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

Изобретение относится к электротермометрии и может найти широкое применение при построении цифровых измерителей температуры и термо-ЭДС, в комплекте с низкочувствительными термопарами.

Известны измерители температуры, содержащие последовательно соединенные усилитель, резистор, ключ, селектор, счетчик результата и цифровое отсчетное устройство, причем к другому входу селектора подключен выход генератора тактовых импульсов, к входу которого подсоединен выход устройства автоматической подстройки частоты, а к общей.точке соединения выхода ключа и входа интегратора подключен через второй резистор и второй ключ выход источника опорного напряжения l.

Однако известные измерители имеют строго линейную функцию преобразования и поэтому непригодны для непосредственного измерения температуры, поскольку градуировочные характеристики термопар нелинейны.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство, которое содержит последовательно соединенные термопару.

усилитель, резистор, перек.пючатель, интегратор, блок сравнения, селектор, счетчик результата, цифровое отсчетное устройство, генератор тактовых импульсов, выход которого подключен к второму входу селектора, а вход соединен с выходом устройства автоматической подстройки частоты , .а также п блоков кусочно-линейной

10 аппроксимации, состоящих из п источников опорного напряжения, выходы которых через соответствующие резисторы каждого из блоков кусочно-линейной аппроксимации соединены с подвиж15ными контактами перек.гаочателей участков аппроксимации, первые не-. подвижные контакты которых соединены между собой и с подвижными контактами переключателей соответствующих

20 блоков аппроксимации, первые неподвижные контакты которых соединены между собой и подключены к входу интегратора, а вторые неподвижные контакты этих переключателей и переключателей участков аппроксимации в каждом из блоков линеаризации связаны с общей шиной, причем выходы блока управления связаны с входами управления селектора, цифрового отсчетно30 го устройства и входами управления

всех переключателей, а сигнальный вход блока управления подключен к выходу генератора тактовых импульсов 2 .

Однако в этом устройстве первичные измерительные преобразователи температуры, например термопары, имеют обычнонелинейные градуировочные характеристики, что при првьпиении точности измерения приводит к необходимости увеличения количества участков аппроксимации, а тем самым к увеличению количества блоков линеаризации и, соответственно, количества резисторов и ключей, подключенных к входу интегратора во втором такте интегрирования. Следовательно, появляется дополнительный источник погрешности - обратные токи ключей, которые влияют на значение токов здряда-разряда интегратора, а значит, и на результат измерения. Кроме того некоторые термопары в определенных об зтях температур имеют очень низкую чувствительность. Например, термолара медь-константан при 20 К имеет чувствительность приблизительно 5 мкВ/К, а при 10 К ее чувствительность еще ниже и составляет всего. 2,5 мкВ/К. Это приводит к тому, что лля обеспечения линейного преобразования измеряемой температуры в код необходимо увеличивать значения разрядных резисторов блоков линеаризаци

Действительно, значения разрядных резисторов считывают по формуле

R.. /

1 b,U;RT,fo

где Е - напряжение источника опорног напряжения блока линеаризации ;

R,j - сопротивление зарядного резистора интегратора в первом такте интегрирования; К - коэффициент усиления усилителя ; Т - длительность первого такта

интегрирования;

ьи- - значения термо-ЭДС термопары на i-cM участке аппроксимации ;

п. - количество импульсов на i-ом участке аппроксимации, соответствующее значению измеряемой температуры на этом участке; ф- частота генератора тактовых

импульсов. ,

Для серийного цифрового вольтметра Щ 68000 и термопары медь-константан в диапазоне 10-20 К значение R составляет 2,5 МОм. Включение таких больших сопротивлений на входе интегратора приводит к резкому возрастани погрешности, поскольку их значения становятся соизмеримыми с сопротивлениями утечки. Уменьшить значения разрядных резисторов возможно, например, путем увеличения частоты f генератора тактовых импульсов, однако при этом уменьшается помехоустойчивость измерения, поскольку усложняется осуществление фазовой автоподстройки частоты тактовых импульсов с заданной точностью. Кроме того, при ,измерении температуры низкочувстви-,

0 тельными термопарами, невозможно в одном устройстве совместить две функции: измерение температуры и измерение термо-ЭДС, что особенно важно в термометрии.

