Цифровой измеритель температуры

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советскик

Социалистическик

Республик ()() 922536 (61) Дополнительное к авт. свид-ву (5l )A1. Кл.

G OI К 7/24 (22) Заявлено O I 04 ° 80 (21) 2902003/ I Î- I O

I с присоединением заявки,%— !

1Ъеударстинвы6 комитет

СССР

10 делам кзабветений

II 0TNpblTIIlI (23) П риоритет.

1 (5З) УЛК 536.532 (088.8) Опубликовано 23.04. 82. Бюллетень И I 5

Дата опубликования описания 23..04.82 о

Г

Ц

Ю. В . Поэдняк ов и А.А. Саче нко

)

Тернопольский финансово-экономический ин титут" и Специальное конструкторско-технологическое бИ)ро---=

Физико-механического института АН Украинской ССР (72) Авторы изобретения (71) Заявители (54) ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ТЕМПЕРАТУРЫ

Изобретение относится к температурным измерениям, а именно к устройствам для измерения температуры с компенсацией нелинейности характеристики первичного измерительного преобразов ателя.

Известно устройство для измерения температуры, содержащее термопару и нуль-орган, являкщиеся элементами измерительной схемы, питаемой от ис- точника постоянного тока, в котором термопара и соединенный с ней параллельно нуль-орган включены в измерительную диагональ моста, двумя смежными плечами которого служит реохорд, движок которого является одной из вершин диагонали питания моста flj .

Однако недостаток устройства в том, что нуль -орган управляет полэум- 2в ком реохорда посредством механической связи, поэтому погрешность нульоргана прямо влияет на точность измерения температуры,. известен также цифровой измеритель температуры, содержащий термоэлектрический термометр, подключенный к 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 (21 .

Однако погрешность измерения температуры данным устройством обусловлена в основном кпассом точности автоматического компенсатора. Это объясняется тем, что цифровой вольтметр соединен с выходной цепЪю автоматического компенсатора, класс точности которого значительно ниже класса точности цифрового вольтметра.

Таким образом, точность измерения температуры прямо зависит от класса точности используемого в устройстве

92253 автоматичес кого компенс а тора постоя нного тока.

Известен также цифровой измеритель температуры, содержащий термоэлектрический термометр, подключенный к входу автоматического компенсатора постоянного тока, цифровой вольтметр, источник стабилизированного напряжения и два реохорда, связанные с основным реохордом ав- ð томатического компенсатора (31 .

Погрешность измерения температуры данным устройством также определяется Прежде всего классом точности l исполЬзуемого в нем автоматического компенсатора постоянного тока. Поскольку линеаризация измерительного сигнала в указанном устройстве осуэ ществляется в цепи автоматического компенсатора постоянного тока, в ко- ® торую включен цифровой вольтметр, точность измерения температуры ограничена низким классом точности автоматического компенсатора. Несмотря на то, что класс точности цифровых вольтметров обычно гораздо выше класса точности автоматических компенсаторов, при таком включении цифрового вольтметра собственная погрешность автоматического компенсатора прямо влияет на погрешность измерения температуры.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому р е зуль та ту явля е тс я ус тр ойство для измерения температуры, содержащее термоэлектрический преобразователь, автоматический компенсатор постоянного тока, цифровой милли40 вольтметр,. основной и дополнительный формирователи корректирукщего напряжения, каждый из которых состоит из источника стабилизированного нанряжения и четырех реохордов, механически связанных с основным реохордом автоматического компенсатора, два источника постоянного смещения и два масштабирующих преобразователя, причем термоэлектрический преобразователь, соединенный последовательно с первым источником постоянного смещения, подключен к входу первого масштабирукщего преобразователя, к выходу которого подключена цепь из параллельно соединенных входов цифрового милливольтметра и второго масштабирукщюго преобразователя, с которой последовательно соединены первые из пары вы6 4 ходных реохордов основного и дополнительного формирователей корректирукщего напряжения, каждый из которых состоит из двух пар реохордов, движки которых механически соединены с основными 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 выходу второго масштабирунщего преобразователя подключены последовательно соединенные второй источник постоянного смещения и автоматический компенсатор постоянного тока (4g.

