Цифровой измеритель температуры

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 504 С 01 К 7 ИСАНИ ОБРЕ ВЛЬСТВУ ИЯ СВИДЕ ВТОРСКО ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИИ(71) Львовский политехнический институт им.Ленинского комсомолаи Мукачевский приборостроительныйзавод(54) ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ТЕМПЕРАТУРЫ(57) Изобретение относится к термометрии. Цель изобретения - повышениеточности измерения путем уменьшенияошибки измерения, вызванной нестабильностью элементов измерителя, Устройство содержит источник 1 опорногонапряжения, переключатель 2, операционные усилители 3 и 10, образцовый резистор 4, соединительные провода5,6,7 и 8, терморезестивный преобразователь 9, переключатели 11 и 12,усилитель-сумматор 3, источник 14напряжения смещения, коммутатор 15,интегратор 16, нуль-орган 17, блок18 управления, генератор 19 счетныхимпульсов, блок 20 определения полярности, селекторы 21 и 22,. функциональный преобразователь 23, отсчетноеустройство 24 и реверсивный счетчик25, Введение новых элементов и образование новых связей между элементами устройства позволяют значение измеряемой температуры определять посредством нахождения разности результатов двух двухтактных интегрирующихпреобразований выходного напряженияусилитель-сумматора 13 в импульсныйкод, полученных при подключении к ис"точнику 1 опорного напряжения и последующего Аункционального преобразования этой разности. 1 з.п. ф-лы,Изобретение относится к термометрии, а именно к вторичным приборам для измерения температуры контактным методом с помощью терморезистивных преобразователей. Преимущества предлагаемого устройства проявляются при его использовании в цифровых щитовых приборах для измерения температуры с терморезистивными преобразователями, подключенными к прибору с помощью трех-или четырехпроводной соединитель ной линии. Может найти применение при измерении отклонения сопротивления от некоторого заданного значения.Целью изобретения является повышен 1 е точности измерения путемуменьшения ошибки измерения, вызванной ,нестабильностью элементов измерителя.На фиг.1 изображенаструктурная электрйческая схема устройства; на Фиг,2 - схема усилителя-сумматора, на фиг,З - схема кодирующей части устройства; на Фиг,4 - временные диаграммы его работы; на фиг.5 - схема Функционального преобразователя.Устройство содержит источник 1 опорного напряжения, электронный переключатель 2, первый операционный усилитель 3, образцовый резистор 4, первый токовый 5, первый потенциальный 6, второй потенциальный 7, второй токовый 8 соединительные провода, терморезистивный преобразователь 9, второй операционный усилитель 10, первый 11 и второй 12 механически связанные переключатели, усилитель- сумматор 13, источник 14 напряжения смещения, коммутатор 15, интегратор 16, нуль-орган 17, блок 18 управле - ния, генератор 19 счетных импульсов, блок 20 определения полярности, первый 21 и второй 22 селекторы, функциональный преобразователь 23, цифровое отсчетное устройство 24, реверсивный счетчик 25, Усилитель-сумматор 13 содержит первый 26 и второй 27 операционные усилители, переменный резистор 28, первый 29, второй 30, третий 31 постоянные резисторы, Блок 18 управления содержит делитель 32 частоты, кольцевой счетчик 33, первый 34, второй 35, третий Зб,четвертый 37, пятый 38 и шестой 39 КЯ- триггеры, Э-триггер 40, первый 41, второй 42, третий 43 и четвертый 44 элементы ИЛИ, первый 45, второй 46, третий 47 и четвертый 48 импульсные трансформаторы, первый 49, второй 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 50, третий 51 и четвертый 52 элементы И, сумматор по модулю два 53.