Устройство для измерения температуры Советский патент 1982 года по МПК G01K7/02 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

1

Изобретение относится к измерению температуры электрическими методами, в частности к устройствам для цифрового измерения температуры с коррекцией нелинейности характеристики первичного измерительного преобразователя.

Известно устройство для измерения температуры, содержащее измерительный мост, в одно плечо которого включен термометр сопротивления, усилитель разбаланса, реверсивный двигатель, причем три плеча моста образованы тремя постоянными резисторами и включенными между ними двумя реохордами, движки которых механически связаны между собой и двигателем 1.

Остаточная погрешность линейности этой схемы определяется в основном классом точности моста. Это не дает возможности обеспечить достаточную точность измерения температуры.

Известен цифровой измеритель температуры, содержащий термоэлектрический термометр, подключенный к входу автоматического компенсатора постоянного тока, цифровой вольтметр, источник стабилизированного напряжения и два реохорда, связанные с основным реохордом компенсатора 2.

В указанном устройстве линеаризация осуществляется в цепи автоматического компенсатора, в которую включен цифровой вольтметр. Низкая точность измерения температуры ограничена классом точности компенсатора и не позволяет эффективно использовать цифровой вольтметр, класс точности которого выще. Это является существенным недостатком устройства.

Известен также цифровой измеритель 10 температуры, содержащий термоэлектрический термометр, подключенный к входу автоматического компенсатора постоянного тока, цифровой вольтметр, источник стабилизированного напряжения и два реохорда, механически связанные с основным реохор 5 дом компенсатора, в котором цифровой вольтметр соединен с термоэлектрическим термометром через первую ветвь первого реохорда, вторая ветвь которого соединена через второй реохорд и резистор с источником стабилизированного напряжения,

20 причем вывод термоэлектрического термометра, соединенный с первым реохордом, соединен с выводом источника стабилизированного напряжения, соединенного с второй ветвью первого реохорда 3.

В данном устройстве приняты меры к снижению влияния класса точности автоматического компенсатора постоянного тока на результирующую погрешность измерения температуры, однако точность измерения температуры недостаточна, что особенно сильно сказывается при измерении температуры в широком диапазоне. Это обусловлено тем, что остаточная погрешность линейности равна нулю лишь при двух значениях температуры в пределах рабочего диапазона. Поэтому в широких температурных диапазонах остаточная погрешность линейности на промежутках между температурами полной компенсации возрастает до недопустимо больших значений, что является серьезным недостатком устройства и ограничивает его функциональные возможности и область применения.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является цифровой измеритель температуры, содержаший термоэлектрический преобразователь, подключенный к одному из входов сумматора, выход которого через усилитель постоянного тоха соединен с входом аналого-цифрового преобразователя и автоматического компенсатора постоянного тока, п формирователей корректируюшего 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, а движки выходных реохордов электрически соединены с крайним выводом iiepBoio из нары выходных реохордов и с последовательно соединенными источником постоянного стабилизированного напряжения, добавочным резистором, двумя токозадаюшими реохордами и вторым выходным реохордом 4.

Однако известное устройство характеризуется недостаточной надежностью и точностью измерения.

Цель изобретения - повышение точности, надежности и упрощения устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве сум.матор выполнен с (п + 1) входами, к п входам которого подсоединены выходы п формирователей корректирующего напряжения.

На фиг. 1 показана структурная схе.ма устройства для измерения температур; на фиг. 2 - схема одного из формирователей корректируюш,его напряжения; на фиг. 3 - графики зависимостей напряжений, ЭДС и погрешности линейности до и компенсации от температуры.

