Цифровой измеритель температуры

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

{i<>985716

Соиоз Советских

Социалистических

Республик (61) Дополнительное к авт. сеид-ву(22) Заявлено 230980 (21) 2988238/18-10

РЦМ.ка.

С 01 К 7/24 с присоединеннем заявки ¹

Государственный коинтет

С СС P но делам нэобретеннй н открытнй (23) ПриоритетОпубликовано 301282; Бюллетень ¹ 4 8

Дата опубликования описания 04. 01. 83

{$3) УДК 536.532 (088.8) Н.И. Грибок, В.И. Зорий, В.И. Пуцыло и О.И. Чайковский (72) Авторы изобретения.54) ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ТЕМПЕРАТУРЫ

Изобретение относится к термометрик и может быть использовано при построении цифровых измерителей температуры с использованием терморезисторных датчиков.

Известно устройство для цифрового измерения температуры, содержащее первичный измерительный преобразователь температуры, суюаатор, квадратический преобразователь, генератор линейной развертки, блок сравнения н цифровое отсчетное устройство Я .

Однако это устройство обладает недостаточно высокой точностью измерения из-за наличия в схеме квадратического преобразователя, который обычно реализуется с использованием активного интегратора, что приводит к снижению точности иэ-эа дрейфа параметров усилителя последнего. Кроме того, расчет схема устройства возможен только при задании функции преобразования датчика температуры полиномом второй степени.

Наиболее близким rro технической сущности и предлагаемому является устройство для измерения температуры, содержащее термореэистор, преобразователь сопротивления в напря жение, сравнивающее устройство, селектор, генератор тактовых импульсов генератор экспоненциального напряжения, цифровое отсчетное устройство и блок управления j2) .

Недостатком известного устройства является то, что на результат измерения влияет нестабильность постоянной времени генератора экспоненциального

1О напряжения, что требует периодических калибровок последнего в процессе эксплуатации. Кроме того, это устройство неработоспособно в комплек-. .те с терморезкстивныии датчиками, характеризующимися монотонно спадающей функцией преобразования (терим» сторамм).

Цель изобретения - rroaaaaerrrre iî÷ности измерения эа счет исключения влияния нестабмльностм лостояниой времени генератора экспоненциального-напряжения и упрощения подстройки нэмерктеля в процессе эксплуатации.

Поставленная цель достигается

- тем,что в предлагаевей измеритель вве

2 дени два ключа, резистивйый делитель. напряжения, вход которого соединен с выходом усилителя и одним из неподвижных контактов второго ключа, к другому неподвижному контакту которого подключен выход делителя

985716

ЗО (1) где К вЂ” коэффициент преобразоваП( ния первого преобразователя 2 сопротивления в напряжение;

Ко " коэффициент усиления усилителя 4; значение сопротивления

Т термистора 1 при измеряемой температуре Т.

4О Зависимость сопротивления R термистора от температуры выражается изветсным уравнением

R - Ae ò

45 где А и  — постоянные коэффициенты;

Т - измеряемая температура, выраженная в Кельвинах.

С учетом (2) уравнение (1) выражается

На другой вход блока 6 сравнения поступает напряжение генератора 12 экспоненциального напряжения, закон изменения которого описывается выражением

u„ýè - "о е ° (4)

6О где 0 - опорное постоянное напряжеО ние генератора 12 экспоненциального напряжения;

2 =РС вЂ” постоянная времени генератора 12 экспоненциального

6S напряжения. напряжения, а подвижный контакт связан с одним из входов сравнивающего устройства, причем выход преобразования сопротивления в напряжение соединен с одним из неподвижных контактов первого. ключа, к подвижному контакту которого подключен вход усилителя, а управляющие входы обоих ключей связаны с дополнительными выходами блока управления.

Кроме того, с целью расширения функциональных возможностей в измеритель введен платиновый термометр сопротивления, подключенный через второй преобразователь сопротивления в напряжение к одному из входов блока вычитания,.другой вход которого соединен с источником опорного напряжения, а выход — c одним из неподвижных контактов первого ключа.