Второй селектор 22 содержит первый54 и второй 55 элементы И. Источник1 опорного напряжения подключен параллельно к неподвижным контактамэлектронного переключателя, один изего выводов соединен с общей шиной,а второй - с входом коммутатора 13,Первый операционный усилитель 3 имеет отдельный источник питания. Инвертирующий вход этого операционного усилителя соединен с подвижнымконтактом электронного переключателя 2, а неинвертирующий вход подключен к средней точке его источникапитания и через образцовый резистор4 соединен с общей шиной устройства,Выход первого операционного усилителя 3 подключен к первому неподвижно-му контакту первого переключателя 11и через первый токовый соединительный провод 5 - к первому выводу термореактивного преобразователя 9, который через первый потенциальный соединительный провод б подключен квторому неподвижному контакту первого переключателя 11. Второй выводтерморезистивного преобразователя 9через второй потенциальный соединительный провод 7 соединен с инвертирующим входом второго операционногоусилителя 10, а через второй токовыйсоединительный провод 8 - с выходомвторого операционного усилителя 10и с первым неподвижным контактом второго переключателя,12. Неинвертирующий вход второго операционного усилителя 12 соединен с общей шиной устройства. Первый вход усилителя-сумматора 13 подключен к подвижному контакту первого переключателя 11, второй вход - к подвижному контакту второго переключателя 12, третий вход -к неинвертирующему входу первого операционного усилителя 3, Выходы усилителя-сумматора 13 и источника напряжения смещения подключены к входукоммутатора 15, выход которого черезинтегратор 16 и нуль-орган 17 подключен к блоку 18 управления. Выходгенератора 19 счетных импульсов подключен к блоку 18 управления, черезпервый селектор 21 и цифровой Функциональный преобразователь 23 - к цифровому отсчетному устройству 24, ачерез второй селектор 22 - к суммирующему и вычитающему входу реверсив+П +оПо1 цп Где 13 ц,см дед ного счетчика 25, выход которого подключен к блоку 18. Управляющие выходы блока управления подключены кэлектронному переключателю 2, коммутатору 15, блоку 20 определения полярности, цифровому Функциональномупреобразователю 23 и к цифровому отсчетному устройству 24. Усилительсумматор 13 имеет три входа, Неинвертирующий вход первого операционного 10усилителя 26 служит его первым входом. Второй и третий входы усилителя-сумматора 13 через соответственно переменный 28 и первый постоянный29 резисторы подключены к инвертирующему входу его второго операционного усилителя 27, в цепь отрицательной обратной связи которого включентретий постоянный резистор 31. Первый операционный усилитель 26 усилителя-сумматора 13 включен как повторитель напряжения, выход которогосоединен через второй точный резистор с инвертирующим входом второгооперационного усилителя, Выход первого операционного усилителя 26 соединен с общей шиной устройства, авыход служит выходом усилителя-сум -матора 13.Значение измеряемой температуры 30определяют посредством нахожденияразности результатов двух двухтактных интегрирующий преобразований выходного напряжения усилителя-сумматора в число импульсный код, полученных при подключении к источнику 1опорного напряжения, или к общей шине устройства инвертирующего входапервого операционного усилителя 3 ипоследующего функционального преобра зования этой разности. При работеустройства с терморезистивным преоб-.разователем 9,подключенным при помощи четырехпроводной соединительнойлинии, переключатели 11 и 12 находятся в нижнем по Фиг.1 положении,а при работе с терморезистивным преобразователем 9 подключены при помощи трехпроводной соединительной линии, первый потенциальный провод 6 50отсутствует, и переключатели 11 и 12.находятся в верхнем.по фиг.1 положении,Устройство работает следующим об-разом.В исходном состоянии.инвертирующий вход первого операционного усилителя 3 через электронный переключа 49 4тель 2 подключен к общей шине устройства, реверсивный счетчик 25, цифровой функциональный преобразователь 23 и цифровое отсчетное устройство 24 обнулены, В первом цикле работы устройства сумма выходного напряжения усилителя-сумматора и источника напряжения смещения методом двухтактного интегрирования преобразуется в число - импульсный код, который через второй селектор 22 подается на суммирующий вход реверсивного счетчика 25. Таким образом, в конце первого цикла преобразования в реверсивном счетчике будет записано число выходное напряжение усилителя-сумматора 13;напряжение смещения;дрейф эквивалентного напряжения