Устройство для измерения температуры

 

О П И С А Н И Е ()857740

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик (6I ) Дополнительное к авт. свил-ву (5()М. Кд. (22) 3aявлено 30.03.79 (21) 2744072!18-10

6 01 К 7/14 с присоединением заявки М

ВеудлрстеениыИ кемитет

СССР нв делам нае4ретений н открытий (28) Приоритет

Опубликовано 23.08.81. Бюллетень М 31 (5З) УДК 536.531 (088.8) Дата опубликования описания 23.08.81

В. В. Кочан, В. Ю. Мильченко, В. Н. Чеканов,(A. А, .Саченко . и И. В. Вядро

i

1 с" ! (72) Авторы изобретения (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

Изобретение относится к температурным измерениям, в частности к устройствам для измерения температуры с коррекцией погрешности линейности первичного преобразователя, в которых используются цифровые вольтмет- ры в комплекте с термоэлектрическими преобразователями (ТП) для точного измерения температуры. Пересчет показаний вольтметра в градусы температуры осуществляется с помощью стандартных градуировочных таблиц термометра, что является недостатком тако10 го использования цифрового вольтметра.

Выбор диапазона измерения осуществляется созданием ЭДС противоположной ЭДС ТП, а индикация непосредственно в градусах температуры достигается шунтированием входа вольтметра Однако. ввиду нелинейности градуировочной характеристики ТП эта схема может обеспечить приемлемые метрологические характеристики только в весьма узком дианаэоне температур, например 1100 — 1300 С, что является ее недостатком.

Известно устройство для измерения температуры, содержащее датчик температуры, выходкой сигнал которого описывается полиноминальной функцией, и устройство для вычйсления постоянных полинома и расчета на их основе числовых значений температуры.

Вычислительное устройство содержит блок управления, генераторы импульсов, счетчик, ключи и регистры памяти. В схеме вычисления повторно и ступенчато накапливаются постоянные полинома, а значение температуры определяется числом управляющих импульсов, поступающих на счетчик (1).

Недостатком устройства является его высокая сложность .и стоимость. Кроме того, в автоматическом электронном потенциометре, традиционно применяемом в системах автоматического контроля температуры, совмещены функции измерения, индикации, регистрации и позиционного регулирования. Цифровой термометр беэ дополнительных устройств может выполнять только функцию измерения и индикации.

Так как в производстве для управления технологическими процессами необходимы также Функции регистрации и регулирования.

857740 у автокомпенсаторов.

1о

35

4О

45 з замена электронных потенциометров на цифровые термометры сопровождается установкой дополнительной аппаратуры.

Для осуществления регистрации значений температуры необходимо цифропечатающее устройство, трансскриптор, устройство отчета времени с возможностью выхода на печать.

Для осуществления позиционного регулирования в системе с цифровым термометром необходимым блок памяти для хранения установок регулирования, устройство сравнения кодов и формирования управляющего воздействия.

Поскольку все эти устройства по сложности и стоимости значительно превосходят сам цифровой термометр, приемлемые экономические характеристики могут получить только при работе системы в многоканальном режиме. В этом случае к указанному объему аппаратуры добавляются коммутаторы низкого и высокого уровня, групповые унифицирующие преобразователи, блоки управления и т,д., а весь комплект аппаратуры превращается в систему сбора первичной информации, используемую, как правило, в составе комплексов

АСУ ТПП.

Значительно более дешевыми и простыми являются комбинированные устройства для измерения температуры, например автоматические потенциометры постоянного тока и пос1 ты, имеющие аналоговую схему линеаризации для создания возможности отсчета температуры в градусах на табло цифрового вольтметра, входящего в состав комбинированного уст ройства. Достоинством этих устройств является также совмещенЖ функций измерения, регистрации и регулирования.

