Устройство для измерения температуры

 

Изобретение относится к термометрии и может быть использовано при научных исследованиях для проведения .высокоточных измерений при большой интенсивности помех промышленной частоты . Цель изобретения - повьппенйе помехозащищенности и точности устройства . Устройство содержит термопреобразователь 1 сопротивления,блок образцовых резисторов 2, источник 3 тока, коммутатор 4, аналого-цифровой преобразователь 5 двухтактного интегрирования , микропроцессор 9, генератор 8 импульсов, запоминающее устройство 11 и блок 12 индикации. В устройств введены программируемые счетчики 6 и 7 и формирователь ТО. Введение новых элементов и образование новых связей между элементами устройства позволяют произвести подстройку времени интегрирования входного сигнала в аналого-цифровом преобразователе под период сетевого напряжения с последующей автоматической калибровкой. 4 ил. (Л .. Ч //7 Ко Сриг.1

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (5g 4 G 01 К 7/16

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

flO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21 ) 3787068/24-10 (22) 29.06.84 (46) 07.05.86. Бюл. У 17 (71) Ленинградский ордена Ленина политехнический институт им. М.И.Калинина и Омский ордена Ленина завод точных электрических приборов "Электроточприбор". (72) С.А.Миранян, А.В.Клементьев, В.С.Гутников, А.И.Недашкозский, В.В.Комаров и В.С.Палкин (53) 536.53(088.8) (56) Патент США Р 4122719, кл. 73-362, опублик. 1978.

Авторское свидетельство СССР

У 998872, кл. G 01 К 7/02, 1981. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕ.РАТУРЫ (57) Изобретение относится к термометрии и может быть использовано при научных исследованиях для проведения

„,SUÄÄ 1229600 А1.высокоточных измерений при большой интенсивности помех промышленной частоты. Цель изобретения — повышение помехозащищенности и точности устройства. Устройство содержит термопреобразователь 1 сопротивления, блок образцовых резисторов 2, источник 3 тока, коммутатор 4, аналого-цифровой преобразователь 5 двухтактного интегрирования, микропроцессор 9, генератор 8 импульсов, запоминающее устройство 11 и блок 12 индикации. В устройствд введены программируемые счетчики 6 и 7 и формирователь 10.

Введение новых элементов и образование новых связей между элементами устройства позволяют произвести подстройку времени интегрирования входного сигнала в аналого-цифровом преобразователе под период сетевого напряжения с последующей автоматической калибровкой. 4 ил.

1 1

Изобретение относится к термометрии и может быть использовано в различных отраслях промышленности, а также при научных исследованиях для проведения высокоточных измерений при большой интенсивности помех промышленной частоты.

Цель изобретения — повышение помехозащищенности и точности устройства за счет подстройки времени интегрирования входного сигнала в аналого-цифровом преобразователе под период сетевого напряжения с последующей автоматической калибровкой устройства.

На фиг. 1 приведена блок- схема устройства; на фиг. 2 — структурная схема устройства, выполненного на базе микропроцессорного комплекта; на фиг. 3 — временные диаграммы работы счетчиков, на фиг. 4 — структурная схема и временные,диаграммы работы интегрирующего АЦП.

Устройство содержит термопреобразователь 1 сопротивления, блок образцовых резисторов 2, источник 3 тока, коммутатор 4, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 5 двухтактного интегрирования, программируемые счетчики 6 и 7, генератор 8 импульсов, микропроцессор (ИП) 9, формирователь 10, запоминающее устройство (ЗУ) 11 и блок 12 индикации.

Устройство работает следующим образом.

При включении прибора MII 9 производит программирование счетчиков

6 и 7 и начальную установку счетчика 7 путем загрузки в них соответствующих управляющих слов. Счетчик

6 устанавливается в режим деления на заданный коэффициент опорной частоты, подаваемой на его тактовый вход, счетчик 7 — в режим подсчета числа импульсов опорной частоты, подаваемой на его тактовый вход, за время действия разрешающего сигнала высокого уровня на его управляющем входе. В данном режиме работы попожительным фронтом разрешающего сигнала производится установка счетчика в начальное состояние и запуск процесса счета импульсов. Отрицательным фронтом управляющего сигнала счет импульсов останавливается, и счетчик переходи в режим хранения накопленной информации.

