Цифровой измеритель температуры Советский патент 1982 года по МПК G01K7/24 

Изобретение относится к термометрии и может быть использовано при построении цифровых измерителей температу с использованием терморезисторных датчиков. , ч

Известно-устройство для цифрового измерения температуры, содержащее первичный измерительный преобразователь температуры, сумматор, квадратический преобразователь, генератор линейной развертки, блок сравнения и цифровое отсчетное устройство pj .

Однако это устройство обладает недостаточно высокой точностью йз рения из-за наличия в схеме ква фатического преобразователя, который обычно реализуется с использованием активного интегратора, что приводит к снижению точности из-за дрейфа параметров усилителя последнего. Кроме того, расчет схеки устройства возможен только при задании функции преобразования датчика температуры полиномом второй степени.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для измерения температуры, содержащее терморезистор, пре- , образователь сопротивления в напряжение, сравнивающее устройство/ селектор, генератор тактовых и шульсов« генератор экспоненциального напряже|1ия, цифровое отсчетное устройство и блок управления М

Недостатком известного устройства является то, что на результа1Т измерения влияет нестабильность постоянной времени генератора экспоиенциально4ч напряжения, что требует периодических калибровок последнего в процессе эксплуатации. Кроме того, это устройство неработоспособно в комппек-. те с терморезистивиыми датчиками, : характеризующимися монотонно спадающей функцией преобразования (терми сторами). Цель изобретения - повыаение to4иости измерения за счёт исключения влияния нестабильности постоянной времени генератора экспоненциального, напряжения и упрощения подстройки измерителя в процессе эксплуатации.

Поставленная цель достигается тем,что в предпагаеный измеритель 2 дены два ключа/ резистивйый делитель напряжения, вход которого соединен с выходом усилителя и одним из неподвижных контактов второго юшча, к другсялу неподвижному контакту которого подключен выход делителя

напряжения, а подвижный контакт связан с одним из входов сравнивающего устройства, причем выход преобразования сопротивления в напряжение соединен с одним из неподвижных контактов первого, ключа, к подвижному контакту которого подключен вход усилителя, а управляющие входы обоих ключей связаны с дополнительными выходами блока управления.

Кроме того, с целью расширения функциональных возможностей в измеритель введен платиновый термометр сопротивления, подключенный через второй преобразователь сопротивления в напряжение к одному из входов блока вычитания,. другой вход которого соединен с источником опорного нап.ряжения, а выход - с одним из неподвижных контактов первого ключа. I

На фиг. 1 приведена схема цифрового измерителя температуры; на фиг. 2 - зависимость выходного нап.ряжения преобразователя от температуры . .

Цифровой измеритель (фиг. 1) содержит последовательно соединенные термистор 1, первый преобразователь 2 сопротивления в на|1ряжение, выход которого подключен к одному из неподвижных контактов первого ключа 3, а подвижный контакт последнего соединен с входом усилителя 4. Вцход усилителя связан с одним из неподвижных контактов второго ключа 5, подвижный контакт которого подключен к одноглу из входов сравнивающего устройства б, а его выход соединен с входом селектора 7. Выход последнего подключен к входу цифрового делительного устройства 8, соединенного по выходу с входом цифрового отсчетного устройства 9. Кроме того, выход усилителя 4 через резистивный делитель 10 напряжения связан с вторым неподвижным контактом второго ключа 5 .

К другому входу селектора 7 подключен выход генератора 11 тактовых импульсов, а выход генератора 12 экспоненциального напряжения связан с другим входом сравниваквдего устройства 6, выход которого соединен с сигнальным входом блока 13 управления. Платиновый термометр 14 сопротивления через второй преобразовател 15 сопротивления в напряжение подключен к одному из входов блока 16 вычитания, другой вход которого соединен с выходом источника 17 опорного напряжения, а выход блока вычитания подключен к другому неподвижному контакту первого ключа 3, причем выходы блока 13 управления соединены с управляющигда входами первого ключа 3, второго ключа 5, цифрового делительного устройства 8, цифрового

отсчетного устройства 9 и генератора 12 экспоненциального напряжения, i

Измеритель работает следующим образом.

При включении измерителя сигналы с блока 13 управления приводят первый ключ 3 в верхнее положение, соответствующее подключению тep.mcтopa 1 через первый преобразователь 2 сопротивления в напрялсение к входу

усилителя 4, второй ключ 5 - в нижнее положение, соответствующее подключению выхода усилителя 4 к входу блока 6 сравнения, запускают генератор -12 экспоненциального напряжения, а цифровое делительное устройство 8 и цифровое отсчетное устройство 9 приводят в исходное состояние . Уровень выходного напряжения блока 6 сравнения открывает селектор

1 для прохождения импульсов от генератора 11 тактовых импульсов на вход цифрового делительного устройства 8. При этом на один из входов блока б сравнения поступает через ключи

3 и 5 усиленное усилителем 4 выходное напряжение первого преобразователя 2 сопротивления термистора 1 в напряжение, равное

(1)

S,

и

9где К п - коэффициент преобразования первого преобразователя 2 ропротивления в напряжение;Kg - коэффициент усиления усилителя 4; Л - значение сопротивления

термистора 1 при измеряемой температуре Т.

