Устройство для измерения температуры

 

Изобретение относится к термометрии и позволяет повысить точность измерения при одновременном расширении диапазона измеряемых температур. Работа устройства осуществляется в три такта. В течение первого и второго тактов проводится самоблокировка устройства. В третьем такте коммутатор 3 подключает к блоку 4 коррекции термопреобразователь 1. За счет действия отрицательной обратной связи, охватывающей компаратор 8 через ключ 9, напряжение на запоминающем конденсаторе 10 в первом такте устанавливается равным выходному напряжению логарифматора. При последующих тактах ключ 9 разомкнут и за счет большого входного сопротивления компаратора 8 напряжение на конденсаторе 10 остается неизменным, что обеспечивает вычитание из входного сигнала компаратора 8 постоянной составляющей термометрического параметра и аддитивной погрешности измерения. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛ ИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (51)5 G 01 К 7/22

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

H ABTOPCH0MV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТ8ЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГННТ СССР (21) 4471183/24-10 (22) 20.06.88. (46) 30.08.90. Бюл. № 32 (71) Специальное конструкторско-технологическое бюро по криогенной технике с опытным производством Физико-технического института низких температур АН УССР (72) В.С. Мотузко (53) 536.53(088.8) (56) Патент США № 4215336, кл. G 01 К 7/22, 1980.

Авторское свидетельство СССР № 998872, кл. G 01 К 7/02, 1983. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

ТЕМПЕРАТУРЫ (57) Изобретение относится к термометрии и позволяет повысить точность измерения при одновременном расширении диапазона

„„SU„„1589080 A 1

2 измеряемых температур. Работа устройства осуществляется в три такта. В течение первого и второго тактов проводится самокалибровка устройства. В третьем такте коммутатор 3 подключает к блоку 4 коррекцции термопреобразователь 1. За счет действия отрицательной обратной связи, охватывающей компаратор 8 через ключ 9, напряжение на запоминающем конденсаторе 10 в первом такте устанавливается равным выходному напряжению логарифматора. При последующих тактах ключ 9 разомкнут и за счет большого входного сопротивления компаратора 8 напряжение на конденсаторе 10 остается неизменным, что обеспечивает вычитание из входного сигнала компаратора 8 постоянной составляющей термометрического параметра и аддитивной погрешности измерения. 1 ил.

1589080

11зобретение относится к термометрии, а именно к устройствам для измерения температуры с полупроводниковыми терморезисторами в качестве первичных измерительных преобразователей, и может быть использовано при построении электронных термометров с самокалибровкой и функциональным преобразованием нелинейности термометрической характеристики термопреобразователя, коррекцией температурных изменений постоянной материала термопреобразователя и стабилизацией мощности его разогрева измерительным током.

Целью изобретения является повышение точности измерения при одновременном расширении диапазона измеряемых температур.

В устройстве для измерения температуры компенсация постоянной составляющей термометрического параметра, аддитивной и мультипликативной составляющих погрешности звеньев, входящих в устройство, так. же как и линеаризация термометрической характеристики, осугцествляется в аналоговом виде, т.е. полностью используется динамический диапазон ЦАП, разрядность которого определяется только требуемой разрядностью кода измеряемой температуры.

Стабилизируется мощность нагрева термопреобразователя измерительным током, причем схема логарифмирования, применяемая в цепи стабилизации мощности, используется одновременно и для линеаризации термометрической характеристики, что обеспечивает упрощение устройства. Обеспечивается коррекция температурных изменений постоянной материала термопреобразователя, что повышает точность линеаризации термометрической характеристики.

На чертеже представлена структурная схема устройства для измерения температуры.

Устройство содержит термопреобразователь 1, полупроводниковый терморезистор, блок 2 образцовых резисторов, коммутатор 3, блок 4 коррекции, гиперболический преобразователь 5, схему 6 логарифмирования, схему 7 антилогарифмирования, компаратор 8, первый ключ 9, первый запоминающий конденсатор 10, второй ключ 11, резистивный делитель 12, дифференциальный усилитель 13, второй запоминающий конденсатор 14, цифроаналоговый преобраз ов ател ь (ЦАП ) 15, мультиплексор 16, источники 17 и 18 кодов первой и второй опорных температур, генератор 19 импульсов, схему 20 совпадения, счетчик 21, отсчетн г устройство 22 и блок 23 управления.

