Устройство для измерения температуры

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИН б 1) 4 ГОСУДАРСТВЕННЫИ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ ОБРЕТЕНИЯ И АН К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ( ) о,А.И. В. В. Кочан, В. )О. Миль ролев и Я. С. Лешков (53) 536.532 (088.8) (56) Авторское свидетельс569876, кл. С 01 К 7/ОАвторское свидетельств771485, кл. б 01 К 7/ (54) УСТ РОЙ СТВ Д ТЕМПЕРАТУРЫ(57) Изобретение относит для измерения температу ским калиброванием изм лов. Цель изобретеция - повышение точности измереня в широком диапазоне температур. В устройство введены второй блок 26 коррекции, второй триггер 27, ждущий мультивибратор 28. Введение данных блоков позволило реализовать кусочно-линейную аппроксимацию погрешности термоэлектрического преобразователя. Устройство работает в двух режимах: Калибрование и Измерение. В режиме Измерение выходное напряжение источника 5 стандартного сигнала включается навстречу сигналу термопреобразователя 1, что исключает влияние мультипликативцой составляющей погрешности на аддитивную. При измерении температуры в окрестности первой точки калибрования измеряемое напряжение блока 26 коррекции практически не влияет ца результат преооразовация.ил.1Изобретение относится к области гемпературцых измерений, а именно к устройствам для измерения температуры с автоматическим калибровацием измерительных каналов.Пельк изобретения является повышение точности измерения в широком диапазоне температур путем кусочно-линейной аппроксимации погрешности термоэлектриче. ского преобразователя.На чертеже представлена блок-схема устройства.Устройство содержит термоэлектрический преобразователь 1 со встроенным калибратором, первый блок 2 коррекции, сумматор 3, коммутатор 4, источник 5 стандартного сигнала, первый блок 6 управления, усилитель 7, первый и второй ключи 8 и 9, источник 10 образцового напряжения, интегратор 11, комцаратор 12, третий клкч 13, второй блок 4 управления, генератор 1, счетных импульсов, сче 1 чцк 16 результата, отсчетный блок 17, логический элемент И 18, счетчик 19 стробов, переключатель 20, счет. чик 21 совпадений, блок 22 запрета, первый формирователь 23 импульсов, первый трипер 24, второй формирователь 25 импульсов, ворой блок 26 коррекции, ворой триггер 27 и ждугций мультивибратор 28.Устройство работает следующим образом.В режиме Калибровацие оператор переводит объект в режим постоянного нагрева или охлаждения. По команде оператора блок 6 управления, подавая сигналы на второй блок 14 управления, изменяет алгоритм работы интегратора 1. Г 1 ри этом параметры формируемого интегратором 11 пилообразного напряжения фиксируются и перестают зависить от входного напряжения усили. теля 7. Это достигается попеременным подключением входа интегратора 11 к плюсу и минусу источника 10 образцового напряжения соответственно в первом и втором такте интегрирования.Управление ключом 9 через второй блок 14 управления (игракщий в данный момент вместе со счетчиком 16 роль временного раси редел ител я ) ос угцествл яется на основе счетных импульсов, вырабатываемых генератором 15.Одновременно счетные импульсы заполняют и счетчик 19. При этом в первом такте интегрирования вход компаратора 12 подключен к выходу интегратора 11. В первом такте интегрирования в момент равенства пилообразного напряжения, формируемого за счет интегрирования выходного сигнала источника 10, усиленному входному сигналу термопреобразователя 1 компаратор 12 срабатывает и через формирователь 25 и ключ 20 сбрасывает счетчик 19 и счетчик 21 совпадений.Далее счетчик 19 вновь начинает заполняться счетными импульсами генератора 15. Емкость счетчика 19 выбирается равной емкости счетчика 16, поэтому период следовация импульсов на выходе счетчика 19 точно равен периоду пилообразного напряжения на выходе интегратора 11, и дрейф частоты генератора 15 не оказывает влияния на синхронность этих процессов.