Устройство для измерения температуры

(51) 4 С 01 К 7/16 ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ АВТОРСКОМУ С 8 ИДЕТЕЛЬСТВУ термовано при оведення СУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИИ(71) Ленинградский ордена Ленинаполитехнический институт им. М.И.Калинина и Омский ордена Ленина заводточных электрических приборов "Электроточприбор".(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕ(57) Изобретение относится кметрии и может быть использонаучных исследованияхдля пр высокоточных измерений при большойинтенсивности помех промышленной частоты. Цель изобретения - повышениепомехозащищенности и точности устройства. Устройство содержит термопреобразователь 1 сопротивления, блокобразцовых резисторов 2, источник 3тока, коммутатор 4, аналого-цифровойпреобразователь 5 двухтактного интегрирования, микропроцессор 9, генератор 8 импульсов, запоминающее устройство 11 и блок 12 индикации. Вустройствд введены программируемыесчетчики 6 и 7 и формирователь 10.Введение новых элементов и образование новых связей между элементамиустройства позволяют произвести подстройку времени интегрирования входного сигнала в аналого-цифровом преобразователе под период сетевого напряжения с последующей автоматической калибровкой. 4 ил .1 1Изобретение относится к термометрии и может быть использовано в различных отраслях промышленности, атакже при научных исследованиях дляпроведения высокоточных измеренийпри большой интенсивности помех промышленной частоты.Цель изобретения - повышение помехоэащищенности и точности устройства за счет подстройки времени интегрирования входного сигнала ваналого-цифровом преобразователепод период сетевого напряжения с последующей автоматической калибровкойустройства.На фиг. 1 приведена блок- схемаустройства, на фиг. 2 - структурнаясхема устройства, выполненного набазе микропроцессорного комплекта;на фиг. 3 - временные диаграммы работы счетчиков, на фиг. 4 - структурная схема и временные,диаграммы работы интегрирующего АЦП,Устройство содержит термопреобразователь 1 сопротивления, блок образцовых резисторов 2, источник 3 тока,.коммутатор 4, аналого-цифровойпреобразователь (АЦП) 5 двухтактного интегрирования, программируемыесчетчики 6 и 7, генератор 8 импульсов, микропроцессор (ИП) 9, формирователь 1 О, запоминающее устройство(ЗУ) 11 и блок 12 индикации,Устройство работает следующимобразом.При включении прибора МП 9 производит программирование счетчиков6 и 7 и начальную установку счетчика 7 путем загрузки в них соответствующих управляющих слов. Счетчик6 устанавливается в режим деления назаданный коэффициент опорной частоты,подаваемой на его тактовый вход, счетчик 7 - в режим подсчета числа импульсов опорной частоты, подаваемойна его тактовый вход, за время действия разрешающего сигнала высокогоуровня на его управляющем входе, Вданном режиме работы попожительнымфРонтом разрешающего сигнала производится установка счетчика в начальное состояние и запуск процесса счета импульсов. Отрицательным фронтомуправляющего сигнала счет импульсовостанавливается, и счетчик переходив режим хранения накопленной информации.Цикл работы прибора включает такты измерения периода сетевого напря 229600 1 5 1 О 15 2 О 25 ЗО 35 40 45 жения, формирования управляющего сигнала длительностью, равной периоду сети в момент ее измерения, и задающего длительность времени интегрирования измеряемого сигнала в АЦП 5 двухтактного интегрирования, такты измерения сопротивления образцовых резисторов К, К из блока резисторов 2, а также определенное количество тактов измерения температуры.Цикл работы прибора начинается с такта измерения периода сетевого напряжения. На вход формирователя 10 подается напряжение сети, Последовательность прямоугольных импульсов длительностью, равной периоду сети Т , и скважностью 2, вырабатываемая формирователем 10, подается на управляющий вход программируемого счетчика 7. При высоком уровне сигнала на управляющем входе в течение первого полупериода выходного сигнала формирователя 10 в счетчике 7 осуществляется подсчет числа импульсов опорной частоты Г подведенной к его тактовому входу с выхода генератора 8 импульсов. В течение второго полупериода выходного напряжения формирователя, при низком уровне сигнала на управляющем входе счетчика 7, счет импульсов прекращается. Код А= Г,Т , накопленный в счетчике 7 за первый полупериод управляющего сигнала, сохраняется в нем до конца второго полупериода .