Цифровой измеритель температуры

 

Изобретение относится к температурным измерениям и позволяет повысить надежность цифрового измерителя. На входы преобразователя напряжения в интервал времени (ПНИВ) 5 поступают напряжения с выходов источника 7 напряжения смещения, источника 6 образцового напряжения, компенсационного устройства 4 и усилителя 3, на вход которого поступает через переключатель 2 полярности сигнал с термоэлектрического преобразователя (ТП) 1. ПНИВ 5 совместно с генератором 9 опорной частоты, селекторами 11,12, блоком 8 управления и реверсивным счетчиком 10 осуществляет преобразование поступающих напряжений в числоимпульсный код, пропорциональный температуре ТП 1, который поступает через функциональный преобразователь 14 в отсчетное устройство 15. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 С 01 К 7/02

ГОСУДАРСТ8ЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

Н А BTQPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4463413/24-10 (22) 20,07.88 (46) 30. 04, 90, Бюп. И 16 (71) Львовский политехнический институт им. Ленинского комсомола и Мукачевский приборостроительный завод "Мукачевприбор 1 (?2) В.Б, Здеб, Р.Н. Огирко, В.А. Яцук, Е.И. Шморгун, Я.М, Борисюк и К,И, Сливка (53) 536.532 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Р 1130748, кл. G 01 К 7/12, 1983.

Авторское свидетельство СССР

N - 1242725, кл. G 01 К 7/02, 1984. (54) ЦИФРОВОЙ ИЗМКРИТЕЛЬ ТЕМПЕРАТУРЫ (57) Изобретение относится к температурным измерениям и позволяет повысить надежность цифрового изме„.,SU„„156098? Д 1

2 рителя. На входы преобразователя напряжения в интервал времени (ПНИВ) 5 поступают напряжения с выходов источника 7 напряжения смещения, источника 6 образцового напряжения, компенсационного у-стройства 4 и усилителя

3, на вход которого поступает через переключатель 2 полярности сигнал с термоэлектрического преобразователя (ТП) 1. ПНИВ 5 совместно с генератором 9 опорной частоты, селекторами 11, 12, блоком 8 управления и реверсивным счетчиком 10 осуществляет преобразование поступающих напряжений в числоимпульсный код, пропорциональный температуре ТП 1, который

Я поступает через функциональный преобразователь 14 в отсчетное устройство 15. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1560987

Изобретение относится к технике температурных измерений и может быть использовано при построении простых щитовых цифровых измерителей температуры, работающих в комплекте с термоэлектрическими преобразователями, Цель изобретения — повышение на дежности цифрового измерителя температуры. 10

На фиг. 1 приведена структурная

Схема цифрового измерителя температуры,, на фиг ° 2 — схема преобразователя напряжения в интервал времени; на фиг.3 — - схема компенсационного 15 устройства; на фиг..4 — схема блока управления и его подключение к цифровой части прибора; на фиг.5 — блоксхема функционального преобразователя. 20

Цифровой измеритель -температуры содержит термоэлектрический преобразователь (ТП) 1, переключатель 2 полярности (ПП), усилитель 3, компенсационное устройство (КУ) 4, преоб- 25 разователь 5 напряжения во временной интервал (ПНВ), источник 6 образцового напряжения (ИОН), источник 7 напряжения смещения (ИНС), блок 8 управления (БУ), генератор 9 опорной частоты (ГОЧ), реверсивный счетчик (РСч) 10, первый 11 и второй 12 селекторы, блок 13 индикации полярности, функциональный преобразователь

14 и цифровое отсчетное устройство 15.

ПНВ 5 содержит коммутатор 16, повторитель 17 напряжения, интегриру-ющие резистор 18 и конденсатор 19, усилитель 20 интегратора и нуль-ор40 ган 21. Первый и второй входы ПНВ 5 через первый и второй ключи коммутатора 16 подсоединены к входу повторителя 17 напряжения, неинвертирующий вход усилителя 20 интегратора соединен с инвертирующим входом нульоргана 21 и служит третьим входом

ПНВ 5. Выход нуль-органа 21 через третий ключ коммутатора 16 подсоединен к входу повторителя 17 на ряжения и служит выходом ПНВ 5. Управляющий вход коммутатора 16 является управляющим входом ПНВ 5.