Однако известное устройство также обладает недостаточной точностью за счет наличия остаточной погрешности, обусловленной нелинейностью выходной характеристики, составляющей 0,021% в диапазоне 700...1300 С.

Цель изобретения — расширение нижней границы диапазона измерений и повышение точности за счет снижения остаточной погрешности линейности.

Поставленная цель достигается тюм, что в известное устройство введены сумматор, аналого-цифровой преобразователь, предварительный усилитель постоянного тока, блок управления И формирователей корректирукщего напряжения и и-I устройств сравнения, причем выходы и формирователей корректирукщего напряжения соединены с о входами и-1 устройств сравнения и с одними из входов блока управления, другие входы которого подключены к выходам т -1 устройств сравнения, а выход блока управления соединен с одним из входов сумматора, к другому входу которого подсоединен термоэлектрический преобразователь, при этом выход сумматора через предварительный усилитель постоянного тока соединен с входом автоматического компенсатора постоянного тока и входом аналого-цифрового преобразова =

ТЮЛЯ °

На фиг. 1 показана структурная схема цифрового измерителя температуры, на фиг. 2 — принципиальная

У электрическая схема одного формирователя корректирующего напряжения, 9

22536 : 6

О

$$ на фиг. 3 — графики зависимостей напряжения и погрешности линейности от температуры.

Цифровой измеритель температуры содержит термоэлектрический преобразователь 1, автоматический компенсатор 2 постоянного тока, блок

3 управления, сумматор 4, предварительный усилитель 5 постоянного тока, аналого-цифровой преобразователь 6. Устройство содержит также

Р формирователей корректирунщего напряжения 7-1,. ° .,7-п и n-l устройств сравнения 8-1,. ° .,8-(n"1).

Каждый из формирователей состоит из двух пар реохордов, движки которых механически связаны с движком реохорда автоматического компенсатора 2. Формирователь (фиг. 2) содержит пару выходных 9-1, 10-1 рео-. хордов и пару токозадакщих 11-1

12-1 реохордов . Движки выходных реохордов 9-1, 10-1 электрически соединены с крайним выводом первого из пары выходных реохордов 9-1 и с последовательно соединенными источником постоянного стабилизированног6 напряжения 3-1, добавочным резистором 14-1, двумя токозадаищими реохордами ll-l, 12-1 и вторым выходным реохордом 10-1. Противоположные крайние участки первого

9-1 и второго 10-1 выходных реохор- дов выполнены из материала с удельным сопротивлением, близким к нулю, а оставшиеся части реохордов выполнены из материала с высоким удельным сопротивлением.

Принципиальные схемы всех т1 формирователей корректирукщего напря" жения одинаковы. Единственным конструктивным различием между форми рователями является различная протяженность проводящих участков на противоположных краях выходных реохордов 9 и 10. Также для всех формирователей различны значения параметров элементов схем — ЭДС, источников постоянного стабилизированного напряжения 13 и сопротивлений резисторов 14.

Цифровой измеритель температуры работает следующим образом.

Термо-ЭДС термоэлектрического преобразователя 1 Е(t), нелинейно зависящая от температуры его рабочего спая (при постоянной температуре свободных концов термоэлектри2$

3$

$$ ческого преобразователя), подается на один из входов сумматора 4, на второй вход которого из блока 3 управления поступает суммарный корректирукзций сигнал 0 (t), представляющий собой постоянное напряжение.Просуммированный измерительный сигнал далее поступает на усилитель

5 постоянного тока, и с его выхода усиленное напряжение подается параллельно на аналого-цифровой преобразователь 6 и автоматический компенсатор 2 постоянного тока. Аналого-цифровой преобразователь 6 снабжен устройством индикации, благодаря которому обеспечивается непосредственный отсчет результата измерения температуры в градусах Цельсия. Измерительный сигнал в кодовой форме с выхода аналого-цифрового преобразователя подается в процессор для Даль" нейшей обработки и анализа.

