Цифровой измеритель температуры

(71) Специальноенологическое бюр юл,констрспеци орско-техьнои элек иборостро овле тво СССР 1979. о СССР 1976.(54) ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ (57) Изобретение относит температурных измерений, цифровым измерителям т широком диапазоне ее изм изобретения состоит в по мехозащищенности и точно МПЕРАТУР я к област а именнд к ем ературы внения. Цельышении поти измерен ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ роники и аналитического ния СО АН СССР(72) В.П. Титов и О.А, Я (53) 536.53(088.8) (56) Авторское свидетель697839, кл. С 01 К 7/ОАвторское свидетельст646205, кл. С 01 К 7/О температуры в широком диапазоне. Измеритель содержит датчик температуры1, усилитель сигнала ошибки 2, состоящии из последовательно соединенны активного фильтра низкой частоты 3 и устроиства гальванического разделения 4, компаратор знака 5, преобразователь напряжение-частота, реверсивный счетчик 7, индикатор 8, нелинейный цифроаналоговый преобразователь9, состоящий из преобразователя кода10, широтно-импульсного модулятора11, устройства гальванического разделения 12 и демодулятора 13. Введениеновых элементов и образование новыхсвязей между элементами устройствапозволяет производить автоматическуюкоррекцию нелинейности датчика, подавление снижающих точность помех и компенсацию воздеиствия температуры окружающей среды. 1 ил.где Б сигнал датчика 1 температуры относительно "земли";сигнал, получаемый в результате преобразованияизмеряемой температуры Тв напряжение;синфазная помеха;дифференциальная помеха. 40 Б =Г г гг) Так как демодулятор 13 нелинейного ЦАП 9 гальванически развязан с помощью второго устройства 12 галь ванического разделения от земли", то в контур, состоящий из выводов датчика температуры, входов активного Фильтра 3 низкой частоты и выходов демодулятора 13, демодулятор 13 не вносит никаких дополнительных сигналов, кроме его выходного напряжения Бг соответствующего измерен Мфной температуре. А так как выводы Изобретение относится к области температурных измерений, а именно к цифровым измерителям температуры в широком диапазоне ее изменения с кор. рекцией нелинейности датчика, подав лением снижающих точность измерения помех.Цель изобретения - повышение помехозащищенности и точности измерения температуры в широком диапазоне.На чертеже изображено предлагаемое устройство.Устройство содержит датчик 1 температуры, усилитель,2 сигнала ошибки, состоящий из последовательно соеди-: ненных активного фильтра 3 низкой час. тоты и первого устройства 4 гальванического разделения, компаратор 5 знака, преобразователь 6 напряжение частота (ПНЧ), реверсивный счетчикиндикатор 8, нелинейный .цифроаналоговый преобразователь 9 (нелинейный ЦАП), состоящий из преобразователя 10 кода, широтно-импульсного модулятора 11, второго устройства 12 галь ванического разделения и демодулятора 13В устройство в целях компенсации воздействия температуры окружающей среды может быть введен компенсатор 30 холодного спая (не показан).Цифровой измеритель температуры работает следующим образом.Сигнал с выхода датчика 1 температуры можно представить в виде 35датчика температуоы и выводы регулятора 13 включены встречно, то навходе активного фильтра 3 низкойчастоты относительно "земли присутствует разностный сигнал Б 2 ." з П т Пг Пт цп Пдг т Г пс Пд г или2 ПС ПД(3) дБ=Б - Бг т где 6 Б - сигнал ошибки измерения температуры,Непосредственно между обоими входами активного фильтра 3 низкой частоты присутствует сигнал Б 2: т.е, без синфазной помехи Пп , которая наводится на оба входа активногофильтра 3 низкой частоты и относительно "земли". Активный фильтр 3низкой частоты подавляет переменныйсигнал Ппд, поэтому на выходе его относительно "земли" будет сигнал(4) З опс 2 Пф дП Ко Этот сигнал подается на компаратор5 знака, где определяется его знак,т,к. полярность, а. также на ПНЧ 6,который вырабатывает последовательность импульсов Б, частота следования которых пропорциональна модулю(величине) сигнала ошибки, т,е. й =К /ьБ, (6) где К - коэффициент преобразования (пропорциональности) ПНЧ.Последовательность импульсов Бб с частотой Г поступает на реверсивный счетчик 7, на котором накапливается число Б , представленное в параллельном двоичном коде и являющееся величиной измеренной температуры. где К - коэффициент усиления активного фильтра 3 низкой частоты. Этотсигнал поступает на вход первого устройства 4 гальванического разделения, которое подавляет синфазную помехУ Ппс, т.