Устройство для измерения температуры

 

Союз Советсник

Социапистическик

Респубпии

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

«»870980 (6I ) Дополнительное к ввт. свид-ву(22) Заявлено 25, 12. 79 (21) 2857057/18-10 с присоединением заявки М(23) П риоритет—

Опубликовано 07. 10. 81. Бюллетень М 37

Дата опубликования описания 10. 10. 81 (51)М. Кл.

G 01 К 7!24 Ъоударствеиный комитет

СССР

IIo лелем изобретеиий и открытий (53) УДК 536. 53 (088.8) (72) Авторы изобретения

Ю.В. Поздняков и А. А. Сач

Тернопольский финансово-экономическ и институт:: 1. и Специальное конструкторско-техно гическое бюро геофизического приборостроения физ о-механического

f института АН Украинской ССР- --:-,... (7I ) Заявители (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЕ1

Изобретение относится к области измерения температуры, а точнее к цифровым измерителям температуры с компенсацией нелинейности характеристики первичного измерительного преобразо5 вателя.

Известно устройство для измерения температуры, содержащее измерительный мост, в одно плечо которого включен термометр сопротивления, усилитель !

О разбаланса, реверсивный двигатель, причем три плеча моста образованы тремя постоянными резисторами и включенными между ними двумя реохордами движки которых механически свя-.

Э г 1 !5 заны между собой и двигателем (11.

Недостатком устройства является то, что погрешность выходного сигнала (степень его линейности) определяется классом точности моста, поскольку реохорды служат для компенсации разбаланса, вызванного изменением сопротивления термометра сопротивления при изменении температуры.

Известен также цифровой измеритель температуры, содержащий термоэлект- > рический термометр, подключенный ко входу автоматического компенсатора постоянного тока, дополнительный термоэлектрический термометр, зашунтированный последовательно включенными сопротивлением и реохордом, движок которого механически связан с движком реохорда компенсатора, и цифровой вольтметр (2 ). цифровой:вольметр подключен к выходной цепи автоматического компенсатора, поэтому точность измерения температуры, в основном определяется классом точности автоматического компенсатора, так как класс точности цифровых вольтметров обычно значик еЛьно вьппе.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство для измерения температуры, содержащее термоэлектрический преобразователь, автомати3 870980 ческий компенсатор постоянного тока

1 цифровой милливольтметр, формирователь корректирующего напряжения, сос тоящий из источника стабилизированного напряжения и четырех реохордов, механически связанных с основным реохордом автоматического компенсатора (3).

Низкая точность измерения темпера. туры. данным устройством также обусловлена классом точности автоматичес кого компенсатора постоянного тока.

Это объсняется тем, что линеаризация измерительного сигнала осуществлена в цепи автоматического компенсатора, 15 в которую включен цифровой милливольтметр. . Целью изобретения является повышенная точность измерения температуры в широком диапазоне путем снижения погрешности нелинейности.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство-введены дополнительный формирователь корректирующего напряжения, два источника постоянно го смещения и два масштабируюшдх преобразователя, причем термоэлектрический преобразователь, соединенный последовательно с первым источником постоянного смещения, подключен ко входу первого масштабирующего преобразователя, к выходу которого подключена цепь из параллельно соединенных входов цифрового милливольтметра и второго масштабирующего преобразователя, последовательно с которой соединены первые из пары выходных реохордов основного и допол-q нительного формирователей корректирую щего напряжения, каждый из которых состоит из двух пар реохордов, движки 40 которых механически соединены с основным реохордом компенсатора и электрически попарно соединены между собой. Движки выходных реохордов электрически соединены с крайним выводом первого из пары выходных реохордов, к второму крайнему выводу которого последовательно с источником постоянного напряжения и добавочным резистором подсоединены второй выходной реохорд и два токоведущих реохорда, к выходу второго масштабирующего преобразователя подключены последовательно соединенные второй источник постоянного смещения и автоматичес55 кий компенсатор постоянного тока.

На фиг.1 показана структурная схема устройства для измерения температуры1 на фиг.2,3 — графики зависимостей напряжений и погрешностей линейности от температуры.