Линеариэации измерительного сиг-. нала выполняются следукщим образом.

Термо-ЭДС термоэлектрического преобразователя E(t) (фиг. 3) отличается от линейно зависящего от температуры напряжения u„(t) на величину погрешности линейности zU(t) (фиг.За), Для компенсации вызванной погрешности к термо-ЭДС термоэлектричес-кого преобразователя необходимо прибавить постоянное термозависимое корректирующее напряжения, зависящее от температуры таким же образом как и погрешность a0(t) . Для формирования суммарного корректирукщего напряжения в устройстве используют" ая т формирователей, которые коммутируются блоком управления в зависимости от значения напряжения на выходе каждого из формирователей.

Выходное напряжение каждого иэ формирователей зависит от отклонения движка реохорда автоматического компенсатора постоянного тока, а следовательно, от значения измеряемой температуры. Для первого формирова теля, например, зависимость выходного напряжения от температуры следующая: где Е .1- ЭДС источника постоянного стабилизированного напряжения 13-1;

92253

<о

1Ъ 0

30

R — номинальное сопротивление реохордов 9-1,...,!2-1, К, — сопротивление добавочного резистора 14-1; 3. — безразмерный коэффициент, определяющий степень от- 5 клонепия движков реохордов от крайнего положения где -=0...1; t — начальная, t — конечная температура рабочего диапазона; . t — текущее значение температуры; А., 3- — значения отклонения движков реохордов, соответствующие границам проводящих участков на реохордах 9-1, 10-1.

Очевидно, что выходное напряжение формирователя равно нулю, когда движ- 0 ки его выходных реохордов находятся на проводящих участках. Это позволяет реализовать смещение корректирующих напряжений по оси температуры (фиг. 3, 6)., 25

Выходные напряжения двух последующих формирователей (Лиг. 1) подаются на устройство сравнения и на входы блока управления. Таким образом обеспечивается формирование суммарного корректирующего напряжения U„(t) . Например, когда выходное напряжение первого корректирующего формирователя U (t) становится рав1 ным выходному напряжению второго

35 корректирующего формирователя 0 (t) . устройство сравнения 8-1 подает в блок управления сигнал, который вызывает коммутацию входов блока управления с его выходом, в результате которой напряжение u (t) снимается с выхода блока управления, а вместо него на выход подается уже напряжение .U (t), Таким образом, решается задача выделения

45 огибающей корректирующих напряже. ний формирователей 7-1... 7-И. Огибающая, представляющая собой суммарное корректирующее напряжение (фиг. З,б) показана сплошной линией, а графики корректирующих напряжений формирователей — штрихамиe

Благодаря тому, что подгонкой каждого формирователя корректиру55 ющего напряжения можно получить на его выходе напряжение, равное значениям погрешности AU(t) при двух, произвольно выбранных значениях температуры, суммарное корректирующее напряжение будет равно погрешности линейности aU(t) при 2п значениях температуры. Саответств енно нри 2 и значениях температуры остаточная погрешность линейности цифрового измерителя температуры определяется как также будет равна нулю.

Это позволяет достичь высокой степени линейности выходного сигнала цифрового измерителя температуры. Погрешность линейности устройства, таким образом, зависит исключительно от количества формирователей корректирующего напряжения, используемых в нем, и от выбора распределения рассматриваемой погрешности по рабочему диапазону температуры устройства. Устройство позволяет получить любое, заранее заданное значение остаточной погрешности линейности в сколь угодно широком диапазоне температуры, включив в устройство необходимое количество формирователей и устройств сравнения, в качестве которых используют— ся компараторы с высоким входным сопротивлением.

