Цифровой измеритель температуры

 

Изобретение относится к области температурных измерений и позволяет повысить точность измерения в условиях высокого уровня промышленных помех. Сигнал от термопреобразователя 1 поступает через аналоговые ключи 13,2,6, конденсатор 9, нормирующий усилитель 4 на входы аналого-цифрового преобразователя 14. Линеаризация характеристики термопреобразователя, коррекции аддитивной погрешности осуществляется с помощью счетчика 15, постоянного запоминающего устройства 16, цифроаналогового преобразователя 5, источника 17 опорного напряжения и аналоговых ключей 3,7,8,10,11,12, управляемых сигналами с блока 18 управления. Результат измерения формируется в блоке 18 управления. 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)л G 01 К 7/02

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

303/93, . .:

6АтЕМПЙ - ты " "

q.:Ã У„ >,.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4437350/24-10 (22) 06.06.88 (46) 07.08.90. Бюл. М 29 (72) А.И.Щелканов (53) 536.531 (088.8) . (56) Авторское свидетег.=,ñòâî СССР

М 627349, кл. G 01 t: 7/02, 1979.

Авторское свидетельство СССР

Рв 947654, кл. G 01 К 7/02, 1980. (54) ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ТЕМПЕРАТУРЫ (57) Изобретение относится к области температурных измерений и позволяет повысить точность измерения в условиях

„„ЯЯ„„1583757 А1 высокого уровня промышленных помех.

Сигнал от термопреобразователя 1 поступает через аналоговые ключи 13, 2, 6, конденсатор 9, нормирующий усилитель 4 на входы аналого-цифрового преобразователя

14. Линеаризация характеристики термопреобразователя, коррекция аддитивной погрешности осуществляется с помощью счетчика 15, постоянного запоминающего устройства 16, цифроаналогового преобразователя 5, источника 17 опорного напряжения и аналоговых ключей 3, 7, 8, 10. 11, 12, управляемых сигналами с блока 18 управления. Результат измерения формируется в блоке 18 управления. 3 ил.

1583757

Изобретение относится к области температурных измерений, а именно к цифроным измерительным приборам с коррекцией нелинейности первичных измерительных преобразователей с индивидуальной градуировачнай характеристикой, обусловленной технологичесКММ разбросом при изготовлении.

Целью изобретения является повышение точности измерений в условиях высокого уровня помех, На фиг.1 г.редставлена функциональная схема измерителя; на фиг.2 — временные диаграммы, поясняющие работу цифрового измерителя, на фиг.3 — схема блока управления, Цифровой измеритель температуры содер>кит термопреобразователь 1, первый аналоговый ключ 2, второй аналоговый ключ

3, нормирующий усилитель 4, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 5, третий аналоговый кл1оч 6, четвертый аналоговый ключ

7, пятый аналоговый кл|оч 8, конденсатор 9, шестой аналоговый ключ 10, седьмой аналоговый ключ 11, восьмой аналоговый кл оч

12, девятый аналоговый кл1оч 13, аналогоцифровой преобразователь (АЦП) 14, счетчик 15, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 16, источник 17 опорного напряжения и блок 18 управления.

Блок 18 управления содержит (фиг.2) генератор 19 тактовых импульсов (ГТИ), генератор 20 цикла измерения (ГЦИ), формирователь 21 интервала времени (tp, tl) такта коррекции, формирователь 22 интервала времени (tt, tg) первого такта интегрирования, триггер 23 управления вторым тактом интегрирования, триггер 24 определения знака разности сигнала (U (0) — U (Оа)), реверсинный счетчик 25 результата измерения, буферный регистр

26, логические элементы 2И 27 — 31, логические элементы НЕ 32 и 33, дифференциру1ощие цепи 34 — 36, логические лементы

2ИЛИ 38 — 40 и логический элемент ИСКЛ I0ЧАЮЩЕЕ ИЛИ 41, АЦП 14 выполнен по схеме двухтактнаго интегрирования с коррекцией смещения нуля. На выходе АЦП l4 формируется сигнал, информативным паоаметром которого является интервал времени (длительность второго такта интегрирования).

