Цифровой измеритель температуры

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИКРг)5 с 01 к 7/02 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ Н АВТОРСН СВИДЕТЕЛЬСТВ ля то ГОСУДАРСТ 8 ЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(46) 30.04.90, Бнл. Р 16 (71) Львовский политехнический институт им. Ленинского комсомола и Мукачевский приборостроительный завод "Мукачевприбор"(56) Авторское свидетельство СССР Р 1130748, кл. С 01 К 7/12, 1983.Авторское свидетельство СССР М 1242725, кл, С 01 К 7/02, 1984. (54) ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ТЕМПЕРАТУР (57) Изобретение относится к температурным измерениям и позволяет повысить надежность цифрового измеЯО 1560987 А 1 рителя. На входы преобразователя напряжения в интервал времени (ПНИВ) 5 поступают напряжения с выходов источ" никанапряжения смещения, источника 6 образцового напряжения, компенсационного устройства 4 и усилителя 3, на вход которого поступает через переключатель 2 полярности сигнал с термоэлектрического преобразовате(ТП) 1. ПНИВ 5 совместно с генераром 9 опорной частоты, селекторами 11, 12, блоком 8 управления и реверсивным счетчиком 1 О осуществляет преобразование поступающих напряжений в числоимпульсный код, пропорциональный температуре ТП 1, который поступает через функциональный преобразователь 14 в отсчетное устройство 15. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.= 0 гд эй Изобретение относится к техникетемпературных измерений и может бытьиспользовано при построении простыхщитовых цифровых измерителей температуры, работающих в комплекте с термоэлектрическими преобразователями.Цель изобретения - повышение надежности цифрового измерителя температуры, 10На фиг. 1 приведена структурнаяСхема цифрового измерителя температуры на фиг2 - схема преобразователя напряжения в интервал времени;на фиг,3 - схема компенсационного 15устройства; на фиг,4 - схема блокауправления и его подключение к цифровой части прибора; на фиг,5 - блоксхема функционального преобразователя. 20Цифровой измеритель .температурысодержит термоэлектрический преобразователь (ТП) 1, переключатель 2полярности (ПП), усилитель 3, компенсационное устройство (КУ) 4, преобразователь 5 напряжения во временнойинтервал (ПНВ), источник 6 образцового напряжения (ИОН), источник 7 напряжения смещения (ИНС), блок 8 управления (БУ), генератор 9 опорнойчастоты (ГОЧ), реверсивный счетчик(РСч) 10, первый 11 и второй 12 селекторы, блок 13 индикации полярности, функциональный преобразователь14 и цифровое отсчетное устройство 15.35ПНВ 5 содержит коммутатор 16, повторитель 17 напряжения, интегрирующие резистор 18 и конденсатор 19,усилитель 20 интегратора и нуль-ор 40ган 21. Первый и второй входы ПНВ 5через первый и второй ключи коммутатора 16 подсоединены к входу повторителя 17 напряжения, неинвертирующий вход усилителя 20 интеграторасоединен с инвертирующим входом нульоргана 21 и служит третьим входомПНВ 5, Выход нуль-органа 21 черезтретий ключ коммутатора 16 подсоединен к входу повторителя 17 напряжения и служит выходом ПНВ 5, Управляющий вход коммутатора 16 яв. ляется управляющим входом ПНВ 5,КУ 4 содержит переключатель 22,выход которого подсоединен .к неинвертирующему входу усилителя 23, Инвертирующий вход усилителя 23 подключен к точке соединения эмиттерапервого транзистора 24 и образцового резистора 25, второй вывод которого подключен к общей шине устройства, База транзистора 24 соединена с выходом усилителя .23, а коллектор транзистора 24 через первый нестабилизированный источник 26 напряжения подключен к первой вершине диагонали питания моста компенсации, вторая вершина .этой диагонали соединена с эмиттером транзистора 27. База транзистора 27 подсоединена к выходу усилителя 28, а коллектор через второй нестабилизированный источник 29 напряжения - к четвертому входу КУ 4Инвертирующий вход усилителя 28 подключен к первой вершине выходной диагонали моста, неинвертирующий вход усилителя 28 соединен с общей шиной устройства, Вторая вершина выходной диагонали моста служит выходом КУ 4, В одной паре противоположных плеч моста расположены термочувствительные резисторы 30 и 31 с линейной зависимостью сопротивления от температуры, а в другой паре плеч - термонезависимые резисторы 32 и 33, Это дает возможность с помощью КУ 4 моделировать термо-ЭДС ТП в области изменения температур их свободных концов.