На фиг. 1 приведена схема. цифрового измерителя температуры; на фиг. 2 — зависимость выходного нап.ряжения преобразователя от температуры.

Цифровой измеритель (фиг. 1) со. держит последовательно соединенные термистор 1, первый преобразователь

2 сопротивления в напряжение, выход которого подключен к одному из неподвижных контактов первого ключа 3, а подвижный контакт последнего соединен.с входом усилителя 4. Выход усилителя связан с одним из неподвижных контактов второго ключа 5, подвижный контакт которого подключен к одному из входов сравнивающего устройства 6, а его выход соединен с входом селектора 7. Выход последнего, подключен к входу цифрового делительного устройства 8, соединенного по выходу с входом цифрового отсчетного устройства 9. Кроме того, выход усилителя 4 через резистивный делитель 10 напряжения связан с вторым неподвижным контактом второго ключа 5.

К другому входу селектора 7 подключен выход генератора 11 тактовых импульсов, а выход генератора 12 экспоненциального напряжения связан. с другим входом сравнивающего устройства 6, выход которого соединен с сигнальным входом блока 13 управления. Платиновый термометр 14 сопротивления через второй преобразователь

15 сопротивления в напряжение подключен к одному из входов блока 16 вычитания, другой вход которого соединен с выходом источника 17 опорного напряжения, а выход блока вычитания подключен к другому неподвижному контакту первого ключа 3, причем выходы блока 13 управления соединены с управляющими входами первого ключа 3, второго ключа 5, цифрового делительного устройства 8, цифрового отсчетного устройства 9 и генератора

12 экспоненциального напряжения.

Измеритель работает следующим образом.

При включении измерителя сигналы с блока 13 управления приводят пер- вый ключ 3 в верхнее положение, соответствующее подключению термистора 1 через первый преобразователь 2 сопротивления в напряжение к входу усилителя 4, второй ключ 5 — в нижнее положение, соответствующее подключению выхода усилителя 4 к входу блока 6 сравнения, запускают генератор -12 экспоненциального напряжения, а цифровое делительное устройство 8 и цифровое отсчетное устройство 9 приводят в исходное состояние. Уровень выходного напряжения блока 6 сравнения открывает селектор

2() 7 для прохождения импульсов от генератора 11 тактовых импульсов на вход цифрового делительного устройства 8.

При этом на один из входов блока

6 сравнения поступает через ключи

25 3 и 5 усиленное усилителем 4 выходное напряжение первого преобразователя 2 сопротивления термистора 1 в напряжение, равное

U< - К„ . К) Ae (3)

П1

985716

В цифровом делительном устройстве 8 производятся вычисления по алгорит= му И И2 — ИЛ

Подставляя в (!0) уравнения (5) и (&), предварительно подставив в (5) и (&) соответственно (6) и (9), получаем !

О o л и - " - т - (s s l

Таким образом, как видно из уравнения {! ), в цифровом делительном устройстве 8 фиксируется код числа N, пропорциональный измеряемой темпера- туре Т.

По сигналам блока 13 управления результат измерения индуцнруется цифровым отсчетным устройством 9,а все остальные узлы переводятся в исходное состояние. Затем цикл измерения повторяется..

При измерении температуры посредством платинового термометра сопротивления цифровой измеритель работает следующим образом.

Сигналы блока 13 управления переводят первый ключ 3 в нижнее положение, соответствующее подключению выхода блока 16 вычитания к входу уси- . лителя 4, и как в предыдущем случае второй ключ 5 переводится в нижнее положение, соответствующее подключению выхода усилителя 4 к одному из ходов блока 6 сравнения, запускают енератор 12 экспоненциального напряения, а цифровое делительное устйство 8 и цифровое отсчетиое уст-. йство 9 переводят в исходное сосояние. Селектор 7 открывается для рохождения импульсов от генератора

1-тактовых-импульсов на вход цифрого делительного устройства 8.

