Устройство для измерения температуры

 

Изобретение относится к устройствам для измерения температуры с автоматическим калиброванием измерительных каналов . 11,ел изобретения -- повышение точности измерения в широком диапазоне температур . В устройство введены второй блок 26 коррекции, второй триггер 27, ждущий мультивибратор 28. Введение данны.ч блоков позволило реализовать кусочно-линейную аппроксимацию погрешности термоэ.пектрического преобразователя. Устройство работает в двух режимах: «Калибрование и «Измерение. В режиме «Измерение выходное напряжение источника 5 стандартного сигнала включается навстречу сигналу термопреобразователя 1, что исключает влияние мультипликативной составляющей ногрешности на аддитивную. При измерении температуры в окрестности первой точки калибрования измеряемое напряжение блока с 6 26 коррекции практически не влияет на результат преобразования. 1 ил. (Л

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

4 G Oi К 7/02

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ASTOPCKOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 38!6478/24-10 (22) 26.09.84 (46) 07.11.86. Бюл. № 41 (71) Тернопольский финансово-экономический институт (72) А. А. Саченко, А. И. Сауляк, В. В. Кочан, В. )О. Мильченко, H. A. Королев и Я. С. Лешков (53) 536.532 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 569876, кл. G 01 К 7/02, 1976.

Авторское свидетельство СССР № 771485, кл. G 01 К 7/02, 1978. (54) УСТ РОЙ СТВО ДЛЯ ИЗМ ЕРЕНИЯ

ТЕМПЕРАТУРЫ (57) Изобретение относится к устройствам для измерения температуры с автоматическим калиброванием измерительных кана„„Я0„„1268970 А1 лов. Цель изобретения - — повышение точности измерен»я в пирокоM диапазоне температур. В устройство введены второй блок

26 коррекции, второй триггер 27, ждущий мультивибратор 28. Введение данных блоков позволило реализовать кусочно-линейную аппроксимацию погрешности термоэлектрического преобразователя. Устройство работает в двух режимах: «Калибрование» и

«Измерение». В режиме «Измерение» выходное напряжение источника 5 стандартного сигнала включается навстречу сигналу термопреобразователя 1, что исключает влияние мультипликативной составляющей погрешности на аддитивную. При измерении температуры в окрестности первой точки калибрования измеряемое напряжение блока

26 коррекции практически не влияет на результат преобразования. ил.! 268970

Изобретение относится к области гемпературных измерений, а именно к устройствам лля измерения температуры с автоматическим калибронанием измерительных каналов.

1!å, lüê> изобретения является понышени(. точности измерс.ния В I)IH!)0K041 )1èç!1330не температур путем кусочно-линейной аппроксимации погрешности термоэлектрического преобразователя.

На гсртеже представлена блок-схема устройства.

Устройство содержит термоэлектрический преобразователь 1 со встроенным калибратором, первый блок 2 коррекции, суvlMBTo!)

3, коммутатор 4, источник 5 стандартного сигнала, первый блок 6 упранления, усилитель 7, первый и нторой ключи 8 и 9, источник !О образцового напряжения, интегратор 11, компаратор 12, трстий клк)ч 13, второй блок 14 управления, I.ellepaTO!) 15 счетных импульсoH, счсп чнк 16 результа га, оТсчетный блок 17, логический элемент И 18, счетчик 19 стробон, переключатель 20, счетчик 2! совпадений, блок 22 запреTа, Ilepный формирователь 23 импульсов, первый трипер 24, второй формирователь 25 импульсов, норой блок 26 коррекции, норой триггер 27 и ждущий мультинибратор 28.

Устройство работает следующим образом.

В режиме «Калибронание» оператор переводит объект в режим постоянного нагрева или охлаждения. По команде оператора блок 6 управления, подавая сигналы на второй блок !4 управления, изменяет алгоритм работы интегратора 1!. Г)ри этом параметры формируемого интегратором 11 пилообразного напряжения фиксируются и перестают зависить от входного напряжения усилителя 7. Это достигастся попеременнь)м подключением входа интегратора !! к «плюсу» и

«минусу» источника 10 образцового напряжения соответственно н первом и втором такте интегрирования.

