Устройство для измерения температуры

 

Со1оз Советскнн

Соцнапистнческни

Республик

ОП ИСАНИНА

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 907402 (61) Дополнительное к авт. саид-ву— (22)-зявлено 14.07.80 (21) 2956113/18-10 (51) М. Кл.

Г) 01 К 7/22 с присоединением заявки J4— (Ьеударатнениый комитет

СССР (23) Приоритет-ио делам изобретений н открытий

Опубликовано 23.02. 82. Бюллетень Юю 7

Дата опубликования описания 23.02 .82 (53) УЛК 536. 532 (088. 8) В. В. Воробьев, А. M. Пахомычев, С. К. С и Ю, В. Дыжин (72) Авторы изобретения

1

1 (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

Изобретение относится к температурным измерениям, а именно к цифровым измерителям температуры, и может быть использовано в электротермометрах.

Известно цифровое устройство для измерения температуры, содержащее термопреобразователь сопротивления, аналого-цифровой преобразователь, генератор импульсов, формирователь временных интервалов, схему сравнения, два счетчика и индикатор.

Это устройство дает возможность корректировать нелинейность первичного преобразователя при измерении (1!

Однако зависимость параметров этого устройства от дестабилизирующих факторов, например, изменения температуры внешней среды, существенно увеличивает погрешность проводимых измерений, уменьшение которой в этом случае требует стабилизации параметров генератора, аналого-цифро

enro преобразователя и проведения периодического контроля и коррекции.

При этом достижение заданной точности связано с трудностью выбора параметров устройства, в связи с тем, что большинство термопреобразователей сопротивления имеют весьма существенный разброс характеристик.

Погрешность линеаризации измерителя определяется величиной дискретности преобразователя, т. е., в конечном итоге, объемом и быстродействием счетчиков что приводит к применению цифровых элементов с большой частотой переключения и к увеличению числа счетчиков. а это связано с усложнением устройства и повышением потребляемой мощности от источника питания.

Известен также цифоовой измеритель температуры, содержащий термометр сопротивления, подключенный к первому входу операционного усилителя, ко второму входу и выходу которого подключен эталонный резистор, соединенчые последовательно интегратор, нуль

7 02

3 90 орган, формирователь временных интервалов, логическую схему, счетчик импульсов и генератор импульсов, вход которого соединен с выходом интегратора, а выход - с одним из входов логической схемы.

Измеритель температуры позволяет уменьшить погрешность измерения путем исключения влияния нестабильности характеристик усилителя и генера— тора импульсов (2) .

Однако на погрешность измерений оказывает влияние нестабильность генераторов тока, в случае использования прибора в широком диапазоне температур рабочих условий применения.

Кроме этого, измеритель обеспечивает линеаризацию характеристики термопреобразователя, зависимость величины сопротивления которого от температуры описывается функцией, представляемой тремя членами степенного ряда:

RT = RQ(l + At + Bt ), где RD — значение сопротивления при 0 С;

А и Б — постоянные значения„ зависящие от конструкции термопреобразоватуля, Это не позволяет применять измеритель при использовании термопреобразователей сопротивления, имеющих экспоненциальную зависимость величины сопротивления от температуры, например, терморезисторов.

Из известных устройств для измерения температуры наиболее близким по . технической сущности и достигаемому результату является устройство, содержащее триггер, один из входов которого подсоединен к генератору тактовых импульсов„ а другой - к блоку сравнения, выход триггера соединен с транзисторным ключом и одним из входов селектора, другой вход которого подключен к генератору стандартной частоты, а выход - к счетчику импульсов. Нагрузкой ключа является измерительная цепь, состоящая из разрядного сопротивления, термопреобразователя сопротивления, образцового конденсатора и шунтирующего его резистора. о

Импульсы генератора стандартной частоты, несущие информацию об измеряемой температуре, поступают на вход суммирующего счетчика за время заря4 да образцового конденсатора до определенного напряжения через термопреобразователь сопротивления и шунтирующий резистор (3) .

В этом устройстве погрешность, вызванная нелинейностью чувствительного элемента первичного преобразователя, компенсируется тем, что параллельно ему и конденсатору включен разрядный резистор, а конденсатор, кроме этого, зашунтирован другим резистором. Разрядный и шунтирующий резисторы оказывают влияние на время заряда конденсатора, т. е. на длительность интервала времени, в течение которого происходит заполнение счетчика импульсами стандартной частоты, что дает возможность несколько уменьшить погрешность измерений, связанную с нелинейностью характеристики первичного преобразователя. Однако приведенная погрешность измерений, даже при тщательном подборе параметров зарядной цепи, в диапазоне в несколько десятков градусов составляет величину порядка 24 и растет с расширением диапазона измерений.