Устройство для измерения те.чпературы содержит термоэлектрический преобразователь 1, автоматический компенсатор 2 постоянного тока, (п+1) входовой сумматор 3, усилитель 4 постоянного тока, аналого-цифровой преобразователь 5 с устройством индикации, формирователи 6-1...6-п

корректируюпдего напряжения. Каждый формирователь состоит из двух пар реохордов, движки которых механически связаны с движком реохорда автоматического компенсатора 2 постоянного тока. Электрически движки реохордов попарно соединены между собой. Движки выходных реохордов 7 и 8 электрически соединены с крайним выводом первого из пары выходных реохордов 7 и с последователь ю соединенными источнико.м 9 постоянного стабилизированного напряжения, добавочным резистором 10, двумя токозадающими реохордами 11, 12 и вторы.1 выходным реохордом 8. Противоположные крайние участки второго выходного реохорда 8 защищены от соприкосновения с движком реохорда изоляционными

втулками (на фиг. 2 показаны в виде заштрихованных участков реохорда 8).

Принципиальные схемы всех формирователей корректирующего напряжения устройства одинаковы, однако между ними

Q имеются конструктивные различия, состоящие в различной длине всех изоляционных втулок на реохордах 8-1...8-П. Промежуток между изоляционными втулками определяет диапазон отклонений движка реохорда, в котором на выходе данного формирователя имеется корректирующее напряжение. Кроме того, для всех формирователей различны параметры элементов схе.м -- ЭДС источников 9-1...9-п постоянпого стабилизированного напряжения и сопротивле}(ий добавочных резисторов 10-1 10-п

Устройство д1,ля из.мерения Г(мпе атуры работает следуюншм образом

Термо-ЭДС термоэ.лектричсгко j лреоб разователя 1 E(t) при постоянной температуре его свободных концов нелинейно зависящая от температуры его рабочего спая, подается на один из входов су.мматора 3, к остальным входам которогоподключены формирователи 6-1...6-П корректирующего напряжения. При любом значении температуры рабочего спая термоэлектрического

0 термо.метра напряжения на выходе одного из формирователей отличны от нули, а на пряжения на выходах остальных п-1 формирователей равны нулю. Это обусловлено тем, что реохорды 8-1...8-П всех формирователей конструктивно выполнены таким образом, что изоляционные втулки оставляют открыты.м для движка реохорда участок, не перекрывающийся с аналогичны.ми участками других реохордов. Поэто.му график зависимостей корректирующих напряжений на выходах фор.мирователей от темпераvры рабочего спая тер.моэлектрического нрс образователя 1 (или от степени отклони ия движков реохордов ot) имеет вид, ппк;Г(а1 ный на фиг. 36. Зависи.мость ныходнг).;) R; пряжения каждого и: фо)мирО1 ат ч-1-и ijii):ii, де.гяется параметрами элс.челл.л-, ei (j rsfv.u а именно значениями ЭДС источника F я постоянного стабилизи)(1н;1нног(1 н;1П|1-,.; ...:,ния и сопротивлении добавочного репм мч ра R10. .Аналитически зависимост), корр.ск

тирующего напряжения для первого формирователя может быть записана в виде

Г О npytoif, с 1

.. ,, ,

4(t)

при

Rio-i +Ro.(4-ot) . О при Х.2 - 3 где R - сопротивление между крайними выводами каждого из реохордов, О - отклонения двидека реохорда в условных единицах, соответствующие крайним точкам реохорда; otj 0, 1; , - отклонения движка реохорда в условных единицах, соответствующие границам изоляционных втулок на реохорде 8-1 (фиг. 2). Измерительный сигнал суммируется с корректирующим напряжением и поступает на усилитель 4 постоянного тока. Усиленный измерительный сигнал подается параллельно на аналого-цифровой преобразователь 5 и автоматический компенсатор 2 постоянного тока, включенный в цепь обратной связи устройства. Благодаря тому, что на вход автоматического компенсатора поступает линеаризованный измерительный сигнал, движок реохорда автоматического компенсатора устанавливает связанные с ним движки реохордов формирователей корректирующего напряжения в положение, при котором на вход сумматора поступает необходимое корректирующее напряжение. Выбор нужного фор.мирователя и установка корректирующего напряжения происходят, тлким образом, автоматически.