Сопротивление одного из термояезависимых резисторов должно быть в и раз больше, а другого - в и раз меньше сопротивления термочувствительных резисторов при температуре о0 С, При этом величину и определяют из уравнения температурныи ко фициент сопротивлениятермочувствительныхрезисторов;значечия температурсвободного спая ТП впределах диапазона ихизменения;значения ЭДС ТП стайдартной градуировки притемпературах С,исоответственно.15 К ус16 ф( к)ф 55 где К - коэФфициент усиления усилителя 3;1 д - термо-ЭДС ТП; БУ 8 содержит делитель 34 частоты, кольцевой счетчик 35, элементы ИЛИ 36-39, КБ-триггеры 40-45,-триггер 46, импульсные трансформаторы 47-50, элементы И 51-54 иэлемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 55.Первый селектор 11 выполнен наэлементах И 56 и 57.Функциональный преобразователь 1014 содержит двоичный умножитель 56частоты, счетчик 57 длины участкааппроксимации, Формирователь 58импульсов, постоянное запоминающееустройство (ПЗУ) 59 и счетчик 60числа участков аппроксимации,Цифровой измеритель температурыработает следующим образом.Перед измерением рабочий слайТП 1 помещают в среду, температуру 20которой необходимо измерить,а вместе подключения свободных концовТП располагают термочувствительныерезисторы 30 и 31.Цикл измерения состоит из двух 25циклов преобразования, каждый из которых состоит из трех тактов, В конце предыдущего цикла измерения ФП 14и ЦОУ 15 обнуляются (устанавливаются в исходное состояние) . В каждом 30цикле преобразования входное напряжение по методу двухтактного интегрирования преобразуется в числоимпульсный код. Результат измеренияопределяется по методу коммутационного инвертирования как разностьдвух результатов двухтактных преобразований, проведенных при противоположных полярностях входного напряжения. 40Каждый цикл преобразования состоит из трех тактов. В первом тактепроисходит установка начального уровня напряжения на интегрирующем конденсаторе 19, Это осуществляется приразомкнутых первом и втором и замкнутом третьем ключах коммутатора 16.При этом на конденсаторе 19 запоминается напряжение смещения 0 НО 21.Во втором такте происходит зарядконденсатора 19 входным напряжениемусилителя 3. В цикле коррекции выходное напряжение усилителя 3- эквивалентное напряжениечсмещения, приведенное квходу прибора;- эквивалентное напряжениексмещения КУ 4.При этом в = к - Д -- +д Бс +з Р 1 К 1+)э 1+1 К 2 э(блок 7);К - сопротивление токозаЧдающего резистора 251эквивалентное напряжение смещения и коэффициент передачи усилителя 23;р - коэффициент усилениятранзистора 24;4 - эквивалентное напряже 23ние смещения усилителя 28,К концу второго такта выходное напряжение интегратора Кк Ц Бус-Цсд+еч+еп Т и Т) = Цно сдр где = К С,постоянная времени интегрирующей цепи, соответственно соК 1 э)С ц пр отивле ние и емкость резистора 1 8и конденсатора 1 9 ;эквивалентные наеи еп пряжения смещения повторителя 17 и усилителя интегратора 20;время заряда конденсатора 19. В третьем такте происходит разряд конденсатора 19 до значения напряжения Б , + Б. В этот момент ПНВ 5 переводится в такт установки начального уровня. От начала третьего такта до момента срабатывания НО 21 на протяжении отрезка времени й БУ 8х разрешает прохождение импульсов ГОЧ 9 частотой й через селектор 11 на вычитающий вход РСч 10.)где Е - напряжение ИОН 6.оВ цикле измерения в код преобразуется выходное напряжение усилителя 3 11= Ку,(еа+ йс,+ йк+ Пк)Ео д 1" "= " к, +р Т 7 к1 ОНапряжение 11 с преобразуется винтервал времениии Ц.с - Псз + еи+ еп Тх Е - е - ео и иС началом третьего такта циклаизмерения БУ 8 разрешает импульсам,ГОЧ 9 проходить через селектор 11 20,на суммирующий вход РСч 10, В момент,перехоДа РСч 10 через нуль по еговыходному сигналу БУ 8 прекращаетподачу импульсов ГОЧ 9 на селектор11 и разрешает их прохождение через 25селектор 12 на ФП 14, Таким образомпроисходит вычитание в реальноммасштабе времени из длительности инитервала йдлительности интервалакСи формирование интервала времение пропорционального ре изультату измерения, По моменту срабатывания НО 21 в цикле измеренияпрекращается формирование интерваловвремени Си 1соответственно,и кУ усТК ус(е р + 11 к)Т,Е - е - ео и иЕ - е - еи иПо моментам перехода НО 21 и РСч 40 10 через нуль в БУ 8 определяют полярность измеряемого напряжения, Если первым через нуль переходит РСч 10, а вторым НО 21, то БИП 13 пока - жет