Цифровое устройство для измерения температуры

 

ЦИФРОВОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ, содержащее те1 1оэлектрический преобразователь с калибраторе и блок коррекции, подключенные к вводам первого сумматора, аналого-цифровой преобразователь, соединенный одним из выходов с входом блока коррекции, блсяс управления, один, из выходов которого соединен с управляющим входом аналого-цифрового преобразователя , а другой - с входом блока эталонного напряжения, второй сумматор, входы которого соединены с выходом первого сумматора и блоком эталонного напряжения , а выход соединен с входом аналоге-цифрового преобразователя, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения, в устройство введены компаратор, подключенные к каждому разряду выходшэго кода аналого-цифрового преобразователя цепи, состоящие из последоватепьво соединенных ключей, дифференцирующих звеньев и вентильных элементов, а также два фильтра низкой частоты, подключенные к прямому и инверсному вхоовм компа

„„Я0„„1006937

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

Зю0 5 01 К 7/02

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21 ) 338881 3/1 8-1 0 (22) 25.01.82 (46) 23.03.83. Бюл. 14 11 (72) B.Þ.Ìèëü÷åíêî, B. B.Êî÷àí, А. Н; Хренов, В. Н. Нефедов и И.А. Морозов (53) 536.532 (088.8) (56) 1. Патент США No 349910, кл. Ci 01 К 7/02, 1974.

2. Авторское свидетельство СССР

% 569876, кл. Cj 01 К 7/02, 1975.

3. Авторское свидетельство СССР

N . 771485, кл. С, 01 К 7/02, 1978.

4. Авторское свидетельство СССР

N". 718725, кл. G.01 К 7/02, 1978 (прототип) . (54) (57) UH ФРОВОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ

ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ, содержащее термоэлектрический преобразователь с калибратором и блок коррекции, подключенные к. входам первого сумматора, аналого-цифровой преобразователь, соединенный одним из выходов с входом блока коррекции, блок управления, один. из выходов которого соединен с управляющим входом аналого-цифрового преобразователя, а другой - с входом блока эталонно го напряжения, второй сумматор, входы которого соединены с выходом первого сумматора и блоком эталонного напряжения, а выход соединен с входом анялого-цифрового преобразователя, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения, в устройство введены компаратор, подключенные к каждому разряду выходного кода аналого-цифрового преобразователя цепи, состоящие из последовательно соединенных ключей, дифференцирующих звеньев и вентильных элементов, а также два фильтра низкой частоты, подключенные к прямому и инверсному входам компа1006937 ратора, и формирователь, вход которого тильных элементов подключены к входу подключен к выходу "Конец преобразова- первого фильтра, рс ф ьт а инве ные выходы — к ния аналого-цифрового преобразователя, входу второго фильтра, а выход а вь.ход — к управляющим входам ключей и компаратора —. к входу блока упкомпаратора, причем прямые выходы вен- равления.

Изобретение относится к термометрии, а. именно к цифровым устройствам для измерения температуры с автоматическим калиброванием измерительного канала.

Известно устройство для измерения 5 температуры, содержащее датчик температуры, встроенный калибратор, показывающий прибор Г13, В этом устройстве первичный преобразователь температуры связан с встроен- 3О ным калибратором в виде некоторого количества материала с известной температурой плавления. Б момент фазового периода материала калибратора показывающий прибор фиксирует площадку с посто- 1$ янной температурой, по которой можно судить о погрешности всей измерительной системы.

Таким образом, это устройство позволяет провести проверку первичного преобразователя на месте эксплуатации, однако его функционирование в режиме проверки измерительного канала требуетучастия оператора. И

Так как скорость движения диаграммы измерительного прибора при контроле технологических процессов обычно невелика мм (1 или 0,03 град/мин), то для полумин чения на диаграмме четко различимой площадки необходимо, чтобы время фазового перехода материала калибратора составляло несколько минут. Это увеличивает массу калибратора, ухудшает динамические характеристики первичного пр обр зователя темпер тур и сигает ЭЮ точность последующих измерений за счет возрастания динамической погрешности.

