Многоканальный цифровой термометр

 

СО(ОЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН (51) 4 6 01 К 7/02

ОПЙСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ;

Н АВТОРСКОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ. ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3780217/24-10 (22} 14.08.84 (46) 30.05.86. Бн л. )l 20 (71) Ленинградский ордена Ленина политехнический институт им. М,И.Калинина (72) А.В.Клементьев, С.А.Ииранян, В.С.Гутников, А.И.Недашковский и Р.Й.Ребане

f53) 536.532 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

9 998872, кл, G 01 К 7/02, 1981, Авторское свидетельство СССР

В 932277, кл. G Ol К 7/02, 1978. (54) МНОГОКАНАЛЬНЫЙ ЦИФРОВОЙ ТЕРМОМЕТР .(57) Изобретение относится к области температурных измерений и может быть использовано для создания высокочастотных многоканальных цифровых термометров, предназначенных для работы с различными типами термоэлектри„,БО„, 234730 А 1 ческих преобразователей. Цель изобретения — повьнвение точности измерения.

Устройство содержит группу термоэлектрических преобразователей,1, источник образцового напряжения 2, коммутатор 3, усилитель постоянного тока 4 с перестраиваемюи коэффициентом усиления, интегрирукщий аналого цифровой преобразователь 5, программируемый таймер б,,генератор импульсов опорной частоты 7, запоминающее устройство 8, микропроцессор 9 и устройство индикации 10. Введение . новых элементов и образование новых связей между элементами устройства

О обеспечивает автоматическую калнб- Ж ранку термометра на размяк пределах измерения, а также обеспечивает возможности работы с термопреобраэователями различного типа. Точность измерения в устройстве повывается за счет автоматической коррекции нуля и чувствительности. 2 ил.

ЬР

1О

t5

30

1 123

Изобретение относится к темпера-, турным измерениям и может быть использовано для создания высокоточных многоканальных цифровых термометров, предназначенных для работы с различными типами термоэлектрических преобразователей.

Целью изобретения является повышение точности измерения путем обеспечения автоматической калибровки термометра на разных пределах измерения; а также обеспечение.возможности работы с термопреобразователями различного типа.

На фиг,1 приведена структурная схема многоканального термометра; на фиг.2 - пример конкретного выполнения термометра.

Термометр содержит группу термоэлектрических преобразователей 1, источник образцового напряжения (ИН)

2, коммутатор (К) 3, усилитель пос тоянного тока (УПТ) 4. с перестраиваемым коэффициентом усиления, интегрирующий аналого-цифровой .преобразователь (АЦП) 5, про гр аммируемый таимер (Т) 6, генератор импульсов опорной частоты (ГИ) 7, запоминающее устройство (ЗУ) 8, микропроцессор (МП) 9, устройство индикации

{И) 1 О.

Термоэлектрические преобразователи 1 и -источник образцового напряжения 2 подключены к коммутатору 3, один из входов которого соединен с общей точкой схемы. Вход УНТ 4 под° ключен к выходу коммутатора 3, а его выход - к входу АЦП 5. Выход программируемого таймера 6 подсоединен к управляющему входу АЦП 5, а его входы - к выходу генератора импульсов 7 и микропроцессора 9. Остальные три..выхода ИП подключены к управляющим входам .коммутатора 3, УПТ 4 и к устройству индикации 10.

Входы ИП 9 подключены к выходам АЦП

5 и запоминающего устройства 8.

Термометр. работает следующим образом.

Измеряемая температура преобразуется с.помощью термоэлектрических преобразователей 1, подведенных к входу коммутатора 3 в ЗДС. Термометр может быть запрограммирован для работы с различными типами термопреобрааователей, отличающихся пределами измерения выходного сигнала, Работа термометра начинается с калибровки чувствительности прибора.

4730 2

Для этого выходным сигналом МП 9 коммутатор 3 подключает к входу-УПТ

4 источник образцового напряжения 2, величина которого выбирается примерно равной минимальному значению из ряда максимальных выходных сигналов термопреобразователей.

Калибровка чувствительности прибора осуществляется при всех значениях коэффициентов усиления К УПТ, ( переключаемых выходным сигналом ИП 9.