Устройство содержит термоэлектрический преобразователь !, автоматический компенсатор постоянного тока

2, цифровой милливольтметр 3, источники стабилизированного напряжения

4,5 и четыре реохордз 6,7,8 и 9, составляющие основной формирователь корректирующего напряжения. Дополнительный формирователь корректирующего напряжения включает реохорды

10,11,12,13. В обоих формирователях первая пара реохордов является выходной, формирующей напряжение требуемой формы, а вторая пара реохордов является токозадающей. Питание обоих формирователей осуществляется от источников постоянного напряжения

4 и 5, последовательно с которыми включены добавочные резисторы 14 и 15 .

Устройство содержит также источники постоянного смещения 16 и 17 и масштабирующие преобразователи 18 и 19, необходимые для промежуточных преобразователей измерительного сигнала.

Устройство работает следующим образом.

Выходной сигнал первичного измерительного преобразователя — термоэлектрического преобразователя 1-E(t) поступает на вход масштабирующего преобразователя 18, предварительно просуммированный с постоянной ЭДС Е источника постоянного смещения 16.

На выходе масштабирующего преобразователя измерительный сигнал представпяет собой номированное напряжение Е (t) — постоянное напряжение, 4 я величина которого в милливольтах равна значению температуры рабочего спая термоэлектрического преобразователя в градусах Цельсия, деленному на 100. Эта зависимость строго выполняется для двух точек — в начальной и конечной температурах диапазона. На промежутке между верхней и нижней температурами рабочего диапазона устройства имеет место погрешность, обусловленная погрешностью линейности термоэлектрического преобразователя.

Функцию, связываюшую измерительный номированный сигнал на выходе масштабирующего преобразователя с термоэдс, термоэлектрического преобразователя, можно записать в виge

870980 6 может быть связан со значением температуры следующим соотношением:

Е()+ „

e."()1

К1 где Е = постоянное напряжение источника. 16:

К - постоянный коэффициент масш-. табирования преобразовате- 10 пя 18.

Описанное преобразование измерительного сигнала иллюстрируют графики, показанные на фиг.2 а,б.

Как видно из фиг. 2,б, прербра- 15 зованный измерительный сигнал Е (й) отличается от линейно зависящего от температуры сигнала U„ (t) на величину погрешности линейности

Корректирующее напряжение, зависящее от температуры таким же образом, как и значение погрешности bU(t) получают основным формирователем корректирующего напряжения, который состоит из двух пар реохорда, движки которых механически соединены с основным реохордом автоматического компенсатора постоянного тока 2.

Электрически движки реохордов попарно соединены между собой. Движки выходных реохордов электрически соеди35 иены также с крайним выводом первого из пары выходных реохордов, к второму крайнему выводу которого последовательно с источником постоянного напряжения 4 и добавочным резистором

14 подсоединены второй выходной реохорд 7 и два токозадающих реохорда

8 и 9. Напряжение на выходе основного формирователя корректирующего напряжения зависит от температуры

45 следующим образом:

Е4КЫ(1-40

R„„+ мй-4) где Е4 ЭДС источ ка постоянного 1 0 стабилизированного напряжения 4;

%,1 — сопротивление добавочного резистора 14:

Ы вЂ” безразмерный коэффициент, 55 апределяющий величину. отклонения движков реохордов от крайнего положения в абсолют". ных единицах с . =0...1) и

6 -1 6 где и — начальная

t — конечная температура рабочего диапазона устройства

1 — текущее значение темпе1 атуры.

Иэ приведенной выше зависимости и графика, показанного -на фиг.2 в видно,,что при крайних положениях движков реохордов, т.е. в начальной и конечной точках рабочего диапазона устройства, корректирующее напряжение 0,1(t) на выходе основного формирователя равно нулю, а при двух произвольно выбранных значениях температур, в пределах рабочего диапазона, зто напряжение точно равно значению абсолютной погрешности линейности g U(t).

ГРафик зависимости остаточной погрешности линейности после коррекции измерительного сигнала напряжением на выходе основного формирователя показан.на фиг.З а.

