Устройство для измерения температуры

Союз СоветскннСоцнапистнческниРеспублик ОП ИСАНИ ЕИЗОБРЕТЕН ИяК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(51) М, Кл. 6 01 К 7/22 с присоединением заявки ЭЙ -9 теударатвениый комитет СССР(23) Приоритет - . до делам изобретений н открытийОпубликовано 23.02.82, Бюллетень ЛЪ 7 Дата опубликования описания 23,02. 82(5) УСТРОЙСТВ оррекции. и точност кого контроля и остижение задантрудностью выбо стройства, в связи с ериодичес ри этом д вязано с ту рным вым изм пара м, ч в и Изобретение относится к темпераизмерениям, а именно к цифроерителям температуры, и может ыть использовано в электротермометИзвестно цифровое устройство для измерения температуры, содержащее термопреобразователь сопротивления, аналого-цифровой преобразователь, генератор импульсов, Формирователь временных интервалов, схему сравнения, два счетчика и индикатор,Это устройство дает возможность корректировать нелинейность первичного преобразователя при измерении 1Однако зависимость параметров этого устройства от дестабилизирующих факторов, например, изменения температуры внешней среды, существенно увеличивает погрешность проводимых измерений, уменьшение которой в этом случае требует стабилизации параметров генератора, аналого-цифро вого преобразователя и проведения ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЬ большинство термопреобразователей сопротивления имеют весьма существен ный разброс характеристик,Погрешность линеаризации измерителя определяется величиной дискретности преобразователя, т, е в конеч ном итоге, объемом и быстродействием счетчиков что приводит к применению цифровых элементов с большой частото переключения и к увеличению числа счетчиков. а это связано с усложнени ем устройства и повышением потребляемой мощности от источника питания.Известен также цифоовой измерителтемпературы, содержащий термометр сопротивления, подключенный к первому входу операционного усилителя, ко второму входу и выходу которого подключен эталонный резистор, соединенные последовательно интегратор, нуль7 Й 02 3 90орган, Формирователь временных интервалов, логическую схему, счетчик импульсов и генератор импульсов, входкоторого соединен с выходом интегратора, а выход - с одним из входовлогической схемы.Измеритель температуры позволяетуменьшить погрешность измерения путем исключения влияния нестабильности характеристик усилителя и генера -тора импульсов 2,Однако на погрешность измеренийоказывает влияние нестабильность генераторов тока, в случае использования прибора в широком диапазоне температур рабочих условий применения,Кроме этого, измеритель обеспечиваетлинеаризацию характеристики термопреобразователя, зависимость величинысопротивления которого от температурыописывается функцией, представляемойтремя членами степенного ряда: К, = К,1+А+ В),где Ео - значение сопротивленияпри 0 С;А и Б - постоянные значения зависящие от конструкциитермопреобразоватуля,Это не позволяет применять измеритель при использовании термопреобразователей сопротивления, имеющих экспоненциальную зависимость величины сопротивления от температуры, например, терморезисторов.Из известных устройств для измерения температуры наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство, содержащее триггер, один из входов которого подсоединен к генератору тактовых импульсов а другой - к блоку сравнения, выход триггера соединен с транзисторным ключом и одним из входов селектора, другой вход которого подключен к генератору стандартной частоты, а выход - к счетчику импульсов. Нагрузкой ключа является измерительная цепь, состоящая из разрядного сопротивления, термопреобразователя сопротивления, образцового конденсатора и шунтирующего его резистора. сИмпульсы генератора стандартной частоты, несущие информацию об измеряемой температуре, поступают на вход суммирующего счетчика за время заря 4да образцового конденсатора до определенного напряжения через термопреобразователь сопротивления и щунтирующий резистор 31 .В этом устройстве погрешность, вызванная нелинейностью чувствительного элемента первичного преобразователя, компенсируется тем, что параллельно ему и конденсатору включен разрядный резистор, а конденсатор, кроме этого, зашунтирован другим резистором, Разрядный и шунтирующий резисторы оказывают влияние на время заряда конденсатора, т, е, на длительность интервала времени, в течение которого происходит заполнение счетчика импульсами стандартной частоты, что дает возможность несколько уменьшить погрешность измерений, связанную с нелинейностью характеристики первичного преобразователя, Однако приведенная погрешность измерений, даже при тщательном подборе параметров зарядной цепи, в диапазоне в несколько десятков градусов составляет величину порядка 2 ь и растет с расширением диапазона измерений.