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

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

1

Изобретение относится к области температурных измерений и может быть использовано при построении цифровых термометров с автоматической компенсацией термо-ЭДС свободных концов термоэлектрического преобразователя.

Известно устройство для измерения температуры, содержащее термоэлектрические преобразователи, подключенные через коммутатор к компенсационному мосту, включаюгпёму в себя термопреобразователь температуры свободных концов термоэлектрических преобразователей, измерительный блок и блок памяти l.

Однако это устройство не обеспечивает высокой точности измерения температуры.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для измерения температуры, содержащее термоэлектрический преобразователь, соединенный с первым вхо дом переключателя и первым входом усилителя, выход которого подключен к первому входу ключа, второй вход которого соединен с источником опорного напряжения, а выход через интегратор и нуль-орган подключен к входу

селектора, соединенного с генератором тактовых импульсов, две схемы ли-, неаризации, входы которых соединены с выходами селектора, первый реверсивный счетчигс, входы которого соединены с выходами первой схемы линеаризации, регистратор, термопреобразователь сопротивления, подключенный через Преобразователь сопротив10ления в напряжение к второму входу переключателя, блок управления, соединенный с управляющими входами первой схемы линеаризации, переключателя, ключа, нуль-органа и селекто 5 ра 2.

Однако известное устройство имеет недостаточно высокую точность измерения из-за влияния на результат измерения ёходных дрейфов усилителя

20 постоянного тока, что требует для повышения точности измерения приме- нять сложные и дорогостоящие усилители. Кроме того, в известном устройстве возможна автоматическая компенсация изменений температуры &с свободных концов только при б(,-7 0°С, что значительно сужает область его применения.

Целью изобретения является повы30шение точности измерения.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство введены две 1схемы ИЛИ, источник напряжения смещения и второй реверсивный счетчик, входы которого соединены с выходами схем ИЛИ, а выходы соединены с регистратором и блоком управления, соединенным с управляющим входом второй схемы линеаризации, причем входы первой схемы ИЛИ соединены с выходамипервой и второй схем линеаризации, входы второй схемы ИЛИ соединены с выходами первой схемы линеаризации, а источник напряжения смещения включен между выходом переключателя и вторым входом усилителя, первый вход которого соединен с третьим входом переключателя.

На чертеже приведена блок-схема устройства.

Устройство содержит термоэлектрический термометр 1, переключатель 2, усилитель 3, источник напряжения смещения 4, ключ 5, интегратор б, нуль-орган 7, источник опорного напряжения 8, генератор тактовых импульсов 9, селектор 10, регистратор - цифровое отсчетное устройство 11, первый реверсивный счетчик 12, первую схему ИЛИ 13, первую и вторую схемы линеаризации 14 и 15, вторую схему ИЛИ 16, второй реверсивный счетчик 17, термопреобразователь сопротивления 18, преобразователь сопротивления в напряжение 19, блок управления 20.

Устройство работает следующим образом.

В первом такте при включении устройства по сигналу с блока управления переключатель 2 подключает к вхо ду усилителя 3 источник напряжения смещения 4, ключ 5 подключает к входу интегратора выход усилителя 3, селектор 10 закрывается, а все остальные элементы устройства переводятся в исходное состояние. При этом на вход интегратора поступает напряжение

U,--K,,(UcwtUo),

И)

где Ко - коэффициент усиления усилителя;

и, - выходное напряжение источника смещения 4 и - напряжение входного дрейфа

усилителя,

которое интегрируется в течение интервала времени Т, длительность которого выбирается равной периоду напряжения сети питания устройства и задается блоком управления 20. Напряжение смещения , всегда выбирается большим максимально возможного значения дрейфа.и, так что U всегда больше нуля.

В конце интервала времени Т на вы ходе интегратора возникает напряжение

UH. К„ ; и dt (,)-T,(2)

где К - , ( t; - постоянная времени интегрирования интегратора). После окончания интервала времени т по сигналам с блока управления ключ 5 подключает к входу усилителя выход источника опорного напряжения 8, селектор 10 откарывается для прохождения импульсов от генератора тактовых импульсов 9 на вход

первой схемы линеаризации 14 С при

этом устанавливается постоянный коэффициент преобразования последней, а с ее выхода на вычитающий вход первого реверсивного счетчика импульсов 12 и через вторую схему ИЛИ 16 на вычитающий вход второго реверсивного счетчика импульсов. 17.