Термопреобразователь 1 и резисторы бло.а 2 образцовых резисторов через комму5

50 гатор 3 и блок 4 коррекции включены в цепь обратной связи функционального гипербо- 55 лического преобразователя 5 — между выходом схемы 7 антилогарифмирования и входом схемы 6 лдгарифмирования, соединенш

R ных последовательно. Такое включение обеспечивает постоянство мощности нагрева термопреобразователя 1 измерительным током.

Выход схемы 6 логарифмирования подключен к неинвертирующему входу компаратора 8, инвертирующий вход которого через первый запоминающий конденсатор

10 соединен с выходом ЦАП 15 и входом резистивного делителя 12. Конденсатор 10 заряжается при замыкании первого ключа

9, соединяющего выход и инвертирующий вход компаратора 8.

Выход компаратора 8 через второй ключ

11 соединен с инвертирующим входом дифференциального усилителя 13, в обратной связи которого включен второй запоминающий конденсатор 14., Выход усилителя 13 подключен к аналоговому входу умножающего ЦАП 15, а инвертирующий вход — к выходу резистивного делителя 12.

Выход компаратора 8 подключен также к входу схемы 20 совпадений,. второй вход которой подключен к выходу генератора

19 счетных импульсов, а выход — к счетному входу счетчика 21.

Выход счетчика 21 соединен с входами отсчетного устройства 22 и мультиплексора

1G, входы которого соединены также с выходами источников кодов первой 17 и второй 18 опорных температур, обеспечивающими подачу на входы мультиплексора логических уровней напряжения в соответствии с двоичным (или двоично-десятичным в зависимости от вида применяемого кода) представлением кодов опорных температур.

Выход мультиплексора 16 подключен к цифровому входу ЦАП 15.

Управляющие входы комммутатора 3, первого 9 и второго 11 ключей, мультиплексора 16 и установочный вход счетчика 21 подключены к соответствующим выходам блока 23 управления.

В устройстве применена экспоненциальная аппроксимация термометрической характеристики термопреобразователя вида

R,(T) = — К +Р К (Т,) ехр (В/Т вЂ” В/T.) /

/Я„+Я(Т,) ехр (В/Т=В/Т.)), (1) где R (Т ) — сопротивление термопреобразователя при температуре Т;

R (Т,) — сопротивление термопреобразователя при начальной температуре; — постоянное добавочное сопротивление; постоянное шунтирующее сопротивление;

 — постоянная материала термопреобразователя;

T — абсолютная температура.

Введение добавочного и шунтирующего сопротивлений позволяет учесть температурные изменения постоянной материала термопреобразователя и повысить точность аппроксимации.

1589080

25

55

Термопреобразователь 1 через коммутатор 3 подключен к блоку 4 коррекции, осуществляющему преобразование характеристики (1) к более простому виду

Rэ (Т) =R (Т,) ехр (В /7 — В/Т,), (2) где R.(Т) — эквивалентное сопротивление блока 4 коррекции с подключенным к нему термопреобразователем 1.

Функцию преобразования гиперболического преобразователя 5 можно выразить в виде

U7=P,/I . (3) где P, — постоянный коэффициент, имеющий размерность мощности;

1 — входной ток схемы 6 логарифмирования.

При этом мощность, подводимая к термопреобразователю 1, Р =U7 "I=P, (4) не зависит от его сопротивления и, следовательно, от температуры (при выводе учтено, To R(T)»R,; R(T) «R ).

Для более полного использования динамического диапазона ЦАП в устройстве осуществляется преобразование в цифровой код приращения t температуры термопреобразователя относительно начальной температуры Т диапазона измеряемых тем-. ператур.

Для устранения зависимости результата измерения от неконтролиуемых параметров

W u V. работа устройства осуществляется в три такта.

В течение первого и второго тактов проводится самокалибровка устройства, для чего коммутатор 3 подключает к входу блока

4 коррекции один из резисторов блока 2 образцовых резисторов с сопротивлениями, равными сопротивлению термопреобразователя 1 соответственно при перво" Ti второй

Т> опорных температурах, лежащих в диапазоне измеряемых температур. Выбор значений опорных температур основан на следующем. Первая опорная температура выбирается равной начальной температуре. диапазона измеряемых температур, что обеспечивает выполнение самокалибровки за два такта. Значение второй опорной температуры выбирается в той части диапазона измерения, в которой желательно обеспечить наивысшую точность измерения.

В течение третьего такта коммутатор 3 подключает к блоку 4 коррекции термопреобразователь 1.

