Цифровой измеритель низких температур

 

Союз Советских

Социалистических

Реслублик

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (iii953471

Ф

I I ь" (6I ) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 30.01.81 (21) 3241 577/1 8-1 0 с присоединением заявки № (23) Приоритет

Опубликовано 23,08.82. Бюллетень № 31

Дата опубликования описания 23.08.82 (51)М. Кл.

G, 01 К 7/02

Гоеуаарственнь и комитет ло делам изобретений н onðûòíé.(53).УДК 536.532 (088.8) (72) Авторы изобретения

Н. И, Грибок, B. И. Зорий и B. И. Пуцыпо

Львовский ордена Ленина политехнический институт им. Ленинского комсомола (71) Заявитель

k (54) ° ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР

Изобретение относится к температурным измерениям, а именно к устройствам для измерения низких температур с автоматической компенсацией термоЭДС свободных концов термоэлектрического термометра.

Известны способы и устройства для компенсации изменения термс -ЭДС термоэлектрического термометра при изменении температуры его свободных концов, например путем учета псправки на температуру свободных концов, путем термостатирования свободных концов с применением пассивных или активных термостатов и удлиняюших термоэлектродных проводов (1J — 3 .

Однако известным способам и устройствам присущи существенные недостатки.

При учете поправки к 1езультату измерения необходимо измерять температуI ру свободных концов и, пользуясь градуировочной характеристикой термоэлектрическо1

ro термометра, расчетным путем корректи ровать результат измерения. Такой способ трудно поддается ав оматизации и требует измерения температуры свободных концов.

Известны также устройства типа компенсационного термометра КТ для автоматической компенсацйи изменения термо-ЭДС ТТ, представляющие собой равноплечий мост, три плеча которого выполнены из манганиновой проволоки, а четвертое - из медной. Мост питается от источника стабилизированного напряжения и выходом включается в разрыв между выходом ТТ и входом вторичного измерительного прибора 41.

Включение компенсационного устройства на входе прибора значительно ухудшает помехоустойчивость измерения, а кроме того, .различные модификации КТ обладают низкой точностью. Погрешность компенсации изменения термо-ЭДС ТТ в диапазоне изменения температуры свободных концов 0-50 С ниже +3 C.

953471 4

15

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому цифровому измерителю температуры является устройство для измерения температ уры, содержащее термоэлектрический термометр и последова. тельно соединенные усилитель, резистор, переключатель, интегратор, сравнивающее устройство и селектор, ко второму входу которого подключен выход генератора тактовых импульсов, вход которого соединен с выходом устройства автоматической подстройки частоты, второй вход сравнивающего устройства связан с общей шиной, цифровое отсчетное устройство, блок управления и блок кусочно-линейной аппроксимации, выход которого соединен с одним из неподвижных. контактов переключателя и входом интегратора, к другому неподвижному контакту переключателя подключена общая шина, причем сиг нальные входы блока управления соединены со входом устройства автоматической подстройки частоты и выходом генератора тактовых импульсов, а,выходы связаны с управляющими входами переключателя, блока кусочно-линейной аппроксимации, селектора и цифрового отсчетного устройства (5) .

Недостатком этого устройства является отсутствие автоматической компенсации изменений температуры свободных концов ТТ, а применение любого из описанных способов и устройств компенсации не обеспечивает достаточной точности, Цель изобретения - повышение точности измерения температуры, Поставленная цель достигается тем, что в устройство введены реверсивный счетчик, второй блок кусочно-линейной аппроксимации, ключ, терморезистор и преобразователь сопротивления в напряжение, ко входу которого подключен по четырехпроводной линии связи терморезистор, а выход соединен с одним из неподвижных контактов ключа, другой неподвижный контакт которого связан с выходом термоэлектрического термометра, а подвижный контакт соединен со входом усилителя, выход второго блока кусочнолинейной аппроксимации связан с общей точкой соединения необходимого контакта о переключателя выхода первого блока кусочно-линейной аппроксимации и входа интегратора, суммирующий и вычитающий входы реверсивного счетчика подключены к соответствующим выходам селектора, а выходы соединены со входами цифрового отсчетного устройства, причем до

25 0

55 полнительные выходы блока управления связаны с упращяющими входами второго блока кусочно линейной аппроксимации и ключа, а сигнальные входы — с выходом сравнивающего устройства и реверсивного счетчика

На фиг, 1 приведена схема цифрового измерителя низких температур; на фиг. 2 (а, б} — графики, поясняющие работу устройства, Устройство содержит термоэлектрический термометр 1, ключ 2, усилитель Q, резистор 4, переключатель 5, интегратор

6, сравнивающее устройство 7, селектор 8, цифровое отсчетное устройство 9, первый блок 10 кусочно-линейной аппроксимации, устройство 1 1 автоматической подстройки частоты, генератор 12 тактовых импульсов, реверсивный. счетчик 13 импульсов, терморезистор 14, преобразователь 15 сопротивления в напряжение, второй блок 16 кусочно-линейной аппроксимации, блок 17 управления.