Усилитель 4 имеет дифференциальные вход и выход.

Период следования импульсов ГЦИ 20 блока управления выбирается кратным периоду промышленной или бортовой сети, Частота ГТИ 19 блока управления определяется погрешностью дискретности преобразования, длительностью второго такта

За

55 интегрирования и длиной диапазона измерения.

Цифровой измеритель температуры работает следующим образом.

В момент времени tp(äëÿ простоты анализа совпадающий с появлением импульса на выходе ГЦИ 20) формирователи 21 и 22, триггер 23, счетчик 25 (фиг,3) и счетчик 15 (фиг.1) устанавливаются в нулевое состояние. Первый (условно) тактовый импульс с выхода ГТИ 19 запускает формирователь 21, в результате чего на его выходе появляется уронень "Лог, 1", который подается на управляющие входы аналоговых ключей 7, 8.

11 и 13 и аналогового ключа (не показан) цепи коррекции смещения нуля, находящегося в АЦП 14.

Дальнейшее рассмотрение работы устройства предполагает соответствие "Лог. 1" на управляющем входе аналогового ключа открытому состоянию ключа, Входное напряжение нармирующего усилителя 4 при открытых ключах 11 и 13 ранна нулино и в АЦП 14 произнодится коррекция его аддитивнай погрешности с учетом напря>кения смещения нуля усилителя 4, Счетчик 15, íàходящийся н нулевом состоянии, обеспечивает выаорку из ПЗУ 16 двоичного числа Ма, которое определяет Bblходнае напряжение ЦАП 5. Через открытые аналоговые ключи 7 и 8 конденсатор 9 зарядится до напряжения 0, равного выходному напряжени о термопреобразователя 1 в начальной точке диапазона измерения, определяемого выражением

Иа И.

Uc — — —, (1)

2п где Up — напряжение на выходе источника

17 опорного напряжения;

n — значение разрядности ЦАП 5;

Np* — десятичный эквивалент двоичного числа йа по нулевому адресу ПЗУ 16.

В момент времени t1 на выходе формирователя l,nîÿâèòñÿ "Лаг. 0", согласно которому аналоганые ключи 7. 8, 11 и 13 закроются, а АЦП 14 перейдет в режим интегрирования. Перепад логических уровней на выходе формирователя 21, воздействуя на вход разрешения V формирователя 22, вызовет появление "Лог, 1" на его выходе, согласно которой откроются ключи 2, 3 и б. При этом на входе усилителя 4 будет иметь место разность напряжений U (О) — 0 (Op), где U (Op) — напряжение с выхода термопреобразонателя 1, а напряжение на выходе интегратора станет линейно изменягься, К моменту времени 2 приращение напряжения на выходе интег1583757

Ратора будет определяться выражением вида пад уровней, который через элемент 2ИЛИ

40 поступит на счетный вход счетчика 15, который, изменив состояние, обеспечит выборку из ПЗУ 16 двоичного числа Nz, что приведет к изменению значения напряжения на выходе ЦАП 5. Напряжение на выходе интегратора АПЦ 14 в момент времени

12.! будет равно

12

UMHTi =-, f ((U(0) -U(Oo))dt =

1!

= К ((О) — U (Oo)) (2) к Lb и!

= UHHT. 1 g д (т2. 1 12) (3) 30 (4) где К вЂ” коэффициент усиления усилителя 4; т — постоянная времени интегрирования

К Uo N! 2.! Е

АЦП 14 инт2.! = UwT.1 — f dt =

2" (l2 — t1) — длительность первого такта интегрирования.

Перепад логических уровней на выходе формирователя 21 в момент времени t! Установит счетчик 25 результата в состояние, соответствующее кодовой комбинации íà де N * - Десятичный эквивалент двоичного входах установки счетчика. числа N1.