смещения интегратора 15 и нуль-органа 18,напряжение источника 7опорного напряжения;время интегрирования напряжения. По окончании первого цикла преобразования инвертирующий вход первого операционного усилителя 3 подключается через переключатель 2 к источнику 1 опорного напряжения, Во втором цикле сумма выходного напряжения усилителя-сумматора 13 и источника 14 напряжения смещения преобразуется вчисло - импульсный код, В обоих циклах преобразования число - импульсный код формируется путем заполненияимпульсами частоты Е генератора 19счетных импульсов, временного интервала, образующегося между началомразряда интегратора 16 напряженияБ и моментом обрабатывания нуль-органа 17Во втором цикле с началомразряда интегратора 15 блок 18 управления разрешает прохождение импульсов на вычитающий вход реверсивногосчетчика 25 до момента его обнуления.Сигналы,. проходящие в блок 18 управления с нуль-органа 17 и реверсивного счетчика 25, сигнализирующие осрабатывании нуль-органа и переходачерез нуль реверсивного счетчика,служат для формирования временногоинтервала, на протяжении которогоимпульсы с генератора 19 счетных им5 1303849 6пульсов через первый селектор 21 бу- Можно записать выходное напряжедут поступать на функциональный пре- ние усилителя-сумматора при трехобразователь 24. Таким образом, на проводном Б" и четырехпроводном функциональный преобразователь прой- ц, подключении терморезистивно- дет число импульсов го преобразователя какЯ =Я -Нцв" Т 1, (2)(41 Цех + ДЧс ах Р 7 ) Выходное, напряжение усилителя-сумматора 13 можно определить как 5 ц (Ке (л 6 лг Кн ) К(41 К,(о(. (: +91 +) Ко( )ЦБ где Кп - сопротивление резистора 28.функциональный преобразователь 23моделирует зависимость 8 =Г(Ка-К ),Таким образом, пройдя через функциональный преобразователь импульсов,преобразуется в М импульсов,55 И =6. (18) 1 Ко 2ц =О,Цэ Цвх+Дцл фТ(Ц,+ д, ) /(К//К,),(8)(11) где К, К, - сопротивление резисторов соответственно 4 и29. Для нормальной работы устройства источник 1 опорного напряжения и источник 14 напряжения смещения должц =-( - + - +).Коо+Ь,+ с ь (4)Кгде ц ц ; цэ - напряжение на соответствующих входахусилителя-сумматора 20Ьо - эквивалентный дрейфусилителя-сумматораЬо - эквивалентное напряжение смещения оттермоЭДС, возника-,ющих в соединительных линиях.Учитывая, что при трехпроводном подключении термореэистивного преобразователя 9 ЗО 35 сопротивление первого токового провода 5;сопротивление второго токового провода;эквивалентный дрейф второ-г 40 го операционного усилителя 10,напряжение на инвертирующем входе первого операционного усилителя 3,45эквивалентнйй дрейф первого операционного усилителя при четырехпроводном подключении.(13)Нгде Ко - сопротивление резистора 31.ооУчйтываЯ, что цвх в пеРвом циклепринимает значение О, а во второмц и подставив в выражение (2) зна(91 (41чение ц ц и ц, при этих значенияхцл, получимны быть противоположной полярности. Значение Оопределяют из соотношения(19) 5Йо, / Пвых, макс ф11 , , - выходное напряжениеусилителя-сумматорапри КрБлок управления кроме изначальнойустановки схемы управления коммутатором 15 и переключателем 2, формирования по частоте генератора 19временного интервала Т, фиксации срабатызания нуль-органа 17 и переходачерез нуль реверсивного счетчика 25,управления селекторами 21 и 22, обеспечивает определение знака измеряемой температуры. Знак измеряемойтемпературы определяется полярностью 20онапряжения П . Если 90 С илиКК 0, тогда ПвыкО илит,е. во втором цикле преобразованиянуль-органа 17 срабатывает после перехода через нуль реверсивного счетчика 25, что зафиксирует блок 20 определения полярности и покажет знакПри 6)0 С, Ко )К, Уьь,ъ О,И с И т.е. нуль-орган 17 сработает до перехода через нуль реверсивного счетчика 25, и блок определения полярности покажет "+"Блок 18 управления работает следующим образом.