Цикл работы прибора включает такты измерения периода сетевого напря229600 2

1Î

ЗО

45 жения, формирования управляющего сигнала длительностью, равной периоду сети в момент ее измерения, и задающего длительность времени интегрирования измеряемого сигнала в

АЦП 5 двухтактного интегрирования, такты измерения сопротивления образцовых резисторов К<, К из блока резисторов 2, а также определенное количество тактов измерения температуры.

Цикл работы прибора начинается с такта измерения периода сетевого напряжения. На вход формирователя 10 подается напряжение сети. Последовательность прямоугольных импульсов длительностью, равной периоду сети

Т,, и скважностью 2, вырабатываемая формирователем 10, подается на управляющий вход программируемого счетчика 7. При высоком уровне сигнала на управляющем входе в течение первого полупериода выходного сигнала формирователя 10 в счетчике 7 осуществляется подсчет числа импульсов опорной частоты f,, подведенной к его тактовому входу с выхода генератора 8 импульсов. В течение второго полупериода выходного напряжения формирователя, при низком уровне сигнала на управляющем входе счетчика 7, счет импульсов прекращается. Код

А = f Тс, накопленный в счетчике 7 за первый полупериод управляющего сигнала, сохраняется в нем до конца второго полупериода .о

Момент окончания цикла измерения периода сети счетчиком 7 определяется программным путем. Для этого MII 9 два раза считывает содержимое счетчика 7 и сравнивает между собой эти значения. Этот процесс циклически продолжается до тех пор, пока считанные коды не окажутся равными между собой, что будет свидетельствовать о том, что счет импульсов завершен и счетчик находится в состоянии хранения накопленной информации.

Далее следует такт формирования управляющего сигнала АЦП. Код А, считанный из счетчика 7, умножается

MII 9 на два и загружается в программируемый счетчик 6. На выходе последнего б вырабатывается периодическая последовательность прямоугольных импульсов со скважностью 2, период Т которых в 2 А раэ больше периода сигнала опорной частоты Г, поступающей на тактовый вход счетчика 6

229600 4

15

20 (2) 30

N, =I»S ° R, +N,; о (3) где I — ток источника тока, S — коэффициент преобразования

АЦП, 35

И вЂ” выходной код АЦП, соответствующий смещению его нулевого уровня.

В такте измерения Ф входу АЦП 5 подключается термопреобразователь 1 сопротивления, код N на выходе АЦП при этом определяется выражением

N = I S. +:.. (4) где R„ — сопротивление датчика при измеряемой температуре.

По результатам измерения R, R и R МП 9 производит вычисление знаФ чения сопротивления термопреобразователя по формуле 50 и далее по функции, аппроксимирующей обратную характеристику датчика Т 55

= f(R ) вычисляют измеренное значех ние температуры. Подставляя в выражение (5) значения N,, N> и N„ из выз 1

Т =2А — = 2f Т.— = 2Т . (1) 1

1 t f о 6 f c о о

Последовательность выходных импульсов счетчика 6 длительностью T равной периоду сети Т = — Т = Т

1 и 2 1 с и периодом, равным 2Тс, используется для управления АЦП 5 двухтактного интегрирования. При этом в течение первого полупериода управляющего сигнала с выхода счетчика 6 в АЦП осуществляется интегрирование измеряемого напряжения, в течение второго полупериода — интегрирование опорного напряжения до момента равенства нулю выходного напряжения интегратора и удержание, интегратора в нулевом состоянии до начала очередного цикла. преобразования АЦП.

