Устройство для измерения температуры

Союз СоветсникСоциапистическикРеспубпии ОП ИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ и 870980(51)М. К.ч, 6 01 К 724 3 Ъоударствеиный комитет СССР лв делам изобретеиий и открытий(72) Авторы изобретен и Сач ко оздняков и сово Тернопольский фина и Специальное конс труктор боростр АН Укра(71) Заявители еофизического пр институтнской ССР-:- .,4) УСТРОЙСТВ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУ ен также цифуры, содержащитермометр, п И етение о овои измерител зве й т юзлект-температ рический входу ав постоянн термоэле я температур измерителям цией нелиней чного измери ерени овым пенс перв ключенныи ко нсаторальныйтр, зашунвключенныкомп тическ нит оме ого тока, доп ктрический те я последоват льн тирован хордом, двии связан ссатора, и цифпротивлением и оторого механичесом реохорда компевольтметр 1 2фровои вольметрной цепи автомати ж и одключен кеского компен вых меренняеделяетс чность сатора, поэт температуры, классом точи пенсатора, т цифровых вол в основном комтоматичес класс точ т стиачиа ел в обычно вьппе. Наибо близким по ехнической результату измерения и достигаемому устройство для ры, содержащее преобразовател сущности является термоэлектемперат ический томат осится к области изы, а точнее к цифтемпературы с комности характеристикительного преобразователя,Известно устройство для измерениятемпературы, содержащее измерительныймост, в одно плечо которого включентермометр сопротивления, усилительразбаланса, реверсивный двигатель,причем три плеча моста образованытремя постоянными резисторами ивключенными между ними двумя реохордами, движки которых механически свя-.заны между собой и двигателем 1 1,Недостатком устройства является точто погрешность выходного сигнала(степень его линейности) определяется классом точности моста, посколькуреохорды служат для компенсации разбаланса, вызванного изменением сопротивления термометра сопротивленияпри изменении температуры. ономическ и институт ко-техно гическое бюро, ения физ о-механического3 870980ческий компенсатор постоянного тока,цифровой милливольтметр, формирователь корректирующего напряжения, состоящий из источника стабилизированного напряжения и четырех реохордов,механически связанных с основнымреохордом автоматического компенсатора 3.Низкая точность измерения темпера.туры. данным устройством также обусловлена классом точности автоматического компенсатора постоянного тока.Это объсняется тем, что линеаризацияизмерительного сигнала осуществленав цепи автоматического компенсатора,15в которую включен цифровой милливольтметр.Целью изобретения является повышенная точность измерения температурыв широком диапазоне путем сниженияпогрешности нелинейности.20Поставленная цель достигается тем,что в устройство введены дополнительный формирователь корректирующегонапряжения, два источника постоянного смещения и два масштабируюшихпреобразователя, причем термоэлектрический преобразователь, соединенный последовательно с первым источником постоянного смещения, подключен ко входу первого масштабирующего преобразователя, к выходу которого подключена цепь из параллельносоединенных входов цифрового милливольтметра и второго масштабирующегопреобразователя, последовательно скоторой соединены первые из парывыходных реохордов основного и допол нительного формирователей корректирующего напряжения, каждый из которыхсостоит из двух пар реохордов, движки 40которых механически соединены с основным реохордом компенсатора и электрически попарно соединены между собой. Движки выходных реохордов электрически соединены с крайним выводомпервого из пары выходных реохордов,к второму крайнему выводу которогопоследовательно с источником постоянного напряжения и добавочным резистором подсоединены второй выходнойреохорд и два токоведущих реохорда,к выходу второго масштабирующегопреобразователя подключены последовательно соединенные второй источникпостоянного смещения и автоматичес 55кий компенсатор постоянного тока,35 На фиг. показана структурная схема устройства для измерения тем пературы на Фиг.2,3 - графики зависимостей напряжений и погрешностей линейности от температуры.