Цифровой измеритель температуры Советский патент 1983 года по МПК G01K7/02 

Изобретение относится к измерению температуры электрическими методами с коррекцией нелинейности характеристики преобразования первичного измерительного преобразователя.

Известно устройство для измерения температуры, содержащее термопару и соединенный с ней параллельно нуль-орган, включенные в измерительную диагональ моста, двумя смежными плечами которого служит реохорд, движок которого является одной из вершин диагонали питания моста ClJ

Недостатками этого устройства являются невозможность получения цифрового отсчета температуры ввиду значительной нелинейности характеристики преобразования устройства, влияние собственных погрешностей нульоргана на точность измерения температуры, нагруженное состояние термопары.

Известно устройство для измерения температуры,содержашее мостовую схему, в одно плечо которой введены терморезистор и резистор обратной связи источник стабилизированного питания, усилитель постоянного тока и измерительный прибор, причем последовательно с измерительным прибором включен дополнительный датчик измеряемой температуры 2.

К недостаткам устройства следует отнести также значительнуп остаточную погрешность линейности и невозможность получения вследствие этого линейной шкалы и цифрового отсчета

10 результата измерения, а также то, что дополнительная термопара нагружена низким сопротивлением цепочки резисторов.

Известен также цифровой измери15тель температуры, содержащий термоэлектрический термометр, подключенный к входу автоматического компенсатора постоянного тока, цифровой вольтметр, источник стабилизированного

20 напряжения и два реохорда, механически связанные с основным реохордом компенсатора, причем цифровой вольтметр соединен с термоэлектрическим термометром через первую ветвь

25 первого реохорда, вторая ветвь которого соединена через второй реохорд и резистор с щеточником стабилизированного напряжения, причем выход термоэлектрического термометра, сое30диненный с первым реохордом, соединен с выводом источника стабилиэированного напряжения, соединенного с второй ветвью первого реохорда Несмотря на то, что в данном уст ройстве приняты меры для снижения влияния класса точности автоматичес кого компенсатора постоянного тока на результат.измерения температуры достигнутая точность измерения в ря случаев недостаточна, что особенно сильно заметно при измерении темпе.ратуры в широком диапазоне. Это свя зано с,тем, что остаточная погрешность линейности указанного устройства равна нулю лишь при двух значениях температуры в пределах рабочего диапазона устройства, в связи с чем в широком диапазоне температуры остаточная погрешность линейности на промежутках между значе ниями температуры полной компенсации достигает значительной величины превышающей в ряде случаев допустимое значение для целого ряда технологических процессов, основанных на точном измерении и контроле температуры. Это является серьезным не достатком устройства и существенно .ограничивает его функциональные воз можности и область применения. Наиболее близким по технической сущности и.достигаемому результату к изобретению является цифровой измеритель температуры, содержащий термочувствительный мост постоянног тока с термометром сопротивления в одном из плеч, термоэлектрический преобразователь, усилитель постоянного тока, к выходу которого подклю чен аналого-цифровой преобразователь, образцовый резистор и дополнительный термометр сопротивления, подсоединенные к стабилизированным источникам питания, переменныеогра ничительные резисторы, движки которых механически связаны между собой, подключенные последовательно с дополнительным термометром сопротив ления и образцовым резистором к ста билизированным источник,ам питания, а в диагональ питания и смежные пле чи термочувствительного моста посто янного тока включены цепочки, состоящие из зашунтированных резисторами последовательно соединенных постоянных и переменных резисторов, причем движки переменных резисто Яэв вклЪченных в смежные плечи моста, механически соединены между собойОднако в данном устройстве все еще велико влияние остаточной погре ности нелинейности, а также погрешностей самих термочувствительных эл ментов на результат измерения. Целью изобретения является повышение точности измерения. Указанная цель достигается тем, что в устройство введен автоматический компенсатор, постоянного тока, включенный на выходе усилителя постоянного тока параллельно, цифровому регистратору, два противоположных смеж ых плеча моста образованы постоянным резистором, включенным в одной из них, и цепочкой из последовательно соединенных постоянного резистора и первого реохорда, включенных в другое плечо, при этом один из входов усилителя постоянного тока соединен с одним из выводов термоэлектрического преобразователя/ другой вывод которого соединен с одним из крайних выводов второго реохорда, соединенного через переменный резистор и второй источник стабилизированного напряжения с его первым выводом, а через движок подключен к одному из выводов выходной диагонали моста, другой вывод которой соединен с другим входом усилителя постоянного тока, причем движки обоих реохордов механически связаны один с другим и движки реохорда автоматического компенсатора постоянного тока. На фиг. 1 показана принципиальная схема цифрового измерителя температуры; на фиг. 2 - графики зависимое-, тей термо-ЭДС, напряжений и погреш- : ности линейности от температуры. Цифровой измеритель температуры содержит термоэлектрический преобразователь 1, цифровой вольтметр ( регистратор) 2 , источники 3 и 4 стабилизированного напряжения, и два реохорда 5 и б, механически связанные с основным реохордом автоматического компенсатора 7 постоянного тока. Последовательно с термоэлектрическим Преобразователем 1 соединены вход усилителя 8 постоянного тока и выходная диагональ четырехплечего моста, в одно из плеч которого вклю.чен реохорд 5, в смежные с ним плечо - резистор 9, последовательно с реохордом 5 включен резистор 10. В два других смежных плеча моста включены -Цепочки из последовательно соединенных постоянных 11 и 12 и переменных 13 и 14 резисторов, движ ки которых механически связаны между собой. В диагональ питания моста последовательно с источником 3 стабилизированного напряжения включен переменный резистор 15.Последователь но с выходной диагональю моста соединен второй реохорд 6, включенный в цепь движком и одним из крайних выводов, а к обойм крайним выводам реохорда б через переменный резистор 16 подключен источник 4 стабилизированного напряжения. К выходу усилителя 8 постоянного тока параллельно подключены цифровой вольтметр 2

