Цифровое устройство для измерения температуры

/О АНИЕ И Я нтов, атоты поному входа ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ ОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(56) 1. Патент США Мо 349910, кл. С 01 К 7/02, 1974.2, Авторское свидетельство СССР % 569876,кл.( 01 К 7/02, 1975.3. Авторское свидетельство СССР Мо 771485, кл. С, 01 К 7/02, 1978.4. Авторское свидетельство СССР Х". 718725, кл. 6.01 К 7/02, 1978 ( прототип) .(54)(57) ЦИФРОВОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ, содержащее термоэлектрический преобразователь с калибратором и блок коррекции, подключенные к. входам первого сумматора,.,ЯО 1006937 аналого-цифровой преобразователь, соединенный одним из выходов с входом блока коррекции, блок управления, один, иэ выходов которого соединен с управляющим входом аналого-цифрового преобразователя, а другой - с входом блока еталонно го напряжения, второй сумматор, входы которого соединены с выходом первого сумматора и блоком эталонного напряжения, а выход соединен с входом анялого-цифрового преобразователя, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения, в устройство введены компаратор, подключенные к каждому разряду выходного кода аналого-цифрового преобразователя цепи, состоящие из последовательно соединен- Е вых ключей, дифференцирующих эвею ев и вентильных алеме также два фильтра низкой час дключенныек прямому и инверс м компа1006937ратора, и формирователь, вход которого тильных элементов подключены к входу подключен к выходу "Конец преобразова- первого фильтра, рсф ьт а инве ные выходы - к ния" аналого-цифрового преобразователя, входу второго фильтра, а выход а вь.ход - к управляющим входам ключей и компаратора - к входу блока упкомпаратора, причем прямые выходы вен- равления,Изобретение относится к термометрии, а, именно к цифровым устройствам для измерения температуры с автоматическим калиброванием измерительного канала,Известно устройство для измерения 5 температуры, содержащее датчик температуры, встроенный калибратор, показывающий прибор 13Б этом устройстве первичный преобразователь температуры связан с встроен ным калибратором в виде некоторого количества материала с известной температурой плавления, Б момент фазового периода материала калибратора показывающий прибор фиксирует площадку с посто яцной температурой, по которой можно судить о погрешности всей измерительной системы. Таким образом, это устройство позволяет провести проверку первичного преобразователя на месте эксплуатации, однако его Функционирование в режиме проверки измерительного канала требует- участия оператора. ИТак как скорость движения диаграммы измерительного прибора при контроле технологических процессов обычно невеликамм(1 или 0,03 град/миц), то для полуминчеция на диаграмме четко различимой площадки необходимо, чтобы время фазового перехода материала калибратора составляло несколько минут, Это увеличивает массу калибратора, ухудшает динамические характеристики первичного преобразователя температур 1 и снижает ЭЮ точность последующих измерений за счет возрастания динамической погрешности,Известно также устройство для измерения температуры, содержащее измерительный прибор, термоэлектрический термометр и блок коррекции погрешности, выходы которых подключены к входам сумматора, калибратор, снабженный нагревателем, источник питания нагревателя, блок сравнения, источник стандарт- ф ного сигнала и коммутатор , К входам коммутатора подсоединены выходы блока управления и сумматора, а выходы коммутатЪра включены на вход измерительного прибора и блока сравнения, подключенного вторым входом к выходу иоточника стандартного сигнала и выходомк входу блока коррекции, причем выход термоэлектрического термометра соединен также с выходом блока управления, второй выход которого соединен с управляющим входом источника питания нагревателя калибратора.Это устройство обеспечивает не только поверку первичного преобразователя на месте эксплуатации, но и автоматическую коррекцию погрешности измерительного канала, что увеличивает точность измерения.