С. целью полного использования шкалы

АЦП на разных пределах измерения значения К УПТ выбираются из условия преобразования диапазона выходного сигнала -го термопреобразователя до уровня, соответствующего дипазону входных напряжений АЦП., Для каждого предела измерения, т.е. для каждого значения УПТ, устанавливается определенная длительность времени интегрирования входного сигнала АЦП, .равная (n+m;) периодам сетевого напряжения, При этом коэффициент преобразования АЦП равен

S(n+m.) S.n(1+ -- }, где S — козф1 и фициент преобразования АЦП при времени интегрированиям равном одному периоду сетевого напряжения.

Формирование прямоугольных импульсов со скважностью два нужной длительности, задающих длительность такта интегрирования входного сигна5 zra AIIIIý осуществляется программиру емым таймером 6 путем деления опорной частоты с выхода генератора импульсов 7 на заданный коэффициент, загружаемый в таймер 6 посредством

Выходной код АЦП Н„: в тактах измерения образцовых напряжений U на каждом пределе измерения, определяется выражением

М„ - (Ц, . + U, ) К. S n(1 + ЕА},(1) где П,„ — смещение нулевого уровня, приведенное. к входу УПТ.

Измеренные значения N . считывают1i ся МП 9 н AIUI 5 и запоминаются в

ЗУ 8.

В такте измерения смещения нуля вход УПТ 4 посредством коммутатора

3, управляемого HH 9, закорачивается на общую точку схемы. При всех значениях коэффициентов усиления К.

УПТ и.при длительности времени интегрирования АЦ, равном (n+m;) пери3 1234730 одам сети, измеряется смещение нулевого уровня прибора. Выходной код

АЦП при этом определяется выражением

U, = U {1+ - ).

m °

1t i n я = ц К. - $.n(1+ Е ) .

5 сМ п

Измеренные значения смещения нулевого уровня также запоминаются в ЗУ 8 и используются при вычислении скорректированного результата lð измерения.

Далее следуют циклы измерения температуры. По команде МП 9 коммутатор 3 последовательно подключает к входу УПТ 4 термопреобразователи.

Прн этом выходным сигналом ИП 9 устанавливаются соответствующие значения коэффициентов усиления УПТ и время интегрирования АЦП, равное и периодам сети. Выходной код АЦП определяется как

Ф М», =(U»;+ U,„j К,. S п, где Ux, — ЗДС i-го датчика.

По результатам трех измерений в соответствии с программой заложен- 25 ной в ЗУ 8, МП 9 производит вычисление скорректированного результата измерения по формуле

tN, -NoL / (1+ n )I ц,(1+пп )

Xi ер N — N

1! о

Далее производит ся лине ариз ация характеристики термопреобразователей посредством вычисления температуры по обратной характеристике датчика

T=f(u„), аппроксимированной некоторой функцией, в частности полиномиальным нли дробно-рациональным выражением, После этого результат 4р измерения температуры выводится на устройство индикации 10. Коэффициенты аппроксимирующей функции, а так» же программа вычисления функции

T=f(U»), хранятся в ЗУ 8. 45

Из выражения (1) видно, что увеличение времени интегрирования АЦП на ш периодов сети в цикле измере ния образцового напряжения U приводящее к увеличению коэффициента 50 преобразования АЦП в (1+m;/n) раэ, равносильно умножению величины образцового напряжения ц„ на известный коэффициент (1+ - ), и 55 т.е. применению перестраивамого источника образцовых сигналов с эквивалентнымн напряжениями,. равными

Величина ш., принимающая значения

О, 1, 2, ..., выбирается из условия максимальной близости эквивалентного образцового напряжения U, к максимальному значению входного сигнала ц .. на данном пределе измерения, т.е. исходят из условия ц (1+ -й) с ц а ц,(1 + -л †-) .

m m +l

4 П i t i 1 и . При таком выборе значения образцового напряжения доминирующая составляющая погрешности прибора - случайная погрешность определения скорректированного результата, обусловленная погрешностью дискретности

АЦП, — минимальна.