КУ 4 содержит переключатель 22, выход которого подсоединен .к неинвертирующему входу усилителя 23. Инвертирующий вход усилителя 23 подключен к точке соединения эмиттера первого транзистора 24 и образцового резистора 25, второй вывод которого подключен к общей шине устройства.

База транзистора 24 соединена с выходом усилителя 23, а коллектор транзистора 24 через первый нестабилизированный источник 26 напряжения подключен к первой вершине диагонали питания моста компенсации, вторая вершина этой диагонали соединена с эмиттером транзистора 27.

База транзистора 27 подсоединена к выходу усилителя 28, а коллектор через второй нестабилизированный источник 29 напряжения — к четвертому входу КУ 4 ° Инвертирующий вход усилителя 28 подключен к первой вершине выходной диагонали моста, неинвертирующий вход усилителя 28 соединен с общей шиной устройства. Вторая вершина выходной диагонали моста служит выходом КУ 4. В одной паре противоположных плеч моста расположены термочувствительные резисторы 30 и

31 с линейной зависимостью .сопротивления от температуры, а в другой паре плеч — термонезависимые резисторы 32 и 33. Это дает возможность с помощью КУ 4 моделировать термо-ЭДС

ТП в области изменения температур их свободных концов.

Сопротивление одного из термояезависимых резисторов должно быть в п раз больше, а другого — в и раз меньше сопротивления термочувствительных резисторов при температуре о

0 С. При этом величину и определяют из уравнения (2+At,) (1+.Г )

1, п +2п(1+а(t ) 1 1, 12

t2 Г

2 +it г 2 + e t

+1 =О, температурный коэффициент сопротивления термочувствительных резисторов; значечия температур свободного спая ТП в пределах диапазона их изменения; значения ЭДС ТП стайдартной градуировки при температурах t,и t z соответственно. где

1560987

15 и" = к „, (-j.e+ л„+л„), 55 где К „- коэффициент усиления усилителя 3;

1 — термо-ЭДС ТП;

БУ 8 содержит делитель 34 частоты, кольцевой счетчик 35, элементы ИЛИ 36-39, RS-триггеры 40-45, D-триггер 46, импульсные трансформаторы 47-50, элементы И 51-54 и элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 55.

Первый селектор 11 выполнен на элементах И 56 и 57.

Функциональный преобразователь 10

14 содержит двоичный умножитель 56 частоты, счетчик 57 длины. участка аппроксимации, формирователь 58 импульсов, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 59 и счетчик 60 числа участков аппроксимации.

Цифровой измеритель температуры работает следующим образом.

Перед измерением рабочий слай

ТП 1 помещают в среду, температуру 20 которой необходимо измерить,а в месте подключения свободных концов

ТП располагают термочувствительные резисторы 30 и 31.

Цикл измерения состоит из двух 25 циклов преобразования, каждый из которых состоит из трех тактов, В конце предыдущего цикла измерения ФП 14 и ЦОУ 15 обнуляются (устанавливаются в исходное состояние) . В каждом 30 цикле преобразования входное напряжение по методу двухтактного интегрирования преобразуется в числоимпульсный код. Результат измерения определяется по методу коммутационного инвертирования как разность двух результатов двухтактных преоб| разований, проведенных при противоположных полярностях входного напряжения. 40

Каждый цикл преобразования состоит из трех тактов. В первом такте происходит установка начального уровня напряжения на интегрирующем конденсаторе 19. Это осуществляется при разомкнутых первом и втором и замкнутом третьем ключах коммутатора 16.

При этом на конденсаторе 19 запоминается напряжение смещения U HO 21.