Как видно из графика, остаточная йогрешность линейности равна нулю при четырех значениях температуры — . 1 2 Р 6

Для компенсации этой погрешности

I которая в средней части диапазона достигает значительных величин (см.фиг.З а), служит допалнительный формирователь корректирующего напряжения, реализующий на выходе корректирующее напряжение -U (t). Величина этого напряжения такова, что оно равно остаточной погрешности линейности при двух значениях температуры в средней части рабочего диапазона температуры — при температурах

t и t4 (см.фиг.З б). На промежутКВх t ... Й H t .. tg напряжение

U<(t) равно нулю, поскольку на этих участках диапазона уровень остаточной погрешности достаточно мал (см.фиг.З а), и дальнейшее снижение не является необходимым. Напряжение Ug(t) может быть описано аналитически следующим образом.

Е 1 (ь 2)Ыб ),U (Ц(®as+3Rd) >r x) (4 zX 6t) 1

7 87 где Š†. ЭДС источника постоянного стабилизированного напряжения 5;

94 - сопротивление добавочного резистора 15 (а учетом изложенного выше допущения), Коэффициент, определяющий степень отклонения движков реохордов от крайнего положения ц., имеет то же значение, что и для основного формирователя, так как все реохорды ме ханически связаны между собой и с основным реохордом автоматического компенсатора постоянного тока 2.

Выполнение дополнительного формирователя корректирующего напряжения аналогично выполнению основного формирователя. Единственное отличие состоит в том, что, крайние части пары выходных реохордов дополнительного формирователя (10,11) выполнены из материала с удельным сопротивлением, близким к нулю, а. средние части— из материала с высоким удельным сопротивлением. Границы проводящих крайних участков реохордов установлены совпадающими со значениями температуры t и t< т.е. протяженность первого провод%щего участка— от Й1 до и, затем — резистивная средйяя часть на промежутке от t g дс и второй проводящий участок— от tg .до t0. Это требование может выполняться только для левой ветви реохорда 10 и правой ветви реохорда

11 (см,фиг.l), поскольку правая ветвь реохорда 10 при отклонениях движка реохорда, соответствующих промежутку температур ts...t, оказывается замкнутой перемычкой между движком реохорда и правым (по схеме) выводом, а левая ветвь реохорда ll включена последовательно с токозадающими реохордами 12 и 13 и выполняет аналогичную выполняемой ими функцию.

Поскольку коррвктирующее напряжение на выходе дополнительного форин рователя Uo(t) при температурах t g u

t полностью компенсирует остаточную погрешность линейности (см.фиг.З б); измерительный сигнал U (t) после корЪ рекции имеет нулевую погрешность линейности при следующих значениях температуры3 t4 tu 1уЕ4 tS и t6. то есть в шести точках в пределах рабочего диапазона температуры (см.. фиг.3 в), Это особенно важно для широких диапазонов температуры, в которых трудно обеспечить достаточную ли0980 h нейность измерите:и,но о сигнала. Оптимизацией распределения температур полной компенсации по рабочему диапазону можно достичь пренебрежимо малых значений погрешности линейности.

Таким образом, преимуществом предлагаемого устройства для измере ния температуры является высокая степень линейности характеристики преI образования температуры в постоянное линейно зависящее от температуры напряжение, что позволяет получить цифровой отсчет результата измерения не посредственно на табло цифрового милливольтметра 3 в градусах Цельсия.

Параллельно цифровому милливольтметру 3 включен вход второго масштабирующего преобразователя 19, на выходе которого имеется напряжение, равное входному u>(t), разделенному в Kg раз.

Последовательно с выходом масштабирующего преобразователя 19 включены второй источник постоянного смещения 17 с ЭДС Е, направленной встречно выходному сйгналу масштабирующего преобразователя, и вход автоматического компенсатора постоянного тока 2.

Второй масштабирующий преобразователь !

9 совместно с источником постоянного смещения 17 выполняют функцию согласования диапазона напряжений на вхо" де цифрового милливольтметра с диапазоном входных напряжений автоматического компенсатора.