Устройство содержит термоэлектрический преобразователь , автоматический компенсатор постоянного тока 2, цифровой милливольтметр 3, источники стабилизированного напряжения 4,5 и четыре реохордз 6,7,8 и 9, составляющие основной формирователь корректирующего напряжения. Дополнительный формирователь корректирующего напряжения включает реохорды 10,11,12,13. В обоих формирователях первая пара реохордов является выходной, формирующей напряжение требуемой формы, а вторая пара реохордов является токозадающей. Питание обоих формирователей осуществляется от источников постоянного напряжения 4 и 5, последовательно с которыми включены добавочные резисторы 14 и 15 Устройство содержит также источники постоянного смещения 16 и 17 и масштабирующие преобразователи 18 и 19, необходимые для промежуточных преобразователей измерительного сигнала. Устройство работает следующим образом.Выходной сигнал первичного измерительного преобразователя - термоэлектрического преобразователя 1-Е(й) поступает на вход масштабирующего преобразователя 18, предварительно просуммированный с постоянной ЭДС Е источника постоянного смещения 16. На выходе масштабирующего преобразователя измерительный сигнал представпяет собой номированное напряжение Е й) - постоянное напряжение,4 фвеличина которого в милливольтах равна значению температуры рабочего спая термоэлектрического преобразователя в градусах Цельсия, деленному на 100. Эта зависимость строго выполняется для двух точек - в начальной и конечной температурах диапазона. На промежутке между верхней и нижней температурами рабочего диапазона устройства имеет место погрешность, обусловленная погрешностью линейности термоэлектрического преобразователя. Функцию, связываюшую измерительный номированный сигнал на выходе масштабирующего преобразователя с термоэдс, термоэлектрического преобразователя, можно записать в виде 870980 6может быть связан со значением температуры следующим соотношением;)К 1где Е =постоянное напряжение источника. 16:К - постоянный коэффициент масш-.табирования преобразовате пя 18.Описанное преобразование измерительного сигнала иллюстрируют графики, показанные на фиг.2 а,б.Как видно из фиг. 2,б, прербразованный измерительный сигнал Е (й) отличается от линейно зависящего от температуры сигнала 0(й) навеличину погрешности линейностиКорректирующее напряжение, зависящее от температуры таким же образом, как и значение погрешности ЬО,(С),получают основным формирователемкорректирующего напряжения, которыйсостоит из двух пар реохорда, движки которых механически соединеныс основным реохордом автоматическогокомпенсатора постоянного тока 2.Электрически движки реохордов попарно соединены между собой. Движки выходных реохордов электрически соеди 35иены также с крайним выводом первогоиз пары выходных реохордов, к второму фкрайнему выводу которого последовательно с источником постоянногонапряжения 4 и добавочным резистором14 подсоединены второй выходной реохорд 7 и два токозадающих реохорда8 и 9. Напряжение на выходе основного формирователя корректирующегонапряжения зависит от температуры45следующим образом:Е 4 КЫО- )К+ м Я-й)где Е 4 - ЭДС источника постоянногостабилизированного напряжения 4;В,1 - сопротивление добавочногорезистора 14:Ы - безразмерный коэффициент,55апределяющий величину. отклонения движков реохордов открайнего положения в абсолют".ных единицах о, =01) и 6 б ф 4где й - начальнаяй - конечная температура рабочего диапазона устройстваl- текущее значение темпе 1 атуры.Иэ приведенной выше зависимости и графика, показанного на фиг.2 в видночто при крайних положениях движков реохордов, т.е. в начальной и конечной точках рабочего диапазона устройства, корректирующее напряжение 0,1(Ф) на выходе основного формирователя равно нулю, а при двух произвольно выбранных значениях температур, в пределах рабочего диапазона, зто напряжение точно равно значению абсолютной погрешности линейности Ы 3(й),График зависимости остаточной погрешности линейности после коррекции измерительного сигнала напряжением на выходе основного формирователя показан.на фиг.З а.Как видно из графика, остаточная йогрешность линейности равна нулю при четырех значениях температуры - ,С 2 ф Р 6Для компенсации этой погрешностиР которая в средней части диапазона достигает значительных величин (см,фиг.