Го окончании второго такта пилообразного напряжения счетчик 16 через первый формирователь 23 импульсов и блок 22 запрета перебрасывает триггер 24. Под воздействием выходного импульса триггера 24 1 О открывается ключ 20, и в следующем периоде пилообразного напряжения формирователь 25 сбрасывает счетчики 19 и 21 в момент равенства выходного напряжения усилителя 7 и амплитуды ца выходе интегратора 11.15 Если температура, следовательно и амплитуда напряжения ца выходе усилителя 7, за время т периода пилообразного напряжения изменяется, процесс заполнения сброса счетчика 19 будет продолжаться бесконечно, так как время задержки срабатывания компаратора 12 по отношению к началу формирования пилообразного напряжения, определяемого изменением выходного напряжения ключа 8, изменяется. Счетчик 19 стробов выдает импульсы, точно соответ ствующие положению выходного напряжения клкча 8 в предыдущем цикле измерения. Естественно, совпадения выходных импульсов счетчика 19 стробов и формирователя 25 це происходит, выходной импульс формирователя 3 попадает на триггер 24, ЗО перебрасывая его и переключая, тем самым,переключатель 20. В следующем такте выходной импульс формирователя 25 сбросит счетчики 19 и 21. При этом счетчик 19 запомнит новое положение выходного напряжения ключа 8 относигельцо начала пилооб разного напряжения. В дальнейшем процесс приведенияфазы поступления выходного импульса счетчика 19 стробов к новому значению напряжения на выходе ключа 8 продолжается.Если же температура за время т неизменилась, то фаза срабатывания компаратора 12 в обоих периодах одинакова, и импульсы на вход элемента И 18 с выхода счетчика 19 и формирователя 25 поступают одновременно. На выходе элемента 18 формируется импульс, учитываемый счетчиком 21 совпадений. Одновременно импульс с выхода элемента И 18 поступает на управляющий вход блока 22 запрета, который блокирует переключение триггера 24 следующим за ним импульсом 23 форми рователя. Если температура и за время двухпериодов пилообразного напряжения продолжает оставаться постоянной, то на вход счетчика совпадений поступает еще один импульс.Г 1 ри постоянстве тем иератур ы п роцессзаполнения счетчика 21 продолжается. При этом периодический сброс счетчика 19 при его заполнен ни ос угцествл яется автом ати 126897030 35 40 45 50 55 3чески. Однако, если. на очередном периоде пилообразного напряжения совпадения импульсов на входе элемента и 18 не происходит, счетчики 19 и 21 вновь сбрасываются, и весь процесс возобновляется.При достижении момента фазового перехода реперного материала калибратора температура рабочего спая термоэлектрическогопреобразователя длительное время (десятки секунд) остается постоянной, В этом случае счетчик 21 совпадений заполняется полностью п импульсами за время пт и с его выхода поступает импульс на блок 6 управления, что является сигналом о начале процесса кал иброва н ия.С блока 6 управления поступают импульсы управления на управляющий вход блока 14 управления и управляющие входы коммутатора 4 и блока 2 коррекции.При этом на вход усилителя 7 навстречу сигналу термопреобразователя 1 подключается источник 5 стандартного сигнала, напряжение которого соответствует напряжению термопреобразователя при температуре фазового перехода материала калибратора. Под воздействием выходного сигнала усилителя 7 выходное напряжение блока 2 коррекции начинает изменяться до тех пор, пока сумма ЭДС термопреобразователя 1 и выходного напряжения блока 2 коррекции не станет равной величине стандартного сигнала источника 5, о чем будет свидетельствовать отсутствие напряжения на выходе усилителя 7.На этом процесс калибрования в первой точке заканчивается. Продолжающийся нагрев (или охлаждение) объекта приводит к полному расплавлению (кристаллизации) реперного материала, по которому ведется калибрование в первой точке. При этом температура рабочего спая термопреобразователя снова будет возрастать (снижаться). В это время ждущий мультивибратор (длительность его импульса выбирается больше длительности фазовых превращений в реперном материале) перебросит триггер 27 и вновь разрешает прохождение импульса на вход второго формирователя 25. Так как фаза срабатывания компаратора 12 будет отличаться от фазы его срабатывания при температуре фазового перехода реперного материала калибратора в первой точке, то произойдет сброс счетчиков 19 и 21, и идентификация фазового перехода реперного материала калибратора начнется сначала. При достижении момента