Делитель частоты 32 по частоте Г 35генератора счетных импульсов формирует импульсы с периодом слеДованияТ. Кольцевой счетчик 33 циклическиформирует шесть сдвинутых во времениимпульсов длительностью Т. По переднему фронту первого и четвертого импульса на выходе второго импульсноготрансформатора 46 формируется сигналначала первого такта интегрирования,второго и пятого импульса на выходе 45третьего импульсного трансформатора47 - сигнал начала второго тактаинтегрирования, шестого импульса через первый импульсный трансформатор45 - сигнал начала первого циклапреобразования, Эти сигналы фиксируются первым 34, вторым 35 и третьим36 КБ-триггерами. Четвертый КБ-триггер 37 Фиксирует срабатывание нульоргана 17. Второй 35, третий 36 ичетвертый 37 КБ-триггеры сбрасываются в нуль сигналом установки в единицу следующего после него триггера,Первый триггер 34 сбрасывается в нуль сигналом срабатывания нуль-органа. Выходной сигнал первого КБ- триггера 34 управляет переключателем 2, второго 35, третьего 36 и четвертого 37 КБ-триггеров - работой коммутатора 15. Замыкание ключей коммутатора 15 производится единичным уровнем на выходе второго 35, третьего 36 и четвертого 37 КБ-триггеров. Второй КБ-триггер 35 задает время интегрирования выходного напряжения усилителя-сумматора 13 и источника 14 напряжения смещения, третий 36 - подключение источника 1 напряжения до момента срабатывания нуль-органа 17, четвертый 37 - обнулению интегратора 16 до начала первого такта преобразования. Обнуление интегратора 16 производится путем подключения выхода нуль-органа 17 к входу интегратора 16 через коммутатор 15, Выходной сигнал четвертого импульсного трансформатора 48, свидетельствующий о срабатывании нуль-органа, и сигнал перехода через нуль реверсивного счетчика 25 фиксируются путем сброса в нуль соответственно пятого 38 и шестого 39 КБ-триггеров. Очередность их срабатывания фиксируется Э-триггером 40 путем записи в него состояния триггера 38 в момент прохождения сигнала перехода через нуль реверсивного счетчика 25. Таким образом,.0при 9 ) 0 С на выходе Р-триггера устао новится нулевой уровень, а при 9 сО С- единичный. Выход П-триггера служит для определения знака и управления функциональным преобразователем 23, Команду разрешения прохождения импульсов с генератора 19 на суммируюп,ий вход реверсивного счетчика по состоянию пятого КБ-триггера 38 и второго выхода кольцевого счетчика формирует третий элемент И 51. Команду разрешения прохождения импульсов на вычитающий вход реверсивного счетчика 25 до момента его обнуления формирует элемент И 52, Сумматор по модулю два 53 анализирует состояние пятого 38 и шестого 39 КБ-триггеров. При несовпадении их состояний элемент 53 переходит в единичное состоя- ние, что во втором такте второго цикла преобразования служит сйгналом разрешения прохождения импульсов с генератора 19 на функциональный преобразователь 23.Функциональный преобразователь (ФП) 23 может быть выполнен по схеме, приведенной на фиг.5, Он содержит двоичный умножитель 56 частоты, счетчик 57 длины участка аппроксимации, 5 формирователь 58 импульсов, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 59 и счетчик числа участков аппроксимации 60 Функциональный преобразователь 23 осуществляет кусочно-линей ную аппроксимацию зависимости 6 Г(К-К ), Аппроксимация производится по программе, записанной в ПЗУ. В ПЗУ записаны коэффициент преобразования И; длительность М каждого15 участка аппроксимации. Значение И устанавливает коэффициент преобразования двоичного умножителя 56 частоты, а И устанавливает в счетчикеР57 длительность участка аппроксима ции, Последовательность импульсов, соответствующая результату преобразования (К-К ) в цифровой код И, поступает йа умножитель 56, где делится на коэффициент К. Импульсы с выхода умножителя 5 поступают на индикацию и счетчик длительности участка аппроксимации. При переходе счетчика 57 через нуль на его выходе формируется импульс, который приводит к увеличению на единицу содержимого счетчика 60, т.е, изменению адреса выборки содержимого ПЗУ. На выходах ПЗУ устанавливается следующее значение И , и И,; , По заднему 35 фронту импульса, приходящего в счетчик 57, формирователь 58 импульсов формирует импульс предустановки счетчика 57. В результате в счетчике 57 записывается код Ив; . При началь ной установке счетчик 60 сбрасывается в нуль, а в счетчике 57 записывается код И , При начальной уста 3 Фновке счетчик 60 сбрасывается в нуль, а в счетчике 57 записывается код И . 