З а), служит допалнительный формирователь корректирующего напряжения, реализующий на выходе корректирующее напряжение 0 (й). Величина этого напряжения такова, что оно равно остаточной погрешности линейности при двух значениях температуры в средней части рабочего диапазона температуры - при температурах й и й 4 (см.фиг.З б). На промежутках Й 1 Йи ЙС напряжение 0(й) равно нулю, поскольку на этих участках диапазона уровень остаточной погрешности достаточно мал (см.фиг.З а), и дальнейшее снижение не является необходимым. Напряжение Ор(й) может быть описано аналитически следующим образом.Ег 1(с г)(ов-)1 О 20 25 30 35 40 45 50 7 87 где Е в . ЭДС источника постоянногостабилизированного напряжения 5;Я 4- сопротивление добавочногорезистора 15 (а учетом изложенного выше допущения),Коэффициент, определяющий степень отклонения движков реохордов от крайнего положения К , имеет то же значение, что и для основного формирователя, так как все реохорды механически связаны между собой и с основным реохордом автоматического компенсатора постоянного тока 2.Выполнение дополнительного формирователя корректирующего напряжения аналогично выполнению основного формирователя. Единственное отличие состоит в том, что, крайние части пары выходных реохордов дополнительного формирователя (10,11) выполнены из материала с удельным сопротивлением, близким к нулю, а. средние части - из материала с высоким удельным сопротивлением. Границы проводящих крайних участков реохордов установлены совпадающими со значениями температуры 1 и й , т.е. протяженность первого проводурцего участка - от С 1 до й , затем - резистивная средйяя часть на промежутке от 1дои второй проводящий участок - от С .до йб. Это требование может выполняться только для левой ветви реохорда 10 и правой ветви реохорда 11 (см,фиг.1), поскольку правая ветвь реохорда 10 при отклонениях движка реохорда, соответствующих промежутку температур й 1, оказывается замкнутой перемычкой между движком реохорда и правым (по схеме) выводом, а левая ветвь реохорда 11 включена последовательно с токозадающими реохордами 12 и 13 и выполняет аналогичную выполняемой ими функцию. Поскольку коррвктирующее напряжение на выходе дополнительного формирователя О 0(й) при температурах йи йполностью компенсирует остаточную погрешность линейности (см.фиг.З б); измерительный сигнал О (С) после корЪрекции имеет нулевую погрешность ли" нейности при следующих значениях температуры 1 й 1, й ,й,й,С и 1, то есть в шести точках в пределах рабочего диапазона температуры (смфаг.З в), Это особенно важно для широких диапазонов температуры, в которых трудно обеспечить достаточную ли 0980 Б нейность измерители,но о сигнала, Оптимизацией распределения температурполной компенсации по рабочему диапазону можно достичь пренебрежимо малыхзначений погрешности линейности,Таким образом, преимуществомпредлагаемого устройства для измерения температуры является высокая степень линейности характеристики преобразования температуры в постоянноелинейно зависящее от температуры напряжение, что позволяет получить цифровой отсчет результата измерения непосредственно на табло цифрового милливольтметра 3 в градусах Цельсия.Параллельно цифровому милливольтметру 3 включен вход второго масштабирующего преобразователя 19, на выходе которого имеется напряжение,равное входному О, разделенномув К раз.Последовательно с выходом масштабирующего преобразователя 19 включены второй источник постоянного смещения 17 с ЭДС Е , направленной встречно выходному сйгналу масштабирующегопреобразователя, и вход автоматического компенсатора постоянного тока 2.Второй масштабирующий преобразователь9 совместно с источником постоянного смещения 17 выполняют функцию согласования диапазона напряжений на вхо"де цифрового милливольтметра с диапазоном входных напряжений автоматического компенсатора,Важным преимуществом устройстваявляется независимость точности измерения температуры цифровым милливольтметром 3 от класса точности автоматического компенсатора постоянноготока 2. Это обусловлено тем, что автоматический компенсатор связан только со схемой линеаризации, включающей основной и дополнительный формирователи корректирующего напряжения,общий (суммарный) корректирующий сигнал на выходе которой составляетмалую часть от основного измерительного сигнала (порядка 0,13). Такимобразом, погрешность автоматическогокомпенсатора ослабляется в 1000 рази поэтому является влияющей величиной второго порядка малости, которойпрактически можно пренебречь. Это позволяет использовать в пред 55лагаемом устройстве автоматический,самопишущий потенциометр низкогокласса точности, который одновременнос работой в системе линеаризации обеспечивает регистрацию температуры ваналоговой форме на ленте самописца.