Ври работе устройства в широком интервале температур внешней среды погрешность проводимых измерений зависит от стабильности параметров генератора стандартной частоты, транзисторного ключа и напряжения питания, Для проведения более точных измерений необходимо жестко стабилизировать параметры и напряжение узлов, что приводит к дополнительному расходу энергии источников питания и существенному усложнению схемотехнического решения.Все это не позволяет использовать данное устройство для измерений с ма" лой погрешностью в широком диапазоне рабочих температур. Цель изобретения - повышение точности измерений,Указанная цель достигается тем,что в известное устройство для измерения температуры, содержащее термопреобразователь сопротивления, соединенный с постоянным резистором,транзисторным ключом и источником пи"тания, счетчик импульсов, соединен"ный с генератором опорной частоты через селектор, подключенный к триггеру, входы которого соединены с гене"ратором тактов и блоком сравнения,дополнительно введены два эталонных02 6 5 9074делителя напряжения, два транзисторных ключа, функциональный преобразователь, распределитель импульсов,счетчик импульсов, формирователь импульсов коррекции и интегратор, управляющий генератором опорной частоты и соединенный с Формирователемимпульсов коррекции, связанным с выходами триггера и второго сч .чика,вход которого подключен к вых,.ду се 10лектора, а другие выходы соед).1 еныс распределителем импульсов, управ"ляющим работой Функционального пре"образователя, соединенного выходомсо вторым входом блока сравнения, ьна первый вход которого подключаютсясигналы с эталонных делителей напряжения и термопреобразователя сопротивления через транзисторные ключи,переключаемые генератором тактов, 2 Осоединенным с Формирователем импульсов коррекции и Функциональным преобразователем,На выходе Функционального преобразователя Формируется Функция, ап- ьпроксимированная набором экспонент,Введение дополнительных блоков иустановление новых Функциональныхсвязей в устройстве позволяет провести линеаризацию характеристики тер- ЗОмопреобразователя сопротивления путемсравнения выходной величины первичного преобразователя с выходной величиной Функционального преобразователя, изменяющейся во времени так же,з 5как характеристика первичного преобразователя изменяется от температуры,Заданная характеристика Функционального преобразователя изменяется вовремени между пусковым моментом и 4 Омоментом, когда выходное значение еесовпадает со значением характеристикипримененного термопреобразователя,соответствующим измеряемой температуре. Перед каждым измерением, предварительно осуществляется калибровкаизмерительной цепи устройства поэталонным резисторам. Все это уменьаает погрешности измерения, связанныес нелинейностью характеристики первичного преобразователя и нестабильностью параметров блоков устройствав рабочих условиях применения,Выходная характеристика Функционального преобразователя реализуетсяс помощью изменяющей во времени своипараметры цепи разряда или зарядаконденсатора постоянной емкости. Приэтом, используя распределитель импульсов и второй счетчик, выходнуюхарактеристику функционального преобразователя с необходимой точностью можно приблизить к виду выходной характеристики примененного термопреобразователя сопротивления.На фиг. 1 представлена блок-схема устройства для измерения температуры; на Фиг. 2 - диаграмма временной последовательности сигналов.Устройство для измерения температуры содержит постоянный резистор 1,термопреобразователь 2 сопротивления,эталонные делители 3 и 4 напряжения,транзисторные ключи 5, 6, 7, блок 8сравнения, функциональный преобразователь 9, генератор 10 тактов, триггер 11, распределитель 12 импульсов,селектор 13, первый счетчик 14, формирователь 15 импульсов коррекции, второй счетчик 16, генератор 17 опорной частоты, интегратор 18, источник питания (не показан) (Фиг,1),Термопреобразователь сопротивления например, терморезистор 2, установлен в точке, где следует измерить темпе ратуру. Делители 3 и 4 содержат эталонные резисторы высокой стабильности, Величины сопротивлений нижних резисторов делителей напряжения равны величинам сопротивления примененного в устройстве первичного преобразователя при температурах, близких к на чалу и концу диапазона измерений, например, при 0 С и 100 С соответственно. Резистор 1 и вторые резисторы делителей 3 и 4 напряжения должныбыть равные по величине и обладатьстабильными параметрами. Эти резисторы соединены с источником питающегонапряжения и величина их выбирается такой, цтобы не получить погрешности при измерении от самонагрева первичного преобразователя.Устройство предусматривает выполняемые последовательно два режимаработы - режим автоматической калибровки измерительной цепи и режим измерения, В режиме калибровки в начальный момент времени й, (Фиг. 2) всеузлы устройства устанавливаются в исходное состояние сигналом с генератора 10 тактов. Селектор 13 в этом состоянии запрещает поступление импульсов генератора 17 опорной частоты на входы обоих счетчиков 14, 16 В этот же момент времени открываетсяключ 6 (Фиг, 2 б), обеспечивающий передачу напряжения с делителя 3, со 9074ответствующего величине сопротивления первичного преобразователя при 0 С (фиг. 2 г, Ио), на первый вход блока 8 сравнения. На втором входе блока 8 сравнения постепенно уста- ь навливается выходное напряжение функционального преобразователя 9 (фиг. 2 г). С момента 1, этот процесс, в случае применения в качестве первичного преобразователя термо-. 