Известно также устройство для измерения температуры, содержащее измерительный прибор, термоэлектрический термометр и блок коррекции погрешности, выходы которых подключены к входам сумматора, калибратор, снабженный нагревателем, источник питания нагревателя, блок сравнения, источник стандартного сигнала и коммутатор . К входам коммутатора подсоединены вь|ходы. блока управления и сумматора, а выходы коммутатЪра включены на вход измерительного прибора и блока сравнения, подключенного вторым входом к выходу иоточника стандартного сигнала и выходомк входу блока коррекции, причем выход термоэлектрического термометра соединен также с выходом блока управления, второй выход которого соединен с управляющим входом источнике питания нагревателя калибратора.

Это устройство обеспечивает не только поверку первичного преобразователя на месте эксплуатации, но и автоматическую коррекцию погрешности измерительного канала, что увеличивает точность измерения.

Достигнутое расширение функциональных возможностей устройства и связанное с этим увеличение . точности в значительной степени обусловлено наличием в его составе элементов, обеспечивающих автоматическую идентификацию момента фазового перехода материала калибратора и определения, таким образом, момента начала калибрования g2).

Однако в реальных калибраторах за счет процессов внутреннего теплообмена скорость изменения температуры перед плавлением реперного материала уменьшается постепенно, и при весьма малых ее значениях (в пределах несколько десятых градуса в минуту) температура горячего спая калибруемого термоэлектрического преобразователя все еще заметно (в пределах 1-2 С) отличается от темо пературы фазового перехода, Поэтому точность калибрования в значительной степени определяется порогом чувствительности схемы идентификации момента фазового перехода. Б рассматриваемом устройстве момент начала калибрования определяется входящим в блок управления дифференциатором выходного сигнала термоэлектрического преобразователя.

Учитывая малые значения производной выходного сигнала реального термо06937 4 второй сумматор, входы которого соединены с выходом первого сумматора и блоком эталонного напряжения, а выход соединен с измерительным прибором 41.

В известном устройстве идентиф момента фазового перехода калибратора осуществляется с помощью входящего в блок управления дифференциатора выходного сигпала термоэлектрического преобра1й зователя. Поэтому точность калибрования и последующего измерения недостаточна. с- Целью изобретения является повышение точности измерения.

Поставленная цель достигается тем, что в цифровое устройство для измерения температуры, содержащее термоэлектрический преобразователь с калибратором и блок коррекции, подключенные к входам первого сумматора, аналого-цифровой преобразователь, соединенный одним из выходов с входом блока коррекции, блок управления, один из выходов которого соединен с управляющим входом аналогоцифрового преобразователя, а другой - с входом блока эталонного напряжения, второй сумматор, входы которого соединены с выходом первого сумматора и блоком эталонного напряжения, а выход соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, введены компаратор, подключенные к каждому разряду выходного кода аналого-цифрового преобразователя цепи, состоящие из последовательно соединенных ключей, дифференцирующих

35 звеньев и вентильных элементов, два фильтра низкой частоты, подключенные к ро прямому и инверсному входам компаратора, и формирователь, вход которого подключен к выходу Конец преобразования

40 аналого-цифрового преобразователя, а выход — к управляющим входам ключей и компаратора, причем прямые выходы вентильных элементов подключены к входу первого фильтра, инверсные выходы45 к входу второго фильтра, а выход компаратора - к входу блока управления.

На чертеже приведена блок-схема со- предлагаемого устройства.

Устройство содержит термоэлектрический преобразователь с встроенным калибратором 1 и блок 2 коррекции, подключенные к входам первого сумматора

3 1О электрического преобразователя в момент начала калибрования даже при применении дифференциаторов на самых современных операционных усилителях, точность идентификации фазового перехода в этом устройстве будет недостаточна, что, в свою очередь, снижает точность измерения в целом.

Известно также ус".ройство для измерения температуры, содержащее термоэлектрический преобразователь, аналогоцифровой преобразователь двухтактного интегрирования, блок коррекции, логиче кий элемент И, генератор стробов, счечик и элементы схемы управления.

В режиме поиска площадки за счет коммутации блоков ЛЦП он начинает работать в режиме "Время импульсного преобразования.