знак "+", если наоборот - то Соответственно по этому сигналу в ФП 14 подключается схема линеаризации положительных либо отрицательных температур,В ФП 14 происходит преобразование ,количества импульсов М к = СГО, про 50 порциональных измеряемои термо-ЭДС ТП е= й(Я), в количество импульсов 11= Е М,пропорциональное измеряемой температуре Ц= ч"(еВ), где Р - коэффициент преобразования ФП 14.55 Аппроксимация производится по программе, записанной в ПЗУ 59. В ПЗУ 59 записаны коэффициент преобразования 878И . на каждом участке аппроксимациии длительность М ; каждого участка,Код И ; устанавливает коэффициентпреобразования умножителя 56 частоты,а код Ио; устанавливает в счетчике57 длительность участка. Числоимпульсный код И поступает на умножи -тель 56, где делится на коэффициентЕ, . С выхода умножителя импульсыпоступают в ЦОУ 15 и на счетчик 57,При переходе счетчика 57 через нульна его выходе формируется импульс,который приводит к увеличению наединицу содержимого счетчика 60, т,е,изменению адреса выборки ПЗУ. Навыходах ПЗУ 59 устанавливаются следующие значения Б ., и К ; По заднему фронту импульса, приходящего всчетчик 57, формирователь 58 формирует импульс разрешения предварительной записи, по которому в счетчик 57 записывается код М . Прио 1установке ФП 14 в исходное состояниесчетчик 60 сбрасывается в нуль, а всчетчике 57 записывается код Х длительности первого участка аппроксимации, Алгоритмы аппроксимации длятемператур выше и ниже О С устанавливаются путем выборки соответствующих областей ПЗУ подачей на старший разряд адреса 0 при)О С и 1при Ц ( ОС,Компенсационное устройство работает следующим образом.Переключателем 22 подают на входстабилизатора тока (элементы 23-26)напряжение 11 с в цикле коррекции,либо Е + Пс в цикле измерения,оНестабилизированный источник 26напряжения служит для обеспеченияактивного режима работы транзистора24, Резистор 25 служит опорным элементом стабилизатора токаПреобразователь 28 ток - напряжение преобразует плавающее падение напряженияна мосте в напряжение, отсчитываемое относительно общей шины устройства, Нестабилизированный источник29 напряжения служит для задания активного режима работы транзистора27, Ток питания моста компенсациизамыкается только через источники26 и 29, транзисторы 24 и 27 и резистор 25. Это позволяет значительно упростить реализацию КУ 4 по1сравнению с прототипом без ухудшенияметрологических характеристик прибора в целом. 1 ля уменьшения влияния50 на результат измерения коэффициентаусиления р транзистора 24 он можетбыть выполнен по схеме составноготранзистора, В предлагаемом устройст-.ве практически без методической погрешности моделируется термо-ЭДС ТПв области изменения температуры СК.Кроме этого, исключена АСП, вызванная влиянием активных элементов КУ,контактными ЭДС и токами утечки ис 10точников питания,ЬК 8 работает следующим образом.Делитель 34 частоты по частоте КГОЧ 9 формирует импульсы с периодомТ, Кольцевой счетчик 35 формирует15шесть сдвинутых по времени импульсов длительностью Т. По переднемуфронту первого и четвертого импульсов на выходе второго импульсного 20трансформатора 41 формируется сигналначала второго такта каждого цикла,второго и пятого импульсов на выходетретьего импульсного трансформатора 49 - сигнал начала третьего такта, шестого импульса через первыйимпульсный трансформатор 47 - сигналначала первого цикла преобразования,Эти сигналы формируются КБ-триггерами 40-42. КБ-триггер 43 фиксируетсрабатывание НО 21, КБ-триггеры 4 143 сбрасываются в "0" сигналом установки в "1" следующего после него.триггера. Триггер 40 сбрасывается в"0" сигналом срабатывания НО,Выходной сигнал триггера 40 управляет ПП 2 и переключателем 22КУ 4, а триггеров 41-43 - работойкоммутатора 16 ПНВ 5, Замыкание ключей коммутатора 16 производится единичным уровнем на выходах триггеров 41-43. Триггер 41 задает времязаряда интегрирующего конденсаторанапряжением.