Зависимость сопротивления RT термистора от температуры выражается изветсным уравнением

R Ае, (2)

5 где А и В - постояиные коэффициенты; Т - измеряемая температура, выраженная вКельвинах. С учетом (2) уравнение {1) выражается0

Кр. К Ае-|г . (3)

и

3

На другой вход блока б сравнения поступает напряжение генератора 12 экспоненциального напряжения, закон изменения которого описывается выражением

, С)

- опорное постоянное напряжение генератора 12 экспоненциального напряжения; - постоянная времени генератора 12 экспоненциального напряжения.

В момент равенства напряжений Ug и Ксзн фиксируется блоком 6 сравнения г по выходному сигналу которого блок 13 управления переводит второй ключ 5 в верхнее положение, соответствующее подключению к входу блока б сравнения выхода резистивного делителя 10 напряжения, а цифровым делительным устройством фиксируется код числа

(5)

, где fjj - частота импульсов генератор 11 тактовых импульсов; t - интервал времени от начала измерения до момента равенства напряжения Do (фиг. 2). Длительность интервала времени t определяем, приравнивая (3) и (4) в результате чего при обеспечении равенства у получаем В (6) В момент окончания интервала t на вход блока сравнения поступает напряжение U с выхода резистивного делителя 10 напряжения, на вход кото рого поступает напряжение U с выхода усилителя 4. Напряжение и равно KgUQ Kg-K.Kjj.AeT , (7) где Kg - коэффициент преобразования делителя 10 напряжения. На второй вход блока сравнения по-прежнему поступает напряжение и с выхода генератора 12 экспоненциаль иого напряжения. В момент равенства напряжений U и выходным сигналом блока б сравнения згисрывается селектор 7 и поступление импульсов от генератора 11 тактовых импульсов на , вход цифрового делительного устройст ва 8 прекращается. При этом сигнал блока б сравнения, поступая на один из входов блока управления, обуславливает фиксацию в цифровом делительном устройстве 8 кода числа где t, - интервал времени от начала измерения до момента равенства напряжения UI -KgU и игэн (фиг. 2). Длительность интервала времени tj определяем, приравнивая (4) и (7) учитывая, что t. - - tdn Kjb |).

В цифровом делительном устройстве 8 производятся вычисления по алгоритму ,

Na - N

(10)

N fjПодставляя в (10) уравнения (5) и (8), предварительно подставив в (S) и (в) соответственно (6) и (9), получаем

to

tp ка

(11)

N в Таким , как видно из уравнения ( И ), в цифровом делительном устройстве 8 фиксируется код числа М, пропорциональный измеряемой температуре Т. По сигналам блока 13 управления результат измерения индуцируется цифровым отсчетным устройством 9,а все остальные узлы пёреводятс в исходное состояние. Затем цикл измерения повторяется. При измерении температуры посредством платинового термометра сопротивления цифровой измеритель работает следующим образом. Сигналы блока 13 управления переводят первый ключ 3 в нижнее положение, соответствую1цее подключению выхода блока 16 вычитания к входу усилителя 4, и как в предыдущем случае второй ключ 5 переводится в нижнее положение, соответствующее подключению выхода усилителя 4 к одному из . входов блока б сравнения, запускают генератор 12 экспоненциального напряжения, а цифровое делительное устройство 8 и цифровое отсчетное устр йство 9 переводят в исходное состояние. Селектор 7 открывается для прохождения импульсов от генератора 11 тактовых импульсов на вход цифрового делительного устройства 8. При этом иа один из входов блока б соавнения поступает чеоез ключи 3 и 5 усиленное усилителем 4 выходное напряжеиие Ugy блока 16 вычитания, которое равно .. Ку Ugj,- K,j(), 2 где Uf - выходное постоянное напряже-. ние источника 17 опорного напряжения; и - выходное напряжение второго преобразователя 15 сопротивления платинового термометра 14 сопротивления в игшря жение, равное П2 где Kf,, - коэффициент преобразования второго преобразователя 15 . сопротивления в напряжение;

RQ - значение сопротивления

платинового термометра 14 при измеряемой температуре б .