После такта формирования управляющего сигнала АЦП следует два такта измерения сопротивления образцовых резисторов. По команде МП 9 коммутатор 4 последовательно подключает к входу АЦП 5 образцовые резисторы

R» и R из блока резисторов 2. Выходной код АЦП при этом определяется выражениями

Rx " +R (5) ражений (2) — (4), можно убедиться, что результат измерения К„ не зависит от величины тока питания

Ф датчика, смещения нулевого уровня

К АЦП и коэффициента преобразования S АЦП. Таким образом, подстройка времени интегрирования АЦП под период сети обеспечивает высокую помехоустойчивость устройства при изменении частоты сети в широких пределах, а последующая автоматическая калибровка исключает зависимость результата измерения от значения коэффициента преобразования АЦП, изменяющегося при подстройке длительности времени интегрирования. Цикл работы устройства может включать несколько последовательных тактов измерения R„, Изменение частоты сети между двумя соседними тактами подстройки длительности времени интегрирования приводит лишь к некоторому ухудшению помехозащищенности устройства и не сказывается на погрешности преобразования.

Коэффициент подавления помехи нормального вида в интегрирующих АЦП определяется выражением

К„= — 20 Ig,„, где у,„ — Ьтносительное отклонение времени интегрирования входного сигнала от периода помехи.

Поскольку Tu = А /Е, то погрешность формирования йнтервала интегрирования, равна погрешности измерения периода сети счетчиком 2

dA< 1 4 "2 А1 f Tñ

При максимально допустимой тактовой частоте счетчиков f = 2 мГц коэффициент подавления помехи нормального вида составляет 90 дБ, тогда как коэффициент помехоподавления интег рирующих АЦП без подстройки времени интегрирования составляет всего 40дБ при отклонении частоты сети Hà 1Х от нормального значения.

Практически устройство может быть выполнено (фиг. 2) на базе МП-комплекта, наиболее обеспеченного периферийными элементами, необходимыми. для построения МП-систем. В качестве счетчиков 6 и 7 (фиг. 1) наиболее эффективно применение программируемого таймера 13, включающего в себя три независимых шестнадцатираз1229600 рядных вычитающих счетчика (0,1,2) с программированием режимов их работы.

Сопряжение таймера с микропроцессорной системой осуществляется через шины данных (Д), управления (У) и адреса (А), подключаемые к одноименным шинам МП-системы. Установка одного из шести возможных режимов работы, а также ввод и вывод информации 1п из счетчиков таймера осуществляются по двунаправленной шине данных. После загрузки в счетчик таймера упра.вляющего слова, определяющего режим его работы, и ввода начального значения счета работа счетчика управляется двумя внешними сигналами. На тактовый вход счетчика подается сигнал от генератора 8 импульсов. По отрицательному фронту этих импульсов содержимое счетчиков уменьшается на единицу. Прием тактовых импульсов в счетчик стробируется сигналом, подаваемым на его управляющий вход.При единичном значении сигнала на этом 25 входе разрешается счет импульсов, при нулевом — запрещается. Каждый счетчик таймера, кроме того, имеет выход. Содержимое счетчиков может быть считано из них по шине данных

ЗО в любой момент времени, даже в процессе счета.

В предлагаемом устройстве счетчик

7 таймера устанавливается во 2-й режим и используется для измерения

35 периода сети путем подсчета числа импульсов опорной частоты, поступаю1 щей на его тактовый вход, в течение времени действия, разрешающего единичный сигнал на управляющем входе.

Вывод информации из MII-системы на индикацию и управление коммутатором осуществляется с помощью БИС программируемого параллельного интерфейса (ППИ) 14.

При работе во 2-м режиме на тактовый вход ТИ счетчика подается опорная частота f от генератора импульсов (фиг. 3 g ). После загрузки начального значения п (фиг. 3 h, n=3)

50 и подачи единичного сигнала на управляющий вход P (фиг. 3 f> )), начинается счет импульсов. При этом отрицательным фронтом тактового импульса содержимое счетчика и; уменьшается на единицу (фиг. 3 ). Выход

55 счетчика (фиг. 3 2 ) принимает нуле" вое значение в течение одного периода тактовых импульсов, а период Т выходных импульсов счетчика составляет п периодов опорной частоты f . При ну0 левом сигнале на управляющем входе в течение времени М, (фиг. 3 ь ) счет импульсов останавливается, в накопленный код сохраняется в счетчике.