При работе устройства в широком интервале температур внешней среды погрешность проводимых измерений зависит от стабильности параметров генератора стандартной частоты, транзисторного ключа и напряжения питания, Для проведения более точных измерений необходимо жестко стабилизировать параметры и напряжение узлов, что приводит к дополнительному расходу энергии источников питания и существенному усложнению схемотехнического решения.

Все это не позволяет использовать данное устройство для измерений с малой погрешностью в широком диапазоне рабочих температур.

Цель изобретения - повышение точности измерений.

Указанная цель достигается тем, что в известное устройство для измерения температуры, содержащее термопреобразователь сопротивления, соединенный с постоянным резистором, транзисторным ключом и источником питания, счетчик импульсов, соединенный с генератором опорной частоты через селектор, подключенный к триггеру, входы которого соединены с гене" ратором тактов и блоком сравнения, дополнительно введены два эталонных

02 6

5 9074 делителя напряжения, два транзисторных ключа, функциональный преобразователь, распределитель импульсов, счетчик импульсов, формирователь импульсов коррекции и интегратор, управляющий генератором опорной частоты и соединенный с формирователем импульсов коррекции, свя laíèûì с выходами триггера и второго с ..-чика, вход которогo подключен K 8bN, се- tO лектора, а другие выходы соед>. ены с распределителем импульсов, управляющим работой функционального пре" образователя, соединенного выходом со вторым входом блока сравнения, ts на первый вход которого подключаются сигналы с эталонных делителей напряжения и термопреобразователя сопротивления через транзисторные ключи, переключаемые генератором тактов, що соединенным с формирователем импульсов коррекции и функциональным преобразователем.

На выходе функционального преобразователя формируется функция, an- zs проксимированная набором экспонент.

Введение дополнительных блоков и установление новых функциональных связей в устройстве позволяет провести линеаризацию характеристики тер- зв мопреобразователя сопротивления путем сравнения выходной величины первичного преобразователя с выходной величиной функционального преобразователя, изменяющейся во времени так же,з как характеристика первичного преобразователя изменяется от температуры.

Заданная характеристика функционального преобразователя изменяется во времени между пусковым моментом и 4О моментом, когда выходное значение ее совпадает со значением характеристики примененного термопреобразователя, соответствующим измеряемой температуре. Перед каждым измерением, предва- 4> рительно осуществляется калибровка измерительной цепи устройства по эталонным резисторам. Все это уменьшает погрешности измерения, связанные

° с нелинейностью характеристики первичного преобразователя и нестабильностью параметров блоков устройства в рабочих условиях применения.

Выходная характеристика функционального преобразователя реализуется с помощью изменяющей во времени свои параметры цепи разряда или заряда конденсатора постоянной емкости. При этом, используя распределитель импульсов и второй счетчик, выходную характеристику функционального преобразователя с необходимой точностью можно приблизить к виду выходной характеристики примененного термопреобразователя сопротивления.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства для измерения температуры; на фиг. 2 - диаграмма временной последовательности сигналов.

Устройство для измерения температурц содержит постоянный резистор 1, термопреобразователь 2 сопротивления, эталонные делители 3 и 4 напряжения, транзисторные ключи 5, 6, 7, блок 8 сравнения, функциональный преобразователь 9, генератор 10 тактов, триггер 11, распределитель 12 импульсов, селектор 13, первый счетчик 14, формирователь 15 импульсов коррекции, второй счетчик 16, генератор 17 опорной частоты, интегратор 18, источник питания (xe показан} (фиг.1}.

Термопреобразователь сопротивления например, терморезистор 2, установлен в точке, где следует измерить темпе> ратуру. Делители 3 и 4 содержат эталонные резисторы высокой стабильности. Величины сопротивлений нижних резисторов делителей напряжения равны величинам сопротивления примененного в устройстве первичного преобразователя при температурах, близких к на» чалу и концу диапазона измерений, например, при 0 С и 100 С соответственно. Резистор 1 и вторые резисторы делителей 3 и 4 напряжения должны быть равные по величине и обладать стабильными параметрами. Эти резисторы соединены с источником питающего напряжения и величина их выбирается такой, чтобы не получить погрешности при измерении от самонагрева первичного преобразователя.

Устройство предусматривает выполняемые последовательно два режима работы - режим автоматической калибровки измерительной цепи и режим измерения. В режиме калибровки в начальный момент времени, (фиг. 2) все узлы устройства устанавливаются в исходное состояние сигналом с генератора 10 тактов. Селектор 13 в этом состоянии запрещает поступление импульсов генератора 17 опорной частоты на входы обоих счетчиков 14, 16 ..