В момент равенства усиленного выходного сигнала датчика мгновенному значению опорного пилообразного напряжения запускается последовательность счетных импульсов, период следования которых равен периоду опорного пилообразного напряжения, а фаза зависит от величины выходного сигнала датчика. Если через указанное число периодов выходной сигнал термоэлектрического преобразователя не изменился, моменты поступления счетного импульса и очередного импульса сравнения на вход логи- ческого элемента И совпадают, что учитывается счетчиком совпадений (3 1.

Разрешающая способность определения момента начала калибрования будет зависеть от емкости счетчика совпадений и порога чувствительности аналого-циф вого преобразователя, однако потенциально высокая точность э ого устройства не достигается при практической реализации его из-за недостаточно высокой помехозащищенности схемы в реальных условиях эксплуа та ции.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является устройство для измерения температуры с автоматическим калиброванием измерительного канала, держащее термоэлектрический термометр с калибратором и блок коррекции, подключенные к входам первого сумматора, измерительный прибор, например аналогоцифровой преобразователь, соединенный с блоком коррекции, блок управления, вход которого соединен с выходом термоэлектрического термометра, а выходы — с управляющим входом измерительного прибора и блоком эталонного напряжения, З,аналог

5 управления, соединенный с управляющим входом аналого-цифрового преобразователя и блоком 6 эталонного напряжения, второй сумматор 7, входы которого ветствующего дифференцщууощего элемента 9, на его вь1ходе формируется положительный элемент, который через прямой выход соответствующего вентильного элемента заряжает конденсатор фильтра низкой частоты l l создавая положительный потенциал на первом (неинвертирующем) входе компаратора 13. При замене нулей на единицы одновременно в нескольких разрядах выходного кода AUH заряд конденсатора ФНЧ 11 осуществляется от того вентиля, у- которого в силу всегда имеющегося разброса параметров динамическое сопротивление минимально.

Если в каком-либо из разрядов логическая единица заменилась на нуль, то происходит разряд конденсаторе дифференцирующего элемента 9, а через инвертирующий выход вентильного элемента 10 заряжается конденсатор второго ФНЧ, создавая отрицательный потенциал на втором (инвертирующем) входе компаратора

13. Аналогично рассмотренному процесс одновременного перехода логических единиц в логические нули не изменяет результата по сравнению с изменением единицы иа нуль в одном разряде.

Если же одновременно в одних разрядах единицы заменяются на нули, а в других разрядах - нули на единицы, то за счет различной полярности выходных напряжений ФНЧ разность потенциалов на входе компаратора 13 удваивается.

Таким образом, любое изменение вы« ходного кода AUH за время между двумя измерениями вызывает появление сигнала

"Запрет калибрования" на выходе компаратора 13. В момент фазового перехода материала калибратора температура в зоне чувствительного элемента термоэлектрического преобразователя в течение нескольких десятков секунд остается постоянной, и выходной код АПП не меняется.

При очередном такте измерения сигнал блокировки калибрования на вход блока

5 управления не поступает, и на вход второго сумматора 7 с блока 6 эталонного напряжения навстречу измеряемому сигналу поступает соответствующий температуре фазового перехода калибратора сигнал с та ндартной ЗДС, Если эти сигналы не равны, что сви детельствует о наличии погрешности в канале измерения, на вход блока 2 коррекции с выхода АЦП поступает сигнал управления, и на входе сумматора 3 формируется линейно нарастающее напряжение соответствующей полярности.

5 1006937 4 соединены с выходом первого сумматора и блоком эталонного напряжения. Выход сумматора 7 соединен с входом аналогоцифрового преобразователя, к клеммам каждого разряда выходного кода которого подключены цепи, состоящие из последовательно включенных ключей 8, дифференпирующих звеньев 9, вентильных элементов 10 и фильтров 11 и 12 низкой частоты{ФНЦ подключенных к прямому и инверс- 1 я ному входу компаратора 13.

В устройстве имеется также формирователь 14, вход которого подключен к выходу Конец преобразования аналогоцифрового преобразователя, а выход - к 13 управляющим входам ключей 8 и компара тора 13, причем прямые входы вентильных элементов 10 подключены к входу первого фильтра 1 1, а инверсные выходы подключены к входу второго фильтра 12, щ выход компаратора 13 подключен к входу блока 5 управления. В устройстве принципиально отсутствует дифференцирование выходного сигнала термоэлектрического преобразователя. 25

Устройство работает следующим образом.

