Цифровой измеритель температуры

ОП ИСАНИЕИЗОБРЕТЕН ИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскинСоциалистическиеРеспублик3 Ъеударетина(й квинтет СССР до делам нзобретеннй и открытнйОпубликовано 23.04,82. Бюллетень,1(1 е 15 Дата опубликования описания 2304.82о-.-; тъ: -Ю.В.Поздняков и А.А,СаченкоТернопольский финансово-экономический ин титут".и Специальное конструкторско-технологическое бторо= ,Физико-механического института АН Украинской ССР(54) ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ТЕМПЕРАТУРЫ Изобретение относится к температурным измерениям, а именно к устройствам для измерения температуры с компенсацией нелинейности характеристики первичного измерительного преобразователя./Известнэ устройство для измерения температуры, содержащее термопару и нуль-орган, являкщиеся элементами измерительной схемы, питаемой от ис- точника постоянного тока, в котором термопара и соединенный с ней параллельно нуль-орган включены в измерительную диагональ моста, двумя смежными плечами которого служит реохорд, движок которого является одной из вершин диагонали питания моста 111 .Однако недостаток устройства в том, что нуль-орган управляет полэум О ком реохорда посредством механической связи, поэтому погрешность нуль- органа прямо влияет на точность измерения температуры,. известен также цифровой измеритель температуры, содержащий термоэлектрический термометр, подключенный к входу автоматического компенсатора постоянного тока, дополнительный термоэлектрический термометр, зашунтированный последовательно вкпю" ченными сопротивлением и реохордом, движок которого механически связан с движком реохорда, компенсатора и цифровой вольтметр 21 . Однако погрешность измерения температуры данным устройством обусловлена в основном кпассом точности автоматического компенсатора. Это объясняется тем, что цифровой вольтметр соединен с выходной цепЪю автоматического компенсатора, класс точности которого значительно ниже класса точности цифрового вольтметра. Таким образом, точность измерения температуры прямо зависит от класса точности используемого в устройстве92253 автоматичес кого компенс а тора постоя нного тока.Известен также цифровой измеритель температуры, содержащий термоэлектрический термометр, подключенный к входу автоматического компенсатора постоянного тока, цифровойвольтметр, источник стабилизированного напряжения и два реохорда,связанные с основным реохордом автоматического компенсатора 13 .ПОгрешность измерения температурыданным устройством также определяется прежде всего классом точностиисполЬзуемого в нем автоматическогокомпенсатора постоянного тока. Поскольку линеаризация измерительногосигнала в указанном устройстве осуэществляется в цепи автоматическогокомпенсатора постоянного тока, в ко-торую включен цифровой вольтметр,точность измерения температуры ограничена низким классом точности автоматического компенсатора, Несмотряна то, что класс точности цифровыхвольтметров обычно гораздо выше класса точности автоматических компенсаторов, при таком включении цифрового вольтметра собственная погрешность автоматического компенсаторапрямо влияет на погрешность измерения температуры. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является устройство для измерения температуры, содержащее термоэлектрический преобразователь, автоматический компенсатор постоянного тока, цифровой милли 40 вольтметр, основной и дополнительный формирователи корректирукщего напряжения, каждый из которых состоит из источника стабилизированного нанряжения и четырех реохордов, механически связанных с основным реохордом ф автоматического компенсатора, два источника постоянного смещения и два масштабирующих преобразователя, причем термоэлектрический преобразователь, соединенный последовательно с первым ф источником постоянного смещения, подключен к входу первого масштабирующего преобразователя, к выходу которого подключена цепь из параллельно соединенных входов цифрового милли- вольтметра и второго масштабирукщего преобразователя, с которой последовательно соединены первые из пары вы 6ходных реохордов основного и дополнительного формирователей корректирующего напряжения, каждый из которыхсостоит из двух пар реохордов, движки которых механически соединеныс основными реохордом компенсатораи электрически попарно соединенымежду собой, движки выходных реохордов электрически соединены с крайним выводом первого из пары выходных реохордов, к второму крайнему выводу которого последовательно с источником постоянного напряжения и добавочным резистором подсоединены второй выходной реохорд и два токо- задающих реохорда, а к ныходу второго масштабирунщего преобразователя подключены последовательно соединенные второй источник постоянного смещения и автоматический компенсатор постоянного тока 4.