В течение первого такта самокалибровки ключ 9 замкнут, ключ 1! разомкнут. Мультиплексор 6 подключает к входу ЦАП 15 выходной код источника 17 кода первой опорной температуры. При выборе первой опорHGH температуры, равной начальной температуре диапазона измеряемых температур, справедливо равенство !Vi=0.

За счет действия отрицательной обратной связи, охватывающей компаратор 8 че6 рез замкнутый ключ 9, напряжение на запоминающем конденсаторе 10 в течение первого такта устанавливается равным выходному напряжению логарифматора. При этом учтено то, что ti — — 0 и Ми=0.

При последующих тактах ключ 9 разомкнут и за счет большого входного сопротивления компаратора 8 напряжение на конденсаторе 10 остается неизменным, включенным последовательно с инвертирующим входом компаратора 8, что обеспечивает вычитание из входного сигнала компаратора 8 постоянной составляющей термометрического параметра и аддитивной составляющей погрешности измерения.

На время второго такта самокалибровки замыкается ключ 11, и мультиплексор 16 подключает к входу ЦАП 15 выходной код

2 источника 18 кода второй опорной температуры 4.

За счет действия отрицательной обратной связи, охватывающей компаратор 8 по цепи: ключ 11, усилитель 13, ЦАП 15, конденсатор 10. напряжение на конденсаторе 14 устанавливается таким, чтобы обеспечивалось равенство íà".ðÿæåíèé на входах компаратора 8.

В течение третьего такта ключ 11 разомкнут и за счет большого входного сопротив ления усилителя 13 напряжение на конденсаторе 14 остается неизменным, что обеспечивает запоминание крутизны преобразования и компенсацию мультипликативной погрешности измерения.

В течение третьего такта осуществляется аналого-цифровое последовательное преобразование термометрического параметра со ступенчатым пилообразным напряжением.

Для этого по сигналу блока 23 управления обнуляется счетчик 21 и разрешается прохождение счетных импульсов генератора 19 через схему 20 совпадений на вход счетчика 21, выходной код которого через мультиплексор 16 поступает на вход ЦАП 15. Последовательное увеличение кода Л счетчика

21 продолжается до момента установления равенства напряжений на входах компаратора 8, начиная с которого выходной сигнал компаратора, поступая на вход схемы 20 совпадений, запрещает прохождение счетных импульсов на вход счетчика 21. Выходной код Л счетчика 21 определяется из равенства напряжений на входах компаратора

8, достигаемого в момент останова счета.

Таким образом, выходной код счетчика

21, поступающий после останова счета на отсчетное устройство 22, прямо пропорционален измеряемой температуре. Осуществляя соответствующий выбор масштабного множителя, можно обеспечить представление результата измерения в любой требуемой шкале температур.

1589080

Составитель В. Ярыч

Редактор Е. Конча Техред А. Кравчук Корректор JI Вескид

Заказ 2532 Тираж 507 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат «Патент», г. Ужгород, ул. Гагарина, !О!

Формула изобретения

Устройство для измерения температуры, содержащее коммутатор, первый, второй и третий входы которого подключены соответст венно к блоку образцовых резисторов, термопреобразователю и блоку управле.ния, генератор импульсов и отсчетное устройство, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения при одновременном расширении диапазона измеряемых температур, в него введены блок коррекции, выходом соединенный со своим вторым входом через гиперболический преобразоватль, а первым входом подключенный к выходу коммутатора, последовательно соединенные компаратор, первый ключ, первый конденсатор, резистивный делитель, дифференциальный усилитель и цифроаналоговый преобразователь, последовательно соединенные элемент И, вторым входом подключенный к выходу генератора импульсов, счетчик и мультиплексор, подключенный к цифровому входу цифроаналогового преобразователя, второй ключ, второй конденсатор, первый и второй источники кодов опорных температур, выходами подключенные к соответствующим входам мультиплексора, первым входом соединенного с входом отсчетного устройства, а вторым входом — с вторым входом счетчика и первым выходом блока управления, второй и третий выходы которого подключены соответственно к управляющим входам первого и второго ключей, входы которых объединены с вторым входом элемента И и подключены к выходу компаратора, входом подключенного к второму выходу гиперболического преобразователя, а инвертирующим входом к выходу первого ключа, выход второго ключа подключен к инвертирующему входу дифференциального усилителя и через второй конденсатор — к его выходу, выход цифроаналогового преобразователя подключен к входу резистивного делителя.