Устройство для измерения температуры

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛ ИСТИ ИЧ ЕСКИХРЕСПУБЛИК 72144 19) 51)5 6 01 НИЕ ИЗОБРЕТЕ ОП еТЕМ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯЯРИ ГКНТСССР К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯПЕРАТУРЫ(57) Изобретение относится к термоми может применяться в системах контр управления для измерения температуры термометрии сопротивления. Цель изобретения - снижение погрешности измерения при непрерывном контроле температуры, Устройство содержит источник тока 1, источник напряжения 2, датчик 3, задатчики 4 - 6, измерительный 7, операционный усилитель 8 и дифференциальный 9 усилитель, нуль-орган 10, блоки памяти 11-13, генератор 14, реверсивный счетчик 15, блок временного интервала 16, ключи 17-22, выход . устройства 23, общую шину 24, основной 25 . и"дополнительный 26 счетчики, дешифратор 27, инверторы 28, 29, элемент ИЛИ 30, элемент ИЛИ - НЕ 31, элемент И 32, 2 ил,10 15 20 25 ЗО 40 50 55 Изобретение относится к термометриии может быть использовано преимущественно в системах контроля и управлениядля измерения температуры термометрамисопротивления.Известно устройство для измерениятемпературы, содержащее последовательно соединенные датчик температуры, измерительный усилитель, ключ, блок памяти,блок индикации, нуль-орган, один вход которого подключен к выходу измерительногоусилителя, а выход - через блок временногоинтервала к управляющему входу ключа, иисточник эталонного напряжения, подключенный к другому входу куль-органа.Недостатком устройстваявляется узкийдиапазон измерения из-за невозможностиизмерения температур ниже температурыокружающей среды, низкое быстродействие и низкая точность измерения, обусловленная зависимостью постоянной временидатчика от параметров контролируемогообъекта, теплопроводности и давления окружающей среды.Наиболее близким к предлагаемому потехнической сущности является устройстводля измерения температуры, содержащеепоследовательно соединенные датчик температуры, измерительный усилитель, ключ,блок памяти, блок индикации, блок запускаключа, нуль-орган, один вход которого подключен к выходу измерительного усилителя,другой - к выходу блока памяти, а еыход -через блок временного интервала к управляющему входу ключа.Недостатком устройства является низкая точность измерения, обусловленная зависимостью постоянной времени датчика отпараметров контролируемого объекта и окружающей среды, что, в свою очередь, сужает функциональные возможностиустройства. Кроме того, необходимость установления некоторого начального значения температуры датчика исключаетнепрерывный контроль температуры объекта.Цель изобретения - снижение погрешности измерения при непрерывном контро. ле температуры,Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения темературы, содержащее последовательно соединенные датчик температуры и измерительный усилитель, первый блок памяти, соединенный выходом с первым входом нуль-органа, первый ключ, подключенный управляющим входом к блоку временного интервала, введены операционный усилитель, дифференциальный усилитель, второй, третий,четвертый, пятый и шестой ключи, второй и третий блоки памяти, первый, второй и третий задатчики напряжения, генератор,счетчик, основной и дополнительный счетчики, дешифратор, первый и второй инверторы, элемент ИЛИ, элемент ИЛИ - НЕ, элемент И, источник напряжения, источник тока, соединенный через первый ключ с первым выводом датчика, второй вывод которого соединен с общей шиной, выход измерительного усилителя соединен через первый блок памяти с первыми входами операционного усилителя, дифференциального усилителя, нуль-органа, и блока временного интервала, выход которого соединен с управляющими входами первого ключа и первого блока памяти, второй вход операционного усилителя соединен через второй и третий ключи соответственно с выходами первого и второго задатчикое, вторые входы нуль-органа и дифферен,иального усилителя соединены с выходом третьего задатчика, второй вход блока временного интервала соединен через четвертый ключ с выходом операционного усилителя, через