Цифровой измеритель низких темпера-. тур (фиг. 1) содержит последовательно i соединенные термоэлектрический термометр 1, ключ 2, усилитель 3, резистор 4, переключатель 5, интегратор 6, сравнивающее устройство 7, и селектор 8, ко второму входу селектора 8 подключен выход генератора 1 2 тактовых импульсов, а соответствующие выходы селектора соединены с суммирующим и вычитающим входами реверсивного счетчика 1 3 импульсов, выходы которого подключены ко входам цифрового отсчетного устройства 9, а также устройство 11 автоматической подстройки частоты . выход которого подключен ко входу генератора 12 тактовых импульсов, первый 10 и второй 16 блоки кусочно-линейной аппроксимации, выходы которых соединены и подключены,к обшей точке соединения одного из неподвижных контактов переключателя 5 и входа интегратора 6. Терморезистор 14 с помощью четырехпроводной. линии связи подключен ко входу преобразователя 1 5 сопротивления в напряжение, выход которого связан с одним из неподвижных контактов ключа 2. Блок 17 управления сит нальными входами соединен с выходом сравнивающего устройства 7, входом устройства 11 автоматической подстройки частоты и выходом реверсивного счетчика 13 импульсов, а выходами с управляюштц.и входами ключа 2, переключателя 5, селектора 8, цифрового отсчетного устройства 9, генератора 12 тактовых

5 Q5 имп льсов и блоков 10 и 16 кусочнолинейной аппроксимации.

Устройство работает следующим образом.

В

При вклкяении устройства сигналы с блока 17 управления переводят ключ 2 в нижнее положение, соответствующее подключению выхода преобразователя 15 сопротивления в напряжение на вход усилителя 3, переключатель 5 переводят в верхнее положение, что соответствует подключению резистора 4 ко входу интегратора 6, а выходы блоков 10 и 16 ку сочно-линейной аппроксимации отключают от входа интегратора 6, выходы селектора 8 отключают от входов реверсивного счетчика импульсов 13.

При этом на вход интегратора 6 посту. пает напряжение равное

U1= uUecb (1) где К вЂ” коэффицн,.нт усиления усилителя 3;

U — напряжение на выходе преобрасв зователя 15 сопротивления в напряжение, величина которого равна

0 =K aR

Ось " св (2) где К - коэффициент преобразователя 15

П сопротивления в напряжение;

ЬР0 - приращение сопротивления термоcS резистора 14 е изменением температуры 8 C >, значение которого равно

= оо бсв (3) (начальное смешение ООс5=КпК компен сируется любым известййм способом); где R0 - сопротивление термореэистора

l4 при О С; о - температурный коэффициент сопротивления резистора 14;6 температура свободных концов термоэлектрического термометра 1, поскольку терморезистор 14 размещается в непосредственной близости от свободных концов термоэлектрического термометра 1 и та«ким образом находится при той же температуре Ging что и свободные концы.

Напряжение 0 интегрируется интегратором 6 в течение интервала времени Т, длительность которого выбирается равной периоду напряжения сети питания устрой ства и задается блоком управления.

В конце интервала Т на выходе интегратора возникает напряжение кг о „

Rc RC

U -- — U jt,o

3471 6 где g - сопротивление резистора 4;

С - емкость обратной связи инте1 ратора 6.

После окончания интервала Т сигналы с блока управления переводят переключатель 5 в нижнее положение, соответствующее подключению обшей шины, выход второго блока 16 кусочно-линейной аппроксимации подключают ко входу интегратора

6, а выход селектора 8 подключают к вычитаюшему входу реверсивного счетчика 13 импульсов для прохождения импул сов от генератора 12 тактовых импульсов, Напряжение с выхода второго блока 16

15 кусочно-линейной аппроксимации интегрируется в течение времени tq no момента пока интегратор 6 не возвратится в исходное состояние, т. е. пока не выполнится равенство го

u,d =R„(e„j с a„(e„ С (5) где Оо — напряжение, противоположной полярности к U< которое через разряд"ые резисторы R„(9 >) второго блока 16 кусочно-линейной аппроксимации разряжает интегратор до нуля (фиг. 2, а).

З0 Таким образом, интервал времени определяют, приравнивая (4) и (5), отк 7 Ue, R,(eсв)

t-0 Й (6)

35 где „(e„) - значение разрядных сопротив» лений блока 16 кусочнолинейной аппроксимации, который работает аналогично блоку кусочно-линейной аппроксимации известного устройства.