Таким образом, задача формирования ряда образцовых напряжений, необходимых для калибровки прибора при различных коэффициентах его преобразования, сводится к значительно . простой задаче формирования точных интервалов времени требуемой длительности, Дополнительные затраты времени, связанные с увеличением времени измерения образцовых сигналов, при этом незначительны, поскольку .автоматическая калибровка прибора выполняется один раз через каждые

100-200 тактов измерения сигнала датчика. Калибровка прибора íà разных пределах измерения с помощью одного источника образцового напряжения позволяет работать с различнымн типами датчиков, что увеличивает функциональные .возможности устройства. Одновременно достигается существенное упрощение конструкции прибора за счет использования минимального числа точных и подстроечных элементов, что значительно облегчает процессы настройки и периодической регулировки прибора при его поверке.

При конкретной реализации цифрового термометра в качестве таймера . 6 может быть использован программируемый таймер типа К580ВИ53, который включает в себя три независимых шестнадцатиразрядных счетчика с программированием режимов их работы.

Как и другие периферийные элемЕнты

П11-комплектов, таймер сопрягается с МП-системой посредством шнн данных, адреса н управления. Формирование управляющего сигнала АЦП с

1234730 длительностью, кратной периоду сетевого напряжения, осуществляется счетчиками таймера, (установленными в режиме 3) посредством деления опорной частоты, поступающей на тактовые входы счетчиков ТИ, на заданный коэффициент. Коэффициент деления частоты в указанном режиме может принимать целочисленные значения, лежащие в

16 диапазоне 1-2. -1, Дня обеспечения высокой точности . формирования длительности управляющего сигнала АЦП и шнрокого диапазона перестройки его длительности, осуществляют последовательное включение счетчиков 0 и 1 таймера. Коэффициент деления d такого двухкаскадного счетчика равен произведению коэффициентов деления Ы,,и Ы каждого из счетчиков и лежит в пределах от l до (2 -1) . Абсолютная погрешность установки длительности управ. ляющего импульса не превышает длительности периода напряжения опорной 25 частоты, что составляет - 0,5 мкс при значении частоты опорного генератора, равной. максимальной рабочей частоте счетчиков таймера, составляющей 2 ИГц. 30

УПТ может быть выполнен на операционном усилителе 11 по схеме инвертирующего усилителя, что обеспечивает его высокое входное сопротивление. Переключение коэффициентов усиления осуществляется коммутатором 12. При этом сопротивление открытых ключей коммутатора не вносит мулътипликативной погрешности, так . как они.включены в цепь обратной 4О связи УПТ.

АЦП включает в себя преобразователь напряжения во временной интервал 13 и один из счетчиков программируемого таймера б, служащего для 45 преобразования выходного широтноимпульсного сигнала ПВВ в код и ввода информации а ИП. ПНВ содержит источник опорного напряжения 14., ключи 15 и 16, интегратор 17, нульорган 16 триггер 19, инверторы 20 и 21, .схему совпадения 22. Принцип действия АЦП заключается в интег-. рировании входного сигнала в течение интервала времени Т, кратного перно- 55 .ду напряжения сети, и далее — в интегрировании опорного напряжения до момента равенства нулю выходного напряжения интегратора. Удержание интегратора в нулевом состоянии осуществляется выходным сигналом триггера 19, устанавливающегося в единичное состояние в интервале времени между двумя циклами измерения. Преобразование информативного сигнала

Т„ с выхода схемы совпадения в код осуществляется счетчиком таймера СТ (режим 2) путем подсчета числа импульсов опорной частоты, поступающей на тактовый вход ТИ 2 за измеряемый промежуток времени. Единичный сигнал с выхода ПНВ длительностью Т„ поступает на разрешающий вход Р 2 счетчика и запускает счет импульсов. При переходе разрешающего сигнала в нулевое состояние счет импульсов прекращается и накопленная информация сохраняется в счетчике до момента поступления очередного единичного сигнала. При этом за счет внутренних логических цепей таймера произ -. водится начальная установка счетчика и описанный процесс преобразования повторяется. Иомент окончания такта преобразования длительности импульса в код определяется программным спосабом. Для этого ИП два раза считывает содержимое счетчика и сравнивает между собой эти значения. Процесс циклически повторяется до тех пор, пока считанные коды не окажутся равными между собой, что свидетельствует о том, что счет импульсов завершен и счетчик находится в состоянии хранения накопленной информации.