Однако известное устройство также обладает недостаточной точностью за счет наличия остаточной погрешности, обусловленной нелинейностью выходной характеристики, составляющей 0,021% в диапазоне 7001300 С.Цель изобретения - расширение нижней границы диапазона измерений и повышение точности за счет снижения остаточной погрешности линейности.Поставленная цель достигается тем, что н известное устройство введены сумматор, аналого-циФровой преобразователь, предварительный усилитель постоянного тока, блок упранления И формирователей корректирующего напряжения и тустройств сравнения, причем выходы в Формирователей корректирукщего напряжения соединены со входами иустройств сравнения и с одними из входов блока управления, другие входы которого подключены к выходам т 1-1 устройств сравнения, а выход блока управления соединен с одним из входов сумматора, к другому входу которого подсоединен термоэлектрический преобразователь, при этом выход сумматора через предварительный усилитель постоянного тока соединен с входом автоматического компенсатора постоянного тока и входом аналого-цифрового преобразова .- теляНа Фиг. 1 показана структурная схема цифрового измерителя температуры, на фиг. 2 - принципиальная электрическая схема одного формирователя корректирующего напряжения,10 30 50 Й - номинальное сопротивление реохордов 9-112-1,В, - сопротивление добавочного резистора 14-1; 3. - безразмерный коэффициент, определяющий степень от клонепия движков реохордов от крайнего положения где -=01; й - начальная, й - конечная температура рабочего диапазона;,С - текущее значение температуры; А., А - значения отклонениядвижков реохордов, соответствующиеграницам проводящих участков на реохордах 9-1, 10-1.Очевидно, что выходное напряжениеформирователя равно нулю, когда движки его выходных реохордов находятся на проводящих участках. Это позволяет реализовать смещение корректирующих напряжений по оси температуры (фиг. 3, 6).,25Выходные напряжения двух последующих формирователей (Лиг, 1) подаются на устройство сравнения и навходы блока управления, Таким образом обеспечивается формированиесуммарного корректирующего напряжения О,(й). Например, когда выходноенапряжение первого корректирующегоформирователя Остановится равным выходному напряжению второго35корректирующего формирователя О (Ф) .устройство сравнения 8-1 подает вблок управления сигнал, который вызывает коммутацию входов блока управления с его выходом, в результате которой напряжение О снимается с выхода блока управления,а вместо него на выход подаетсяуже напряжение О(С), Таким образом, решается задача выделения45огибающей корректирующих напряжений формирователей 7-17-И, Огибающая, представляющая собой суммарное корректирующее напряжение(фиг, З,б) показана сплошной линией, а графики корректирующих напряжений формирователей - штрихами.Благодаря тому, что подгонкойкаждого формирователя корректиру 55ющего напряжения можно получить наего выходе напряжение, равное значе"ниям погрешности ЬО(г.) при двух, произвольно выбранных значениях температуры, суммарное корректирующеенапряжение будет равно погрешностилинейности аО при 2 ц значенияхтемпературы. Соответственно нри 2 пзначениях температуры остаточная погрешность линейности цифрового измерителя температуры определяется как также будет равна нулю.Это позволяет достичь высокойстепени линейности выходного сигнала цифрового измерителя температуры. 11 огрешность линейности устройства, таким образом, зависит исключительно от количества формирователей корректирующего напряжения,используемых в нем, и от выбора распределения рассматриваемой погрешности по рабочему диапазону температуры устройства. Устройство позволяет получить любое, заранее заданноезначение остаточной погрешностилинейности в сколь угодно широкомдиапазоне температуры, включив вустройство необходимое количествоформирователей и устройств сравнения, в качестве которых используют -ся компараторы с высоким входным сопротивлением.