B момент времени tz выход формиро 20 Пусть (12.! — т2) = ЛТ. Тогда в момент вателя 22 устанавливается в состояние 20 времени t21+ ЬТ на счетчик 15 пос упит

"Лог. !", аналоговые ключи 2, 3 и 6 закроют- следующий импУльс, напРЯжение на выходе ся, перепад логических уровней на выходе, ЦАП 5 изменит свою величину, а напряжеформирователя 22 через инвертор 32 пере- ние на выходе интегРатоРа буде опРедеключит триггер 23 в единичное состояние 2 лЯтьсЯ выРажением вида (на входе D триггера постоянно присутству25 ет иЛог. 1"), при котором единичный сигнал с его выхода поступает на первые входы

U .г.г =!гии!.1 — г — иггТ .4) 1 элементов 2И 27 — 30 управления ключами 10 — 13.

Рассмотрим работу триггера 24 опредеК Ц) ч

Т.ЬN2 .ЛТ ления знака разности 0 (О) — 0 (Оо).

2п

Пусть разность И (О) — U (Оо) > О. Тогда в соответствии с представляемым графиче» ГДЕ И2 — ДЕСЯтИЧНЫй ЭКВИВаЛЕНТ ДВОИЧНОГО ским материалом к моменту времени т2 на 3-, выходе компаратора АцП 14 будет сформи- ПРоцесс выбоРки чисел и из ПЗУ 16 рован низкий уровень напряжения, соответ- идет из массива памяти, признаком котороствующий "Лог. О". Перепад логических. го Явл етсЯ наличие "Лог. О" на дополни23 тановит прямой выход триггера 24 в саста- 4 зна ений Разности, U (O} — 0 (Оо) яние "Лог. 0", при этом открываются В слУчае U (О) — U (OP) <ОнапРЯжеаналоговые ключи 11 и 12; напряжение на ние на выходе интегРатоРа в момент вРемевходах усилителя 4 изменяет полярность, а ни tz бУде положительным, а состоЯние на изменение состояния счетчика 15, вызван- ыходе компаратора будет соответствоват ное прохо дением перепада напряжения с 45 "ЛОГ.1" ПеРепад УРовней на выходе триггепрямого выхода триггера 23 через диффе Ра 23 обеспечит УстановкУ пРЯмого выхода ренцирующую цепь на счетный вход, обус- триггера 24 в состояние "Лог. 1" при этом ловливает выборку двоичного числа д! на откРываются аналоговые ключи 10 и 13; цифровые входы цАП 5 из ПЗУ 16 по перво-, знак напрЯжениЯ íà входах УсилителЯ4 бу му адресу. Таким образом в момент време- 50 дет пРотивоположен знакУ Разности напрЯни tz напряжение на входах усилителя 4 жений 0(О) — 0(Оо). Процесс выборки изменяет свои значение и знак. чисел из ПЗУ 16 идет аналогично описанноЗтим же перепадом уровней разреша- му за исключением того, что выбоРка идет еТс поступление импульсов с выхода ATM иэ массива памЯти, пРизнаком котоРого Яв,g через элемент 2И 31 на счетный вход С 55 л е ся наличие "Лог. 1" на дополнительном счетчика 25 результата, а "Лог. !" на инвар- адресном входе ПЗУ 16 (для отРицательных сном выходе триггера 24 обеспечивает пря- значений Разности U (О) — U (Cb)). мой счет импульсов. Для момента времени tzi = tz + ЛТ i

B момент времени tz.1 на одном из вы- спРавеДливо выРажение ходов счетчика результата появится пере-.

1583757

К 0

Оинт2.I = Оинт1 — — ЛТ,Й, (5)

2ï

1 где Ni — десятичный эквивалент двоичного числа Ni no i-му адресу ПЗУ 16.