Напряжение Uj, с выхода источника опорного напряжения 8 интегрируется в

тече15ие интервала времени t до тех пор, пока интегратор б не возвратит я в исходное состояние, т.е. пока не будет выполнено условие

.%UH-- h|Vt-- HUot, сз;

Длительность интервала t определяется выражением, получемым из (3) и(2)

.. K4(UcM t Ug)- Т

(4)

и

Момент окончания интервала t фиксируется нуль-органом 7. По-его сигналу селектор 10 закрывается. При этом в реверсивных счетчиках зафиксируется код числа N, равный

KV(UCAA 1 Ufl)T

(5)

N f . t f -,..

Tо

где f - частота импульсов генератора тактовых импульсов 9.

Во втором такте по сигналу с блока управления переключатель 2 подключает к входу усилителя 3 через источник напряжения смещения 4 выход преобраэователя сопротивления в напряжение 19, а ключ 5 подключает к входу интегратора б выход усилителя 3.

При этом на вход интегратора б поступает напряжение

.VSUUcMtU9), (6)

где и -напряжение на выходе прес образователя сопротивления

в напряжение 19; к - коэффициент преобразования

преобразователя 19; - изменение сопротивления термопреобразователя с ипменением температуры fi свободных концов термоэлектрического преобразователя 1; R - сопротивление термопреоб разователя сопротивления при . Причем значение U. выбирается таким, чтобы и бьшо больше нуля. Напряжение и,., интегрируется интег ратором в течение интервала времени Т , в момент окончания которого на выходе интегратора возникает напряжение тUH К„ Г и -dt К {и 1 и )1 ±UejT. о ь , с 9 ( После окончания интервала времени Т по сигналам с блока управления ключ 5 подключает к входу интеграто ра источник опорного напряжения, а селектор 10 открывается для прохождения импульсов от генератора такто вых импульсов на вход первой cxeNM линеаризации 14 (при этом устанавливается постоянный коэффициент пре образования последней), а с ее выхо да на суммирующий вход реверсивного счетчика 17. Напряжение Up с выхода источника опорного напряжения 8 интегрируется в течение интервала времени t до тех пор, пока интегратор 6 не возвратится в исходное состояние, т.е. пока не будет выполнено условие v, Jv,a К„/ 8 Длительность интервала времени определяется вьгражением fK KUcrw t U ) -i Ugc При этом если c 0°C, то t t , a при ,. В первом случае в момент окончания интервала -t 2. срабатывает нульорган 7 и по его выходному сигналу блок управления дает команду на под ключение выхода первой схемы линеаризации через вторую схему ИЛИ 1 к вычитающему счетчика 17 и установку по этому выходу переменного (функционального) коэффициента преобразования схемы 14. При этом на вычитающий вход счетчика 17 с вы хода схемы линеаризации 14 через схему ИЛИ 16 поступают импульсы переменной частоты f , а на суммирующий вход счетчика 12 продолжают поступать И;мпульсы постоянной частоты f В момент перехода счетчика 12 че рез нуль, т.е. поступления N импульсов, селектор 10 закрывается, прекращая подачу импульсов на второй вход схемы линеаризации 14. В течение интервала времени на вы штающий -вход счетчика 17 поступает N и myльcoв .-.) В результате двух тактов преобразования при t2 t в счетчике 17 зафиксируется код числа N N + N .(u. и,) + ) Во втором случае, когда t ri 7 t импульсы частотой t поступают на суммирующий вход счетчика 12 до момента t перехода его в нулевое соетояние. момент перехода блок управления дает команду на подключение выхода втЬрой схемы линеаризации 14 через схему ИЛИ 13 к суммирующему входу счетчика 17 и установку по этому выходу переменного (фунгсционального) коэффициента преобразования схемы линеаризаллии 14. При этом импульсы переменной частоты f с выхода схемы ИЛИ 13 поступают на суммирующий вход счетчика 17 с момента времени t до момента . , когда сработает нуль-орган 7, по сигналу которого закрывается селектор 10. На суммирующий вход счетчика 12 за время t - t поступает N импульсов 2. .) в результате двух тактов преобразования при 7 t в счетчике 17 зафиксируется код числа N N, - N, -1о. i и„) в третьем такте по сигналу с блока управления селектор 10 закрывается, переключатель 2 подключает к вхрду усилителя 3 через источник напряжения смещения 4 выхЬд термоэлектрического термометра. При этом на вход интегратора б поступает напряжение и (Qx,Qc) + (см -t 9), (14) где ElQy.Q) - Еыходная термо-ЭДС, термоэлектрического термометра при