При повторной подаче на управляющий вход Р единичного уровня счетчик автоматически, за счет своих внутренних цепей, перезагружается и счет импульсов начинается от начального значения и.

На управляющий вход счетчика 7 подается последовательность прямоугольных импульсов длительностью, равной периоду сети Т, и скважностью

2, с. выхода формирователя 10 импульсов (фиг. 3,e ), на тактовый вход— опоРнаЯ частота f с генератора 8 имо пульсов. После загрузки в счетчик начального значения счета (фиг.ЗЖ)

lg п = 2 — 1 и с поступлением единичного сигнала на управляющий вход Р2 (фиг. 3 e ) начинается счет импульсов. 3а интервал времени at = Te = 20 мс содержимое п; счетчика уменьшается на величину

А = f p T

С целью уменьшения погрешности дискретности при измерении периода сети желательно тактовую частоту выбирать равной 2 МГц, т.е. Равной максимальной рабочей частоте счетчиков. При этом за период сети содержимое счетчика уменьшается на величину А = 40.10 . Поскольку п э

2 — 1 > А, то за период сети пе1ь реполнения счетчика не произойдет, поэтому выходной сигнал (фиг. 3 p ) счетчика (он в данном случае нигде не используется) не принимает нулевого значения. По окончании цикла измерения периода сети в интервале времени at при нулевом сигнале на управляющем входе Р2 в счетчике будет храниться код п = n — А . Поскольку начальное значение счета выб16 рано равным 2 — 1, что соответствует установке всех шестнадцати разрядов счетчика в единицу, а сам счетчик я:вляется вычитающим, то его соцержимое n = n — Л будет равно

2 обратному коду числа А и может быть преобразовано в прямой код операцией инвертирования в МП. В начале следующегс периода сети в интервале времени gt< счетчик перегружает в себя начальное значение счета и с помощью

1229600 своих внутренних цепей управления, и описанный процесс измерения повторяется.

Момент окончания цикла измерения периода сети в счетчике 7 определяется программным путем.

Обратный код числа А, соответствующий периоду сети, считывается MII

9 иэ счетчика 7, иявертируется, ум- 10 ножается на два и загружается в счетчик 6, установленный предварительно в 3-й режим. Работа счетчика в укаэанном режиме аналогична работе его во 2-м режиме за тем исключением, что выходной сигнал счетчика в течение первой половины полупериода находится в единичном состоянии, в течение второй — в нулевом. На выходе счетчика вырабатывается последова- тельность прямоугольных импульсов со скважностью 2, период Т, которых в введенное число раз больше периода опорной частоты f, поданной на его о тактовый вход, 25

Т, =2А,- — =2Тс

Выходные импульсы Т> счетчика 6

1 (фиг. 3 к ) длительностью Т = — Т =Т с используются для задания длительности первого такта интегрирования

АЦП.

В устройстве используется интегри35 рующий АЦП, работа которого управляется выходным сигналом счетчика 6.

АЦП (фиг. 4) содержит переключатель

15, интегратор 16, усилитель 17, триггер 18, инверторы 19 и 20, схему И 21 и счетчик 22, в качестве которого может быть использован таймер 13. Счетчик 6 вырабатывает (фиг. 3 к ) периодическую последовательность импульсов длительностью, 45 равной периоду сети, и скважностью

2. Поэтому цикл преобразования АЦП должен заканчиваться эа один период управляющего сигнала. При этом в течение первого полупериода управляющего напряжения производится интег50 рирование измеряемого сигнала U„, в течение второго полупериода — считывание интеграла до нуля опорным напряжением U и удержание интегратора в нулевом состоянии до начала следующего цикла преобразования.Удержание интегратора в нуле осуществляется выходным сигналом триггера, устанавливающегося в единичное состояние в интервале времени между двумя циклами измерения. Преобразование информативного сигнала Т„, снимаемого с выхода схемы совпадения, в код и ввод информации в MII наиболее эффективно осуществлять с помощью счетчика (3) таймера, работа которого аналогична работе счетчика 7, измеряющего период сети. В примере практического выполнения предлагаемого устройства (фиг. 2) показан АЦП,где широтно-модулированный сигнал с выхода интегрирующего времяимпульсного преобразователя АЦП 5 преобразуется в код и вводится в MII посредством счетчика (О) таймера 13.