последовательно включенные пятый ключ и второй блок памяти - с выходом. операционного усилителя, через шестой ключ - с выходом источника напряжения, выход дифференциального усилителя соединен через третий блок памяти с выходом устройства, дополнительный и основной счетчики, соединенные последовательно и подключенные входами обнуления к выходу переноса счетчика и к управляющему входу третьего блока памяти, счетный вход дополнительного счетчика соединен с выходом генератора и счетным входом счетчика, выход основного счетчика соединен с входом дешифратора, первый выход которого соединен с управляющим входом второго блока памяти и с первым входом элемента ИЛИ, второй выход дешифратора - с управляющим входом третьего ключа, с вторым входом элемента ИЛИ и с входом первого инвертора, выход которого соединен с управляющим входом второго ключа, третий выход .дешифратора - с первым входом. элемента И и черезвторой инвертор с входом управления основного счетчика и входом обнуления счетчика, выход элемента И соединен е входом управления пятого ключа, выход элемента ИЛИ соединен с управляющим входом четвертого ключа и с первым входом элемента ИЛИНЕ, выход которого соединен с входом управления шестого ключа, а второй вход - с вторым входом элемента И, с выходом нуль-органа и с входом выбора направления счета счетчика.(2) 50 На фиг, 1 представлена функциональная схема устройства для измерения температуры; на фиг, 2 - временные диаграммы,Устройство содержит источник 1 тока, источник 2 напряжения, датчик 3 температуры, задатчики 4-6, измерительный усилитель 7, операционный усилитель 8, дифференциальный усилитель 9, нуль-орган 10, блоки 11-13 памяти, генератор 14, реверсивный счетчик 15, блок 16 временного интервала,.ключи 17 - 22, выход 23 устройства, общую шину 24, основной счетчик 25, дополнительный счетчик 26, дешифратор 27, инверторы 28 и 29, элемент ИЛИ 30, элемент ИЛИ - НЕ 31, элемент И 32, Выход датчика 3 соединен с входом усилителя 7, выход которого соединен с блоком 11 памяти.Источник 1 тока соединен через ключ 17 с токовым выводом датчика 3, второй вывод которого соединен с общей шиной 24,Выход блока 11 памяти соединен с первыми входами усилителей 8 и 9, нуль-органа 10 и блока 16 временного интервала, выход которого соединен с управляющими входами ключа 17 и блока 11 памяти, Второй вход усилителя 8 соединен через второй 18 и третий 19 ключи соответственно с выходами задатчиков 4 и 5.Вторые входы нул ь-органа 10 и усилителя 9 соединены с выходом задатчика 6, Второй вход блока 16 временного интервала соединен через ключ 20 с выходом усилителя 8, через последовательно включенные ключ 21 и блок 12 памяти - с выходом усилителя 8, через ключ 22 - с выходом источника 2. Выход усилителя 9 соединен через блок 13 памяти с выходом 23, Последовательно соединенные дополнительный 26 и основной 25 счетчики соединены входами обнуления с выходом переноса счетчика 15 и с управляющим входом блока 13 памяти. Счетный вход дополнительного счетчика 26 соединен с выходом генератора 14 и счетным входом счетчика 15. Выход основного счетчика 25 соединен с выходом дешифратора 27, первый выход которого соединен с управляющим входом блока 12 памяти и с первым входом элемента ИЛИ 30, второй выход - с управляющим входом ключа 19. с вторым входом элемента ИЛИ 30 и с входом инвертора 28, выход которого соединен с управляющим входом ключа 18, третий выход - с входом инвертора 29, выход которого соединен с управляющим входом основного счетчика 25 и входом обнуления счетчика 15, и с первым входом элемента И 32, выход которого соединен с управляющим входом ключа 21. Выход элемента ИЛИ 30 соединен с управляющим входом ключа 5 10 15 20 25 30 35 40 45 20 и первым входом элемента ИЛИ-НЕ 31, выход которого соединен с управляющим входом ключа 22,Вторые входы элементов И 32 и ИЛИ - НЕ 31 соединены с выходом нуль-органа 10 и входом выбора направления счета счетчика 15.