е, на вьгхоДе УстРойства4 (а значит, и на вьгходе усилителя 2 сигнала ошибки) будет усиленныйсигнал ошибки измерения(7,И -йЕ, при ЬП0(ЬП 6 0) где И - начальное число; 1 - текущее время. 5Если в выражение (7) подставить выражениЬ (6), то выражение (7) можно представить в виде И+К / П /с, при йУ0 ЫО) ( И -К/аУ" /С,при ЬО0(йП - О),Данное число И , представляющее собойвеличину измеренной температуры в параллельном коде, подается на индикатор 8, с которого считывается результат измерения, а на преобразователь10 кода (вход нелинейного ЦАП 9).Преобразователь 10 осуществляет преобразование кода И , т.е. величины измеренной температуры (Тщ) в код напряжения И, при этом закон преобразования идентичен закону, по которому датчик 1 температуры преобразует температуру в напряжение (о, =Г(Т), т.е, 25 Код Пц необходимо преобразовать в напряжение, которое должно быть гальванически развязано от "земли . Дляэтого и служат блоки 12 и 13,Широтно-импульсный модулятор 11преобразует код И в периодическуюпоследовательность импульсов, длительность которых прямо пропорциональна коду Ин, т.е. осуществляет широтно-импульсную модуляцию (ШИМ),Блок12 осуществляет гальваническое разделение как в цепи сигнала, так и по 40питанию демодулятора 13. При этомразделение в цепи сигнала осуществляется, за счет импульсного трансформатора, входящего в состав блока 12,а разделение по питанию осуществляется так же, как и в блоке 14. Демодулятор 13 преобразует ШИМ-сигналыс выхода блока 12 в постоянное напряжение, которое прямо пропорционально величине длительности импульсов, т.е. коду И, и, следовательно,коду И (измеренной тепмературе): Пт Кн И и н (т) иьм где Кя - коэффициент преобразованиякода Иц в напряжение,Описанное преобразование кода 1 цв напряжение 0 т в отличие от обычных цифроаналоговых преобразователей (набазе интегральных ЦАП) обеспечиваетотносительно малую величину дискретности выходного напряжения Б, ,чтои)мфопределяет в конечном счете погрешность измерения. Из соотношений (10)и (8) следует, что при Ь П ) О (т. е.Тт ) происходит увеличениенылчисла И и, следовательно, напряжения От , что в свою очередь приводит к уменьшению сигнала ошибкиП.(См. формулу 3). Аналогично приЮ ( 0 происходит уменьшение числаИтСледовательно, напряжение Ц ,соответствующее измеряемой температуре,равно напряжению Пт ,соответствующеерм физмеренной температуре, и ввиду идентичности законов преобразования вдатчике 1 температуры и преобразователе 10 кода число Ит равно величинеизмеряемой температуры,Датчик 1 температуры представляетсобой один из типов термопар.. Компенсатор холодных спаев можетбыть выполнен из термометра сопротивления и параллельно включенного к нему стабилизированного источника тока.При этом один его вход непосредственно соединен с одним из выходов, адругой - через термометр сопротивления. Активный фильтр 3 низкой частоты состоит из двух каскадов усилителей постоянного тока (с ограниченной полосой пропускания), последовательно соединенных, причем первый каскад с учетом малого дрейфа входных токов может быть выполнен на основе операционного усилителя КМП 817 УД 6, а второй каскад - КР 544 УД 1 А.Первое устройство 4 гальванического разделения состоит из двух цепей гальванического разделения: цепь гальванического разделения в цепи сигнала и цепь гальванического разделения по питанию всего усилителя 2 сигнала ошибки. Цепь гальванического разделения в цепи сигнала состоит из модулятора, который производит широтно-им(пульсную модуляцию, первого импульсного трансформатора и демодулятора, Выход модулятора подключен к входной обмотке первого импульсного трансформатора, на который с модулятора поступают импульсы со скважностью, пропорциональной величине постоянного напряжения на входе модулятора, явля 127862ющимся входом первого устройства гальванического разделения.Выходная обмотка первого импульсного трансформатора подключена к входу демодулятора, который производит обратное преобразование. Выходом устройства гальванического разделения является выход демодулятора. Цепь гальванического разделения по питанию содержит преобразователь посто янного напряжения в переменное,второй импульсный трансформатор и выпрямитель. Выход преобразователя постоянного напряжения в переменное подключен к входным обмоткам второго им пульсного трансформатора, выходные обмотки которого соединены с входом выпрямителя. Выход выпрямителя подключен к цепям питания всего усилителя 2 сигнала ошибки, 20Компаратор 5 знака представляет собой интегральный ксмпаратор напряжения (например, К 554 САЗ).