Момент окончания интервала t < (т. е. возвращение интегратора в исходное

45 состояние) фиксируется сравнивающим устройством 7; по выходному сигналу которого блок 17 управления своими сит налами переводит ключ 2 в верхнее положение, соответствующее переключению термоэлектрического термометра 1 ко

50 входу усилителя 3, переключатель 5 переходит в верхнее положение, подключая резистор 4 ко входу интегратора 6, выход второго блока 16 кусочнс -линейной аппроксимации отключает от входа интег ратора, а селектор 8 закрывает, и прохождение импульсов от генератора тактовых импульсов 12 на вычитающий вход реверсивного счетчика импульсов 13 прек9534 71 ращается. В реверсивном счетчике зафиксируется код числа О »1 (7)

me f0 - частота следования импульсов от 5 генератора тактовых импульсов

12.

Б момент окончания интервала » после соответствующих переключений ко входу интегратора 6 прикладывается усилен нвя усилителем .3 выходная термо-ЭДС термоэлектрического термометра 1, значение которой равно

"ь = (8к.8,.), (Я) 15 где K - коэффициент усиления усилителя 3;

F-(8к 8св ) " выходная рермо-ЭДС т ермоэлектрического термометра 1;

8 q - измеряемая температура; ур

8 > - температура свободных концов.

Значение Е(8 „,8 св) можно предста вить в таком виде

E(8 ) 8„) = E(8„,0 С) ЬЕ (О С,8 » (9) 2 где Е (6„,0 С) - термо-ЭДС соответствующая значениям, при котором градуирован прибор;

b. E (О С, 8 8 ) - поправка к термоЭДС термоэлектрического термометра 1 при отличии температуры свободных концов B„o10С, ри м 8„ (цифровой измеритель низких температур), а 8 cp > О С (что всегда имеет место о при эксплуатации прибора). При этих условиях всегда Е(8„,8 ) )(8к,O C) и seer да выполиется соотйошение (9). Напряжение 0 g интегрируется интегратором 6 (как в предыдущем случае U») в течение интервала времени Т, длительность кото- 4 рого задается блоком 17 управления посредством выделения периода помехи (периода напряжения питания прибора).

В конце интервала Т на выходе интегратора возникает напряжение

) (8к,8св) 3= RC

RC о или с учетом (9) Г E. (8х 0оc) К Р аЕ(0оС,8с,в)

+ - (io)

3 0 Rc RC

После окончания интервала Т сигналы с блока управления переводят переключатель 5 в нижнее положение, соответствую55 шее подключению общей шины, селектор 8 открывает для прохождения импульсов от генератора 12 тактовых импульсов на суммируклиий вход реверсивного счетчика 1,1 кт®8„,о с)

RC R (В„)С и (12) К > ьЕ(о С,e„) И, <„ С R С (13) из выражения (12) определим интервал времени, значение которого равно

К 7 E(8>,O C) Rg(8x) 3 ц .о (14)

Для получения линейной зависимости интервала времени 1»от измеряемой температуры 8 к необходимо обеспечит ь условие

Е(к>о С) R3 (8)с) = 8 к» так как остальные величины К, Т, Uo u R в уравнении 1 4 постоянны

Для обеспечения условия 15 необходимо, чтобы Rq (8 ) имело обратную функциональную зависимость E (8 к, ОС) то осуществляется блокол» 10 кусочнолннейной аппроксимации. импульсов, а ко входу интегратора подключают постоянный резистор К 2 блока

10 кусочно линейной аппроксимации напряжение, противоположной полярности о, и происходит разряд интегратора в течение интервала времени » (фиг. 2б). По окончании этого интервала, что фиксируется . переходом через ноль реверсивного счетчика 13 импульсов, по выходному сигналу которого блок управления под=ключает ко входу интегратора напряжение Оо через разрядные резисторы R3 (Hx) блока 1 0 кусочно-линейной аппроксимации и происходит разряд интегратора в течение времени t g до его исходного состояния пока не выполнится равенство

4 13

Uotf 00 3

+ (1» / 2 С 3(e )

rneR3(8„)- значение разрядных сопротивлений блока 10 кусочно-линейной аппроксимации, который рвботает аналогично блоку кусочнолинейной аппроксимации известного устройства.

Интервал времени 3 определим, приравнивая (10) и (11), т. е.

К Т Е(8к,0оС) К 7 с E(QOC.8ñü) оСз С RC и (В)С

Uoe 4с с 1 -,) 7 t )О

Для расчета значений сопротивлений

k > в зависимости от измеряемой температуры 8 р аппроксимируют выражение

E(8Ä;,O С) кусочно линейной зависимостью, а затем рассчитывают значения R (g „) .

Для получения условия, обеспечиваюmего компенсацию температуры свободных концов, подставим в (13) значение 1 из выражения (6 ) .