Одним из преимуществ цифрового измерителя температуры помимо вы,1

У сокои точности в сколь угодно широком диапазоне температуры, является то, что погрешность измерения температуры практически не зависит от класса точности автоматического компенсатора 2 постоянного тока. Это объясняется тем, что автоматический компенсатор связан лишь со схемой линеаризации, и его погрешность влияет на точность формирования корректирующего напряжения. Очевидно, что степень влияния этой погрешности определяется отношением максимального значения суммарного корректи-. рующего напряжения к основному измерительному сигналу E(t) Это отношение очень мало и составляет величину порядка единиц процентов .

Таким образом, собственная погрешность автоматического компенсатора входит в результирующую погрешность измерения, как величина второго порядка малости, и ей практически можно пренебречь.

Это дает, возможность использовать в цифровом измерителе температуры

922536

1О автоматический самопишущий потенциометр низкого класса точности без ущерба для точности измерения темпе" ратуры. Самопишущий потенциометр одновременно с работой в схеме линеаризации может выполнять и функцию известной регистрации измерительной информации в виде непрерывной записи на ленту графика температуры.

Результат измерения температуры с высокой точностью может считываться оператором с табло устройства индикации аналого-цифрового преобразователя, а также в. виде -цифрового кода передаваться для дальнейшей об- 15 работки цифровой 3ВМ, что позволяет использовать устройство в автоматических системах управления технологическими процессами.

Областью применения устройства рр является измерение температуры в широком диапазоне 0...1300 С в различных областях промышленности. Так, например, цифровой термометр может быть использован для контроля и измере- zS ния "åìïåðàòóðû в диапазоне до 1300, С

d при проведении технологических процессов окисления, диффузии и эпитаксии при производстве интегральных микросхем и полупроводниковых приборов.

Применение устройства позволит создать автоматическую систему управления технологическими процессами на базе цифровой 3ВМ, повысить точность измерения и регулирования температуры З в диффузионной печи, что даст воэможность повысить важнейший экономический показатель — процент выхода годных микросхем.

Цифровой измеритель температуры может быть. использован также для контроля температуры при выращивании кристаллов полупроводников в полупроводниковой промышленности, для контроля и измерения температуры в про-. цессе термообработки изделий иэ алюминиевых сплавов, для измерения температуры рабочего тела турбогенератора в электроэнергетике и т.д., что обеспечит значительный технико-эко50 н оми чес кий эфф ект, Формула изобретения

Цифровой измеритель температуры, содержащий термоэлектрический преобраэователь, автоматический компенсатор постоянного тока, источники постоянного стабилизированного напряжения и формирователи корректирун щего напряжения, каждый из которых состоит из двух пар реохордов, движки которых механически связаны с движВ ком реохорда автоматического компенсатора постоянного тока и электрически попарно соединены между собой, причем движки выходных реохордов электрически соединены с крайним выводом первого из пары выходных реохордов и с последовательно соединен-, ными источником постоянного стабилизированного напряжения, добавочным резистором, двумя токоэадающими реохордами и вторым выходным реохордом, отличающийся тем, что, с целью расширения .нижней границы диапазона измерений и повышения точности за счет снижения остаточной погрешности линейности, в измеритель введены сумматор, аналого-цифровой преобразователь, предварительный усилитель постоянного тока, блок управления и формирователей корректирукицего напряжения и н-! устройств сравнения, причем выходы и формирова. ° телей корректирующего напряжения ,соединены с входами и-1 устройств сравнения и с одними из входов блока управления, другие входы которого подключены к выходам т -1 устройств сравнения, а выход блока управления соединен с одним из входов сумматора, к другому входу которого подсоединен термоэлектрический преобразователь, при этом выход сумматора через предварительный усилитель постоянного тока соединен с входом автоматического компенсатора постоянного тока и входом аналого-цифрового преобразователя.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

Р 316945, кп, G 01 К 7/00.

2. Авторское свидетельство СССР

М 280923, кл, G 01 К ?/14, 1969.

3. Авторское свидетельство СССР

h 327386, кл. 6 01 К 7/10, 1970.

4. Заявка h" 2857057/18-10, кл. G О! К 7/24,(прототип).