Устройство для измерения температуры

(51)5 б 01 К 7/22 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ГОСУДАРСТ 8 ЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМПРИ ГННТ СССР(71) Специальное конструкторско-технологическое бюро по криогенной технике с опытным производством физико-технического института низких температур АН УССР (72) В.С. Мотузко(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯТЕМПЕРАТУРЫ(57) Изобретение относится к термометриии позволяет повысить точность измеренияпри одновременном расширении диапазона Яц 1589080 А 1 2измеряемых температур. Работа устройства осуществляется в три такта. В течение первого и второго тактов проводится самокалибровка устройства. В третьем такте коммутатор 3 подключает к блоку 4 коррекцции термопреобразователь 1. За счет действия отрицательной обратной связи, охватывающей компаратор 8 через ключ 9, напряжение на запоминающем конденсаторе 10 в первом такте устанавливается равным выходному напряжению логарифматора. При последующих тактах ключ 9 разомкнут и за счет большого входного сопротивления компаратора 8 напряжение на конденсаторе 10 остается неизменным, что обеспечивает вычитание из входного сигнала компгратора 8 постоянной составляющей термометрического параметра и аддитивной погрешности измерения. 1 ил.изобретение относится к термометрии, а именно к устройствам для измерения температуры с полупроводниковыми терморезисторами в качестве первичных измерительных преобразователей, и может быть использовано при построении электронных термометров с самокалибровкой и функциональным преобразованием нелинейности термометрической характеристики термопреобразователя, коррекцией температурных изменений постоянной материала термопреобразователя и стабилизацией мощности его разогрева измерительным током,Целью изобретения является повышение точности измерения при одновременном расширении диапазона измеряемых температур.В устройстве для измерения температуры компенсация постоянной составляющей термометрического параметра, аддитивной и мультипликативной составляющих погрешности звеньев, входящих в устройство, так. же как и линеаризация термометрической характеристики, осугцествляется в аналоговом виде, т.е. полностью используетсядинамический диапазон ЦАГ, разрядностькоторого определяется только требуемой разрядностью кода измеряемой температуры, Стабилизируется мощность нагрева термопреобразователя измерительным током, причем схема логарифмирования, применяемая в цепи стабилизации мощности, используется одновременно и для линеаризации термометрической характеристики, что обеспечивает упрощение устройства. Обеспечивается коррекция температурных изменений постоянной материала термопреобразователя, что повышает точность линеаризации термометрической характеристики.На чертеже представлена структурная схема устройства для измерения температуты.Устройство содержит термопреобразователь 1, полупроводниковый терморезистор, блок 2 образцовых резисторов, коммутатор 3, блок 4 коррекции, гиперболический преобразователь 5, схему 6 логарифмирования, схему 7 антилогарифмирования, компаратор 8, первый ключ 9, первый запоминающий конденсатор 1 О, второй ключ 11, резистивный делитель 12, дифференциальный усилитель 13, второй запоминающий конденсатор 14, цифроаналоговый преобраз ов ател ь ( ЦАП ) 15, мультиплексор 16, источники 17 и 18 кодов первой и второй опорных температур, генератор 19 импульсов, схему 20 совпадения, счетчик 21, отсчетн г устройство 22 и блок 23 управления,Термопреобразователь 1 и резисторы бло.а 2 образцовых резисторов через комму 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 гатор 3 и блок 4 коррекции включены в цепьобратной связи функционального гипербо лического преобразователя 5 - между выходом схемы 7 антилогарифмирования и входом схемы 6 логарифмирования, соединенных последовательно. Такое включение обеспечивает постоянство мощности нагреватермопреобразователя 1 измерительным током.Выход схемы 6 логарифмирования подключен к неинвертирующему входу компаратора 8, инвертирующий вход которогочерез первый запоминающий конденсатор10 соединен с выходом ЦАП 15 и входомрезистивного делителя 12. Конденсатор 1 Озаряжается при замыкании первого ключа9, соединяющего выход и инвертирующийвход компаратора 8.