Достигнутое расширение функциональных возможностей устройства и связанное с этим увеличение, точности в значительной степени обусловлено наличием в его составе элементов, обеспечивающих автоматическую идентификацию момента фазового перехода материала калибратора и определения, таким образом, момента начала калибрования 21,Однако в реальных калибраторах за счет процессов внутреннего теплообмена скорость изменения температуры перед плавлением реперного материала уменьшается постепенно, и при весьма малых ее значениях (в пределах несколько д. сятых градуса в минуту) температура горячего спая калибруемого термоэлектрического преобразователя все еще заметно (в пределах 1-2 С) отличается от темопературы фазового перехода, Поэтснму точность калибрования в значительной степени определяешься порогом чувствительности схемы идентификации момента фазового перехода. Б рассматриваемом устройстве лломент начала калибрования определяется входящим в блок управления дифференциатором выходного сигнала термоэлектрического преобразователя.Учитывая малые значения производной выходного сигнала реального термо06937 4второй сумматор, входы которого соединены с выходом первого сумматора иблоком эталонного напряжения, а выходсоединен с измерительным прибором 41В известном устройстве идентифмомента фазового перехода калибратораосуществляется с помощью входящего вблок управления дифференциатора выходного сигпала термоэлектрического преобра 1 й зователя. Поэтому точность калибрования и последующего измерения недостаточна.Целью изобретения является повышение точности измерения.Поставленная цель достигается тем,что в цифровое устройство для измерениятемпературы, содержащее термоэлектрический преобразователь с калибратороми блок коррекции, подключенные к входампервого сумматора, аналого-цифровойпреобразователь, соединенный одним извыходов с входом блока коррекции, блокуправления, один из выходов которогосоединен с управляющим входом аналогоцифрового преобразователя, а другой - свходом блока эталонного напряжения,второй сумматор, входы которого соединены с выходом первого сумматора иблоком эталонного напряжения, а выходсоединен с входом аналого-цифровогопреобразователя, введены компаратор,подключенные к каждому разряду выходного кода аналого-цифрового преобразователя цепи, состоящие из последовательносоединенных ключей, дифференцирующих35звеньев и вентильных элементов, двафильтра низкой частоты, подключенные к ро прямому и инверсному входам компаратора, и формирователь, вход которого подключен к выходу "Конец преобразования40аналого-цифрового преобразователя, авыход - к управляющим входам ключейи компаратора, причем прямые выходывентильных элементов подключены к входу первого фильтра, инверсные выходы 45к входу второго фильтра, а выход компаратора - к входу блока управления.1На чертеже приведена блок-схема со- предлагаемого устройства.50Устройство содержит термоэлектрический преобразователь с встроенным калибратором 1 и блок 2 коррекции, подключенные к входам первого сумматора 55 3 1 О электрического преобразователя в момент начала калибрования даже при применении дифференциаторов на самых современных операционных усилителях, точность идентификации фазового перехода в этом устройстве будет недостаточна, что, в свою очередь, снижает точность измерения в целом.Известно также устройство для измерения температуры, содержащее термоэлектрический преобразователь, аналогоцифровой преобразователь двухтактного интегрирования, блок коррекции, логиче кий элемент И, генератор стробов, счетчик и элементы схемы управления.В режиме поиска площадки за счет коммутации блоковЛЦП он начинает работать в режиме "Время импульсного преобразова ния,"В момент равенства усиленного выходного сигнала датчика мгновенному значению опорного пилообразного напряжения запускается последовательность счетных импульсов, период следования которых равен периоду опорного пилообразного напряжения, а фаза зависит от величины выходного сигнала датчика,Если через указанное число периодов выходной сигнал термоэлектрического преобразователя не изменился, моменты поступления счетного импульса и очередного импульса сравнения на вход логи. ческого элемента И совпадают, что учитывается счетчиком совпадений 3 1,Разрешающая способность определения момента начала калибрования будет зависеть от емкости счетчика совпадений и порога чувствительности аналого-циф вого преобразователя, однако потенциально высокая точность этого устройства не достигается при практической реализации его из-за недостаточно высокой помехозащищенности схемы в реальных условиях эксплуатации.Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является устройство для измерения температуры с автоматическим калиброванием измерительного канала, держащее термоэлектрический термометр с калибратором и блок коррекции, подключенные к входам первого сумматора, измерительный прибор, например аналогоцифровой преобразователь, соединенный с блоком коррекции, блок управления, вход которого соединен с выходом термоэлектрического термометра, а выходы - с управляющим входом измерительного прибора и блоком эталонного напряжения,З,аналого-цифровойпреобразовательЖГ 4,соединенный с блоком 2 коррекции, блок5 управления, соединенный с управляющим входом аналого-цифрового преобразователя и блоком 6 эталонного напряжения, второй сумматор 7, входы котороговетствующего дифференцидющвго элемента 9, на его вь 1 ходе формируется положительный элемент, который через прямойвыход соответствующего вентильногоэлемента заряжает конденсатор фильтранизкой частоты 11, создавая положительный потенциал на первом (неинвертирующем) входе компаратора 13, При замене нулей на единицы одновременно внескольких разрядах выходного кода АЦПзаряд конденсатора ФНЧ 11 осуществляется от того вентиля, у. которого в силувсегда имеющегося разброса параметровдинамическое сопротивление минимально.Если в каком-либо из разрядов логи.кческая единица заменилась на нуль, топроисходит разряд конденсатора дифференцирующегоалемента 9, а через иивертирующий выход вентильного элемента 10заряжается конденсатор второго ФНЧ,создавая отрицательный потенциал на втором (инвертирующем) входе компаратора13. Аналогично рассмотренному процессодновременного перехода логическихединиц в логические нули не изменяет результата по сравнению с изменением единицы иа нуль в одном разряде.Если же одновременно в одних разрядахединицы заменяются на нули, а в другихразрядах - нули на единицы, то за счетразличной полярности выходных напряжений ФНЧ разность потенциалов на входекомпаратора 13 удваивается.Таким образом, любое изменение выходного кода АЦП за время между двумяизмерениями вызывает появление сигнала"Запрет калцбрования" на вьходе компаратора 13. В момент фазового переходаматериала калибратора температура в зоне чувствительного элемента термоэлектрического преобразователя в течение нескольких десятков секунд остается постоянной, и выходной код АЦП ие меняется.При очередном такте измерения сигналблокировки калибрования на вход блока5 управления не поступает, и на входвторого сумматора 7 с блока 6 эталонного напряжения навстречу измеряемомусигналу поступает соответствующий температуре фазового перехода калибраторасигнал стандартной ЗДС,Если эти сигналы не равны, что сви детельствует о наличии погрешности в канале измерения, на вход блока 2 коррекции с выхода АЦП поступает сигнал управления, и на входе сумматора 3 формируется линейно нарастающее напряжение соответствующей полярности. 5 1006937 4 соединены с выходом первого сумматораи блоком эталонного напряжения. Выходсумматора 7 соединен с входом аналогоцифрового преобразователя, к клеммамкаждого разряда выходного кода которогоподключены цепи, состоящие из последовательно включенных ключей 8, дифференпирующих звеньев 9, вентильньж элементов 10 и фильтров 11 и 12 низкой частоты(ФНЦ подключенных к прямому и инверсному входу компаратора 13,В устройстве имеется также формирователь 14, вход которого подключен квыходу Конец преобразования аналогоцифрового преобразователя, а выход - к 13управляющим входам ключей 8 и компаражтора 13, причем прямые входы вентильных элементов 10 подключены к входупервого фильтра 11, а инверсные выходыподключены к входу второго фильтра 12, щвыход компаратора 13 подключен к входу блока 5 управления. В устройствепринципиально отсутствует дифференцирование выходного сигнала термоэлектрического преобразователя. 