фМомент окончания цикла измерения периода сети счетчиком 7 определяется программным путем. Для этого МП 9 два раза считывает содержимое счетчика 7 и сравнивает между собой эти значения. Этот процесс циклически продолжается до тех пор, пока считанные коды не окажутся равными между собой, что будет свидетельствовать о том, что счет импульсов завершен и счетчик находится в состоянии хранения накопленной информации. Далее следует такт формирования управляющего сигнала АЦП. Код А, считанный из счетчика 7, умножается МП 9 на два и загружается в программируемый счетчик 6. На выходе последнего б вырабатывается периодическая последовательность прямоугольных импульсов со скважностью 2, период Т которых в 2 А раэ больше периода сигнала опорной частоты Г , поступающей на тактовый вход счетчика 6(3) где 1 - ток источника тока,Б - коэффициент преобразованияАЦП, 35И - выходной код АЦП, соответствующий смещению его нулевого уровня.В такте измерения Ф входу АЦП 5 подключается термопреобразователь 1 сопротивления, код М на выходе АЦП при этом определяется выражением ЬА 1 1А 2 о Тс И= 1 Б К+ ) (4) где К - сопротивление датчика приизмеряемой температуре.По результатам измерения К, К и К МП 9 производит вычисление значения сопротивления термопреобразователя по формуле50+ К(5) Кк мирующейика Т5 и, аппрокс истику дат иэмеренно Подставляя я Н, Иу и начев выра"из вы з 1 Т=2 А - =21 Т - =2 Т. (1) 1 1 й о с с о оПоследовательность выходных импульсов счетчика 6 длительностью Т, равной периоду сети Т = - Т = Т1ц 2 1 сф и периодом, равным 2 Тс, используется для управления АЦП 5 двухтактного интегрирования. При этом в течение первого полупериода управляющего сигнала с выхода счетчика 6 в АЦП осуществляется интегрирование измеряемого напряжения, в течение второго полупериода - интегрирование опорного напряжения до момента равенства нулю выходного напряжения интегратора и удержание, интегратора в нулевом состоянии до начала очередного цикла, преобразования АЦП.После такта формирования управляющего сигнала АЦП следует два такта измерения сопротивления образцовых резисторов. По команде МП 9 коммутатор 4 последовательно подключает к входу АЦП 5 образцовые резисторы Ки К из блока резисторов 2. Выходной код АЦП при этом определяется выражениями и далее по функци обратную характеражений (2) - (4), можно убедиться, что результат измерения К не за. висит от величины тока питанияФ датчика, смещения нулевого уровня К АЦП и коэффициента преобразования Б АЦП. Таким образом, подстройка времени интегрирования АЦП под период сети обеспечивает высокую помехоустойчивость устройства при изменении частоты сети в широких пределах, а последующая автоматическая калибровка исключает зависимость результата измерения от значения коэффициента преобразования АЦП, изменяющегося при подстройке длительности времени интегрирования. Цикл рабо" ты устройства может включать несколько последовательных тактов измерения К. Изменение частоты сети между двумя соседними тактами подстройки длительности времени интегрирования приводит лишь к некоторому ухудшению помехозащищенности устройства и не сказывается на погрешности преобразования.Коэффициент подавления помехи нормального вида в интегрирующих АЦП определяется выражением ь 20 188 тц фгде у, - относительное отклонениевремени интегрирования входного сигнала от периода помехи. Поскольку Т = А Д , то погрешность формирования йнтервала интегрирования , равна погрешности измерения периода сети счетчиком 2 При максимально допустимой тактовой частоте счетчиков Го = 2 мГц коэффициент подавления помехи нормального вида составляет 90 дБ, тогда как коэффициент помехоподавления интегрирующих АЦП без подстройки времени интегрирования составляет всего 40 дБ при отклонении частоты сети на 13 от нормального значения.Практически устройство может быть выполнено (фиг. 2) на базе МП-комплекта, наиболее обеспеченного периферийными элементами, необходимыми, для построения МП-систем. В качестве счетчиков 6 и 7 (фиг. 1) наиболее эффективно применение программируемого таймера 13, включающего в себя три независимых шестнадцатираз 1229 б 00рядных вычитающих счетчика (0,1,2) с программированием режимон их работы.Сопряжение таймера с микропроцессорной системой осуществляется через шины данных (Д), управления (У) и адреса (А), подключаемые к одноименным шинам МП-системы. Установка одного из шести возможных режимов работы, а также ввод и вывод информации 10 из счетчиков таймера осуществляются по двунаправленной шине данных. После загрузки в счетчик таймера уира.