10 резистора, связан с зарядом конденсатора постоянной емкости Функционального преобразователя 9 (фиг. 2 г). Процесс уотановления напряжения на выходе функционального преобразователя 9, т, е. заряд емкости, протекает до тех пор, пока выходное напряжение не сравняется с напряжением, передаваемым с делителя 3, В момент времени 1 на выходе блока 20 8 сравнения появляется сигнал, свидетельствующий о моменте равенства входных напряжений (фиг. 2 д), Сигнал с выхода блока 8 сравнения поступает на вход триггера 11 и уста навливает его в состояние, противоположное исходному, По совпадению переднего Фронта сигнала с выхода триггера, 11 и сигнала соответствующего режиму калибровки с генератора зО 10 тактов, селектор 13 открывЪет доступ импульсов опорного генератора на счетчик 11, Одновременно генератор 10 тактов закрывает ключ 6 фиг, 2 б) и открывает ключ / (Фиг, 2 в 1 з,Выход счетчика 1 ч связан с распределителем 12 импульсов и Формирователем 15 импульсов коррекции. Распределитель 12 импульсов в параллельном позиционном коде вырабатывает последовательность импульсов, управляющих работой функционального преобразователя 9, осуществляющего аппроксимацию функции температурной зависимости термопреобразователя сопротивления 2 набором экспонент, Последовательность импульсов управляет транзисторными ключами Функционального преобразователя 9, включающими в цепь разряда или заряда конденсатора постоянной емкости С резисторы в определенной последовательности. Путем подбора этих резисторов и распределением установленных интервалов времени включения их, подбирают выходную характеристику функционального преобразователя 9 такой, чтобы обеспечить требуемую погрешность линеаризации ха02 8 рактеристики примененного первичного преобразователя, В случае применения в качестве первичного преобразователя полупроводникового терморезистора, имеющего экспоненциальную температурную характеристику, описываемую выражением В. = Ает где О - температура терморезистора;А и В - параметры терморезистора, распределитель импульсов управляет включением резисторов в цепь разряда конденсатора С (не показан), Выходная характеристика функционального преобразователя Ир может быть представлена следующим образомВ О,е,-й и,"П 1 7 О И/ где т = 1 - момент начала Формирования выходной характеристики; У - конечное напряжениеразряда конденсатора 1 п - время включения резистора в цепи разряда конденсатора С; - постоянная времени цепи разряда в момент времени 1/ ь = Сйп/ Таким образом, с момента времени1/2 на первом входе блока 8 сравнения, через включе ный ключ , устанавливается напряжение с делителя 4 фиг, 2 г, Бюо ) соответствующее величине сопротивления первичного преобразователя при температуре 100 С, На второй вход блока 8 сравнения воздействует изменяющееся по заданному закону выходное напряжение Функционального преобразователя 9 (фиг, 2 г). до тех пор, пока оно не сравняется с напряжением на первом входе, В момент равенства этих напряжений й 1/3 на выхода блока 8 сравнения появляется сигнал 1 фиг, 2 д), устанавливающий триггер 11 в исходное состояние.Счетчик 11 с момента времени 1 1/2 суммирует импульсы генератора 1 опорной частоты до конечного состояния, соответствующего содержанию счетчикапри температуре 100 С, т, е, величине напряжения делителя 4 ча первом входе блока 8 сравнения, 9 907 чПри действии дестабилизирующих факторов на измерительную цепь прибора(ивменения температуры .рабочих условий применения, напряжения питания ит. и,) момент установления счетчика 51 ч в конечное состояние, в общем случае, не совпадает с моментом времени1/3, Формирователь импульсе.-: коррекции 15 по сигналу триггера 11 мс,мент времени 1 1/3 и сигналу о,.-анов- ски счетчика 1 ч в режиме калибровкивырабатывает импульсы коррекции, поступающие на интегратор 18, выходноенапряжение которого, зависящее отдлительности приходящих импульсоэ,управляет работой генератора 17 опорной частоты, изменяя частоту следования импульсов этого генератора такимобразом, чтобы момент времени т. 1/3и сигнал установления счетчика 1 ч в 20конечное состояние совпали, Таким образом осуществляется обратная связь,т, е, автоматическая калибровка измерительной цепи прибора, охватывающаяи Функциональный преобразователь, ис-ключающая влияние аддитивной и мультипликативной погрешностей на режимизмерения, следующий за режимом калибровки,После момента С 1/3 следует вы- зОдержка времени, необходимая на выработку импульсов коррекции и установление выходного напряжения интегратора 18. Интегратор 18 обладает памятью и о выходное напряжение поддер- зживает в режиме измерения параметрыопорного генератора 