фазового перехода второго реперного материала калибратора температура рабочего спая термопреобразователя вновь длительное время остается постоянной. В этом случае вновь ца выходе счетчика 21 совпадений появляется импульс, который является сигналом начала калибрования во второй точке. Этот импульс совместно с выходным сигналом триггера 27, воздействуя на блок 6 управления, воз 510152025 вращает интегратор1 в исходное состояние (при котором он интегрирует поступившее на его вход напряжение). Г 1 ри этом выходной сигнал триггера 27 запрещает срабатывание блока 2 коррекции и разрешает поступление кода с выхода счетчика 16 результата на второй блок 26 коррекции. Кроме того, под воздействием выходного сиг. нала триггера 27 изменяется значение выходного напряжения источника 5 стандартного сигнала (оно соотьетствует температуре фазового перехода второго реперного материала калибратора).Разница между сигналом термопреобразователя 1 (с учетом выходного напряжения блока 2 коррекции и выходным напряжением источника 5 стандартного сигнала посредством коммутатора 4 поступает на вход интегратора 11 и цреобразуегся в код. Полученное значение выходного кода поступает с выхода счетчика 16 ца вход второго блока коррекции и запоминается в нем. На этОм прОц 1.сс калибровация ззк;1 ц 1 цвается. В режиме Измерение из алгебраической суммы выходных сигналов термопреобразователя ц блока 2 коррекции вычитается выходной сигнал источника 5 стандартного сигнала (соответствующий тсмцсратуре фазового перехода репер ного материала в первой точке калибрования). Счетчик 16 перед началом второго такта преобразования поступающей ца вход усилителя разности из коммутатора 4 по сигналу с блока 14 управления, устанавливается в состояние, соответствующее температуре фазо вого перехода реперцого материала калибратора в первой точке калибровация. В процессе аналого-цифрового преобразования счетчик 16 заполняется импульсами в течение второго такта интегрирования. Аддитивная составляющая погрешности термопреобразователя при этом корректируется входным напряжением блока 2 коррекции. Мультипликативцая составляющая погрешности термопреобразователя корректируется блоком 26 коррекции, представляющим собой цифро-ацалоговый преобразователь, выходное напряжение которого подключается к входу интегратора 11с помощью ключа 9 на время, соответствующее длительности второго такта интегрирования, одновременно с Опорным напряжением источника 10. Влияние мультипликативной составлявшей погрешности на аддитивную исключается за счет включения в режиме Измерениевыходного напряжения источника стандартного сигнала навстречу сигналу термопреобразователя. При измерении температуры в окрестности первой точки калибрования измеряемое напряжение блока 26 практически це влияет на результат преобразования. Характеристика преобразования устройства, реализующего метод двух1268970 формула изобретения 3) 3 тактного преобразования, может быть записана в виде уравнения где 1.) - измеряемое напряжение, поступа 5ющее на вход интегратора в первом такте преобразования;1)о - образцовое напряжение, поступающее на вход интегратора во втором такте преобразования; 10 т, т - длительность первого и второготактов соответственно.С учетом сумм ирован ия термо-ЭДС термопреобразователя с выходным сигналом блока 2 коррекции и вычитания напряжения источника 5 стандартного сигнала, а также последующего усиления разности усилителем 7 и поступлениия на вход интегратора кроме образцового напряжения выходного напряжения блока 26 уравнения (1) можно записать в виде т Кус(Етп+ 1-12 - 1-35) = т 2.Зо+ 1-/26) (2) где К. - коэффициент усиления усилителя 7Е - термо-ЭДС термопреобразователя;112, (1 ь, 0 о, 1-126 - выходные напря жения блоков 2, 5, 10 и 26 соответственно. Длительность второго такта т, явлляется мерой, адекватной измеряемой температуре. Выделив т из (2), получим Числитель выражения (3) в окрестности первой точки калибрования близок к нулю, а значит, выходное напряжение блока 26 слабо влияет на результат преобразования, т.е, влияние мультипликативного корректи 35 рующего воздействия на аддитивное не наблюдается.