нляющего слова, определяющего режим его работы, и ввода начального значения счета работа счетчика управляется двумя внешними сигналами. На тактовый вход счетчика подается сигнал от генератора 8 импульсов. По отрицательному фронту этих импульсов содержимое счетчиков уменьшается на единицу. Прием тактовых импульсов в счетчик стробируется сигналом, подаваемым на его упранляющий вход.При единичном значении сигнала на этом 25 входе разрешается счет импульсов, при нулевом - запрещается, Каждый счетчик таймера, кроме того, имеет выход. Содержимое счетчиков может быть считано из них по шине данных30 в любой момент времени, даже в процессе счета.В предлагаемом устройстве счетчик 7 таймера устанавливается но 2-й режим и используется для измерения35 периода сети путем подсчета числа импульсов опорной частоты, поступающей на его тактовый вход, н течение времени действия, разрешающего единичный сигнал на управляющем входе.40Вывод информации из МП-системы на индикацию и управление коммутатором осуществляется с помощью БИС программируемого параллельного интерфейса (ППИ) 14.45При работе во 2-м режиме на тактовый вход ТИ счетчика подается опорная частота Ер от генератора импульсов (фиг. 3 д ). После загрузки начального значения и (фиг. 3 , и=3)50 и подачи единичного сигнала на управляющий вход Р (фиг. 3 0 ), начинается счет импульсов, При этом отрицательным фронтом тактового импульса содержимое счетчика и; уменьшается на единицу (фиг. 3). Выход55 счетчика (фиг. 3 2 ) принимает нуле" ное значение в течение одного периода тактовых импульсов, а период Т выходных импульсов счетчика составляет и периодов опорной частоты 2 , При нур левом сигнале на управляющем входе в течение времени И, (фиг. 3 ь ) счет импульсов останавливается, н накопленный код сохраняется в счетчике, При повторной подаче на управляющий вход Р единичного уровня счетчик автоматически, за счет своих внутренних цепей, перезагружается и счет импульсов начинается от начального значения и.На управляющий вход счетчика 7 подается последовательность прямоугольных импульсов длительностью, равной периоду сети Тс, и скважностью 2, с. выхода Формирователя 10 импульсов (фиг. 3 ,Р ), на тактовый вход - опорная частота Г с генератора 8 имопульсов. После загрузки в счетчик начального значения счета (фиг,ЗЖ))6и = 2 - 1 и с поступлением единичного сигнала на управляющий вход Р 2 (фиг. 3 е ) начинается счет импульсов. За интервал времени ьр = Тс = 20 мс содержимое и; счетчика уменьшается на величину А= 1 р ТС целью уменьшения погрешности дискретности при измерении периода сети желательно тактовую частоту Го выбирать равной 2 МГц, т.е, равной максимальной рабочей частоте счетчиков. При этом за период сети содержимое счетчика уменьшается на величину А = 40 10 . Поскольку иэ2 - 1А , то за период сети пе 1 ьреполнения счетчика не произойдет, поэтому выходной сигнал (фиг, 3) счетчика (он н данном случае нигде не используется) не принимает нулевого значения, По окончании циклаизмерения периода сети в интервале времени ьС при нулевом сигнале на управляющем входе Р 2 в счетчике будет храниться код и= и - А. Поскольку начальное значение счета выб 16рано равным 2 - 1, что соответстнует установке всех шестнадцати разрядов счетчика в единицу, а сам счетчик я:вляется нычитающим, то его соцержимое и = и - Л будет равно1 2обратному коду числа А и может быть преобразовано в прямой код операцией инвертирования в МП. В начале следующегс периода сети н интервале времени 61 счетчик перегружает в себя начальное значение счета и с помощьюсвоих внутренних цепей управления,и описанный процесс измерения повторяется,Момент окончания цикла измеренияпериода сети в счетчике 7 определяется программным путем,Обратный код числа А, соответствующий периоду сети, считывается МП9 иэ счетчика 7, иявертируется, ум Оножается на два и загружается в счетчик 6, установленный предварительнов 3-й режим. Работа счетчика в укаэанном режиме аналогична работе егово 2-м режиме за тем исключением,что выходной сигнал счетчика в течение первой половины полупериода находится в единичном состоянии, в течение второй - в нулевом. На выходесчетчика вырабатывается последова-тельность прямоугольных импульсовсо скважностью 2, период Т, которыхв введенное число раз больше периодаопорной частоты Г , поданной на егоотактовый вход, 25Т, =2 А- - =2 Тс 1Выходные импульсы Тсчетчика 6 1(фиг. 3 к ) длительностью Т = - Т =Т ц 2с используются для задания длительности первого такта интегрированияАЦП,В устройстве используется интегри 35рующий АЦП, работа которого управляется выходным сигналом счетчика 6.