изменяемой температуре QX его рабочего спая и температуре QC его нерабочих спаев. Значение E(n,y,Qg) можно представить в виде Ее©х,вс)--Е(ех,0). ±ДЕ(о,5с), ( гдЪ )( (1, О ) - термо-ЭДС термоэлектрического термометра 1 при температуре свободных концов , соответствующая значениям, при которых градуирован термоэлектрический преобразователь; Е(0,Р.) поправка и термо-ЭДС термоэлектрического преобразователя при отличии температуры свободных концов QP от 0°С, причем если ((-. , то в выражении (15) стоит знак минус, а если 0 то - плюс. Напряжение (Ji интегрируется интегратором 6 в течение интервала времзни т, в момент окончания которого на выходе интегратора возникает напряжение йъ н J -ц К - к ГЕ(ПУ ,Qc г МС Т.(16 ( Uy После окончания интервала време ни Т к входу интегратора подключается выход источника опорного напря жения 8, селектор 10 открывается для прохождения импульсов частотой 5о от генератора тактовых импульсов 9 на вход схемы цифровой линеаризации 15 ( при этом устанавливается постоянный коэффициент преобразования последней), а с ее выхода на cy лмиpyroщий вход реверсивного счетчика импульсов 17. Напряжение 1/ с выхода источника опорного напряжения интегрируетс в течение интервала времени ij Д° тех пор, пока интегратор б не возвратится в исходное состояние, т.е. пока не будет выполнено условие , 1, /Ч d ,,(17 Длительность интервала времени -t-j, определяется выражением -Ка Е( QX , 0) i ДЕ(0 , QC) + ( UcM+Ug )3 Т / S- Импульсы частотой т f, с выхода генератора тактовых ИМПУЛЬСОВ поступают через схему линеаризации 15 С при ее постоянном коэффициенте преобразования) на суммирующий вход счетчика импульсов 17 в течение интервала времени до момента йерехода через нуль реверсивного счетчика 17 В ьюмент {, по команде с блока управления устанавливается переменный (функциональный) коэффициент преобразования схемы линеаризации 15. С выхода последней импульсы переменной частоты поступают на суммирующий вход счетчика 17 до окончания интервала времени-t., т.е. до момента срабатывания нуль-органа 7, по сигналу которого блок управления закрывает селектор 10. При этом в счетчике 17 за время t - t зафиксируется N импульсов, где t У.,прл Q о с или t -.: .., при Q 7 О-С. Используя выражения для t и -t , получаем ,Т При выполнении условия At(0,Qc, ) ЧТО нетрудно осуществить путем функ-1ционального изменения коэффициента преобразования схемы линеаризации 1.4, исходя из заданной градуировочной характеристики дЕ (Qj,,0) термоэлектрического преобразователя 1 (путем функционального изменения частоты f, ) , получаем .. Обеспечив f j Е((1,0) Q путем функционального .изменения коэффищэнта преобразования схемы линеаризации 15, исходя из заданной градуировочной характеристики ,E(Qx, 0) термоэлектрического преобразователя, получаем результатизмерения N, не зависящий от изменений темпеpaтypы свободных концов Q , т.е. KQ,, где К - постоянный коэффициент, зависящий от параметров устройства. Введение в устройство новых элементов и новых связей, а также из-, менение его алгоритма работы позволяет повысить точность измерения температуры, поскольку автоматическая компенсация изменений термо-ЭДС термоэлектрическЪго преобразователя, вызванных изменениями температуры его свободных концов,.осуществляется в цифровой форме после аналого-цифровых преобразований,и поэтому не требует, как в известном устройстве, формирования на входе низких уровней компенсируюищх напряжений, что снижает точность и помехоустойчивость измерений. Кроме того, в устройстве устраняется влияние на результат измерения входных дрейфов усилителя постоянного тока. Формула изобретения Устройство для измерения температуры, содержащее термоэлектрический преобразователь, соединенный с первым входом переключателя и первым входом усилителя, выход которого подключен к первому входу ключа второй вход которого соединен с исJoчникoм опорного напряжения, а выход через интегратор и нуль-орган подключен к входу селектора, соединенного с генератором тактовых импульсов, две схемы линеаризации, входы которых соединены с выходами селектора, первый реверсивный счетчик ВХ1ОДЫ которого соединены с выходами первой схемы линеаризации, регистратор, термопреобразователь сопротивлений, подключенный через преобразователь сопротивления в напряжение к второму входу переключателя, блок