Двухточечный калибратор температуры может быть выполнен в виде, например, концентрически расположенных в наконечнике термопреобразователя 1 колпачков из нержавеющей стали, заполненных чистыми металлами с известными температурами плавления.Требование к точности и разрядности 45 цифроаналогового преобразователя, образующего блок 26 коррекции, весьма невысокое, так как его выходное напряжение соответствует погрешности термопреобразователя 1. Переключение источника 5 стандартного сигнала может осущест вляться электромагнитным реле, так как время переключения может быть достаточно большим. Блок 2 коррекции может быть реализован в виде аналогового запоминающего устройства (при достаточно частом калибровании), в виде системы уравновешивания с синхронно-следящим приводом или с использованием системы развертки с равномерно-ступенчатым изменением компенсирующей величины. Устройство может быть реализовано на основе серийного цифрового вольтметра с двухтактным интегрированием, Элементы, образующие по существу цифровой вольтметру двухтактного интегрирования, обведены на чертеже пунктирной линией. Устройство для измерения температуры, содержащее термоэлектрический преобразователь с встроенным калибратором и первый блок коррекции, выходы которых подключены соответственно к входам сумматора, выход которого соединен с первым входом коммутатора, второй вход которого соединен с выходом источника стандартного сигнала, а выход через усилитель подключен к входу первого блока коррекции, соединенному с входом первого ключа, и к первому входу второго ключа, второй вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения, а выход через интегратор подключен к первому входу компаратора, второй вход которого соединен с выходом первого ключа, а выход соединен с третьим входом второго ключа, входом первого формирователя импульсов и первым входом третьего ключа, второй вход которого соединен с выходом генератора счетных импульсов и входом счетчика стробов, а выход подключен к счетному входу счетчика результата, первый выход которого соединен с отсчетным блоком, первый блок управления, первый вход которого соединен с выходом счетчика совпадений, первый и второй выходы соответственно соединены с управляющим входом коммутатора, соединенным с первым управляющим входом блока коррекции и первым входом второго блока управления, первый, второй и третий выходы которого соединены соответственно с управляющими входами первого со вторым и третьего ключей и управляющим входом счетчика результата, второй выход которого соединен с вторым входом блока управления и через второй формирователь импульсов подключен к первому входу блока запрета, второй вход которого соединен с входом счетчика совпадений и выходом логического элемента И, а выход подключен к входу первого триггера, выход которого соединен с управляющим входом переключателя, вход которого подключен к выходу первого формирователя импульсов, первый выход соединен с управляющими входами счетчика стробов и счетчика совпадений, а второй выход подключен к первому входу логического элемента И, второй вход которого соединен с выходом счетчика стробов, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения путем кусочно-ли.1268970 Составитель В, Куликов Редактор В. Данко Текред И. Верее Корректор Л. Тиско За к аз 6025/43 Тираж 778 11 олнино ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж - 35, Раушская наб., д. 4/5 филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 47нейной аппроксимации погрешности термоэлектрического преобразователя, в него введены ждущий мультивибратор, второй блок коррекции и второй триггер, счетный вход которого подключен к выходу жду 1 цего мультивибратора, соединенному с запрещающим входом первого формирователя импульсов, а выход подключен к управляющему входу источника стандартного сигнала, второму управляющему входу первого блока коррекции, второму входу первого блока управления и первому управляющему входу второго блока коррекции, выход которого соединен с дополнительным входом второго включа, второй управляющий вход соединен с выходом счетчика совпадений и входом ждугцего мультивибратора, а вход соединен с первым выходом счетчика Результата, установочный вход которого соединен с четвертым выходом второго блока управления.