Зависимость RQ от температуры с высокой точностью (,03%) выражается уравнением

eiQ RO + RI (1-е ) или

S

-кв

(U) 10

(V R ) - R e

;гдeRд,R. и oC - постоянные коэффициенты. Подставляя (1 i) в (13), получаем

чО U2 Kn,,(Ro + R) - К„,.(15

Подставив (15) в (12) и обеспечив и . .Кп2 (

,oiS

(16)

и . Rye

На другой вход блока сравнения поступает напряжение Uj-g гене ратора 12 экспоненциального напряжения. Далее устройство работает аналогично, как и в предыдущем случае при измерении температуры посредством тер.мистора..

Момент времени t , в который напряжение U и Uran сравниваются, определяем, приравнивая (16) и С), обеспечив при этом UQ KU. KnR т.е.

t t((. б ,

(17)

При этом в цифровом делительном устройстве фиксируется код числа

fof « б .

(18)

fo t

NX

В момент t сигнал блока 13 управления переводит второй ключ 5 в верхнее положение, подключая выход усилителя 4 через резистивный делитель 10 напряжения к входу блока 6 сравнени;я. При этом на один вход последнего поступает напряжение U, равное

,-«в

(19)

8 ч

U

Kg и

а на другой его вход по-прежнему поступает напряжение игэн

Момент времени tj (фиг. 2), в который напряжения U и Ufjj, сравняются, определяется после несщожных преобразований, приравнивая .(19) и С) и учитывая., что ,pjKy R,

(20)

t г (а&- tpka)

60

При этом в ццфровом делительном устройстве 8 фиксируется код Ня t равный

N .. fgt f.l ( ifn Kg). (

В цифровом делительном устройстве производятся вычисления по алгорифму

N ,

(22)

N

NZ- N

Подставляя (22) уравнения (18) и

21)f получаем

(23)

N Таким 9бразом, как видно из (23) в цифровом делительном устройстве (8) фиксируется код числа N, пропорциойальный Измеряемой температуре 0

По сигналу блока 13 управления результат измерения индицируется цифровым отсчетным устройством 9. Затем цикл измерений повторяется.

Следовательно, в предлагаемом цифровом устройстве для измерения температуры расиирены функциональные возможности, в результате чего обеспечивается его работа как с термисторами, так и платиновыми термометрами .сопротивления. Как видно из уравнений (11) и (23), на результат измерения не влияют коэффициент усиления Kij усилителя, коэффициенты, преобразования К и. Кпг преобразователей сопротивления в напряжение и что особенно важно, постоянная времени t генератора экспоненциального напряжения. Влияние же на результат измерения коэффициента преобразования Kg резистивного делителя напряжения не снижает точности измерения, поскольку на постоянном токе не трудно обеспечить нестабильность резистивного делителя напряжения, не превышающей 0,001-0,0005%.

Кроме того, использование предлагаемого измериФеля дает значительный {экономический эффект в связи со снижением требований и сокращением числ калибровок и подстроек устройства в процессе эксплуатации.

Формула изобретения

Цифровой измеритель температуры, содерж иций термистор, подсоединенный :к входу преобразователя сопротивления в напряжение, усилитель, блок ср« внения, один из входов которого соёдинеи с выходсш генератора экспоненциального напряжения, а его выход соединен с одним из входов селектора, к другому входу которого подключен генератор тактовых импульсов, а выход через цифровое делительное устройство соединен с информационным входом цифрового отсчетного устройства, блок управления, выходы iкоторого соединены с управляющими входами генератора экспоненциального напряжения, цифрового делительного

и цифрового отсчетного устройства, а к его сигнальному входу подключен выход блока сравнения, о гличаго1ц и и с я тем, что, с целью noBtxiieния точности измерения за счет исключения влияния нестабильности постоян ноП времени генератора экспоненцигтьного напряжения и упрощения подстройки измерителя в процессе эксплуатации, в него введены два ключа и .резистивный делитель напряжения, вход которого соединен с выходом усилителя и одним из неподвижных контактов второго ключа, к другому неподвижному контакту которого подключен выход делителя напряжения, а подвижный контакт связан с одним из входов блока сравнения устройства, причем выход преобразователя сопротивления в напряжение соединен с одним из неподвижных контактов первого ключа, к подвижному контакту которого подключен вход усилителя, а управляютие входы обоих ключей сое15

IS

-Г

I

f7

динены с дополнительными выходами блока управления.

2. Измеритель температуры по п.1, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, в него введен платиновый термометр сопротивления, подключенный через второй преобразователь сопротивления JT напряжение к одному из входов устройства вычитания, другой вход которого соединен с источннком опорного напряжения, а выход с одним из неподвижных контактов пер вого ключа.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Авторское свидетельство СССР 488092, кл. G 01 К 7/02, 1973.

2.Зорий В.И., Полищук Б.С. и Чайковский О.М. Метод проектирования цифровых измерителей температуры.Известия вузов СССР, т. 19, Приборостроение, 7, 1976, с. 112-116

(прототип).

i1

I

ыш

9

12

iS