Лналшо-цифровой преобразователь 5 (.напжен устройством индикации, при помощи которого обеспечивается непосредственный отсчет результата из.мерения температуры в °С. Измерительная информация в виде обычного двоично-десятичного кода поступает в процессор для дальнейшей обработки и анализа. Автоматический компенсатор 2, кроме основной функции (работы в системе линеаризации) выполняет также вспомогательную функцию регистрации измерительной информации в виде непрерывной записи графика зависимости температуры на ленту.

Настройкой параметров Е 9-1 и R 10-1 каждого из формирователей корректирующего напряжения можно получить на его выходе напряжение, равное значению погрещности AU(t) при двух произвольно выбранных значениях температуры (фиг. 3). Таким образом, для всего рабочего температурного диапазона устройства корректирующее напряжение равно значениям погрешности линейности AU(t) при 2п значениях температуры. Соответственно при 2п значениях температуры остаточная погрещность линейности устройства для измерения температуры равна нулю.

Это позволяет достичь высокой степени линейности выходного напряжения устройства. Остаточная погрещность линейности устройства, таким образом, зависит исключительно от общего количества формирователей п корректирующего напряжения. Это дает возможность получить любое заранее заданное значение остаточной погрешности

5 линейности теоретически в сколь угодно широком диапазоне температуры, включив в устройство необходимое, число формирователей. Практически снижение остаточной погрешности линейности и расщирение рабочего диапазона устройства ограничены

0 увеличением влияния погрещности от дискретности, однако этот порог лежит значительно ниже требуемых на практике значений остаточной погрешности.

Важнейшим преимуществом предлагаемого устройства для измерения температуры,

5 кроме высокой точности измерения в щироком температурном диапазоне, является независимость погрешности измерения от класса точности автоматического компенсатора постоянного тока. Это обусловлено тем, что автоматический компенсатор связан

° лишь со схемой линеаризации и регистрации измерительной информации, поэтому его погрешность влияет только на точность формирования корректирующего напряжения и точность записи. Степень влияния

, погрешности автоматического компенсатора на результирующую погрещность измерения температуры при помощи устройства, таким образом, определяется отношением корректирующего напряжения к основному измерительному сигналу - ЭДС

Q термоэлектрического преобразователя 1. Это отношение очень мало и составляет величину порядка единиц процентов. Поэтому собственная погрешность автоматического компенсатора входит в результируюшую погрешность измерения как величина

, второго порядка малости. Это дает возможность использовать в устройстве автоматический самопишущий потенциометр низкого класса точности без ущерба для погрешности измерения устройства.

Преимущественная область применения

Q предлагаемого устройства - измерение и контроль температуры в производственных условиях при проведении различны. технологических процессов, требующих высокой точности и быстродействия контроля температуры, например при проведе5 НИИ технологических процессов диффузии, окисления, эпитаксии при производстве интегральных микросхем (диапазон до 1300°С).

Внедрение предлагаемого устройства позволит получить значительный технико0 экономический эффект за счет повыщения процента выхода годных изделий и качественных характеристик изделий,

Формула изобретения

Устройство для измерения температуры, содержащее термоэлектрический преобразователь, подключенный к одному из входов сумматора, выход которого через усилитель

постоянного тока соединен с входом аналого-цифрового преобразователя и автоматического компенсатора постоянного тока, п формирователей 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, а движки выходных реохордов электрически соединены с крайним выводом первого из пары выходных реохордов и с последовательно соединенными источником постоянного стабилизированного напряжения, добавочным резистором, двумя токозадающими реохордами и вторым выходным реохордом, отличающееся тем, что, с целью повышения точности, надежности

и упрощения устройства, в нем сумматор выполнен с (п + О входами, к п входам которого подсоединены выходы п формирователей корректирующего напряжения.

Источники информации,

принятые во внимание при экспертизе

Вд/код мода

Ндбижну реонор9s аетопати0 ijecHOZo fiOfineH/сатора/ Л

/1