Результат измерения с высокой точностью считывается с табло цифровогомилливольтметра, а также в кодовойформе может вводиться в ЭВМ для дальнейшей обработки, а сравнительно менее точная запись на ленте служитпри этом для документирования измерительной информации.Устройство может быть использовано в полупроводниковой промышленности - для контроля и измерения температуры в диапазоне до 1300 С при прооведении технологических процессовдиффузии, окисления и эпитаксии припроизводстве интегральных микросхеми полупроводниковых приборов. Наличиекодового выхода измерительной информации позволяет при этом обеспечитьпрямой ввод информации в управляющуюЭВМ, что делает возможным созданиебавтоматической системы управлениятехнологическим процессом. Применение предлагаемого устройства на предприятиях полупроводниковой промышленности, таким образом, позволит на качественно новом уровне решать целыйряд производственно-технических задачи обеспечит тем самым значительныйтехнико-экономический эффект,Устройство для измерения температуры может быть использовано и во многих других отраслях промышленности,где необходимы точные измерения иконтроль температуры,Цифровая индикация результата измерения температуры непосредственнов градусах Цельсия даст возможностьповысить точность и быстродействиеизмерения, что особенно важно примноготочечном контроле температурыв производственных условиях.Формула изобретенияУстройство для измерения температуры, содержащее термоэлектрический преобразователь, автоматический компенсатор постоянного тока, цифровой милливольтметр, формирователь корректирующего напряжения, состоящий из источника стабилизированного напря 5 0ходу второго масштабирующего преобразователя подключены последовательносоединенные второй источник постоянного смещения и автоматический ком 45 50 В 381921, кл. 8 01 К 7/24, 19712. Авторское свидетельство СССРВ 280923, кл. 6 01 К 7/14, 19693. Авторское свидетельство СССРВ 32738 б, кл. 6 01 К 7/.10, 1970(прототип). 15 20 25 30 35 жения и четырех реохордов, механически. связанных с основным реохордом автоматического компенсатора, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения температуры в широком диапазоне путем снижения погрешности нелинейности, в устройство введены дополнительный формирователь корректирующего напряжения, два источника постоянного смещения и два масштабирующих преобразователя, причем термоэлектрический пре, образователь, соединенный последовательно с первым источниксм постоянного смещения, подключен ко входу первого масштабирующего преобразоаателя, к выходу которого подключена цепь из параллельно соединенных вхо- дов цифрового милливольтметра,и второго масштабирующего преобразователя, последовательно с которой соединены первые из пары выходных реохордов основного и дополнительного формирователей корректирующего напряжения, каждый из которых состоит из двух пар реохордов, движки которых механически соединены с основным реохордом компенсатора и электрически попарно соединены между собой, движки выходных реохордов электрически соединены с крайним выводом первого из пары выходных реохордов, к второму крайнему выводу которого последовательно с источником постоянного нап" ряжения и добавочным .резистором подсоединены второй выходной реохорди два токозадающих реохорда, а к выпенсатор постоянного тока. Источники информации,принятые во внимание при экспертизе 1, Авторское свидетельство СССР870980 Сос гавитель Н.Редактор О. Филиппова Техред А,АчЗаказ 3722712 ова гент", г. Ужгород, ул. Проектная НИИПИ Государст по делам изо 3035, Москва, ЖГирек 910 енного комитета ССре 1 1 й и открытий35, Раушская наб.,Корректор М,ШаПодписное