Во втором такте происходит заряд конденсатора 19 входным напряжением усилителя 3. В цикле коррекции выходное напряжение усилителя 3 — эквивалентное напряжение ч смещения, приведенное к входу прибора; — эквивалентное напряжение к смещения КУ 4.

При этом а =R„ +а

Uñ +df9 р и 1+Л 1+1 К 2 2Э кз1 R зо R3g кзз

R30+ Кз, + R32+ Кзз где

R - R — сопротивления резисторов 30-33; — напряжение сдвига (блок 7);

R — сопротивление токозаf4 дающего резистора 251

d Э,К вЂ” эквивалентное напряжение смещения и коэффициент передачи усилителя 23; р — коэффициент усиления транзистора 24;

4 — эквивалентное напряже23 ние смещения усилителя 28.

К концу второго такта выходное напряжение интегратора

К к,, „U ус- 4а+ек+еп, Цуо сд р где = R С, постоянная времени интегрирующей цепи, соответственно со13 f9 противление и емкость резистора 18 и конденсатора 19; эквивалентные нае и еп пряжения смещения повторителя 17 и усилителя интегратора 20; время заряда конденсатора 19.

В третьем такте происходит разряд конденсатора 19 до значения напряжения U „,,+ U . В этот момент IIHB 5 переводится в такт установки начального уровня. От начала третьего такта до момента срабатывания НО 21 на протяжении отрезка времени t БУ 8 х разрешает прохождение импульсов ГОЧ 9 частотой fo через селектор 11 на вычитающий вход РСч 10.

15609

k

t крус -Пса+ eè+ еп и Т х E — е — е р и

) где Š— напряжение ИОН 6. о

В цикле измерения в код преобразуется выходное напряжение усилителя ЗБ„" =Кус(е +й + д +Бк), 10

Напряжение Uyc преобразуется в интервал времени и

Ц с Uci+ еи+ еп х E — е — е о и и

С началом третьего такта цикла

:измерения БУ 8 разрешает импульсам ,ГОЧ 9 проходить через селектор 11, на суммирующий вход РСч 10. В момент, перехоДа РСч 10 через нуль по его выходному сигналу БУ 8 прекращает подачу импульсов ГОЧ 9 на селектор

11 и разрешает их прохождение через 25 селектор 12 на ФП 14, Таким образом происходит вычитание в реальном масштабе времени из длительности ини тервала t „ длительности интервала к

t „ и формирование интервала времени

t„,, пропорционального реи зультату измерения. По моменту срабатывания НО 21 в цикле измерения прекращается формирование интервалов времени t „ и t x соответственно, и к

Цус U yc

Т

K ус(е + Цк)

Т, Š— е — е о и и

Š— е — е о и я

По моментам перехода НО 21 и РСч 40

10 через нуль в bY 8 определяют полярность измеряемого напряжения, Если первым через нуль переходит РСч

10, а вторым НО 21, то БИП 13 пока— жет знак "+", если наоборот — то

Соответственно по этому сигналу в

ФП 14 подключается схема линеаризации положительных либо отрицательных температур.

В ФП 14 происходит преобр зование ,количества импульсов N x = txf o npo

50 порциональных измеряемои термо-ЭДС

ТП е e = f(Я„), в количество импульсов N g = F Nx пропорциональное измеряемой температуре Ц „ = ц(е ), где

F — коэффициент преобразования ФП 14.

Аппроксимация производится по программе, записанной в ПЗУ 59. В ПЗУ 59 записаны коэФфициент преобразования

87

N . на каждом участке аппроксимации и длительность N ; каждого участка.

Код N ; устанавливает коэффициент преобразования умножителя 56 частоты, а код N ; устанавливает в счетчике

57 длительность участка. Числоимпульсный код Nх поступает на умножитель 56 где делится на коэффициент

Р, . С выхода умножителя импульсы поступают в ЦОУ 15 и на счетчик 57.