Принцип работы устройства поясняется временными диаграммами (фиг. 2), где а - изменение сопротивления датчика В в течение цикла измерения; б - изменение напряжения на управляющем входе ключа 18; в - изменение напряжения на управляющем входе ключа 19; г - изменение напряжения на управляющем входе ключа 20; д - изменение напряжения на управляющем входе ключа 21; е - изменение напряжения на управляющем входе ключа 22; ж - формирование сигнала на выходе переноса счетчика 15; 3 - широтно-модулированный выходной сигнал блока 16; и - изменение напряжения на втором входе блока 16,Устройство реализует способ измерения температуры, заключающийся в том, что в течение первого такта с 1 происходит регулирование температуры датчика по первому заданному значению температуры О, превышающей температуру 9 контролируемого объекта, а по его окончании - запоминание установленной на датчике мощности Р 1, В течение второго такта с 2 осуществляется нагрев датчика температуры до второго заданного значения 92, а по его окончании на датчике устанавливается мощность Р 1, соответствующая теплоэнергетическому балансу системы датчик - объект при температуре Оъ В течение третьего такта происходит охлаждение(в пределе сз = до температуры (Э 1) датчика до третьего заданного значения бЬ и измерение данного интервала времени сз. При этомйз = 6 + (О - Вг) (1 - е "9, (1) где т - постоянная времени системы датчик - объект,В течение четвертого такта с 4 к датчику подводится нулевое значение мощности Р=О, происходит охлаждение датчика, определенное температурой 9 контролируемого объекта, в течение интервала времени с 4 = сз до температуры (34;й =Ээ+(9, - Эз) (1 - е ), (3) По окончании четвертого такта с 4 осуществляется измерение изменения температуры датчика ЛО = Я 4 - Оз в течение четверто 1721448го такта та = тз, При этом в соответствии с (2) и (3)1 п(1- -Ь О = ИФ - 6 з = (6 - Из) (1 - еили ЛО = (Вс - Из)-(4)9 - 6 ЪТаким образом, изменение температуры датчика Л О в течение четвертого такта М = тз есть линейная функция температуры объекта 10 ЬО=А Их +В,Я -где А =;(5) Я - ЯВ=- бЬ - , 15не зависящая от постоянной времени тсистемы датчик - обьект, обусловленной параметрами датчика, контролируемого объектаи окружающей среды.В свою очередь, температура обьектаможет быть определена из (4)Я - Я9( =ЛО - + 6 Ь (6)и требует задания трех значений и измерения всего одного значения Оа,Устройство работает следующим образом.В исходный момент времени, например, по сигналу переноса счетчика 15 счетчики 25 и 26 обнулены, на первом выходедешифратора 27 сформирован единичныйлогический уровень, разрешающий прямое. прохождение входного сигнала на выходблока 12 памяти, В течение всего цикла измерения, состоящего из четырех тактов 11 -та, на выходе блока 16 формируетсяпоследовательность импульсов переменной длительности, осуществляется импульсное питание датчика 3 током амплитудой 1 о 40от источника 1 питания.. Блок 16 временного интервала обеспечивает формирование выходных импульсовс периодом Т, длительность которых определена отношением напряжения на его втором входе к напряжению на его первомвходе с коэффициентом пропорциональности К 2, Использование блока 16 временногоинтервала с данной функциональной зависимостью длительности выходных импульсов от уровней напряжений на его входахобеспечивает управление тепловым режимом датчика независимо от сопротивлениядатчика, т.е. в данном устройстве мощность,подводимая к датчику, линейно зависит отдлительности выходных импульсов (приТ=сопэт) блока 16 временного интервала.При единичном выходном сигнале блока 16разрешается прямое прохождение выходного сигнала усилителя 7 на выход блока 11ое напряжение усилителя 8, ее теплоэнергетическому бадатчик - объект к моменту ого такта Ос (9) и (10) По окончании первого такта ц, определяемого коэффициентом пересчета дополнительного счетчика 26 и частотой генератора 14, на втором выходе дешифратора 27 устанавливается единичный уровень, на его первом выходе - нулевой уровень, На выходе блока 12 памяти устанавливается запомненное значение выходного напряжения 01 усилителя 8. Формируется второй такт т 2 цикла измерения, ключи 18, 21 и 22 разомкнуты, ключи 19 и 20 замкнуты. По выходному напряжению Оа задатчика 5 осуществляется разогрев дачика 3 до температуры (.