Управление ключом 9 через второй блок

14 управления (играк)1ций в данный момент вместе со счетчиком 16 роль временного распределителя) осуществляется на основе счетных импульсов, вырабатываемых генератором 15.Одновременно счетные импульсы заполняют и счетчик 19. При этом в первом такте интегрирования вход компаратора 12 подключен к выходу интегратора 1!. В первом такте интегрирования н момент равенства пилообразного напряжения, формируемого за счет интегрирования выходного сигнала источника О, усиленному входному сигналу термопреобразователя 1 компаратор

12 срабатывает и через формирователь 25 и ключ 20 сбрасывает счетчик 19 и счетчик 2! совпадений.

Далее счетчик 19 вновь начинает заполняться счетными импульсами генератора !

5. Емкость счетчика 19 выбирается равной емкости счетчика 16, поэтому период следонания импульсов на выходе счетчика 19 точно равен периоду пилообразного напряжения на выхоле интегратора 11, и дрейф частоты генератора 15 не оказывает влияния на синхронность этих процессов.

По окончании второго такта пилообразного напряжения счетчик 16 через первый формирователь 23 импульсов и блок 22 запрета перебрасывает триггер 24. Под воздействием выходного импульса триггера 24

1р открывается ключ 20, и в следующем периоде пилообразного напряжения формирователь 25 сбрасывает счетчики 19 и 21 в момент равенства выходного напряжения усилителя 7 и амплитуды на выходе интегратора 1!.

15 Если температура, с. едонательно и амплитуда напряжения на выхоле усилителя 7, за время т периода пилообразного напряжения изменяется, 11роцесс заполнения сброса счетчика 9 будет продолжаться бесконечно, так как нремя задержки срабатывания компаратора !2 по отношению к началу формирования пилообразного напряжения, определяемого изменением выходного напряжения ключа 8, изменяется. Счетчик ! 9 стробон выдает импульсы, точно соответствующие положению выходного напряжения клк)ча 8 в предылущем цикле измерения. Естественно, совпадения выходных импульсов счетчика 19 стробов и формирователя 25 не происходит, выходной импульс формирователя 3 попадает на триггер 24, 30 перебрасывая его и переключая, тем самым, переключатель 20. В следующем такте выходной импульс формирователя 25 сбросит счетчики 19 и 21. При этом счетчик 19 «запомнит» новое положение выходного напряжения ключа 8 относигельно начала пилообЗ) разного напряжения. В дальнейшем процесс «приведения«фазы поступления выхолного импульса счетчика 19 стробов к новому значению напряжения на выходе ключа 8 прололжается.

Если же температура за время т не изменилась, то фаза срабатывания компаратора !2 в обоих периолах одинакова, и импульсы на вход элемента И 18 с выхода счетчика 19 и формирователя 25 поступают одновременно. На выходе элемента

18 формируется импульс, учитываемый счетчиком 21 совпадений. Одновременно импульс с выхода элемента И 18 поступает на управляющий вход блока 22 запрета, который блокирует переключение триггера 24 следующим за ним импульсом 23 форми50 рователя. Если температура и за время двух периодов пилообразного напряжения продолжает оставаться постоянной, то на вход счетчика совпадений поступает еще один импульс.

При постоянстве температуры процесс заполнения счетчика 21 продолжается. При этом периодический сброс счетчика 19 при его заполнен ни осу)цествл яется автом ати1268970

3 чески. Однако, если- на очередном периоде пилообразного напряжения совпадения импульсов на входе элемента и 18 не происходит, счетчики 19 и 21 вновь сбрасываются, и весь процесс возобновляется.

При достижении момента фазового перехода реперного материала калибратора температура рабочего спая термоэлектрическогопреобразователя длительное время (десятки секунд) остается постоянной, В этом случае счетчик 21 совпадений заполняется полностью п импульсами за время m и с его выхода поступает импульс на блок 6 управления, что является сигналом о начале процесса калибрования.

С блока 6 управления поступают импульсы управления на управляющий вход блока 14 управления и управляющие входы коммутатора 4 и блока 2 коррекции.

При этом на вход усилителя 7 навстречу сигналу термопреобразователя 1 подключается источник 5 стандартного сигнала, напряжение которого соответствует напряжению термопреобразователя при температуре фазового перехода материала калибратора.

