB) или с учетом (9) п (Q o°cl -T-uE(o°c,ecBi ,, i - г::+. i RCRC После окончания интервала Т сигналы с блока управления переводят переключатель 5 в гижнее положение, соответствую щее подключению общей тины, селектор 8 открывает для прохождения импульсов от генератора 12 тактовых импульсов на сум мирующий вход реверсивного счетчика 1 П мпупьсов, а ко входу интегратора подлючают постоянный резистор R блока 0 кусочно линейной аппроксимации напряжение, противоположной полярности Ич, происходит разряд интегратора в течеие интервала времени, t (фиг. 26). По окончании этого интервала, что фиксируетя . переходом через ноль реверсивного четчика 13 импульсов, по выходному игналу которого блок управления под лючает ко входу интегратора напряжение и о через разрядные резисторы Йз(бх) блока 1D кусочно-линейной аппроксимации и происходит разряд интегратора в те- ение времени t до его исходного состояния пока не выполнится равенство J Uodi )С (11) RjC гдеКз(О)-значение разрядных сопротивлений блока 10 кусочно-линейной аппроксимации, который работает аналогично блоку кусочног линейной аппроксимации известного устройства. Интервал времени Ь определим, приравнивая (10) и (11), т. е. KT-E(Qx,0°C)KJ-uE(0°C,8cB) R.OxVc шш KT-Eie,OOc Uot R3lQx)-c (12) K.T.uE(0°C.ecBl UoRC R-J-Cиз выражения (12) определим интервал времени , значение которого равно к.т.Е(бмО°с.рз(ех) Для получения линейной -зависимости интервала времени 1- от измеряемой температуры 9 X необходимо обеспечит ь i, условие Е(ек,0°С)-Яз(9к),,,.) так как остальные величины К, Т, Kg и R в уравнении 14 постоянны . Для обеспечения условия 15 необходимр, чтобы R(SX) имело обратную функциональную зависимость Е(0 х,) , что осуществляется блоком 10 кусочнол ;1Нбйной аппроксимации. - ;4ля расчога значений сопротивлений RIB зависимости от измеряемой температуры 8д аппроксимируют выражение Е(0у,О°С) кусочно пинейной зависимость а затем рассчитывают значения ) Для получения условия, обеспечивающего компенсацию температуры свободных концов, подставим в (13) значение t из выражения (б). Таким образом получим .Uec8-f 0cB) uElO°c, условие обе печивается тем, что UQ Ri(9ce) ту же функциональную завис 1мость, что ийЕ(,Эе(}), что обеспечивается вторым блоком 16 кусочно- линейной аппроксимации. Значения сопроти лений R(.9cg) рассчитываются как в извест ном устройстве, предварительно аппроксимировав выражение лЕ (, QC) кусочно-линейной зависимостью, исходя из необходимой точности компенсации ткзменений температуры свободных концов тер моэлектри шского термометра 1. ЗависимостиЕ(0х ) и Д Е (.О°С, 9f4gi) задаются градуировочной характеристикой термоэлектрического термометра.,, -В момент окончания интервала -о, блок управления по сигналу сравнивающего устройства 7 переводит узлы при- бЬра в исходное состояние и цикл измерения повторяется. В конце интервала времени t в ревер сивном счетчике импульсов зафиксируется код числа , + N2 iot3 Qx ,- o Таким образом, в предлагаемом цифровом измерителе низких температур за счет дополнительного введения ключа,терморезистора, преобразователя сопроти ления в напряжение, второго блока кусоч но-линейной аппроксимации, реверсивного счетчика и соответствующих связей зна-- чительно повыщается точность измерений температуры, обеспечена автоматическая компенсация влияния изменений температ ры свободных концов термоэлектрического термометра на результат измерения. В предлагаемом устройстве более, чем на порядок повыщена точность компенсации изменений температуры свободных концов за счет высокой точности кусочно-линейной а7троксимации завг1скмостил. (С (. 0;-з ) и соответствующей вос1JOпроизводим ости вторым блоком 1 1 кул но-линейной аш1роксима1ШИ записимогти ЛОсв) Формула изобретения Цифровой измеритель низких температур, содержащий термоэлектрический термометр и последовательно соединенные ус тш1ель, резистор, и гтегратор, сравнивающее устройство и селектор,, ко BTopt Му входу которого подключен выход генератора тактовых импульсов, вход которого соединен с выходом устройства автоматической подстройки частоты, а второй вход сравнивающего устройства связан с общей шиной, цифровое отсчетноё уст ройство, блок управления и блок кусочнолинейной аппроксимации, выход которого связан с общей точкой соединения одного из неподвижных контактов переключателя и входа интегратора, к другому неподвижному контакту переключателя подключена общая щина, причем сигнальные входы блока управления соединены со входом устройства автоматической подстройки частоты и выходом генератора тактовых импульсов, а выходы связаны с управляющими входами переключателя блока кусочно-линейной аппроксимации, селектора и цифрового отсчетного устройства, отличающийся тем, что, с целью повыщения точности измерения температуры, в него введены реверсивный счетчик импульсов, второй блок кусочно-линейной аппроксимации, ключ, терморезиотор и преобразователь сопротивления в напряжение, ко входу которого подключен по четырехпроводной линии связи терморезистор, а выход соединен с одним из неподвижных контактов ключа, другой неподвижный контакт которого связан с выходом термоэлектрического термометра, а подвижный контакт соединен со входом усилителя, выход второго блока кусочно-линейной аппроксимации связан с общей точкой соединения неподвгокного контакта переключателя выхода первого блока кусочно-линейной аппрокс 1мации и входа тп-гтегратора, суммирующий и вычитающий входы реверсивного счетчика икшульсов. подключены к соответствующим выходамселектора. а выходы соединены со входами цифрового отсчетного устройства, причем дополнительные выходы йтокп управ- связаны с управляющими входами второго блока кусочир-пинпйтюй аппрок cnr-ralriT и lUiV.-,. .ТЛП.-иЧ. С ПХОЛ1. - с выходом сравшшакпцего устройства и реверсивного счетчика импульсов. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Преображенский В. П. Теплотехнические измерения и приборы. М., Энергия, 1978. с, 95. Л471. 2.Там же, с. 119. 3.Там же, с. 116 4.Там же, с. 121. 55. Авторское свидетельство СССР по заявке № 2787095/1 8-1О, кл. Q 01 К 7/О2, 02.07.79 (прототип).