Однако по точности устройства значительно уступают измерителям температуры с цифровой линеаризацией характеристики ТП, Известен цифровой прибор для измерения температуры, содержащий мостовую потенциометрическую схему, в одну из диагоналей которой включен источник стабилизированного питания, а в другую — датчик термо-ЭДС последовательно с усилителем разбаланса, и следящий двигатель, уравновешивающий схем подачи сигнала разбаланса на усилитель, причем последовательно с рабочим датчиком терI мо-ЭДС встречно включен дополнительный датчик термо-ЭДС, зашунтированный последовательно включенными сопротивлением и реохордом, основание и движок которого механически связаны с основанием и движком измерительного реохорда. В этом устройстве достигается линеаризация и|калы автокомпенсатора и линейность выходного напряжения, снимаемого с дополнительного реохорда (2), 4

Однако вследствие того, что цифровой вольтметр подключен к выходной цепи компенсатора, точность измерения температуры полностью определяется классом точности компенсатора, что является недостатком устроиства, так как класс точности современных цифровых вольтметров значительно выше, чем

Известно устройство для измерения температуры, содержащее измерительный мост, в одно плечо которого включен платиновый термометр сопротивления, усилитель разбаланса, реверсивный двигатель и источник питания, три плеча моста образованы тремя постоянными резисторами и включенными между ними двумя реохордами, движки которых механически связаны между собой и двигателем. причем движок одного реохорда подключен к усилителю, а движок другого — к источнику питания (3).

Однако в этом устройстве реохорды участ. вуют в компенсации разбаланса схемы, возникшего при изменении сопротивления термометра, поэтому погрешность выходного линеаризованного сигнала также определяется

1 классом точности моста, что является недостатком устройства.

Известен также цифровой прибор для измерения температуры, содержащий термопару, включенную последовательно с усилителем разбаланса в мостовую потенциометрическую схему, питаемую от стабилизированноro источника, и следящий дал,атель, последовательно с измерительным реохордом дополнительно включен резистор и реохорд, движок которого закорочен на свое начало и механически связан с движком измерительного реохорда (4).

Однако в этом устройстве осуществлена линеаризация выходной цепи автокомпенсатора, в которую и включен цифровой вольтметр. Погрешность схемы компенсатора полностью входит в погрешность измерения всего устройства. Таким образом, применение цифрового вольтметра в таком устройстве неэффективно, так как его высокий класс точности все равно не реализуется в схеме измерения,что является недостатком устройства

Наиболее близким к предлагаемому по тех. нической сущности и достигаемому результату является измеритель температуры,содержа-. щий термоэлектрический преобразователь, подключенный ко входу автоматического потенциометра постоянного тока, цифровои вольт55 метр, источник стабилизированного напряже ния и два дополнительных реохорда, меха,нически связанные с основным реохордом потенциометра, причем первый дополнительный

857740 рсохорд включен последовательно с термоэлектрическим преобразователем и. цифровым вольтметром и зашунтирован цепью иэ последовательно включенных второго дополнительного реохорда, резистора и источника стабилизированного напряжения, причем ветви второго дополнительного реохорда соединены последовательно, а у первого дополнйтельного реохорда начало одной ветви подключено к концу другой и соединена с электродом 10

ТП и клеммой источника стабилизированного напряжения, конец этой ветви подключен к клемме входа цифрового вольтметра, ко второй клемме которого подключен другой, электрод термометра. 15

В данном измерителе совмещены функции измерения, индикации, регистрации и регулирования. В класс точности компенсатора не входит в общую погрешность измерения, поэтому могут получить принципиально более э0 высокие метрологические характеристики, чем в других схемах, где для линеаризации также использована схема автоматического потенциометра постоянного тока (51, Однако известный измеритель имеет недостаточно высокую точность линеаризации в расширенных диапазонах и связанная с этим погрешность измерения. Погрешность регист.рации, особенно при применении малогабаритных потенциометров постоянного тока с уз- ч0 кой диаграммой, значительно выше, чем погрешность измерения и индикации.

Цель изобретения — повышение точности и расширение диапазона измеряемых температур. 3S

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения температуры, содержащее термоэлектрический преобразователь, цифровой вольтметр, источник стабилизированного напряжения, автоматический потенциометр постоянного тока с реохордом, механически связанным с дополнительным реохордом, первая ветвь которого включена между выводом термоэлектрического преобразователя и входом цифрового вольтметра, введены два набора резисгоров, дешифратор, подключенный к выходу цифрового вольтметра, и управляемые им коммутаторы, ключи и цифроаналоговые преобразователи, причем выход

50 первого цифроаналогового преобразователя включен последовательно между вторым выводом термоэлектрического преобразователя и входом цифрового вольтметра, вход потенциометра — последовательно с выходом втоSS рого цифроаналогового преобразователя подключен ко входу цифрового вольтметра, вторая ветвь дополнительного реохорда — через набор резисторов, коммутируемых первым коммутатором, подключена к соответствующим выходам делителя напряжения, вход которого подключен к источнику стабилизированного напряжения, другой конец второй ветви дополнительного реохорда через другой набор резисторов, коммутируемых вторым коммутатором, подключен к источнику стабилизированного напряжения, а через ключи — к началу и концу первой ветви дополнительного реохорда.