Ь изменением памяти, при его нулевом уровне происходит запоминание выходного сигнала усилителя 7 блоком 11 памяти, Таким образом, на выходе блока 11 памяти формируется непрерывный аналоговый сигнал 0(Щ определяемый сопротивлением датчика й ( Щ в зависимости от его температуры и амплитудой тока, протекающего через датчик 3:О ( О) = К 11 о В ( Щ (7) где К 4 - коэффициент усиления усилителя 7.После обнуления счетчиков 25 и 26 начинается первый такт с 1, ключи 18 и 20 открыты, ключи 19, 21 и 22 закрыты, На выходе блока 16 временного интервала в соответствии с выходным напряжением операционного усилителя 8 устанавливается скважность выходных импульсов, при которой происходит разогрев и стабилизация температуры датчика 3 по первому заданному значению О, определяемому выходным напряжением Одзадатчика 4.При установлении теплоэнергетического баланса системы датчик - объект происходит стабилизация мощности Р 4, подводимой к датчику, и имеет место равенство входных напряжений усилителя 8. В соответствиис этимОв, = К 11 о Й (О ), (8) где й Щ ) - сопротивление датчика 3 при температу 2 ре ОР,:1 ойа 1 Т, (9) где Т - период повторения импульсов преобразователя 16 длительностью т 11, Т = сопм, т 11= К 2; 01 К 2 01 Оц К 1 о В(10) где К 2 - коэффициент преобразования блока 16;01 - выходнсоответствующ лансу системы окончания перв В соответствииа из(7)Ц,=К 1 о В(8 Ц),Очевидно, что выходное напряжение задатчика 65 О=Кс 1. В(эз)Если В( бф есть линейная функция от ОВ ( бф = М 9+ й, (17)где М и й - коэффициенты завмсимости В(Щ(12) (13) то на выходе дифференциального усилителя 10 9 устанавливается напряжениеО= 1 о КОМ( 9 - 93), (18)где К 9 - коэффициент преобразования усилителя 9.Таким образом, в момент окончаниячетвертого такта т 4 на выходе усилителя 9 устанавливается напряжение в соответствии с (16) и (18) 6 - ОзЯ 2 Ъ+ (8 -ие О является фунмпературы 9 кони выходное напряженцией (нелинейной) от теолируемого объекта0 = (я)Таким образом, существенно повышенаточность измерения, благодаря исключе нию влияния на результат измерения постоянной времени датчика, обеспечивается непрерывный контроль температуры. Кроме этого, при измерении криогенных температур в диапазоне (4,2-20) К могут использо ваться резистивные (металлические Р 1, й 1,Сц) термометры сопротивления, не требующие индивидуальной градуировки, как, например, полупроводниковыетермометры, и имеющие наиболее стабильные во времени значения термочувствительного параметра,то45тр длительности импульсов преобразователя 16 выходным напряжением 02 усилителя 8.В течение третьего такта тэ ключи 18 и 21 замкнуты, ключи 19, 20 и 22 разомкнуты. На второй вход блока 16 через ключ 21 поступает запомненное в блоке 12 памяти напряжение 01. К датчику подводится мощность Р: Рз = 1 о В Я 11 з/Т,О где из = К 2 ц-ц длительность импульсов в зависимости от сопротивления датчика В( ЩВ соответствии с (12) и (13) мощность, подводимая к датчику, не зависит от его сопротивления В: и определена значением напряжения О: Рз= К 21 о 01(14) На входе обнуления счетчика 15 установлен 2 нулевой уровень, осуществляется прямой счет импульсов опорной частоты генератора 14,Равенство мощностей Р и Рз из (11) и (14), подводимых к датчику 3 в первом 11 и третьем тз тактах и соответствующих тепло- энергетическому балансу системы датчик - объект при температуре датчика 91, определяет изменение температуры датчика 3 по экспоненциальному закону в течение третьего такта тз:О = И 2 + (9 - 92) (1 - е ) (15) где О - температура датчика 3;1 - текущее время от начала интервала тз,3При достижении температурой датчика 3 значения бЬ, определяемого выходным напряжением Ое. задатчика 6, на выходе нуль-органа 10 устанавливается нулевой уровень, ключи 18 и 22 замкнуты, ключи 19, 20 и 21 разомкнуты, формируется четвертый такт т 4, осуществляется обратный счет счетчиком 15 импульсов генератора 14. При этом с выхода источника 2 на второй вход преобразователя 16 поступает напряжение смещения Осм, определяющее минимальную длительность выходных импульсов блока 16, исключающую саморазогрев датчика измерительным током источника 1. При 14 = =тз на выходе переноса счетчика 15 формируется единичный импульс, обнуляющий счетчики 25 и 26, на первом выходе дешифратора 27 устанавливается единичный уровень, Выходное напряжение Облока 11 памяти в момент появления импульса переноса соответствует температуре 9 датчика 3, где из (2) и (3) й щ.