Выход компаратора 8 через второй ключ11 соединен с инвертирующим входом дифференциального усилителя 13, в обратнойсвязи которого включен второй запоминающий конденсатор 14., Выход усилителя 13подключен к аналоговому входу умножающего ЦАП 15, а инвертирующий вход - к выходу резистивного делителя 12,Выход компаратора 8 подключен такжек входу схемы 20 совпадений,. второй входкоторой подключен к выходу генератора19 счетных импульсов, а выход - к счетному входу счетчика 21.Выход счетчика 21 соединен с входамиотсчетного устройства 22 и мультиплексора16, входы которого соединены также с выходами источников кодов первой 17 и второй 18 опорных температур, обеспечивающими подачу на входы мультиплексора логических уровней напряжения в соответствии с двоичным (или двоично-десятичным взависимости от вида применяемого кода)представлением кодов опорных температур.Выход мультиплексора 16 подключен к цифровому входу ЦАП 15.Управляющие входы комммутатора 3,первого 9 и второго 11 ключей, мультиплексора 16 и установочный вход счетчика 21подключены к соответствующим выходамблока 23 управления.В устройстве применена экспоненциальная аппроксимация термометрической характеристики термопреобразователя видаЦ(Т) = - К +й, фй (Т,)ехр(В/Т - В/Т,)//Я +й (Т,) ехр (В/Т=В/Т,)(1)где Я (Т ) - сопротивление термопреобразователя при температуре Т;Я (Т,) - сопротивление термопреобразователя при начальной температуре;Я - постоянное добавочное сопротивление;- постоянное шунтирующее сопротивление;В - постоянная материала термопреобразователя;Т - абсолютная температура.Введение добавочного и шунтирующегосопротивлений позволяет учесть температурные изменения постоянной материала термопреобразователя и повысить точность аппроксимации.Термопреобразователь 1 через коммутатор 3 подключен к блоку 4 коррекции, осуществляющему преобразование характеристики (1) к более простому видуЯэ (Т) =Я (Т,) ехр (В 7 - В/Т,), (2) где В (Т) - эквивалентное сопротивлениеблока 4 коррекции с подключенным к нему термопреобразователем 1.Функцию преобразования гиперболического преобразователя 5 можно выразить в видеЦ 7=Р,где Р, - постоянный коэффициент, имеющийразмерность мощности;1 - входной ток схемы 6 логарифмирования.При этом мощность, подводимая к термопреобразователю 1,Р =И 7 ф 1=Р, (4) не зависит от его сопротивления и, следовательно, от температуры (при выводе учтено,о Я (Т) й,; й (Т)) .Для более полного использования динамического диапазона ЦАП в устройстве осуществляется преобразование в цифровой код приращения 1 температуры термопреобразователя относительно начальной температуры Т диапазона измеряемых температур.Для устранения зависимости результата измерения от неконтролиуемых параметров В и Г работа устройства осуществляется в три такта.В течение первого и второго тактов проводится самокалибровка устройства, для чего коммутатор 3 подключает к входу блока 4 коррекции один из резисторов блока 2 образцовых резисторов с сопротивлениями, равными сопротивлению термопреобразователя 1 соответственно при первой Т второй Т, опорных температурах, лежащих в диапазоне измеряемых температур. Выбор значений опорных температур основан на следующем. Первая опорная температура выбирается равной начальной температуре. диапазона измеряемых температур, что обеспечивает выполнение самокалибровки за два такта. Значение второй опорной температуры выбирается в той части диапазона измерения, в которой желательно обеспечить наивысшую точность измерения,В течение третьего такта коммутатор 3 подключает к блоку 4 коррекции термопреобразователь 1.В течение первого такта самокалибровки ключ 9 замкнут, ключ 11 разомкнут. Мультиплексор 16 подключает к входу ЦАП 15 выходной код источника 17 кода первой опорной температуры. При выборе первой опорной температуры, равной начальной температуре диапазона измеряемых температур, справедливо равенство %=О.