В этот же момент времени открывается ключ 6 (фиг. 2б), обеспечивающий передачу напряжения с делителя 3, со9074 ответствующего величине сопротивления первичного преобразователя при

0 С (фиг. 2г, И,), на первый вход блока 8 сравнения. На втором входе блока 8 сравнения постепенно устанавливается выходное напряжение функционального преобразователя 9 (фиг. 2г). С момента t, этот процесс, в случае применения в качестве первичного преобразователя термо-. о резистора, связан с зарядом конденсатора постоянной емкости функционального преобразователя 9 (фиг. 2г).

Процесс установления напряжения на выходе функционального преобразователя 9, т, е. заряд емкости, протекает до тех пор, пока выходное напряжение не сравняется с напряжением, передаваемым с делителя 3, В

4 момент времени 1 на выходе блока 20

8 сравнения появляется сигнал, свидетельствующий о моменте равенства входных напряжений (фиг. 2д). Сигнал с выхода блока 8 сравнения поступает на вход триггера 11 и уста- 25 навливает его в состояние, противоположное исходному. По совпадению переднего фронта сигнала с выхода триггера, 11 и сигнала„ соответствующего режиму калибровки с генератора 30

10 тактов, селектор 13 открывЪет до1 ступ импульсов опорного генератора на счетчик 14, Одновременно генератор 10 тактов закрывает ключ 6 (фиг. 2б) и открывает ключ 7 (фиг. 2в1, Выход счетчика 14 связан с распределителем 12 импульсов и формирователем 15 импульсов коррекции. Распределитель 12 импульсов в параллельном позиционном коде вырабатывает последовательность импульсов, управляющих работой функционального преобразователя 9, осуществляющего аппроксимацию функции температурной зависимости термопреобразователя сопротивления 2 набором экспонент. Последовательность импульсов управляет транзисторными ключами функционального преобразователя 9, включающими в цепь разряда или заряда конденсатора постоянной емкости С резисторы в определенной последовательности. Путем подбора этих резисторов и распределением установленных интервалов времени включения их, подбирают выходную характеристику функционального преобразователя 9 такой, чтобы обеспечить требуемую погрешность линеаризации ха02 8 рактеристики примененного первичного преобразователя. В случае применения в качестве первичного преобразователя полупроводникового терморезистора, имеющего экспоненциальную температурную характеристику, описываемую выражением

К =Ае т где (— температура терморезистора;

А и  — параметры терморезистора, распределитель импульсов управляет включением резисторов в цепь разряда конденсатора С (не показан). Выходная характеристика функционального преобразователя И<р может быть представлена следующим образом ь

U,å

< <

1П 1 70 " ni где = t — момент начала формирования выходной характеристики;

UG — конечное напряжение разряда конденсатора

С; тп — время включения резистора в цепи разряда конденсатора С; ь — постоянная времени цепи разряда в момент времени t/ ьп = CRë

Таким образом, с момента времени

1/2 на первом входе блока 8 сравнения, через включенный ключ 7, 1 устанавливается напряжение с делителя

4 (фиг, 2г, Бкю ) соответс —:âóþöåå величине сопротивления первичного преобразователя при температуре 100 С.

На второй вход блока 8 сравнения воздействует изменяющееся по заданному закону выходное напряжение функционального преобразователя 9 (фиг. 2г). до тех пор, пока оно не сравняется с напряжением на первом входе. В момент равенства этих напряжений t 1/3 на выхода блока 8 сравнения гоявляется сигнал (фиг. 2д), устанавливающий триггер 11 в исходное состояние.

Счетчик 14 с момента времени t. 1/2 суммирует импульсы генератора 17 опорной частоты до конечного состояния, соответствующего содержанию счетчика

14 при температуре 100 С, т. е. величине напряжения делителя 4 ча первом входе блока 8 сравнения.

9 9074

При действии дестабилизирующих факторов на измерительную цепь прибора (ивменения температуры .рабочих условий применения, напряжения питания и т. и.) момент установления счетчика 5

14 в конечное состояние, в общем случае, не совпадает с моментом времени

1/3. Формирователь импульс.-..- коррекции 15 по сигналу триггера 11 мс,. мент времени t 1/3 и сигналу c„ -:àíîâ- с ки счетчика 14 в режиме калибровки вырабатывает импульсы коррекции, поступающие на интегратор 18, выходное напряжение которого, зависящее от длительности приходящих импульсоэ, управляет работой генератора 17 опорной частоты, изменяя частоту следования импульсов этого генератора таким образом, чтобы момент времени t 1/3 и сигнал установления счетчика 14 в конечное состояние совпали. Таким образом осуществляется обратная связь, т. е автоматическая калибровка измерительной цепи прибора, охватывающая и функциональный преобразователь, ис- >> ключающая влияние аддитивной и мультипликативной погрешностей на режим измерения, следующий за режимом калибровки, После момента t 1/3 следует вы- зо держка времени, необходимая на выработку импульсов коррекции и установление выходного напряжения интегратора 18. Интегратор 18 обладает памятью и о выходное напряжение поддер- з живает в режиме измерения параметры опорного генератора 17, т. е. его частоту, в соответствии с поступившими сигналами коррекции предыдущего режима калибровки. Щ