йз + (ех - Йз)р;, (1 6)92 Эз 0=1 о К М(9, - 6 Ь)- 9)О 2 СЬ 0 которое при появлении импульса переносасчетчика 15 записывается в блок 13 памяти, с выхода которого поступает на выход 23,Полученное на выходе 23 значение напряжения есть линейная функция температуры 9 контролируемого объекта.Если.В (0) есть нелинейная функцияВ ( б = 1 (6, то усилитель 9 используется в качестве усилителя только выходного напряжения блока 11 памяти (т,е. его второй входдолжен быть соединен с общей шиной).В этом случае в момент окончания четвертого такта т 4 на выходе усилителя 9 устанавливается напряжениеО 1 оКд В( Ъ)которое импульсом переноса счетчика 15, записывается в блок 13 памяти, с выхода которого поступает на вход 23.Так какФормула изобретения Устройство для измерения температуры, содержащее последовательно соединенные источник тока, датчик температуры, измерительный усилитель и первый блок памяти, подключенный выходом к первому входу нуль-органа, и блок временного интервала, подсоединенный выходом к управляющему входу первого ключа, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью снижения погрешности измерения при непрерывном контроле температуры, в него введены операционный и дифференциальный усилители, второй и третий блоки памяти, второй третий, четвертый, пятый и шестой ключи, первый, второй и третий задатчики напряжения, генератор импульсов, первый и второй счетчики импульсов, реверсивный счетчик импульсов, дешифратор, источник напряжения, первый и второй инверторы, элементы И, ИЛИ и ИЛИ-НЕ, причем первый ключ включен между выходом источника тока и датчиком температуры и подключен управляющим входом к управляющему входу первого блока памяти, подсоединенного выходом к первому входу блока временного интервала, соединенного вторым входом через четвертый, пятый и шестой ключи с выходами соответственно операционного усилителя, второго блока памяти и источника напряжения и подсоединенного также к первым входам операционного усилителя, соединенного выходом с входом второго блока памяти, и дифференциального усилителя, соединенного выходом с входом третьего блока памяти,подключенного выходом к выходу устройства и управляющим входом к соединенным между собой установочным входам первого и второго счетчиков импульсов и выходу ре версивного счетчика импульсов, подсоединенного входом к соединенным между собой входу второго счетчика импульсов и выходу генератора импульсов, установочным входом - к управляющему входу перво го счетчика импульсов и выходу второгоинвертора и управляющим входом к выходу нуль-органа, подключенного вторым входом к соединенным между собой выходу третьего задатчика напряжения и второму входу 15 дифференциального усилителя, при этомоперационный усилитель подсоединен вторым входом через второй и третий ключи к выходам первого и второго задатчиков напряжения, первый счетчик импульсов сое динен входом с выходом второго счетчикаимпульсов и выходами к входам дешифратора, подключенного первым выходом к управляющему входу второго блока памяти и первому входу элемента ИЛИ, соединенно го выходом с управляющим входом четвертого ключа и первым входом элемента ИЛИ-НЕ, вторым выходом - с вторым входом элемента ИЛИ, с управляющим входом третьего ключа и через первый инвертор с 30 управляющим входом второго ключа, третьим выходом - с входом второго инвертора и первым входом элемента И, подключенного вторым входом к второму входу элемента ИЛИ - НЕ, соединенного выходом с управ ляющим входом шестого ключа, и к выходунуль-органа и подключенного выходом к управляющему входу пятого ключа,1721448Х/ур)У(в 4а Редактор В.Петраш Техред М.Моргентал Корректор Т.Малец аказ 946 Тираж 375 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035; Москва, Ж, Раушская наб., 4/5изводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина