Устройство для измерения температуры

А СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК,19) ЫТЮ ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ .АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ етельство СССР7/02,1978 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЭОБРЕТЕНИЙ И ОТКР,(54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯТЕМПЕРАТУРЫ по авт.св. 9 718725,о .т л и ч а ю щ е е с я тем, что,с целью повышения точности измерения и увеличения ресурса калибратора, в него введены последовательно соединенные генератор опорной частоты, два счетчика и два цифроаналоговых преобразователя и последовательно соединенные блок памяти, блок выборки, блок сравнения кодов, третий счетчик и третий цифроанас логовый,преобразователь, выход кото" рого соединен с четвертым входом сумматора, а вход - с вторым входом блока выборки, третий вход которого соединен с выходом измерительного прибора н вторым входом второго цифроаналогового преобразователя, выход которого подключен к пятому входу сумматора, а управляющий вход соединен с управляющим входом вто. рого счетчика и блоком управления,. соединенным с управляющим входом щ первого счетчика.Изобретение относится к термометрии и может быть использованов отраслях промышленности и научныхисследованиях, где требуется достаточно длительное измерение температуры с повышенной точностью. 5По основному авт,св. У 718725известно устройство для измерениятемпературы, содержащее термоэлектрический преобразователь с калибратором и блок коррекции, подключенные к входам первого сумматора, измерительный прибор,соединенный.с блоком коррекции, блокуправления, вход которого соединен сс выходом термоэлектрического пре-, 35обраэователя, а выходы соединены суправляющим входом измерительногоприбора и блоком эталонного напряжения, а также второй сумматор,входы которого соединены с выходомпервого сумматора и блоком эталонного напряжения, а выход соединенс измерительным прибором,Устройство позволяет скомпенсировать все погрешности термоэлектрического преобразователя, в томчисле погрешность от термозлектрической неоднородности, в точке калибрования. Погрешность измерения определяется, в основном, качеством калибратора и частотой калибрования (1)Однако частое калибрование, прикотором реперный материал калибратора переходит в жидкую Фазу, изнашивает калибратор (снижает его точность)из-за большой восприимчивостижидкой фазы к загрязнениям. Кроме,ого, частое калибрование во многихслучаях практически невозможно,.таккак в промышленности часто применяюттехнологические процессы (например, 40цементирование,выращивание монокристаллов), которые не позволяют изменять тепловой режим объекта(с целью калибрования) на протяженииФдесятков и даже сотен часов. Поэтомув таких усповиях известное устрой-.ство не может обеспечить достаточйо.,высокую точность измерения температуры,так как редкое калибрование приводит к существенному влиянию на результат измерения погрешности дрейфа,Кроме того, устройство не позволяетучитывать более сложное, чем характер постоянного сдвига, изменениепогрешности дрейфа реального термоэлектрического преобразователя,чтоприводит к уменьшению точности при, длительных измерениях температуры,Цель изобретения - повышение трчности измерения и увеличение ресурса калибратора,Поставленная цель достигаетсятем, что в устройство для измерениятемпературы введены последовательносоединенные генератор опорной ча стоты, два счетчика и два цифроаналоговых преобразователя и послеловательно соединенные ,блок памяти,блок выборки, блок сравнения кодов,третий счетчик и третий цифроаналоговый преобразователь, выходкоторого соединен с четвертым входомсумматора, а вход - с вторым входомблока выборки, третий вход которогосоединен. с выходом измерительногоприбора и вторым входом второго .цифроаналогового преобразователя,выход котОрОГО пОдключен к пятОмувходу сумматора, управляющий входсоединен с управляющим входом второго счетчика и блоком управления,соединенным с управляющим входомпервого счетчика,На Фиг.1 представлена структурная схема устройства; на фиг.2 графики, поясняющие его работу.Устройство содержит термоэлектрический преобразователь (ТП) 1 с встроенным калибратором 2, представляющим собой размещенную в чехле термоэлектрического преобразователя плавкую вставку, которая обеспечивает формирование в зоне рабочего конца тремоэлектрического преобразователя в процессе калибрования точно известной температуры в течение нескольких десятков секунд. Термоэлектрический преобраэо ватель подключен к одному из входов многовходового сумматора 3, выход которого подключен к измерительному прибору 4, в качестве которого используется аналого-циФровой преобразователь. На фиг.1 показан один сумматор, а не два, как в известном устройстве, поскольку два последовательно соединенных сумматора равнозначны одному сумматору, К второму и третьему входам сумматора подключены блок коррекции 5 на основе цифроаналогового преобразователя и .блок эталонного напряжения, включающий в себя ключ б и источник 7 образцового напряжения, выходное напряжение которого соответствует термо-ЭДС термоэлектрического преобразователя по стандартной градуировочной таб" лице при температуре плавления вставки калибратора 2. К четвертому входу сумматора 3 подключен выход цепи, состоящей из генератора 8 опорной частоты, .счетчиков 9 и 10, цифроаналоговых преобразователей (ЦАП) 11 и 12. К пятому входу сумматора подключена цепь из последовательно соединенных блока 13 памяти, блока 14 выборки, блока 15 сравнения, счетчика 1 б и цифроаналогового преобразователя (ПДП) 17. Синхронизацию работы отдельных блоков осуществляет блок 18 управления.Устройство работает следующим образом.В исходном состоянии все счетчики устройства сбрасываются в нуль, выходное напряжение цифроаналоговых преобразователей устанавливается 5 равным нулю (цепи начальной установки на фиг.1 не приведены) . В начале работы в режиме Калибрование проводится коррекция погрешности технологического разброса градуиро вочной характеристики термоэлектрического преобразователя. При этом объект измерения температуры переводится в режим стационарного нагрева, что вызывает соответствую щее изменение термо- ЭДС на выходе термоэлектрического преобразователя. При достижении температуры фазового перехода материала вставки калибратора 2 выходной сигнал термоэлектрического преобразователя2 становится постоянным, что фиксируется блоком .18 управления. Блок 18 управления соответствующим сигналом сбрасывает в нуль ЦАП блока 5 коррекции и подключает выход источника 7 посредством ключа 6 к входу сумматора 3. Полярность включения источника 7 выбрана противоположной по лярности включения термопреобразователя, поэтому на выходе АЦП 4 . появляется код погрешности тракта: термоэлектрический преобразователь сумматор 3 - АЦП 4. По команде блока 18 управления этот код записывается в память блока 5 коррекции, что позволяет скорректировать погрешность тракта в режиме ффИзмерение.Все счетчики остаются сброшенными.В режиме Измерение счетчик 9 заполняется импульсами генератора 8 и цо истеченни некоторого времени код на выходе 19 счетчика 9 станет равным коду, поступившему посредством блока 14 выборки иэ блока 13 памяти. 45 В блока 13 памяти размещены кодыотреэков времени, соответствующие изменению тврмо-ЭДС наперед заданную величину погрешности при разных температурах. Выборка блоком 14 этих кодов осуществляется в соответствии со значениями измеряемой температуры (по выходному коду АЦП 4). При равенстве первого кода с кодом на первом выходе счетчика 9, фиксируемом в блоке 15 сравнения, в счетчик 55 16 записывается импульс, изменяющий выходной код счетчика 16 на еди- ницу, В соответствии с этим импульсом ЦАП 17 корректирует погрешность термоэлектрического преобразователя 60 в этот момент времени, а блок 14 выбирает из блока 13 памяти следующее значение кода времени. Нарастание. кода на выходе 19 счетчика 9 приводит к повторению описанного процесса,65 что позволяет корректировать погрешность термоэлектрического преобразователя. Одновременное нарастание выходного кода счетчика 10, а значит и выходного напряжения ЦАП 11, не приводит к появлению напряжения на входе сумматора 3 из-за нулевого кода в памяти ЦАП 12, Однако в связи с наличием в процессе дрейфа не только систематической, но и случай ной составляющей погрешности, связанной с индивидуальными особенностями термоэлектрического преобразователя и условиями эксплуатации, отличными от условий эксперимента (на основании которого в блок 13 памяти введены коды, соответствующие изменению термо-ЭДС термоэлектрического преобразователя на допустимое значение погрешности), возникает дополнительная погрешность, которая со временем может стать очень значительной. Коррекция