Под воздействием выходного сигнала усилителя 7 выходное напряжение блока 2 коррекции начинает изменяться до тех пор, пока сумма ЭДС термопреобразователя 1 и выходного напряжения блока 2 коррекции не станет равной величине стандартного сигнала источника 5, о чем будет свидетельствовать отсутствие напряжения на выходе усилителя 7.

На этом процесс калибрования в первой точке заканчивается. Продолжающийся нагрев (или охлаждение) объекта приводит к полному расплавлению (кристаллизации) реперного материала, по которому ведется калибрование в первой точке. При этом температура рабочего спая термопреобразователя снова будет возрастать (снижаться).

В это время ждущий мультивибратор (длительность его импульса выбирается больше длительности фазовых превращений в реперном материале) перебросит триггер 27 и вновь разрешает прохождение импульса на вход второго формирователя 25. Так как фаза срабатывания компаратора 12 будет отличаться от фазы его срабатывания при температуре фазового перехода реперного материала калибратора в первой точке, то произойдет сброс счетчиков 19 и 21, и идентификация фазового перехода реперного материала калибратора начнется сначала.

При достижении момента фазового перехода второго реперного материала калибратора температура рабочего спая термопреобразователя вновь длительное время остается постоянной. В этом случае вновь на выходе счетчика 21 совпадений появляется импульс, который является сигналом начала калибрования во второй точке. Этот импульс совместно с выходным сигналом триггера

27, воздействуя на блок 6 управления, воз5

1О!

25 вращает интегратор 1 в исходное состояние (при котором он интегрирует поступившее на его вход напряжение). При этом выходной сигнал триггера 27 запрещает срабатывание блока 2 коррекции и разрешает поступление кода с выхода счетчика 16 результата на второй блок 26 коррекции. Кроме того, под воздействием выходного сигнала триггера 27 изменяется значение выходного напряжения источника 5 стандартного сигнала (оно соответствует температуре фазового перехода второго реперного материала калибратора).

Разница между сигналом термопреобразователя 1 (с учетом выходного напряжения блока 2 коррекции и выходным напряжением источника 5 стандартного сигнала посредством коммутатора 4 поступает н« вход интегратора 11 и преобразуегся в код.

Полученное значение выходного кода поступает с выхода счетчика 16 на вход второго блока коррекции и запоминается в нем.

На этом процесс калибрования заканчивается. В режиме «Измерение» из алгебраической суммы выходных сигналов термопреобразователя и блока 2 коррекции вычитается выходной сигнал источника 5 стандартного сигнала (соответствуюгций тсмпсратуре фазового перехода реперного материала в первой точке калибрования). Счетчик 16 перед началом второго такта преобразования поступающей на вход усилителя 7 разности из ком муTатора 4 Ilo сиги«11 с 6.10ка 14 управления, устанавливается в состояние, соответствующее температуре фазового перехода реперного материала калибратора в первой точке калибрования. В процессе аналого-цифрового преобразования счетчик 16 заполняется импульсами в течение второго такга интегрирования. Аддитивная составляющая погрешности тер;опреобразователя при этом корректиру TcH входным напряжением блока 2 коррекции.

Мультипликативная составляющая погрешности термопреобразователя корректируется блоком 26 коррекции, представляющим собой цифро-аналоговый преобразователь, выходное напряжение которого подключается к входу интегратора 11 с помощью ключа 9 на время, соответствующее длительности второго такта интегрирования, одновременно с опорным напряжением источника 10. Влияние мультипликативной составляющей погрешности на аддитивную исключается за счет включения в режиме

«Измерение«выходного напряжения исто.— ника стандартного сигнала навстречу сигналу терм опреобр азователя. При измерении температуры в окрестности первой точки калибрования измеряемое напряжение блока

26 практически не влияет на результат преобразования. Характеристика преобразования устройства, реализующего метод двух1268970

U i= 1Л» т2

Формула изобретения

10 т2— (О+ U26 тактного преобразования, может быть записана в виде уравнения где U„— измеряемое напряжение, поступающее на вход интегратора в первом такте преобразования;

Up — образцовое напряжение, поступающее на вход интегратора во втором такте преобразования; т, т2 — длительность первого и второго тактов соответственно.