17, т, е. егочастоту, в соответствии с поступившими сигналами коррекции предыдущегорежима калибровки, ЩВ следующий момент времени Й 1/4 генератор 10 тактов включает режим измерения. Одновременно, так же как и в режиме калибровки в момент й 1/1,45 все узлы устанавливаются в исходное состояние; После сравнения напряжения на входах блока 8 сравнения в момент времени й 1/5 (фиг. 2 г) (на первом входе напряжение с подключенного делителя 3, а на втором - устанавливающееся напряжение на выходе Функционального преобразователя 9) на выходе его появляется сигнал, переключающий триггер в состояние, противоположное исходному, По совпадению переднего фронта этого сигнала и сигнала генератора 10 тактов, соответствующего режиму измерения, селектор 13 открывает доступ импульсов генератора 17опорной частоты на счетчик 16,Одновременно генератор 10 тактов закрывает ключ 6 (фиг. 2 б) и открываетключ 5 (фиг. 2 а) обеспечивающий передачу с первичного преобразователянапряжения, соответствующего его температуре, Процесс измерения т. е.процесс заполнения счетчика 16 длится до момента 1 1/б (фиг, 2 г) - момента равенства входных напряженийблока 8 сравнения (на первом входенапряжение с подключенного термопреобраэователя 2 сопротивления(фиг. 2 г, Бо), а на втором - изменяющееся по заданному закону выходноенапряжение Функционального преобразователя 9). В момент С 1/6 на выходе блока 8 сравнения появляется сигнал (Фиг, 2 д). устанавливающий триггер 11 в исходное состояние и запрещающий доступ импульсов в счетчик16. Содержание счетчика 16 соответствует температуре термопреобразователя 2 сопротивления, установленногов точке, где измерялась температура,Выходы этого счетчика можно соединить с устройством цифровой индикации или каналами связи с ЗВМ.После проведения режима измерения,по сигналу генератора 10 тактов устройство снова переключается на режим автоматической калибровки, подготавливающий измерительну в цепь дляпоследуюш,его режима измерения температуры и т, д.Длительность режимов калибровкии измерения связана лишь с частотойследования импульсов генератора опорной частоты и быстродействием поимененной элементной базы,Введение дополнительных узлов иустановление новых функциональныхсвязей выгодно отличает предлагаемоеустройство, так как уменьшаются составляющие погрешностей, обусловленных нелинейностью характеристикитермопреобразователя сопротивления ивлиянием дестабилизирующих Факторовв рабочих условиях применения, расширяются функциональные возможности,в части применения различных термопреобразователей сопротивления, характеристика которых имеет нелинейную зависимость от температуры,В результате снижены суммарные значения погрешностей измерения, что позволяет проводить более точные иэ 11мерения в широком диапазоне темпера- тур и в различных рабочих условиях применения. Кроме этого, устраняется необходимость разработки ряда устройств, имеющих меньшие рабочие диапазо- Б ны в целях сохранения небольшой погрешности при проведении измерении в пределах диапазона температур в 100 и более градусов. йрактицески, величина основной приведенной погреш"10 ности измерения может быть достигнута 0,254.Формула изобретенияустройство для измерения температуры, содержащее термопреобразователь сопротивления, соединенный с источником питания церез постоянный 20 резистор и транзисторным ключом, счетчик импульсов, соединенный с генератором опорной цастоты через селектор, подключенный к триггеру, входы которого связаны с генератором 5 тактов и блоком сравнения, о т л иц а ю щ е е с я тем, цто, с целью повышения точности измерения в устройство введены два эталонных делителя напряжения, два транзисторных эв ключа, Функциональный преобразователь, распределитель импульсов, счетчик, Формирователь импульсов коррекции и интегратор, выход которого соединен 0212со входом генератора опорной частоты, а вход - с выходом формирователя импульсов коррекции, входы которого соединены с выходом генератора тактов, выходом триггера и выходом вто" рого счетцика соответственно, вход которого соединен с выходом селектора, а другой выход подключен ко входу распределителя импульсов, выход которого соединен со входом Функционального преобразователя, второй вход которого соединен с одним из выходов генератора тактов, а другой выход связан с первым входом блока сравнения, второй вход которого соединен с эталонными делителями напряжения и гермопреобразователем сопротивления церез соответствующие транзисторные ключи, управляющие входы которых соединены с соответствующими выходами генератора тактов, остальные выходы которого соединены с входами триггера, селектора и первого счетчика соответственно.Источники информации, принятые во внимание при экспертйзе1. Авторское свидетельство СССР И 559131, кл, С 01 К 7/16, 1975.2. Авторское свидетельство СССР В 590616, кл. С 01 К 7/16, 19753. Авторское свидетельство СССР 8 Й 10267, кл, С 01 К 7/28, 1972 прототип).907402ПИ Заказ ууО Тираж 883 Подписное иал ППП "Патент", г.Ужгород, ул.Проектная,4