5 Цель изобретения - повышение,точности измерения температуры при расширении функциональных возможностей.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство введены схема

0 ИЛИ, второй счетчик результата, делитель частоты, реверсивный счетчик, второе цифровое отсчетное устройство и схема И, один из входов которой соединен с выходом реверсивного счетчика, а два других соединены соответственно с выходом генератора тактовых импульсов и одним из выходов блока управления, выход схема ИЛИ соединен с входом схемы цифровой линеаризации,

Q выход которой через второй счетчик результата соединен с входом второго цифрового отсчетного устройства, а один из входов схемы ИЛИ соединены с выходом селектора и вычитающим входом реверсивного счетчика, другой

вход - с выходом схемы И и входом делителя частоты, выход которого подключен к суммирующему входу реверсивного счетчика.

На чертеже представлена функциональная схема устройства для измерения температуры.

Устройство содержит последовательно соединенные первичный измерительный преобразователь 1, усилитель 2,

5 резистор 3, переключатель 4, интегратор 5, блок б сравнения, селектор 7, счетчик 8 результата и цифровое отсчетное устройство 9. К общей точке соединения переключателя 4 и инQ тегратора 5 подключен выход источника 10 опорного напряжения через второй резистор 11 и второй переклю чатель12, а к второму входу селектора 7 подключен выход генератора 13 тактовых импульсов, вход которого соединен с выходом устройства 14 автоматической подстройки частоты. К двум входам cxeNM И 15 соответственно подключены выход генератора 13 тактовых импульсов и один из выходов блока 16 управления, а к ее третьему входу подсоединен выход реверсивного счетчика 17, к суммирующему входу которого подключен выход делителя 18 частоты, а к вычитающему входу - выход селектора 7. Вход делителя 18 частоты связан с выходом схемы И-15 и с одним из входов схемы ИЛИ 19, другой вход которой подключен к выхо ду селектора 7. Выход схемы ИЛИ 19 через схему 20 цифровой линеаризации и второй счетчик 21 результата связан с входом второго цифрового отсчетного устройства 22, причем выходы блока 16 управления соединены с входами управления переключателей 4 и 12, селектора 7, а также генера-тора 13 тактовых импульсов. Устройство работает следующим образом. Выходная термо-ЭДС ЕХ термопары 1 усиливается усилителем 2.до номиналь ного уровня КуЕ(где Ку - коэффициент усиления усилителя 2). На время Tj тТ , кратное периоду Т напряжения сети 50 Гц, блок 16 управления своим сигналом открывает переключатель 4, вследствие чего в интеграторе 5 начинает интегрироваться выходное напряжение КуЕ усилителя 2. К мсяленту окончания интервала на выходе интегратора 6 получаем напряжениеewxiIirK J Т7 (1) о где R - сопротивление резистора 3; С - емкость конденсатора интегратора 5. Во втором такте (после окончания интервала Т ) блок 16 управления сво им сигналом закрывает переключатель 4 тем самым отключая выход усилителя 2 от входа интегратора 5, ключ 12 откр вается, подключая к входу интегратора 5 выход источника 10 опорного напряжения, а селектор 7 открывается для прохождения импульсов от генератора 13 тактовых импульсов на вход счетчика 8 результата. При этсм происходит разряд интегратора 5 до момента его возвращения в исходное состояние, что фиксируется блоком б Сравнения. Во втором такте на выходе интегра тора 5 возникает напряжение V«.- poai-g. (2) где R - сопротивление резистора 11; БД - выходное напряжение источни ка 10 опорного напряжения; TJ - интервал времени от момента начала второго такта интегрирования до момента возвра щения интегратора 5 в исхо ное состояние, т.е. до момента, когда выполняется равенство Ugyxi Uenxi-. . Приравнивая выражения (1) и (2), определяем длительность Ту второго такта интегрирования EX-- E). где К -%-. - коэффициент аналого о цифрового преобразования . В момент окончания интервала Ту срабатывает блок 6 сравнения и своим выходным сигналом закрывает селектор 7, вследствие чего прохождение импульсов от генератора 13 тактовых импульсов на вход счетчика 8 результата прекращается. Таким образом, в счетчике 8 фикси руется код числа, пропорциональный измеряемой термо-ЭДС Ejc термопары 1 t где f - частота импульсов генератора 13 тактовых импульсов. В момент окончания интервала Т;, импульсы с частотой с выхода генератора 13 тактовых импульсов через селектор 7 поступают на счетчик 8 результата и одновременно на вычитающий вход реверсивного счетчика 17 и на один из входов схемы ИЛИ 19. ;В тот же момент по сигналу блока 16 управления, поступающего на один из входов схемы И 15, импульсы частотой fo с выхода генератора 13 тактовых импульсов через схему И 16 поступают на вход делителя 18 частоты и на второй вход схемы ИЛИ 19. С выхода делителя 18 частоты импульсы частотой fj,(;n.-1) (где (п-1) - коэффициент деления частоты делителя 18 частоты) поступают на суммирующий вход реверсивного счетчика 17. Этиимпульсы будут поступать до момента перехода его через ноль. Таким образом, на суммирующий вход реверсивного счетчика 17 должно поступить количество импульсов N частотой д(п-1), поскольку на вычитающий вход поступило N импульсов частотой fft/ так как в момент окончания интервала Tj по сигналу блока сравнения закрывается селектор 7 и поступление импульсов частотой f на его вычитающий вход прекращается. В момент перехода реверсивного счетчика 17через ноль по его выходному сигналу, поступающему на третий вход схемы И, последняя запрещает прохождение ..импульсов с выхода генератора 13 тактовых импульсов на вход делителя 18частоты, а значит и на второй вход схемы ИЛИ. Таким образом, на один вход схемы ИЛИ 19 поступает N импульсов, а на второй -(n-l)Ng импульсов. Следовательно, с выхода схемы ИЛИ 19 на вход цифровой схемы 20 линеаризации поступает nNg импульсов. Цифровая схема линеаризации может быть построена по любому известному принципу. С выхода цифровой схемы 20 линеаризации на вход второго счетчика 21 результата

Поступает N импульсов, количество которых прямо пропорционально измеряемой температуре 9 , Результаты измерений Б и в индицируются соответственно цифровыми отсчетными устройствами 9 и 22.

Затем цикл измерения повторяется.

Таким образом, за счет введения дополнительных узлов и связей в предлагаемом устройстве по сравнению с известным повшиается точность измерения температуры и значительно расииряются функциональные возможности, поскольку одновременно можно получать -результаты измерения термо-ЭДС и температуры.

Формула изобретения

Цифровой измеритель температуры, содержаиий последовательно включенные термопару, усилитель, резистор, ключ, интегратор, блок сравнения, селектор, счетчик результата, цифровое оггсчетное устройство, генератор тактовых импульсов, выход которого подключен к второму входу селектора, а вход - к выходу устройства автоматической подстройки частоты, а также соединенные последовательно источник опорного напряжения, второй резистор, второй ключ, выход которого подключен к общей точке соединения выхода первого ключа и входа интегратора, блок управления, выходы

которого связаны с управляющими входами ключей, селектора и генератора тактовых импульсов,. а вход соединен с входом блока автоматической подстройки частоты, и цифровую схему

линеаризации, отличающийс я тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены схема ИЛИ, второй счетчик результата, делитель частоты, реверсивный

0 счетчик, второе цифровое отсчетное устройство и схема И, один из входов которой соединен с выходом реверсивного счетчика, а два других соединены соответственно с выходом генератора тактовых импульсов и одним из выходов блока управления, выход схемы ИЛИ соединен с входом схемы цифровой линеаризации, выход которойчерез второй счетчик результата соQ единен с входом второго цифрового отсчетного устройства, а один из входов схемы ИЛИ соединен с выходом селектора и вычитающим входом реверсивного счетчика, другой вход с выходом схемы И и входом делителя частоты, выход которого подключен к суммирующему входу реверсивного счетчика.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Авторское свидетельство СССР № 347909, кл. G 01 К 7/02, 1970.

2.Авторское свидетельство СССР/ по заявке 2787095/18-10,,

кл. G 01 К 1/02f 1979 (прототип).

ff