Иикропроцессор 9- реализуется на базе ИП-комплекта серии К580 по стандартной схеме ИП-контролера и включает в .себя БИС процессора 23 типа

К580ИК80, генератор тактовых импульсов 24 типа К580ГФ24, БИС системного контролера 25 типа К58ОВГ28. ИПконтролер общается с остальными элементами устройства посредством шин данных, адреса и.управления.

Помимо этого, для вывода резуль.тата измерения на индикацию и для управления УПТ и коммутатором необходимо осуществлять буферизацию информации, выставляемлй ИП-контролером на шину данных системы в тече ние короткого интервала времени.

Запись информации в буферные регист ры, используемые для этой цели, стробируется сигналами шнн адреса

123ч и управления. Для обмена информацией с внешними устройствами в ИП-системах, построенных на базе комплекта серии К580, наиболее целесообразно применение БИС программируемого параллельного интерфейса 26 {ППИ) типе K580,ИК55, включающего в себя три восьмиразрядных порта, которые могут. быть запрограммированы на ввод или вывод информации. На фиг.2 порты 10

А и В используются для вывода результата измерения на индикацию, порт

С вЂ” для вывода управляющего сигнале

УПТ и коммутатора.

При работе термометра МП 9 осуще- 15 ствляет.управление коммутатором 3 с целью подключения к входу канала измерения одного из термопреобразователей, источника образцового напряжения 2 либо нулевого сигнала. Код 20 управляющего слова коммутатора хранится в ЭУ 8. В нужный момент времени он считывается МП 9 и загружается в буферный регистр вывода информации. Выходным кодом буферного регист-25 ра осуществляется. выбор того или иного канала коммутатора 3. Переключение коэффициентов усиления УПТ 4 осуществляется остальными разрядами того же буфера. Формирование управ- З0 ляющего сигнала АЦП длительностью, кратной периоду сетевого напряжения, осуществляется программируемым таймЬром 6 путем деления опорной частоты с выхода генератора импульсов 35

7 на соответствующий коэффициент.

Коэффициент, деления записывается в . ЗУ 8 и вводится в:таймер 6 посредством МП 9. Обработку результатов измерения, в том числе вычисление

40 скорректированного результата после автокалиброовки и линеаризацию характеристик датчиков, выполняет ИП 9 в соответствии с программой, хранимой в ЗУ 8. Общий алгоритм работы нри- 45 бара, т.е. последовательность выполнения необходимых операций, задается также HN 9 в соответствии с программой, записанной в ЗУ 8.

7ЗО 8

Точность измерения предлагаемым устройством повышается за счет автоматической коррекции нуля и чувствительности. При этом заложенный в прибор принцип калибровки канала нри различных коэффициентах преобразования с помощью одной образцовой меры позволяет производить высокоточные измерения с помошью различных .типов термопреобразователей и тем самым увеличить функциональные воэможности устройства. формула изобретения

Многоканальный цифровой термометр, содержащий термоэлектрические преобразователи, подключенные к входам коммутатора, один из входов которого соединен с общей шиной термометра, а управляющий вход соединен с первым выходом микропроцессора, входы которого соединены соответственно свыходом аналого-цифрового преобразователя и выходом запоминающего устройства, а второй выход подключен к.устройству индикации, о т л и— ч а ю щ и и с .я тем, -что, с целью повышения точности измерения путем обеспечения автоматической калибровки термометра, в него введены программируемый таймер, генератор импуль сов, источник образцового напряжения и усилитель постоянного тока с .перестраивеемым коэффициентом усиления, вход которого соединен с выходом коммутатора, управляющий вход подключен к третьему выходу ыкропро-. цессора, а выход подключен к входу аналого-цифрового преобразователя, управляющий вход которого соединен с выходом программируемого таймера, тактовый и управляющий входы которого соединены соответственно .с. вы= ходом генератора. импульсов и четвертым выходом микропроцессора, при этом источник образцового ненряжения подключен к дополнительному входу коммутатора.

f234730

Составитель В. Куликов

Редактор Л.Повхан ТехредЛ.Сердвкова Корректор В.Бутяга

Заказ, 2977/46 Тираж 778 Подписное

ИВИИНН Государственного комитета СССР по.делам изобретений и открытий

И3035, Иосква, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4