В следующий момент времени Й 1/4 генератор 10 тактов включает режим измерения. Одновременно, так же как и в режиме калибровки в момент t 1/1, 45 все узлы устанавливаются в исходное состояние; После сравнения напряжения на входах блока 8 сравнения в момент времени t 1/5 (фиг. 2г) (на первом

sxoae напряжение с подключенного делителя 3, а на втором — устанавливающееся напряжение на выходе функционального преобразователя 9) на выходе его появляется сигнал, переключающий триггер в состояние, противоположное исходному. По совпадению переднего фронта этого сигнала и сигнала генератора 10 тактов, соответствующего режиму измерения, селектор 13 откры02

l0 вает доступ импульсов генератора 17 опорной частоты на счетчик 16,Одновременно генератор 10 тактов закрывает ключ 6 (фиг. 2б} и открывает ключ 5 (фиг. 2а) обеспечивающий передачу с первичного преобразователя напряжения, соответствующего его температуре. Процесс измерения т. е. процесс заполнения счетчика 16 длится до момента t 1/6 (фиг. 2г) — момен-а равенства входных напряжений блока 8 сравнения (на первом входе напряжение с подключенного термопреобраэователя 2 сопротивления (фиг. 2г, Uol. а на втором — изменяющееся по заданному закону выходное напряжение функционального преобразователя 9). В момент С 1/6 на выходе блока 8 сравнения появляется сигнал (Фиг. 2д). устанавливающий триггер 11 в исходное состояние и запрещающий доступ импульсов в счетчик

16. Содержание счетчика 16 соответствует температуре термопреобразователя 2 сопротивления, установленного в точке, где измерялась температура.

Выходы этого счетчика можно соединить с устройством цифровой индикации или каналами связи с 3ВН.

После проведения режима измерения, по сигналу генератора 10 тактов устройство снова переключается на режим автоматической калибровки, подготавливающий измерительну в цепь для последующего режима измерения температуры и т . д.

Длительность режимов калибровки и измерения связана лишь с частотой следования импульсов генератора опорной частоты и быстродействием поимененной элементной базы, Введение дополнительных узлов и установление новых функциональных связей выгодно отличает предлагаемое устройство, так как уменьшаются составляющие погрешностей, обусловленных нелинейностью характеристики термопреобразователя сопротивления и влиянием дестабилизирующих факторов в рабочих условиях применения, расширяются функциональные возможности, в части применения различных термопреобразователей сопротивления, характеристика которых имеет нелинейную зависимость от температуры.

В результате снижены суммарные значения .погрешностей измерения, что позволяет проводить более точные иэ11 9074 мерения в широком диапазоне температур и в различных рабочих условиях применения. Кроме этого, устраняется необходимость разработки ряда устройств, имеющих меньшие рабочие диапазо- 5 ны в целях сохранения небольшой погрешности при проведении измерении в пределах диапазона температур в

100 и более градусов. йрактически, величина основной приведенной погреш" 1О ности измерения может быть достигнута 0,254. формула изобретения устройство для измерения температуры, содержащее термопреобразователь сопротивления, соединенный с источником питания через постоянный 20 резистор и транзисторным ключом, счетчик импульсов, соединенный с генератором опорной частоты через селектор, подключенный к триггеру, входы которого связаны с генератором тактов и блоком сравнения, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения, в устройство введены два эталонных делителя напряжения, два транзисторных 0 ключа, функциональный преобразователь распределитель импульсов, счетчик, формирователь импульсов коррекции и интегратор, выход которого соединен

02

12 со входом генератора опорной частоты, а вход - с выходом формирователя импульсов коррекции, входы которого соединены с выходом генератора тактов, выходом триггера и выходом второго счетчика соответственно, вход которого соединен с выходом селектора, а другой выход подключен ко входу распределителя импульсов, выход которого соединен со входом функционального преобразователя, второй вход которого соединен с одним из выходов генератора тактов, а другой выход связан с первым входом блока сравнения, второй вход которого соединен с эталонными делителями напряжения и гермопреобразователем сопротивления через соответствующие транзисторные ключи.,управляющие входы которых соединены с соответствующими выходами генератора тактов, остальные выходы которого соединены с входами триггера, селектора и первого счетчика соответственно.

Источники информации, принятые во внимание при экспертйзе

l. Авторское свидетельство СССР

И 559131, кл. С 01 К 7/16, 1975.

2. Авторское свидетельство СССР

М 590616, кл. С Dl К 7/16, 1975.

3. Авторское свидетельство СССР

И 410267, кл. G 01 K 7/28, 1972 (прототип) .