При этом на один из входов блока соавнения поступает через ключи 3

5 усиленное усилителем 4 выхоцное апряжение 0з блока 16 вычитания, оторое равно где f - частота импульсов генератора

11,тактовых импульсов; ел - интервал времени от начала 15 измерения до момента равенства напряжения 06 0г н (фиг. 2).

Длительность интервала времени определяем, приравнивая (3) и (4),;у в результате чего при обеспечении равенства

25 — (6)

Bt

В момент окончания интервала на вход блока сравнения поступает напряжение 0 с выхода резистивного делителя 10 напрякения, на вход которого поступает напряжение 08 с выхода усилителя 4 °

Напряжение 0 равно

«в в

U & Ug K& К„K5 Ае т, (У) г а ж где Кй — коэффициент преобразования - ро делителя 10 напряжения. ро

На второй вход блока сравнения т по-прежнему поступает напряжение 0 зн п с выхода генератора 12 экспоненциаль- 1 ного напряжения. В момент равенства во напряжений 0> и U<>!! выходным сигналом блока 6 сравйения закрывается селек- 45 6 тор 7 и поступление импульсов от ге- и нератора 11 тактовых импульсов на н вход цифрового делительного устройст к ва 8 прекращается. При этом сигнал блока 6 сравнения, поступая на один 50 . иэ входов блока управления, обуславливает фиксацию в цифровом делительногл устройстве 8 кода числа где U - выходное постоянное напрякение источника 17 опорного напряжения;

U!(- выходное напряжение второго преобразователя 15. сопротивления платинового термометра 14 сопротивления в напряжение, равное

0 Кэ" Re i (!3)

/ где K!! - коэффициент преобразования и второго преобразователя 15 сопротивления в напряжение; (9) В момент равенства напряжений

О< и 0<>н, что фиксируется блоком 6 сравнения, по выходному сигналу которого блок 13 управления переводит второй ключ 5 в верхнее положение, соответствующее подключению к входу блока 6 сравнения выхода резнстивного делителя 10 напряжения, а цифровым делительным устройством фиксируется код числа

U К„ К А получаем

"1 где t - интервал времени от начала измерения до момента равенства напряжения U к808 и

U!эн (фиг. 2).

Длительность интервала времени с определяем, приравнивая (!!) и (у)

Учитывая, что 0Э Кэ„ KN A

tг - -2(fn K!+ Т)

0 - К Us„- К„(0,-0 ), (!2) 985716

R8 - значение сопротивления платинового термометра 14 при измеряемой температуре 6

Зависимость R8 от температуры с высОкОЙ тОчнОстью (с 0 р 03% ) выра жается уравнением

-a8

К8 Ro + й1 (1-е ) или

Rg = (8 + Р„) — й,1 е, (14) !О где RO,R и < — постоянные коэффициенты.

Подставляя (14) н (l 3), получаем

- а

02 = KA (В ФК4) — к„R е". (15)

Подстанин (15) н (12) и обеспечив О+К„), имеем

U = к„. к„. RtIIe (16)

t т 9 Ч

На другой вход блока сравнения поступает напряжение U<>< генератора 12 экспоненциального напряжения. Далее устройство работает аналогично, 25 как и н предыдущем случае при измерении температуры посредством термистора.

Момент времени t, a который напряжение U и 0 зн сравниваются, опре- 30 деляем, приравнивая (16) и (4), о6еспечив при этом Uo Kh К К1

=Фа О, . (17)

При этом н цифровом делительном устройстве фиксируется код числа 41 = О "О""

В момент с сигнал блока 13 управления перенодйт второй ключ 5 в верхнее положение, подключая выход усилителя 4 через резистивный делитель 10 напряжения к входу блока б сравнения. При этом на один вход последнего поступает напряжение U равное

-«8

U - кои = к8 КЧ кп,R) f, . (1$) 50 а на другой его вход по-прежнему поступает напряжение О зк .