и автоматический компенсатор 7 постоянного тока, движок реохорда которого механически связан с движками обоих дополнительных реохордов 5 и б

Цифровой измеритель температуры работает следующим образом.

Термо-ЭДС термоэлектрического преобразователя 1 Е{t ) нелинейно возрастает с ростом температуры его рабочего спая (фиг. 2а). При этом термо-ЭДС отличается от линейно зависящего от температуры напряжения Ui(t ) на величину погрешности линейности AU(t). Чтобы скорректировать эту погрешность, последовательно с термоэлектрическим, прербзователем .включена схема линеаризации, на выходе которой формируется постоянное напряжение, зависящее от температуры по такому же закону, как и погрешность линейности AU(t). Это корректирующее Напряжение U,((t).суммируется с термо-ЭДС Е (t ), в результате чего на вход усилителя постоянного тока 8 поступает напряжение, линейно зависящее от температуры. Это напряжение усиливается и подается на параллельно включенные автоматический компенсатор 7 постоянного тока и цифровой вольтметр 2. Таким образом, перемещение движка реохорда автоматического компенсатора линейно зависит от измеряемой температуры, а показание цифрового вольтметра при соответствующем выбор предела представляет собой результат измерения температуры, выраженшлй в цифровой форме.

Рассмотрим подробнее работу схемы линеаризации.

Корректирующее напряжение U(t) формируется при помощи чётырехгшечего моста, напряжение на выходе которого и (t ) зависит от перемещения движка реохорда 5 по закону, который описывается функцией температуры с положительной первой и отрицательной второй производными по температуре. Поэтому кривая графика зависимости Ц (t ) является выпуклой (фиг.2б)..

Напряжение U(t ) на выходе це- почки, состоящей из реохорда, последовательно соединенного с переменным резистором и источником стабилизированного напряжения, при линейной зависимости перемещения движка реохорд от температуры также является линейной зависимостью температуры (фиг.26 Напряжение на выходе цепочки U(t) при конечной температуре диапазона t равно по абсолютной величине и направлено противоположно напряжению на, выходной диагонали моста. Поэтому разность между выходными напряжением моста и(t ) и линейным напряжением li(t) имеет зависимость от температуры, подобную зависимости от

температуры погрешности ди (t). Суммарное корректирующее напряжение Un(t ) равно нулю при начальной t и конечной t температурах рабочего диапазона устройства. Степень нелинейности выходного напряжения моста зависит от сопротивления резисторов в плечах моста. В заданных пределах степень нелинейности напряжения U(t можно регулировать, изменяя не равны значения сопротивления нижних плеч моста (R13, R14 на фиг. 1). При увеличении сопротивлений резисторов 13 и 14 равновесие моста не нарушается, поскольку сопротивления обоих I смежных плеч моста получают одинаковые приращения за счет того, что двики переменных резисторов механически связаны между собой, а степень нелинейности зависимости U (t) уменьшается (график U4(t) по сравнению с графиком U(t) на фиг.2б). Вследс вие этого изменя-ется и абсолютное знчение компенсирующего напряжения UK) (графики U(t ) и (t) на фиг. 2б). Это дает возможность плавно регулировать уровень компенсирующего напряжения при помощи подстройки резисторов 13 и 14, выбирая его таким, чтобы корректирующее напряжение J(4(t) как можно более точно соответствовало погрешности линейности ли (t). Это позволяет снизить остаточную погрешность линейности до значений, пренебрежимо малы по сравнению с другими составляющими результирукяцей погрешности измерения температуры.