Преобразователь 6 напряжений - частота выполнен по известной схеме с 25периодическим инвертированием входного сигнала и состоит из входногоинвертора (например, КР 544 УД 1),управляемого двухканального переключателя (К 561 КП 1), интегратора (КР 544 УД 1) 30и компаратора (К 554 САЗ),Реверсивный счетчик 7 содержит Кпоследовательно включенных четырехразрядных реверсивных счетчиковк(например, К 561 ИЕ 11), где К =(Б -число двоичных разрядов, необходимоедля измерения температуры с заданнойточностью).Индикатор состоит из последовательно соединенных преобразователя 40двоичного кода в двоично-десятичный(на основе интегральных двоичныхсчетчиков К 651 ИЕ 11 и двоична-десятичных К 561 ИЕ 14), преобразователя двоична-десятичного кода в семисегментныйкод (например, К 176 ИД 2) токовых ключей (в качестве которых могут бытьиспользованы транзисторы) и семисегментных светодиодных матриц (например, АПС 324 Б).50Преобразователь 10 кода можетбыть выполнен в виде постоянногозапоминающего устройства (например,К 573 РФ 1), где входами являются адресные входы, а выходами - выходы данных,Ыиротно-импульсный модулятор 11состоит из опорного генератора, счетчика-делителя опорной частоты (на 1 1 6пример, К 561 ИЕ 10), цифровой схемы сравнения (например, К 561 ИП 2), на которую подается входной код и код со счетчика-делителя опорной частоты. На выходе цифровой схемы сравнения (являющимся выходом широтно-импульсного модулятора) формируется периодическая последовательность импульсов, длительность которых прямо пропорциональна входному коду.Второе устройство 12 гальванического разделения, аналогично первому устройству 4 гальванического разделения и состоит из двух цепей гальванического разделения: цепь гальванического разделения в цепи сигнала и цепь гальванического разделения по питанию. Цепь гальванического разделения в цепи сигнала представляет собой импульсный трансформатор. Цепь гальванического разделения по питанию полностью совпадает с цепью гальванического разделения по питанию первого устройства 4 гальванического разделения, только в данном случае выходное постоянное напряжение явля ется питающим для демодулятора 13,Демодулятор 13 состоит из последовательного соединения источника опорного напряжения, электронного ключа (например, К 561 КТЗ) и фильтра низкой частоты, выход которого является выходам демоцулятора 13.Входом демодулятора 13 является управляющий вход электронного ключа.формула изобретенияЦифровой измеритель температуры, содержащий датчик температуры, преобразователь напряжение - частота, реверсивный счетчик, нелинейный цифроаналоговый преобразователь, о т - л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности измерения и помехозащищенности за счет подавления дифференциальных и синфазных помех и коррекции нелинейности датчика, в него введены усилитель сигнала ошибки, состоящий из последовательно соединенных активного фильтра низкой частоты и первого блока гальванического разделения, компаратор знака и индикатор а нелинейный цифрЬаналоговый преобразователь выполнен в виде последовательно соединенных преобразователя код - код, широтно- импульсного модулятора, второго блока гальванического разделения и демоду1278621 Составитель Е. ЗыковТехред Л.Олейник Корректор А. Обручар Редактор Н. Тупица Заказ 6822/36 Тираж 778 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5 Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 лятора, при этом первый выход демо- .дулятора подключен к первому выводудатчика температуры, второй выход де.модулятора подключен к первому входуактивного фильтра низкой частоты,второй вход которого соединен с вторымвыводом датчика температуры, а выходпервого блока гальванического разделения соединен с входом компараторазнака и входом преобразователя напря жение - частота, выход компараторазнака подключен к управляющему входупреобразователя напряжение - частотаи к управляющему входу реверсивногосчетчика, выход которого соединен свходом индикатора и входом преобразователя код - код, выход преобразователя напряжение - частота соединен с входом реверсивного счетчика.