Момент времени t2 (фиг. 2), в который напряжения U и U„ сравняются, определяется после несложных преобразований, приравнивая .(19) ы (4) и учитывая., что 0нк,п K Rg, (8 — й„18). (2О)

Пры этом в цифровом делительном устройстне 8 фиксируется код числа

Й2 i .равный

Мл .м Го t2 = f> (a 8- (10 К8) е (21)®>

В цифровом делительном устройстве производятся вычисления по алгоритму

N = . (22)

Подставляя (22) уравнения (18) и. (21), получаем

I (23) Формула изобретения

Цифровой измеритель температуры, содержащий тврмыстор, подсоединенный к входу преобразователя сопротивления в напряжение, усилитель, блок сравнения, один из входов которого соединен с выходом генератора экспоненциального напряжения, à его выход соединен с одным из входоа свлвктора, к другому входу которого подключен генератор тактовых импульсов, а выход через цифровое делительнов устройство соединен с информационным входом цифрового отсчетного устройства, блок управления, выходы которого соединены с управляющими входамы генератора экспоненциального напряжения, цифрового делительного

Таким Образом, как видно из (23), н цифровом делительном устройстве (8) фиксируется код числа й, пропорциойальный измеряемой температуре 8 .

По сигналу блока 13 управления результат измерения индицируется цифровым отсчетным устройством 9.

Затем цикл измерений повторяется.

Следовательно, в предлагаемом цифровом устройстве для измерения температуры расширены функциональные воэможности, в результате чего обеспечивается его работа как с термисторами, так и платиновыми термометрами .сопротивления. Как видно из уравнений (11) и (23), на результат измерения не влияют коэффициент усиления К усилителя, коэффициенты . преобразования К „ и Кп преобразователей сопротивления в напряжение и что особенно важно, постоянная времени генератора экспоненциального напряжения. Влияние же на результат измерения коэффициента преобразования К8 реэистивного делителя напряжения не снижает точности измерения, поскольку на постоянном токе не трудно обеспечить нестабильность резистивного делителя напряжения, не превышающей 0,001-0,0005% °

Кроме того, использование предлагаемого измерителя дает значительный экономический эффект в связи со снижением требований и сокращением числа калибровок и подстроек устройства в процессе эксплуатации.

985716 У(4ву и цифрового отсчетного устройства, а к его сигнальному входу подключен выход блока сравнения, o r л н ч а юia и и 8 с я тTе мM,, ч тTоo, с целью повьааения точности измерения эа счет исключения влияния нестабильности постоянной времени генератора экспоненциального напряжения и упрощения подстройки измерителя в процессе эксплуатации, в него введены два ключа и .реэнстивный делитель напряжения, f0 вход которого соединен с выходом усилителя и одним из неподвижных контактов второго ключа, к другому неподвижному контакту которого подключен выход делителя напряжения, а 15 подвижный контакт связан с одним из входов блока сравнения устройства, причем выход преобразователя сопротивления в напряжение соединен с одним иэ неподвижных контактов перво- 2О го ключа, к подвижному контакту которого подключен вход усилителя, .а управляющие входы обоих ключей соес динены с дополнительными выходами блока управления.

2. Измеритель температуры по п.1, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, в него введен платиновый термометр сопротивления, подключенный через второй преобразователь сопротивления в напряжение к одному иэ входов устройства вычитания, другой вход которого соединен с источником опорного напряжения, а выходс одним из неподвижных контактов пер вого ключа.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

lt 488092, кл. G 01 К 7/02, 1973.

2. Зорий В.И., Полищук Е.С. и

Чайковский О.И. Йетод проектирования цифровых измерителей температуры.Известия вузов СССР, т. 19, "Приборостроение", Ю 7, 1976, с. 112-116 (прототип).

ВНИИПИ Заказ 10159/65 ф Тираж 887 Подписное:

Филиал ППП "Патент", г.ужгород, ул.Проектная,4