Собственные погрешности усилителя постоянного тока и цифрового вольтметра также значительно меньше, даже по сравнению с остаточной погрешностью линейности, поэтому они прак;тически не влияют на точность изме рения.

Степень влияния собственной по-, грешности автрматического компенсатора постоянного тока на результи рующую погрешность измерения температуры определяется отношением максимального значения корректирукяцего напряжения Un(t) к основному измерительному сигналу - термо-ЭДС Е(t ) Это отношение очень мало и составляет величину порядка единиц процентов, поэтому класс точности автоматического компенсатора практически не влияет на погрешность измерения температуры. Это является важным преимуществом устройства, позволяющим использовать в нем автоматический самопишущий потенциометр низкого класса точности без ущерба для точности измерения. Следует отметить, что погрешность автоматического- компенсатора постоянного тока не влияе на точность измерения температуры при отсчете результата по табло циф . рового вольтметра, но влияет на точ ность аналоговой регистрации измери тельной информации в случае, если автоматический компенсатор наряду со своей основной функцией ( работой в схеме линеаризации выполняет дополнительную функцию - регистр цию измерительной информации , в вид непрерывной записи на ленту графика температуры. Одним из преимуществ устройства является его высокое быстродействие определяемое, в основном,, постоянной времени автоматического компенсатора постоянного тока. Однако ине ционность термоэлектрического преобразователя и его арматуры обычно на практике приводит к тому, что быстродействие всей системы определяется именно тепловой инерционностьго элементов первичного измери тельного преобразователя. Поэтому постоянной времени самого устройств по сравнению с постоянной времени (Термоэлектрического термометра можн пренебречь, т,е. устройство обладае высоким быстродействием, что по сра нению с наиболее широко применяюииг 1ся устройствами для измерения температуры в производственных условиях, основанными на измерении ЭДС тер моэлектрического преобразователя при помощи потенциометра постоянного тока с Поразрядным уравновешиванием последнего вручную, многократ ном внесении поправок и связанных с этим промежуточных вычислениях позволяет повысить быстродействие измерения температуры как минимум На два порядка. Одновременно с этим исключается погрешность, связанная с субъективным восприятием оператором показаний нуль-индикатора потенциометра, и обеспечивается улучшение условий труда оператора. .Устройство предназначено для широкого применения в различных отраслях промышленности при производстве измерений температуры непосредственно в производственных условиях Наиболее эффективно использовать предлагаемое устройство в цехах при многоточечном контроле температуры в технологических процессах, основан ных на точном измерении и контроле температуры, например, при термообработке металлов, выращивании кристаллов, производстве интегральных микросхем, измерении температуры рабочего тела турбогенератора. Технико экономический эффект от внедрения устройства может быть получен как за счет повышения качественных харак теристик изделий (металлообрабатывающая промышленность), так и за счет повьпиения процента выхода годны изделий (.полупроводниковая промышленность или повышения КПЛ оборудования (электроэнергетика). Формула изобретения Цифровой измеритель температуры, содержащий термоэлектрический преобразователь, термочувствительный мост постоянного тока, в два смежных плеча которого включены цепочки из последовательно соединенных постоянного и переменного резисторов движки которых механически соединены один с другим, а в диагональ питания моста включены последовательно соединенные источник стабилизированного напряжения и переменный резистор, усилитель постоянного тока, выход которого соединен с входом цифрового регистратора, два реохорда, второй источник стабилизированного напряжения, переменный резистор, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введен автоматический компенсатор постоянного тока, включенный на выходе усилителя постоянного тока параллель но цифровому регистратору, два противоположных смежных плеча моста образованы постоянным резистором, включенным в одной из них, и цепочкой из Нрследовательно соединенных постоянного резистора и первого реохорда, включенных в другое плечо, при этом один из входов усилителя постоянного тока соединен с одним из выводов термоэлектрического преобразователя, другой вывод которого соединен с одним из крайних выводов второго реохорда, соединенного через переменный резистор и второй источник стабилизированного напряжения с его первым выводом, а через движок подключен к одному из выводов выходной диагонали моста, другой вывод которой соединен с другим входом усилителя постоянного тока, причем движки обоих реохордов механически связаны один с другим и с движком реохорда автоматического компенсатора постоянного тока. Источники информации, принятые во внимание при экспеотиче 1.Авторское свидетельство СССР 316945, кл. G 01 К 7/02, 1971. 2.Авторское свидетельство СССР № 463007, кл. G 01 К 7/00, 1975. 3.Авторское свидетельство СССР 625319, кл. .G 01 К 7/02, 1978. 4.Авторское свидетельство СССР по заявке № 2029774/18-10, кл. G 01 К 7/02, 22.05.80 (прототип ),