Одним из преимуществ цифровогоизмерителя температуры помимо вы,1Усокои точности в сколь угодно широком диапазоне температуры, является то, что погрешность измерениятемпературы практически не зависитот класса точности автоматическогокомпенсатора 2 постоянного тока, Этообъясняется тем, что автоматическийкомпенсатор связан лишь со схемойлинеаризации, и его погрешность влияет на точность формирования корректирующего напряжения. Очевидно, чтостепень влияния этой погрешностиопределяется отношением максимального значения суммарного корректирующего напряжения к основному измерительному сигналу Е(г.), Это отношение очень мало и составляет величину порядка единиц процентов .Таким образом, собственная погрешность автоматического компенсаторавходит в результирующую погрешностьизмерения, как величина второго порядка малости, и ей практически можно пренебречь,Это дает, возможность использоватьв цифровом измерителе температурыавтоматический самопишущий потенциометр низкого класса точности без ущерба для точности измерения темпе" ратуры. Самопишущий потенциометр одновременно с работой в схеме лине- % аризации может выполнятьи функцию известной регистрации измерительной информации в виде непрерывной записи на ленту графика температуры.Результат измерения температуры 10 с высокой точностью может считываться оператором с табло устройства индикации аналого-цифрового преобразователя, а также в, виде цифрового кода передаваться для дальнейшей об работки цифровой ЭВМ, что позволяет использовать устройство в автоматических системах управления технологическими процессами.Областью применения устройства 20 является измерение температуры в широком диапазоне 01300 С в различных областях промышленности. Так, например, цифровой термометр может быть использован для контроля и измере- % ния температуры в диапазоне до 1300 СФ при проведении технологических процессов окисления, диффузии и эпитаксии при производстве интегральных микросхем и полупроводниковых приборов . 0 Применение устройства позволит создать автоматическую систему управления технологическими процессами на базе цифровой ЭВМ, повысить точность измерения и регулирования температуры в диффузионной печи, что даст воэможность повысить важнейший экономический показатель - процент выхода годных микросхем.Цифровой измеритель температуры может быть. использован также для контроля температуры при выращивании кристаллов полупроводников в полупроводниковой промьпдленности, для контроля и измерения температуры в про-. цессе термообработки изделий иэ алюминиевых сплавов, для измерения температуры рабочего тела турбогенератора в электроэнергетике и т.д что обеспечит значительный технико-эко 50 номический эффект,Формула изобретенияЦифровой измеритель температуры,содержащий термоэлектрический преобраэователь, автоматический компенсатор постоянного тока, источникипостоянного стабилизированного напряжения и Формирователи корректирун.щего напряжения, каждый из которыхсостоит из двух пар реохордов, движки которых механически связаны с движВком реохорда автоматического компенсатора постоянного тока и электричес"ки попарно соединены между собой,причем движки выходных реохордовэлектрически соединены с крайним вы"водом первого из пары выходных реохордов и с последовательно соединен-,ными источником постоянного стабилизированного напряжения, добавочнымрезистором, двумя токоэадающими реохордами и вторым выходным реохордом,отличающийся тем, что,с целью расширения .нижней границыдиапазона измерений и повышения точности за счет снижения остаточнойпогрешности линейности, в измерительвведены сумматор, аналого-цифровойпреобразователь, предварительный усилитель постоянного тока, блок управления и Формирователей корректирукицего напряжения и н- устройствсравнения, причем выходы и формирователей корректирующего напряжения,соединены с входами иустройствсравнения и с одними из входов блока управления, другие входы которого подключены к выходам т- устройствсравнения, а выход блока управлениясоединен с одним из входов сумматора, к другому входу которого подсоединен термоэлектрический преобразователь, при этом выход сумматора через предварительный усилительпостоянного тока соединен с входомавтоматического компенсатора постоянного тока и входом аналого-цифрового преобразователя.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССРР 316945, кп, 6 01 К 7/00.2. Авторское свидетельство СССР119 280923 кл С 01 К/14 19693, Авторское свидетельство СССРР 327386, кл. 6 01 К 7/10, 1970.4. Заявка В 2857057/18-10,кл. 6 О К 7/24,(прототип).