5 При начальной установке счетчик 60 сбрасывается в нуль, а счетчик 57 записывается код М - длительности первогоЭучастка аппроксимации. Алгоритмы аппроксимации для температур выше и 50 ниже 0 С устанавливаются путем выборки соответствующих областей ПЗУ подачей на старший разряд адреса 0 при ЮОС и 1 прид 0 С.Формула изобретения 1. Цифровой измеритель температуры, содержащий образцовый резистор,терморезистивный преобразователь,соединенный с потенциальными и токовыми проводами линии связи, электронный переключатель, первый неподвижный контакт которого соединен с общей шиной измерителя, коммутатор, первый и второй входы которого подключены соответственно к выходамусилителя-сумматора и источника напряжения смещения, а выход через последовательно соединенные интегратор и нуль-орган подключен к первому входу блока управления, второй вход которого соединен с выходом реверсивного счетчика, а выходы подключены соответственно к управляющим входам электронного переключателя, коммутатора, первого и второго селекторов, блока определения полярности,цифрового отсчетного устройства и функционального преобразователя, выход которого подключен к входу цифрового отсчетного устройства, а вход соединен с выходом первого селектора, вход которого подключен к выходу генератора опорной частоты, соединенному с третьим входом блока управления и входом второго селектора, выходы которого подключены к суммирующему и вычитающему входам реверсивного счетчика, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности измерения путем уменьшения ошибки измерения, вызванной нестабильностью элементов измерителя, в него введены два операционных усилителя, источник опорного напряжения и два механически связанных переключателя, первые неподвижные контакты которых подключены соответственно к выходам первого и второго операционных усилителей, вторые неподвижные контакты соединены соответственно с первым потенциальным проводом и общей шиной измерителя, а подвижные. контакты подключены соответственно к первому и второму входам усилителя-сумматора, третий вход которого соединен с неинвертирующим входом первого операционного усилителя и средней точкой его источника питания, подключенной через образцовый резистор к общей шине измерителя, соединенный с первым выводом источника опорного напряжения, второй вывод которого подключен к третьему входу коммутатора и второму неподвижному контакту электронного перекпючателя, подвижный кон12 ЗОЗЯ 49 Н коюиуп 7 Н лереклю Фиг. такт которого соединен с инвертируищим входом первого операционного усилителя, выход которого соединен с первым токовым проводом терморезистивного преобразователи, второй токо вый провод которого соединен с выходом второго операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соеди - нен с общей шиной измерителя, а инвертирующий вход подключен к второму 10 потенциальному проводу термореэистивного преобразователя, при этом четвертый вход коммутатора соединен с выходом нуль-органа.2. Измеритель температуры по п.1, 15 о т л и ч а ю щ и й с я тем, что усилитель-сумматор содержит два операционных усилителя, три постоянныхи один переменный резистор, причемпервый вход усилителя сумматора соединен с неинвертирующим входом первого операционного усилителя, инвертирующий вход которого соединен сего выходом и через первый постоянный резистор подключен к инвертирующему входу второго операционногоусилителя, соединенному через переменный и второй и третий постоянныерезисторы соответственно с вторыми третьим входами усилителя-сумматора и его выходом, соединенным с выходом второго операционного усилителя, неинвертирующий вход которогосоединен с общей шиной измерителя.1303849Рг Рт эг 4 т ют дг 7 т хт зт 4 т х ж 4 ъа Ф тель В.КуликовЛ,Сердюкова Корректор Л.Патай Соста Техре Редак га Заказ 1296/40 лиграфическое предприятие, г.уж ул.Проектная,4 зводственно Тираж 777 ВНИИПИ Государственног по делам изобретен 113035,.Москва, Ж, Подписноекомитета СССРи открытийаушская наб., д. 4/5