На фиг, 1 изображена функционально-принципиальная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 — векторнъ«е диаграммы, поясняющие работу .схемы.

Схема содержит ТП 1, один из выводов которого через первую ветвь дополнительного реохорда ", механически соединенного с основным реохордом потенциометра 3, подключена ко входу цифрового вольтметра (ЦВ) 4.

Второй вывод ТП 1 соединен последовательнб с выходом первого цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 5 и вторым входом ЦВ 4.

Вход потенциометра 3 соединен последовательно с выходом второго ЦАП 6 и подключен ко входу ЦВ 4. Вторая ветвь дополнительного реохорда 2 через набор резисторов 7 и коммутатор 8 подключена к выходам делителя 9 напряжения, ко входу которого подключен источник 10 стабилизированного напряжения. Лругой конец второй ветви реохорда 2 через второй набор резисторов ll и второй коммутатор 12 подключен к клемме источника 10. Кроме того, та же клемма Йточника 10 через ключи 13 и 14 соединена с началом н концом первой ветви реохорда 2. Управление коммутаторами 8 и 12, ЦАП 5 и 6, ключами 13 и 14 осуществляется через дешифратор 15, подключенный к выходу ЦВ 4.

Измерительный диапазон устройства разбит на ряд поддиапаэонов линеаризацин (фиг. 2).

Каждому диапазону соответствует включение своего напряжения на выходе ЦАП 6 для обеспечения равенства диапазона линеаризации длине шкалы потенциометра 3. Кроме того, каждому диапазону линеаризации соответствует подключение своего резистора 7 и

ll в наборах, а также своего значения начального напряжения линеаризации, формируемого ЦАП 5.

Устройство работает следующим образом.

Выходной сигнал ТП 1 поступает на вход

ЦВ 4, выходной код которого устанавливает выходной код дешифратора в состояние, соответствующее, диапазону линеариэации. Пусть, например, значение измеряемой температуры равно 4;,«, выходной сигнал ТП, что соответствует второму диапазону лйнеариэации (фиг. 2). Второму диапазону соответствует выход««ое напряжение ЦАП 6 (векторОцАпя

857740

ЦВ тП ЦаП 0 0p

25 линейно зависит от температуры. Показания потенциометра 3 также линейны в пределах диапазона линеаризации.

В связи с тем, что для некоторых диапа30 зонов линеаризации функция нелинейности

ТП из монотонно возрастающей переходит в монотонно убывающую, для обеспечения линеаризации необходимо изменение направления вектора 01 Р2., что достигается размыканием ключа 13 и замыканием ключа 14. Управ3S ление ключами 13 я 14 осуществляется от дешифратора 15.

Предлагаемое устройство реализуется на основе стандартного цифрового вольтметра и малогабаритного потенциометра постоянного тока (например, А541 с предварительным усилением). Схема дешифратора должна обеспечивать расшифровку номера диапазона по коду цифрового вольтметра. С целью упро45 шения дешифратора и облегчения анализа записи на диаграмме потенциометра диапазоны линеаризации предпочтительно выбирать кратными 100 С, Схема дешифратора реализуется на интегральных элементах ТТЛ логики, например серии КМ155.

Число уровней выходного напряжения цифроаналоговых преобразователей равно числу диапазонов линеаризации. Класс точности цифроаналоговых преобразователей равен 0,1, по55 этому их схемная реализация на современной элементной базе не представляет сложности.

Так как коммутаторы и ключи в предлагаемом устройстве не входят в измерительна фиг. 2), равное значение линеаризованнои градуировочной характеристики измерителя

U+> = 9 (t ) в точке начала диапазона.

Выходное напряжение 11АП 5 (вектор(1 „) равно разности значений линеаризованнои ха- 5 рактеристики Q+>= P (,1) измерителя и градуировочной характеристики термоэлектрического преобразователя E ä = Ч ) в начальной точке диапазона линеаризации.