Ус, триггер 42 - времяинтегрирования опорного напряжения Ео до момента срабатывания НО,триггер 43 вырабатывает сигнал установки начального уровня интегратора. Выходной сигнал импульсноготрансформатора 50, свидетельствующий о срабатывании НО, и сигнал перехода через нуль РСч 10 фиксируютсяпутем сброса в нуль КБ-триггеров 44и 45, Очередность их срабатыванияфиксируется В-триггером 46 путем55записи в него состояния триггера 44в момент прохождения сигнала перехода через нуль РСч 10Таким образом, при) 0 С на выходе В-триг гера 46 устанавливается нулевой уровень, а приОС - единичньй,Выход В-триггера 46 служит для индикации знака в БИП 13 и управленияФП 14, Команду разрешения прохождения импульсов с ГОЧ 9 на вычитающийвход РСч 10 по состоянию КБ-триггера44 и второго выхода кольцевого счетчика формирует элемент И 53, Командуразрешения прохождения импульсов насуммирующий вход РСч 10 до моментаего обнуления формирует элемент И 54,Сумматор по модулю два 55 анализируетсостояние КБ-триггеров 44 и 45, Принесовпадении их состояний элемент 55переходит в единичное состояние, чтов третьем такте второго цикла преобразования служит сигналом разрешенияпрохождения импульсов с генератора 9через селектор 12 на ФП 14,Формула изобретения 1. Цифровой измеритель температуры, содержащий термоэлектрический преобразователь, подключенный к входам переключателя полярности, первый выход которого соединен с первым входом усилителя, источник напряжения смещения, источник опорного напряжения, первый вывод которого соединен с первым входом компенсационного устройства и вторым входом преобразователя напряжения в интервал времени, выход которого подключен к первому входу блока управления, второй вход которого соединен с выхо-дом генератора опорной частоты и первыми входами первого и второго селекторов, реверсивный счетчик, входы которого соединены с выходами первого селектора, а выход подключен к третьему входу блока управления, первый выход которого соединен с управляющими входами компенсационного устройства и переключателя полярности, второй выход подключен к управляющему входу преобразователя напряжения в интервал времени, третий и четвертый выходы соединены соответственно с управляющими входами первого и второго селекторов, пятый выход соединен с третьим входом первого селектора, а шестой выход подключен к управляющим входам блока индикации полярности и функционального преобразователя, вход которого соединен с выходом второго селектора, выход подключен к входу цифрового отсчет 1560987 12ного устройства, а управляющий входсоединен с управляющим входом цифрового отсчетного устройства и седьмымвыходом блока управления о т л и 5ч ающий ся тем, что, с цельюповышения надежности, первый выводисточника напряжения смещения подключен к общей шине измерителя, авторой вывод. соединен с вторым выводом источника опорного напряжения,вторым входом компенсационного уст ройства и третьим входом преобразователя напряжения в интервал времени,первый вход которого соединен с выходом усилителя, второй вход которогоподключен к общеч шине измерителя,соединенной с четвертым входом компенсационного устройства, третий входкоторого соединен с вторым выходом 20переключателя полярности,2. Измеритель по п.1 о т л ич а ю щ и й с я тем, что компенсационное устройство содержит два операционных усилителя, образцовый резистор, мост компенсации, два транзистора, два дополнительных источниканапряжения и переключатель, первый ивторой входы которого соединенысоответственно с первым и вторым вхо- ЗО дами компенсационного устройства,управляющий вход соединен с управляющим входом компенсационного устройства, а выход - с неинвертирующимвходом первого операционного усилителя, инвертирующий вход которогоподключен к точке соединения змиттера первого транзистора и первоговывода образцового резистора, а выход подключен к базе первого транзистора, коллектор которого черезпервый дополнительный источник напряжения подключен к первой вершинедиагонали питания моста компенсации,вторая вершина которого соединенас эмиттером второго транзистора, базакоторого соединена с выходом второгооперационного усилителя, а коллектор через второй дополнительный источник соединен с четвертым входомкомпенсационного устройства, вторымвыводом образцового резистора и неинвертирующим входом второго операционного усилителя, инвертирующийвход которого соединен с первой вершиной выходной диагонали моста компенсации, вторая вершина выходнойдиагонали которого является выходомкомпенсационного устройства,1560987 еда ри ГКНТ СССР тв 1 роизводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул. Гагарина, 10 Заказ 973 ЙНИИПИ Гос Составитель В, Куликов Л, Пчолинская Техред Л.Сердюкова Корректор М. СамборсТираж 510 Подписное ного комитета по изобретениям и открытия 035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5