При переходе счетчика 57 через нуль на его выходе формируется импульс, который приводит к увеличению на единицу содержимого счетчика 60, т.е, изменению адреса выборки ПЗУ. На выходах ПЗУ 59 устанавливаются следующие значения N .„ N „;,, По заднему фронту импульса, приходящего в счетчик 57, формирователь 58 формирует импульс разрешения предвари— тельной записи, по которому в счетчик 57 записывается код N - . При о1 установке ФП 14 в исходное состояние счетчик 60 сбрасывается в нуль, а в счетчике 57 записывается код N длиt тельности первого участка аппроксимации, Алгоритмы аппроксимации для температур выше и ниже 0 С устанавливаются путем выборки соответствующих областей ПЗУ подачей на старший разряд адреса 0 при < .„ )О С и 1 при () (О С.

Компенсационное устройство работает следующим образом. !

Переключателем 22 подают на вход стабилизатора тока (элементы 23-26) напряжение U с в цикле коррекции, либо Е + Uc в цикле измерения. о

Нестабилизированный источник 26 напряжения служит для обеспечения активного режима работы транзистора

24. Резистор 25 служит опорным элементом стабилизатора тока ° Преобразователь 28 ток — напряжение преобразует плавающее падение напряжения на мосте в напряжение, отсчитывае мое относительно общей шины устройства. Нестабилизированный источник

29 напряжения служит для задания активного режима работы транзистора

27. Ток питания моста компенсации замыкается только через источники

26 и 29, транзисторы 24 и 27 и резистор 25. Это позволяет значительно упростить реализацию КУ 4 по

1 сравнению с прототипом без ухудшения метрологических характеристик прибора в целом. Для уменьшения влияния

1560987

50 на результат измерения коэффициента усиления р транзистора 24 он может быть выполнен по схеме составного транзистора. В предлагаемом устройст-. ве практически без методической погрешности моделируется термо-ЭДС ТП в области изменения температуры СК.

Кроме этого, исключена АСП, вызванная влиянием активных элементов КУ, контактными ЭДС и токами утечки ис10 точников питания.

ЬК 8 работает следующим образом.

Делитель 34 частоты по частоте К

ГОЧ 9 формирует импульсы с периодом

Т, Кольцевой счетчик 35 формирует

15 шесть сдвинутых по времени импульсов длительностью Т, По переднему

f фронту первого и четвертого импульсов на выходе второго импульсного 20 трансформатора 41 формируется сигнал начала второго такта каждого цикла, второго и пятого импульсов на выходе третьего импульсного трансформатора 49 — сигнал начала третьего такта, шестого импульса через первый импульсный трансформатор 47 — сигнал начала первого цикла преобразования, Эти сигналы формируются RS-триггерами 40-42. RS-триггер 43 фиксирует срабатывание НО 21. RS-триггеры 4 143 сбрасываются в "О" сигналом установки в "1" следующего после него. триггера. Триггер 40 сбрасывается в

"О" сигналом срабатывания НО, Выходной сигнал триггера 40 уп1 равляет ПП 2 и переключателем 22

КУ 4, а триггеров 41-43 — работой коммутатора 16 ПНВ 5. Замыкание ключей коммутатора 16 производится еди- 40 ничным уровнем на выходах триггеров 41-43. Триггер 41 задает время заряда интегрирующего конденсатора напряжением.U, триггер 42 — время интегрирования опорного напряже- 45 ния Ео до момента срабатывания НО, триггер 43 вырабатывает сигнал установки начального уровня интегратора. Выходной сигнал импульсного трансформатора 50, свидетельствующий о срабатывании НО, и сигнал перехода через нуль РСч 10 фиксируются путем сброса в нуль RS-триггеров 44 и 45. Очередность их срабатывания фиксируется D-триггером 46 путем

55 записи в него состояния триггера 44 в момент прохождения сигнала перехода через нуль РСч 10 ° Таким образом, при „ ) 0 С на выходе В-триг гера 46 устанавливается нулевой уровень, а при <)„ <0 (; — единичньй.