В этой точке движок дополнительного реохорда 2 находится в крайнем левом (по схеме на фиг. 1) положении, поэтому падение напряжения на реохорде равно нулю и линеаризация осуществляется только за счет напряжения (3 цдп S . Для рассматриваемого 15 значения температуры т. напряжение на входе компенсатора 3 равно вектору 0 (фиг. 2), чему соответствует определенное положение движка дополнительного реохорда

2 и падение напряжения на нем 0 а. (век- 20 тор на фиг. 2).

Р

Таким c бразом, напряжение на входе цифрового воль гметра 4 равно ные цепи и требования к пх характеристикам невысоки, они выполнены, как на основе контактных так и бесконтактных иереключмбгцих устройств.

Преимушеством предлагаемого устройства Ilo сравнению с известным является возможность получения черезвычайно высоких метрологических характеристик. Расчет параметров и погрешностей схемы показывает, что погрешность линеаризации сопоставима с погрешностью задания градуировочных характеристик стандартными градуировочными таблицами.

Высокие метрологические характеристики достигаются при сравнительно простой и дешевой схеме. Так как предел измерения потенциометра укладывается только в диапазон линеаризации, который значительно (примерно в 5 — 10 раз) меньше диапазона измерения всего устройства, соответственно снижается погрешность записи (по сравнению с известным) и порог чувствительности схемы регулирования.

В зависимости от количества диапазонов,линеаризации достигают погрешность записи О, l

0,15% от верхнего предела измерения при ! классе потенциометра 1. При диапазоне линеаризации в целые сотни градусов уточнение начала отсчета при анализе записи на диаграмме потенциометра не представляет труда.

Предлагаемое устройство позволяет совместить в одном приборе функции измерения, цифровой индикации, аналоговой регистрации и позиционного регулирования (за счет контактов потенциометра) и могут быть использованы в комплексах АСУ ТП без дополнительных дорогостоящих устройств: цифропечатаюших устройств, таймеров, блоков цифрового регулирования.

Предлагаемый цифровой измеритель температуры может найти широкое применение в системах контроля температуры технологических процессов, так как в приборе совмещения функции измерения, регистрации и регулирования, он может быть широко использован для замены автоматических потенциометров и мостов без привлечения дополнительной дорогостоящей аппаратуры, Достигаемое при этом значительное повышение точности систем температурного контроля обеспечит снижение процента брака и улучшения качественных характеристик выпускаемой продукции в ряде отраслей промышленности.

Формула изобретения

Устройство для измерения температуры, содержащее термоэлектрический преобразователь, 0 !0 ющнм выходам делителя напряжения, вход которого подключен к источнику стабилизированного напряжения, другой конец второй ветви дополнительного рехохорда через другой набор резисторов, коммутируемых вторым коммутатором, подключен к источнику стабилизированного напряжения, а через ключи — к началу и концу первой ветви дополнительного реохорда.

Источники информации, принятые во внимание при эксйертизе

l. Патент Великобритании Я 138366l, кл. G 01 К 7/14, опублик. 1975.

2. Авторское свидетельство СССР ll" 280923, кл. G 01 K 7/14, 1968.

3. Авторское свидетельство СССР Х 381921, кл. G 01 К 7/24, 1971.

9 85774 цифровой вольтметр, источник стабилизированного напряжения, автоматический потенциометр постоянного тока с реохордом, механически связанным с дополнительным реохордом, первая ветвь которого включена между выводом термоэлектрического преобразователя и входом цифрового вольтметра, о т л и ч аю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности, в него введены два набора резисторов, дешифратор, подключенный к выходу цифрового вольтметра, и управляемые нм коммутаторы, ключи и цифроаналоговые преобразователи, причем выход первого цифроаналогового преобразователя включен последовательно между вторым выводом термоэлектрического преобразователя и входом цифрового вольтметра, вход потенциометра — последовательно с выходом второго цифроаналогового преобразователя подключен ко входу цифрового вольтметра, вторая ветвь дополнительного реохорда— через набор резисторов, коммутируемых первым коммутатором, подключена к соответству4. Авторское свидетельство СССР N 327386, кл. G 01 К 7/10, 1970.

5. Авторское свидетельство СССР Н 625139, кл. G 01 К 7/02, 1977 (прототип).

857740,. - Температура ф pg

Составитель Н. Горшкова

ТехредН.Ковалева Корректор Н. Стец Редактор Н. Рогулич

Заказ 7226/67 Тираж 907 Подписное.ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4