Микропроцессор 9 должен содержать центральный процессорный элемент, генератор тактовых импульсов и системный контроллер. Схема включения этих элементов стандартна, они образуют так называемый микропроцессорный контроллер, в соответствии с инструкцией по применению MII-комплекта.

Ниже приведены операции, осуществляемые MII 9, а также посредством элементов MII-системы, расположенные в порядке их выполнения.

О. Включение питания, установка счетчика команд МП в нулевое состояние.

1. Установка режимов работы счетчиков 6 и 7 таймера, загрузка начального значения счета в счетчик 7.

2. Установка программного счетчика (организуемого МП 9 в ЗУ 1!) числа циклов измерения температуры между двумя соседними циклами подстройки частоты и автокалибровки.

3. Определение момента готовности результата измерения периода сети в счетчике 7 °

4. Формирование управляющего сигнала АЦП вЂ” загрузка А в счетчик 6.

5. Выдача MII 9 управляющего сигнала на коммутатор для подключения первого образцового резистора R< к входу АЦП.

6. Программная задержка, необходимая для окончания переходных процессов в устройстве.

7. Считывание результата измерения К в МП 9.

8. Выдача управляющего сигнала на коммутатор — подключение 2 к входу АЦП.

1229600

9. Программная задержка.

10. Считывание результата измерения R в МП 9.

11. Выдача управляющего сигнала на коммутатор - подключение датчика температуры к входу АЦП.

12. Программная задержка.

13. Считывание. результата измерения сопротивления датчика R„ в МП 9.

14. Обработка информации — вычисление скорректированного значения

Кх, линеаризации характеристики, выход результата на индикацию.

15. Уменьшение содержимого программного счетчика циклов измерения температуры на единицу, анализ содержимого счетчика °

16. Выполнение очередного цикла измерения температуры путем .перехода к и. 13, если содержимое счетчика циклов не равно нулю.

17. Выполнение цикла подстройки под сеть и автокалибровки путем перехода к п. 2, если содержимое счетчика циклов не равно нулю.

Формула из обретения

Устройство для измерения температуры, содержащее коммутатор, входы которого соединены с термопреобразователем сопротивления и блоком образцовых резисторов, подключенных к источнику тока, а выход соединен с первым входом аналого-цифрового преобразователя, второй вход которого соединен с выходом генератора импульсов, а выход подключен к пер1п вому входу микропроцессора, второй вход которого соединен с запоминающим устройством, а выходы подключены к управляющим входам коммутатора и блока индикации„ о т л и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью повышения помехозащищенности и точности устройства за счет подстройки времени интегрирования входного сигнала в аналого-цифровом преобразователе под период сетевого напряжения, в него введены формирователь и два программируемых счетчика, тактовые входы которых соединены с выходом генератора импульсов, выходы соответстр5 венно подключены к управляющему входу аналого-цифрового преобразователя и третьему входу микропроцессора, а входы соответственно соединены с третьим выходом микропроцессора и выходом формирователя, вход которого подключен к питающей сети.

PI, Air

Щ4И м >4 Þ п Р-/

ndCvZ

I In,-n4

n * jF...n- 4, 4...р-, ЬаР,р 3t gati и В Р

nАИ

x g g/

Фы. 7

Подписное

ВНИИПИ Заказ 2444(41 Тираж 778

Произв.-полигр. пр-тие, г. Ужгород, ул. Проектн ая 4