В режиме Калибрование" оператор . переводит объект измерения в состояние постоянного нагрева или охлаждения.

Аналого-цифровой преобразователь 4 работает в режиме внешнего запуска от блока 5 управления с периодом запуска С (10-15 с). Выходной импульс А11П-4

"Конец пресбразавания через формиро35 ватель 14 открывает ключи 8. Выходной код AUII -(сочетание нулей и единип на выходном разъеме) заряжает (если в разряде "1") или разряжает (если в разряде "О") конденсаторы диффернцирующнх звеньев 9. При этом на выходе дифференцирующих звеньев формируются импульсы, которые через вентиль 10 заряжают (c той или иной полярностью) конденсаторы фильтров низкой частоты (ФНЧ) 11 и 12. Это создает разность потенциалов на входе компаратора 13, с выхода которого на вход блока 5 управления поступает сигнал запрета калибрования и очередным импульсои вновь запускается AUII 4. Если его выходной код за время С изменился, возможны следующие комбинации изменения разрядов выходного кода: нуль меняется на единицу, единица меняется на нуль.

Я

Если в каком-либо из разрядов низкое напряжение логического нуля заменяется иа высокое напряжение логической единицы, происходит заряд емкости соот7 1OO6

Рост напряжения на выходе блока 2 коррекции продолжается да момента равенства выходного сигнала сумматора 7 стандартной ЗДС блока 6 эталонного напряжения, что фиксируется AIIH, Рост выходного напряжения блока 2 коррекции прекращается, а его значение фиксируется элементами памяти, входящими в со» став этою блока.

По сигналу с блока управления блок 6 1О эталонного напряжения отключается от входа сумматора 7, и процесс калибрования заканчивается. В режиме Измерения выходное напряжение блока коррекции постоянно суммируется сумматором 3 с sa- >> меряемым сигналом, чем обеспечивается автоматическое введение поправки на погрешность измерительного канала.

Термоэлектрический преобразователь с встроенным калибратором может быть 20 реализован на основе стандартного преобразователя, например ТХА-051 5, ггутем расположения в его защитной арматуре колпачка из нержавеющей стали, заполненнбго чистым металлом или спла- 33 всм с точно известной температурой плавления (свинец, сурьма, медьалюминиевая эвтектика, серебро и т.д.). Горячий спай преобразователя располагается в массе этого металла для обеспечения 39 надлежащего теплового контакта. Все блоки устройства могут быть реализованы на стандартных электронных компонентах, Отсутствие в предложенном устройс1ве дифференпиатора выходного сигнала термоэлектрического преобразователя позволяет исключить и присущие ему по937 8 греш}всти в определении момента фазового перехода калибратора. В предложенном устройстве выделяется момент изменения любого из разрядов выходного кода АБП за время между двумя тактами измерения. Таким образом, чувствительность схемы- индентификации определяется разрешающей способностью AIIH, которая в системах измерения температуры может быть очень высокой из- а малой величины выходного сигнала первичного преобразователя. Поэтому момент начала калибрования определяется весьма точно, что обеспечивает повышение точности измерения в целим.

Схема обладает высоким уровнем защиты от помех, так как изменение сигнала определяется после АБП, обладающего высокой помехозащищенностью. B предложенной схеме регулируется порог чувствительности идентификации за счет подбора при анализе числа разрядов выходного кода, что необходимо при идентвфикации фазовых переходов технически чистых металлов, когда температурная площадка может иметь некоторый наклон.

Устройство может найти широкое применение в системах точного измерения температуры технологических процессов, например, в составе комплексов технических средств для АСУ ТП.

Общее повышение точности температурного контроля при внедрении предложенного устройства создает технико-эконо мический эффект за счет снижения брака и повышения технических характеристик выпускаемой продукции.

Составитель Н. Горшкова

Редактор Л. Гротилло Техред Л,Пекарь Корректор B. Бутяга

Заказ 21 24/64 Тираж 871 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж 35, Раушская наб., a, 4/5

Филиал ППП Патент», г. Ужгород, ул. Проектная, 4