Таким образом пол учим 10

"eñ8 «св) (0 С,Seel = (16)

Это условие обе"печивается тем, что

Ц g (3 ) имеет ту же функциональную

0,8 1 св зависумость, что иЬЕ(0"С 9 1,), что обес- 15 печивается вторым блоком 16 кусочнолинейной аппроксимации. Значения сопротивлений (6 ) рассчитываются как в известном устройстве, предварительно аппроксимировав выражение а Е (О С, 8С ) ку- — 20 сочно-линейной зависимостью, исходя из необходимой точности компенсации изменений температуры свободных концов термоэлектрического термометра 1, Зависимости Е (gg О С) и Ь E (О С, 25

Я < ) задаются градуировочной характеристикой термоэлектрического термометPB., . В момент окончания интервала т- блок управления по сигналу сравниваюmего устройства 7 переводит узлы прибЬра в исходное состояние и цикл изм рения повторяется.

В конце интервала времени в реверсивном счетчике импульсов зафиксируется 3 код числа

111+ 2= то 3 х1

Таким образом, в предлагаемом цифровом измерителе низких температур за счет дополнительного введения ключа,. терморезистора, преобразователя сопроти 45 ления в напряжение, второго блока кусочно-линейной аппроксимации, реверсивного счетчика и соответствующих связей зна-чительно повышается точность измерений температуры, обеспечена автоматическая компенсация влияния изменений температуры свободных концов термоэлектрического термометра на результат измерения.

В предлагаемом устройстве более, чем на порядок повышена точность ком55 пенсации изменений температуры свободных концов за счет высокой точности кусочно-линейной аппроксимации зависимости Е (ГоС. 8-z ) и соответствующей восп()оизводимости BTopE>fì б>т»к>>>i ) Г> ку> о>1. но-линейной аппроксимации зависим»<.ти (@св)

Формул а изобретения

Цифровой измеритель низких температур, содержащий термоэлектрический терМоМегр и последовательно соединенные усилитель, резистор, интегратор, сравнт ваюшее устройство и селектор,. ко второМу входу которого подключен выход генератора тактовых импульсов, вход которсго соединен с выходом устройства автоматической подстройки частоты, а второй вход сравнивающего устройства связан с обшей шиной, цифровое отсчетное уст ройство, блок управления и блок кусочнолинейной аппроксимации, выход которого связан с общей точкой соединения одного из неподвижных контактов переключателя и входа интегратора, к другому неподвижному контакту переключателя подключена общая шина, причем сигнальные входы блока управления соединены со входом устройства автоматической подстройки частоты и выходом генератора тактовых импульсов, а выходы связаны с управляющими входами переключателя блока кусочно-линейной аппроксимации, селектора и цифрового отсчетного устройства, о тл и ч а ю ц и и с я тем, что, с целью повышения точности измерения температуры, в него введены реверсивный счетчик импульсов, второй блок кусочно-линейной аппроксимации, ключ, терморезистор и преобразователь сопротивления в напряжение, ко входу которого подключен по четырехпроводной линии связи терморезистор, а вь1ход соединен с одним из неподвижных контактов ключа, другой неподвижный контакт которого связан с выходом термоэлектрического термометра, а подвижный контакт соединен со входом усилителя, выход второго блока кусочно-линейной аппроксимации связан с общей точкой соединения неподвижного контакта переключателя выхода первого блока кусочно-линейной аппроксимации и входа интегратора, суммирующий и вычитаюший входы реверсивного счетчика импульсов. подключены к соответствующим выходамселектора. а выходы соед11нены со входами цифрового отсчетного устройства, причем дополнтттельные выходы блока управления связанъl с упра1.ляю1иими вхолами второгo блока кусоч но-111;11»1111»й апнрок

f:1È.Щ)(ТИ lf 1С>Ю>1Л .. 1, .11 1;11,! i!.1Е ВХ РЛ1,1

95;й 71

2. Там же, с. 119.

3. Там же, с. 116

4. Там же, с. 121.

Фиа1

Составитель Н. Горшкова

Редактор С. Патрушева Техред Т.Ма точка Корректор Hl. Макаренко

Заказ 6264/68 Тираж 887 Подписное

ВНИИПИ Тосударственного комитета СССР по делам изобретений н открыт ий

l.13035, Москва, Ж»35, Р;.чш<.:кая наб., д, 4/5

Филиал ППП "Патент", r. У кг >.од, ул. Проектная," 4 с выходом сравнивающего устройства и реверсивного счетчика импульсов.

Источники информапии, принятые во внимание при экспертизе

1. Преображенский В. П. Теплотехнические измерения и приборы. М., Энергия, 1978. с, 95.

5 5. Авторское свидетельство СССР по заявке No 2787095/1 8-10, кл. (01 К 7/02, 02.07.79 (прототип).