этой погрешности реализуется посредством повторения через некоторые (довольно боль шие) интервалы времени режима Калибрование. Это повторение осуществляется при поступлении импульса с второго выхода счетчика 9 на блок 18 управления. По окончанию режима Калибрование на выходе АЦП 4 появляется код погрешности, представляющий собой разность между действительным значением термо-ЭДС термоэлектрического преобразователя и прогнозируемым на основе предварительного эксперимента и фиксируемым на выходе ПАП 17 значением. Эта разность записывается в память блока 5 коррекции и ЦАП 12 по сигналу блока 18, причем одновременно с записью сбрасывается в нуль счетчик 10.Состояние коррекции погрешности, полученное в результате второго калибрования, отражено на фиг.2 и соответствует моменту 1 , При этом действительное значение погрешности термоэлектрического преобразователя дЕ состоит иэ двух значений; значе" ния ь Еэ, полученного на основе экспериментальных данных (ЦАП 17) и дЕ, разности значений экспериментально полученной ЬЕ и действительной погрешности термоэлектрического преобразователя д Е . На фиг.2 функция дЕ приведена гладкой, хотя в действительности она будет моделироваться ступенчатой кривой, шаг квантования по дЕ которой соответствует упомянутому выше предварительно заданному значению погрешности. Таким образом, погрешность термоэлектрического преобразователя дЕ в моментбудет скорректирована полностью. Однако в процессе дальнейшей работы возникает погрешность дЕ обусловленная различием характера изменения погрешности дЕ , по срав 1136032нению с экспериментальными исследо" .ваниями. Это различие в значительной мере учитывается с помощью цепи, состоящей из счетчика 10, ЦАП 11 и 12. Напряжение на выходе ЦАП 11 определяет-ся кодом в счетчике 10 ис его выхода поступает на вход опорного напряжения ЦАП 12 (ЦАП 12 не имеет своего выхода опорного напряжения). Учитывая сброс в нуль счетчика 10 в моментэто выходное напряжение равно 10цо ( - к 1Иг )/(к -кгде "оп - опорное напряжение ЦАП 11; 15текущее время.Физически это означает, что навыходе ЦАП 11 формируется нарастающеесо временем напряжение. В памяти ЦАП12 записан код, соответствующий ЬЕк ,2 Опоэтому его выходное напряжение равно О (2) 12 мокС 25 где Гма., - максимальное значение вход" ного кода ЦАП 12,Подставив (1) в (2) получаем Оо Й; - к) а Ек(6 к- ( к)Е макс В последнем уравнении членыОй ф Рмакс(кз - 1 к ) определяются неизменными параметрами схемы и постоянной частотой поступления им пульсов с выхода 21 счетчика 9, В соответствии с этим формулу (3) можно . представить в видеЦ=кО;-1 к 1 аЕ (4)Наличие напряжения О, зависимого от времени, прошедшего с момента последнего калибрования и от полученного при этом значения отличия,кривой погрешности реального термоэлектрического преобразователя от усреднейной кривой погрешности еЕ , позволяет учесть характер измейения дрейфа реального термоэлектрического преобразователя, Геометрически это выражается в повороте функции ЬЕ 9 на угол, пропорцнональ" ный отношению Е Е к / дэк 2Описанный йроцесс повторяется при каждом калибровании, что позволяет точно воспроизводить функцию дрейфа реального термоэлектрического преобразователя на основе калибрований, повторяющихся достаточно редко. Устройство может быть реализованона основе стандартных элементов иузлов.Существенными преимуществами предлагаемого устройства являются более высокая точность и надежность измерения температуры. Улучшение надежности устройства достигается за счет увеличения ресурса калибратора. В комплексе это создает возможность применения разработанного устройства в случаях прецизионных измерений высоких постоянных темпе.ратур, например, при выращиваниимонокристалов, тонких магнитных пленок и т.д., а также при длительных процессах термообработки в диффузион.ных и других печах. При этом существенное повышение точности и авто-.: матизации процесса измерения температуры по сравнению с существующими методами и соедствами создает предпосылки для увеличения процента выхода годных изделий и улучшения воспроизводимости их параметров, что может принести значительный технико-зкономический эффект.11 36032 Составитель В.КуликовВ.Лушникова .Техред Т.Маточка Корре Тигор акт иал ППП Патентф, г.ужгород, ул.Проектная,10275/30 Тираж 898Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытИй 113035, Москва, ЖРаушская наб., д.4/5