25Устройство работает следующим образом.В режиме фКалиброваниеф оператор .переводит объект измерения в состояниепостоянного нагрева или охлаждения.Аналого-цифровой преобразователь 4 работает в режиме внешнего запуска отблока 5 управления с периодом запускаС (10-15 с). Выходной импульс АЦП"Конец пресбразования через формиро 35ватель 14 открывает ключи 8. Выходной код АЦП.(сочетание нулей и единицна выходном разъеме) заряжает (если вразряде "1 ф) или разряжает ( если вразряде "О") конденсаторы диффернцирующнх звеньев 9, При этом ца выходедифференцирующих звеньев формируютсяимпульсы, которые через вентиль 10заряжают (с той или иной полярностью)конденсаторы фильтров низкой частоты(ФНЧ) 11 и 12. Зто создает разностьпотенциалов на входе компаратора 1 3, свыхода которого на вход блока 5 управления поступает сигнал запрета калибрования и очередным импульсом вновьзапускается АЦП 4. Если его выходнойкод за время С изменился, возможныследующие комбинации изменения разрядоввыходного кода: нуль меняется на единицу, единица меняется на нуль.ЯЕсли в каком-либо из разрядов низкоенапряжение логического нуля заменяетсяна высокое напряжение логической единицы, происходит заряд емкости соот7 1006Рост напряжения на выходе блока 2 коррекции продолжается да момента равенства выходного сигнала сумматора 7 стандартной ЗДС блока 6 эталонного напряжения, что фиксируется АЦП, Рост 3 выходного напряжения блока 2 коррекции прекращается, а его значение фиксируется элементами памяти, входящими в со став этою блока.По сигналу с блока управления блок 6 1 О эталонного напряжения отключается от входа сумматора 7, и процесс калибрования заканчивается, В режиме Измерения" выходное напряжение блока коррекции постоянно суммируется сумматорам 3 с иьф меряемым сигналом, чем обеспечивается автоматическое введение поправки на погрешность измерительного канала.Термоэлектрический преобразователь с встроенным калибратором может быть 20 реализован на основе стандартного преобразователя, например ТХА5, путем расположения в его защитной арматуре колпачка из нержавеющей стали, заполненного чистым металлом или спла всм с точно известной температурой плавления (свинец, сурьма, медь алюминиевая эвтектика, серебро и т.д.), Горячий спай преобразователя располагается в массе этого металла для обеспечения 36 надлежащего теплового контакта. Все блоки устройства могут быть реализованы на стандартных электронных компонентах,Отсутствие в предложенном устройс 1- ве дифференпиатора выходного сигнала термоэлектрического преобразователя позволяет исключить и присущие ему по 937 8грешюсти в определении момента фазового перехода калибратора, В предложенном устройстве выделяется момент изменения любого из разрядов выходного кода АЦП за время между двумя тактами измерения. Таким образом, чувствительность схемы индентификации определяется разрешающей способностью АЦП, которая в системах измерения температуры может быть очень высокой из-а малой величины выходного сигнала первичного преобразователя, Поэтому момент начала калибрования определяется весьма точно, что обеспечивает повышение точности измерения в целим.Схема обладает высоким уровнем защиты от помех, так как изменение сигнала определяется после АБП, обладающего высокой помехозащищенностью. В предложенной схеме регулируется порог чувствительности идентификации за счет подбора при анализе числа разрядов выходного кода, что необходимо при идентв. фикации фазовых переходов технически чистых металлов, когда температурная площадка может иметь некоторый наклон.Устройство может найти широкое применение в системах точного измерения температуры технологических процессов, например, в составе комплексов технических средств для АСУ ТП.Общее повышение точности температурного контроля при внедрении предложенного устройства создает технико-эконо мический эффект за счет снижения брака и повышения технических характеристик выпускаемой продукции.Составитель Н. ГоршковаРедактор Л. Гротилло Техред Л,Пекарь Корректор В. БутягаЗаказ 2124/64 Тираж 871 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж 35, Раушская наб., д, 4/5филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4