Важным преимуществом устройства является независимость точности измерения температуры цифровым милливольтметром 3 от класса точности авто матического компенсатора постоянного тока 2. Это обусловлено тем, что автоматический компенсатор связан только со схемой линеаризации, включающей основной и дополнительный формирователи корректирующего напряжения, общий (суммарный) корректирующий сигнал на выходе которой составляет малую часть от основного измерительного сигнала (порядка О,IX). Таким образом, погрешность автоматического компенсатора ослабляется в 1000 раз и поэтому является влияющей величиной второго порядка малости, которой практически можно пренебречь.

20

Это позволяет использовать в пред55 лагаемом устройстве автоматический ,самопишущий потенциометр низкого класса точности, который одновременно с работой в системе линеаризации обес870980

10 ходу второго масштабирующего преобразователя подключены последовательно соединенные второй источник постоян40 ного смещения и автоматический комФормула изобретения

50 печивает регистрацию темпера гуры в аналоговой форме на ленте самописца.

Результат измерения с высокой точностью считывается с табло цифрового ! милливольтметра, а также в кодовой форме может вводиться в ЭВМ для дальнейшей обработки, а сравнительно менее точная запись на ленте служит при этом для документирования измерительной информации.

Устройство может быть использовано в полупроводниковой промышленности — для контроля и измерения температуры в диапазоне до 1300 С при проо ведении технологических процессов диффузии, окисления и эпитаксии при производстве интегральных микросхем и полупроводниковых приборов. Наличие кодового выхода измерительной информации позволяет при этом обеспечить прямой ввод информации в управляющую

ЭВМ, что делает возможным создание

O автоматической системы управления технологическим процессом. Применение предлагаемого устройства на предприятиях полупроводниковой промышленности, таким образом, позволит на качественно новом уровне решать целый ряд производственно-технических задач и обеспечит тем самым значительный технико-экономический эффект.

Устройство для измерения температуры может быть использовано и во многих других отраслях промышленности, где необходимы точные измерения и контроль температуры.

Цифровая индикация результата измерения температуры непосредственно в градусах Цельсия даст возможность повысить точность и быстродействие измерения, что особенно важно при многоточечном контроле температуры в производственных условиях.

Устройство для измерения температуры, содержащее термоэлектрический преобразователь, автоматический компенсатор постоянного тока, цифровой милливольтметр, формирователь коррек» . тирующего напряжения, состоящий из источника стабилизированного напря15

35 жения и четырех реохордов, механически. связанных с основным реохордом автоматического компенсатора, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения температуры в широком диапазоне путем снижения погрешности нелинейности, в устройство введены дополнительный формирователь корректирующего напряжения, два источника постоянного смещения и два масштабирующих преобразователя, причем термоэлектрический пре, образ ователь, соединенный последова тельно с первым источниксм постоянного смещения, подключен ко входу первого масштабирующего преобразоаателя, к выходу которого подключена цепь из параллельно соединенных вхо- дов цифрового милливольтметра,и второго масштабирующего преобразователя, последовательно с которой соединены первые из пары выходных реохордов основного и дополнительного формирователей корректирующего напряжения, каждый из которых состоит из двух пар реохордов, движки которых механически соединены с основным реохордом компенсатора и электрически попарно соединены между собой, движки выходных реохордов электрически соединены с крайним выводом первого из пары выходных реохордов, к второму крайнему выводу которого последовательно с источником постоянного напряжения и добавочным .резистором подсоединены второй выходной реохорд и два токозадающих реохорда, а к выпенсатор постоянного тока.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

В 381921, кл. 8 01 К 7/24, 1971 °

2. Авторское свидетельство СССР

9 280923, кл. 6 01 К 7/14, 1969 °

3. Авторское свидетельство СССР

В 327386, кл. 6 01 К 7/10, 1970 (прототип).

870980

Заказ 842271

2 Тира:к 910

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобре1::: 1й и открытий

ll3035, Иосква, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Подписное филиал IIHlI "Патент" г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Сос глвитель Н. Горшкова

Редактор О. Филиппова Техред Л,Ац Корректор N.Øàðoøè