В момент времени ts =- сг+ AT. m (анализ ведется для значений измеряемой температуры, пропорциональных шагу кусочно-линейной аппроксимации

AT

-д =COlSt при l = m) выражение будет 10 равно нулю, Компаратор АЦП 14 изменит свое состояние на противоположное, на входах элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 41 будет 15 иметь место неравнозначность логических уровней, что вызовет переход выхода данного элемента в состояние "Лог. 1". Этот перепад логических уровней дифференцируется дифференцирующей цепью 35 и че- 2 рез элемент ИЛИ 37 поступит на вход R триггера 23, прямой выход которого установится в состояние "Лог, 0". Аналоговые ключи, находящиеся в открытом состоянии, закроются, а перепад логических уровней 25 на инверсном выходе триггера 23 через дифференцирующую цепь 34 поступит на вход записи С регистра 26, где результат измерения хранится до окончания следующего цикла измерения, 30

Для того, чтобы результат измерения был бы прямо пропорционален измерямой температуре, необходимо соответствие чисел No*, Ni системе уравнений

Ио = —.U(О);

2"

U„ — tU (О!) — 0 (Ol — «)), (6) 40

Uo ЛТ где Т1 — длительность первого такта интегрирования (т2 т1)

AT — длительность шага кусочно-линейной аппроксимации ЛО;

Q — дискретные значения измеряемой температуры по диапазону измерения с шагом A О, 1 =- 1, ..., m.

Результат измерения для значений тем- 50 пературы, кратных шагу кусочно-линейной аппроксимации ЛО, определяется формулой

О = O+slgn ((U (О) — U (Oo)) - — (h — t2), т 55 (7) где 85- число, которое записывается в счетчик результата СТ10 в момент времени ц;

sing (U (0) — U (Oo)) — функция знака разности (U(O) — U(Oo)), равная; +1— для положительных значений разности; -1— для отрицательных значений разности; 0— для нулевого значения разности.

В точках диапазона измерения, лежащих между узлами кусочно-линейной аппроксимации, будет иметь место погрешность аппроксимации, пропорциональная отношению длины диапазона измерения к числу участков (числу чисел гц), Формула изобретения

Цифровой измеритель температуры, содержащий термопреобразовэтель, нормирующий усилитель, аналого-цифровой преобразователь, постоянное запоминающее устройство, адресные входы которого соединены с выходом счетчика, а выходы подключены к цифровым входам цифроаналогового преобразователя, блок управления, выходы которого соединены с управляющими входами счетчика и аналогоцифрового преобразователя, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения точности измерения в условиях высокого уровня помех, в него введены девять аналоговых ключей, источник опорного напряжения и конденсатор, первый вывод которого соединен через первый и второй аналоговые ключи с первым выводом термопреобраэователя сопротивления и общей шиной цифрового измерителя температуры соответственно, а второй вывод конденсатора через третий и четвертый ключи соединен с инвертирующим входом нормирующего усилителя и аналоговым выходом цифроаналогового преобразователя соответственно, опорный вход цифроаналогового преобразователя соединен с первым выводом источника опорного напряжения, второй вывод которого подключен к общей шине, соединенной через пятый и шестой аналоговые ключи с неинвертирующим и инвертирующим входами нормирующего усилителя, соединенными через седьмой и восьмой аналоговые ключи с аналоговым выходом цифроаналогового преобразователя, при этом выходы нормирующего усилителя подключены к входам аналого-цифрового преобразователя, неинвертирующий вход нормирующего усилителя соединен через девятый аналоговый ключ с вторым выводом термопреобразователя, а управляющие входы всех аналоговых ключей и постоянного запоминающего устройства соединены с соответствующими выходами блока управления.

)583757

AEB акт ив яро лкп

4П иа

1 5 шт.2 кг и

Ej5 гт гр

s5

Ровещо и к

%uzi

Составитель В.Куликов

Редактор Л.Гратилло Техред М,Моргентал Корректор M. Самборская

Заказ 2247 Тираж 507 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

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