АЦП (фиг. 4) содержит переключатель15, интегратор 16, усилитель 17,триггер 18, инверторы 19 и 20, схему И 21 и счетчик 22, в качестве которого может быть использован таймер 13, Счетчик 6 вырабатывает(фиг, 3 к ) периодическую последовательность импульсов длительностью,45равной периоду сети, и скважностью2. Поэтому цикл преобразования АЦПдолжен заканчиваться эа один периодуправляющего сигнала. При этом в течение первого полупериода управляющего напряжения производится интег 50рирование измеряемого сигнала Б, втечение второго полупериода - считывание интеграла до нуля опорнымнапряжением ц и удержание интегратора в нулевом состоянии до началаследующего цикла преобразования,Удержание интегратора в нуле осуществляется выходным сигналом триггера, устанавливающегося в единичное состояние в интервале времени между двумяциклами измерения, Преобразованиеинформативного сигнала Т, снимаемого с выхода схемы совпадения, в коди ввод информации в МП наиболее эффективно осуществлять с помощью счетчика (3) таймера, работа которогоаналогична работе счетчика 7, измеряющего период сети. В примере практического выполнения предлагаемогоустройства (фиг. 2) показан АЦП,гдеширотно-модулированный сигнал с выхода интегрирующего времяимпульсногопреобразователя АЦП 5 преобразуетсяв код и вводится в МП посредствомсчетчика (О) таймера 13,Микропроцессор 9 должен содержатьцентральный процессорный элемент,генератор тактовых импульсов и системный контроллер, Схема включенияэтих элементов стандартна, они образуют так называемый микропроцессорный контроллер, в соответствии синструкцией по применению МП-комплекта.Ниже приведены операции, осуществляемые МП 9, а также посредствомэлементов МП-системы, расположенныев порядке их выполнения.О. Включение питания, установкасчетчика команд МП в нулевое состояние.1, Установка режимов работы счетчиков б и 7 таймера, загрузка начального значения счета в счетчик 7.2. Установка программного счетчика (организуемого МП 9 в ЗУ 1) числа циклов измерения температуры между двумя соседними циклами подстройки частоты и автокалибровки.3. Определение момента готовностирезультата измерения периода сети всчетчике 74. Формирование управляющего сигнала АЦП - загрузка А в счетчик 6.г5. Выдача МП 9 управляющего сигнала на коммутатор для подключенияпервого образцового резистора К 1 квходу АЦП.6. Программная задержка, необходимая для окончания переходных процессов в устройстве.7. Считывание результата измерения К в МП 9.8. Выдача управляющего сигналана коммутатор - подключение 2 к входу АЦП.9. Программная задержка.10. Считывание результата измерения К в МП 9.11. Выдача управляющего сигнала на коммутатор - подключение датчика температуры к входу АЦП.12. Программная задержка.13. Считывание. результата измерения сопротивления датчика К в МП 9.14. Обработка информации - вычисление скорректированного значения Кх, линеаризации характеристики, выход результата на индикацию.15. Уменьшение содержимого программного счетчика циклов измерения температуры на единицу, анализ содержимого счетчика16. Выполнение очередного цикла измерения температуры путем перехода к и. 13, если содержимое счетчика циклов не равно нулю.17, Выполнение цикла подстройки подсеть и автокалибровки путем перехода к п. 2, если содержимое счетчика циклов не равно нулю,Формула из обретенияУстройство для измерения температуры, содержащее коммутатор, вхо ды которого соединены с термопреобразователем сопротивления и блокомобразцовых резисторов, подключенныхк источнику тока, а выход соединенс первым входом аналого-цифровогопреобразователя, второй вход которого соединен с выходом генератораимпульсов, а выход подключен к пер вому входу микропроцессора, второйвход которого соединен с запоминающим устройством, а выходы подключенык управляющим входам коммутатора иблока индикации о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышенияпомехозащищенности и точности устройства за счет подстройки времениинтегрирования входного сигнала ваналого-цифровом преобразователе подпериод сетевого напряжения, в неговведены формирователь и два программируемых счетчика, тактовые входыкоторых соединены с выходом генератора импульсов, выходы соответстр 5 венно подключены к управляющему входу аналого-цифрового преобразователя и третьему входу микропроцессора,а входы соответственно соединены стретьим выходом микропроцессора ивыходом формирователя, вход которогоподключен к питающей сети.