За счет действия отрицательной обратной связи, охватывающей компаратор 8 че 6рез замкнутый ключ 9, напряжение на запоминающем конденсаторе 10 в течение первого такта устанавливается равным выходному напряжению логарифматора. При этом учтено то, что 1=0 и Ми=О,При последующих тактах ключ 9 разомкнут и за счет большого входного сопротивления компаратора 8 напряжение на конденсаторе 10 остается неизменным, включенным последовательно с инвертирующим вхо дом компаратора 8, что обеспечивает вычитание из входного сигнала компаратора 8 постоянной составляющей термометрического параметра и аддитивной составляющей погрешности измерения. 15 20 На время второго такта самокалибровки замыкается ключ 11, и мультиплексор 16 подключает к входу ЦАП 15 выходной код 2 источника 18 кода второй опорной температуры 1. Таким образом, выходной код счетчика 21, поступающий после останова счета на отсчетное устройство 22, прямо пропорционален измеряемой температуре. Осуществляя соответствующий выбор масштабного множителя, можно обеспечить представление результата измерения в любой требуемой шкале температур. 55 За счет действия отрицательной обратной связи, охватывающей компаратор 8 по цепи: ключ 11, усилитель 13, ЦАП 15, конденсатор 10, напряжение на конденсаторе 14 устанавливается таким, чтобы обеспечивалось равенство напряжений на входах компаратора 8.В течение третьего такта ключ 11 разомкнут и за счет большого входного сопротивления усилителя 13 напряжение на конденсаторе 4 остается неизменным, что обеспечивает запоминание крутизны преобразования и компенсацию мультипликативной погрешности измерения.В течение третьего такта осуществляетсяаналого-цифровое последовательное преобразование термометрического параметра со ступенчатым пилообразным напряжением.Для этого по сигналу блока 23 управления обнуляется счетчик 21 и разрешается прохождение счетных импульсов генератора 19 через схему 20 совпадений на вход счетчи ка 21, выходной код которого через мультиплексор 16 поступает на вход ЦАП 15. Последовательное увеличение кода Л счетчика 21 продолжается до момента установления равенства напряжений на входах компаратора 8, начиная с которого выходной сигнал компаратора, поступая на вход схемы 20 совпадений, запрещает прохождение счетных импульсов на вход счетчика 2. Выходной код Л счетчика 21 определяется из равенства напряжений на входах компаратора 50 8, достигаемого в момент останова счета.1589080 Составитель В. ЯрычРедактор Е. Копча Техред А. Кравчук Корректор Л. БескидЗаказ 2532 Тираж 507 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж - 35, Раушская наб., д. 4/5Производственно-издательский комбинат Патент, г. Ужгород, ул. Гагарина,О Формула изобретенияУстройство для измерения температуры, содержащее коммутатор, первый, второй и третий входы которого подключены соответст венно к блоку образцовых резисторов, термопреобразователю и блоку управления, генератор импульсов и отсчетное устройство, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения при одновременном расширении диапазона измеряемых температур, в него введены блок коррекции, выходом соединенный со своим вторым входом через гиперболический преобразоватль, а первым входом подключенный к выходу коммутатора, последовательно соединенные компаратор, первый ключ, первый конденсатор, резистивный делитель, дифференциальный усилитель и цифроаналоговый преобразователь, последовательно соединенные элемент И, вторым входом подключенный к выходу генератора импульсов, счетчик и мультиплексор, подключенный к циф ровому входу цифроаналогового преобразователя, второй ключ, второй конденсатор, первый и второй источники кодов опорных температур, выходами подключенные к соответствующим входам мультиплексора, первым входом соединенного с входом отсчет- ного устройства, а вторым входом - с вторым входом счетчика и первым выходом блока управления, второй и третий выходы которого подключены соответственно к управляющим входам первого и второго ключей, входы которых объединены с вторым входом элемента И и подключены к выходу компаратора, входом подключенного к второму выходу гиперболического преобразователя, а инвертирующим входом к выходу первого ключа, выход второго ключа подключен к инвертирующему входу дифференциального усилителя и через второй конденсатор - к его выходу, выход цифроаналогового преобразователя подключен к входу резистивного делителя.