Выход D-триггера 46 служит для индикации знака в БИП 13 и управления

ФП 14. Команду разрешения прохождения импульсов с ГОЧ 9 на вычитающий вход РСч 10 по состоянию RS-триггера

44 и второго выхода кольцевого счетчика формирует элемент И 53, Команду разрешения прохождения импульсов на суммирующий вход РСч 10 до момента его обнуления формирует элемент И 54, Сумматор по модулю два 55 анализирует состояние RS-триггеров 44 и 45. При несовпадении их состояний элемент 55 переходит в единичное состояние, что в третьем такте второго цикла преобразования служит сигналом разрешения прохождения импульсов с генератора 9 через селектор 12 на ФП 14.

Формула изобретения

1. Цифровой измеритель температуры, содержащий термоэлектрический преобразователь, подключенный к входам переключателя полярности, первый выход которого соединен с первым входом усилителя, источник напряжения смещения, источник опорного напряжения, первый вывод которого соединен с первым входом компенсационного устройства и вторым входом преобразователя напряжения в интервал времени, выход которого подключен к первому входу блока управления, второй вход которого соединен с выхо- дом генератора опорной частоты и первыми входами первого и второго селекторов, реверсивный счетчик, входы которого соединены с выходами первого селектора, а выход подключен к третьему входу блока управления, первый выход которого соединен с управляющими входами компенсационного устройства и переключателя полярности, второй выход подключен к управляющему входу преобразователя напряжения в интервал времени, третий и четвертый выходы соединены соответственно с управляющими входами первого и второго селекторов, пятый выход соединен с третьим входом первого селектора, а шестой выход подключен к управляющим входам блока индикации полярности и функционального преобразователя, вход которого соединен с выходом второго селектора, выход подключен к входу цифрового отсчет1560987

12 ного устройства, а управляющий вход соединен с управляющим входом цифрового отсчетного устройства и седьмым выходом блока управления„ о т л и5 ч ающий ся тем, что, с целью .повышения надежности, первый вывод источника напряжения смещения подключен к общей шине измерителя, а второй вывод. соединен с вторым выводом источника опорного напряжения, вторым входом компенсационного устройства и третьим входом преобразователя напряжения в интервал времени, первый вход которого соединен с выходом усилителя, второй вход которого подключен к общей шине измерителя, соединенной с четвертым входом компенсационного устройства, третий вход которого соединен с вторым выходом переключателя полярности.

2. Измеритель по п.1„ о т л ич а ю шийся тем, что компенсационное устройство содержит два операционных усилителя, образцовый резис- 25 тор, мост компенсации, два транзистора, два дополнительных источника напряжения и переключатель, первый и второй входы которого соединены соответственно с первым и вторым вхо- gp дами компенсационного устроиства, управляющий вход соединен с управляющим входом компенсационного устройства, а выход — с неинвертирующим входом первого операционного усилителя, инвертирующий вход которого подключен к точке соединения змиттера первого транзистора и первого вывода образцового резистора, а выход подключен к базе первого транзистора, коллектор которого через первый дополнительный источник напряжения подключен к первой вершине диагонали питания моста компенсации, вторая вершина которого соединена с эмиттером втoporo транзистора, база которого соединена с выходом второго операционного усилителя, а коллектор через второй дополнительный источник соединен с четвертым входом компенсационного устройства, вторым выводом образцового резистора и неинвертирующим входом второго операционного усилителя, инвертирующий вход которого соединен с первой вершиной выходной диагонали моста компенсации, вторая вершина выходной диагонали которого является выходом компенсационного устройства.

1560987 к 006 к 002

1560987

Составитель В, Куликов

Техред Л. Сердюкова Корректор M Самборская

Редактор Л. Пчолинская

Заказ 973 Тираж 510 Подписное

ЙНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r Ужгород, ул. Гагарина, 101