С учетом сумм ирован ия термо-ЭДС термопреобразователя с выходным сигналом блока

2 коррекции и вычитания напряжения источника 5 стандартного сигнала, а также последующего усиления разности усилителем 7 и поступлениия на вход интегратора кроме образцового напряжения выходного напряжения блока 26 уравнения (1) можно записать в виде т Kyc(E n+ 1-12 — U5)= T2(Uio+ V25) (2) где K>c — коэффициент усиления усилителя 7

E — термо-ЭДС термопреобразователя;

U2, U5, U10, U25 — выходные напряжения блоков 2, 5, 10 и 26 соответственно. Длительность второго такта т, явлляется мерой, адекватной измеряемой температуре. Выделив т2 из (2), получим

Числитель выражения (3) в окрестности первой точки калибрования близок к нулю, а значит, выходное напряжение блока 26 слабо влияет на результат преобразования, т.е. влияние мультипликативного корректирующего воздействия на аддитивное не наблюдается.

Двухточечный калибратор температуры может быть выполнен в виде, например, концентрически расположенных в наконечнике термопреобразователя 1 колпачков из нержавеющей стали, заполненных чистыми металлами с известными температурами плавления.

Требование к точности и разрядности цифроаналогового преобразователя, образующего блок 26 коррекции, весьма невысокое, так как его выходное напряжение соответствует погрешности термопреобразователя I. Переключение источника

5 стандартного сигнала может осуществляться электромагнитным реле, так как время переключения может быть достаточно большим. Блок 2 коррекции может быть реализован в виде аналогового запоминающего устройства (при достаточно частом калибровании), в виде системы уравновешивания с синхронно-следящим приводом или с использованием системы развертки с равномерно-ступенчатым изменением компенсирующей величины.

Устройство может быть реализовано на основе серийного цифрового вольтметра с двухтактным интегрированием, Элементы, образующие по существу цифровой вольтметру двухтактного интегрирования, обведены на чертеже пунктирной линией.

Устройство для измерения температуры, содержащее термоэлектрический преобразователь с встроенным калибратором и первый блок коррекции, выходы которых подключены соответственно к входам сумматора, выход которого соединен с первым входом коммутатора, второй вход которого соединен с выходом источника стандартного сигнала, а выход через усилитель подключен к входу первого блока коррекции, соединенному с входом первого ключа, и к первому входу второго ключа, второй вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения, а выход через интегратор подключен к первому входу компара2S тора, второй вход которого соединен с выходом первого ключа, а выход соединен с третьим входом второго ключа, входом первого формирователя импульсов и первым входом третьего ключа, второй вход которого соединен с выходом генератора счетных им30 пульсов и входом счетчика стробов, а выход подключен к счетному входу счетчика результата, первый выход которого соединен с отсчетным блоком, первый блок управления, первый вход которого соединен с выходом счетчика совпадений, первый и второй выходы соответственно соединены с управляющим входом коммутатора, соединенным с первым управляющим входом блока коррекции и первым входом второго блока управления, первый, второй и третий выходы которого соединены соответственно с управляющими входами первого со вторым и третьего ключей и управляющим входом счетчика результата, второй выход которого соединен с вторым входом блока управления и через второй формирователь импуль4 сов подключен к первому входу блока запрета, второй вход которого соединен с входом счетчика совпадений и выходом логического элемента И, а выход подключен к входу первого триггера, выход которого соединен с управляющим входом переключа50 теля, вход которого подключен к выходу первого формирователя импульсов, первый выход соединен с управляющими входами счетчика стробов и счетчика совпадений, а второй выход подключен к первому входу логического элемента И, второй вход которого соединен с выходом счетчика стробов, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения путем кусочно-ли1268970

Составитель В. Куликов

Редактор В. Данко Текред И. Верее Корректор A. Тиско

Заказ 6025/43 Тираж 778 11олни«н<и

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

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

7 нейной аппроксимации погрешности термоэлектрического преобразователя, в него введены ждущий мультивибратор, второй блок коррекции и второй триггер, счетный вход которого подключен к выходу ждущего мультивибратора, соединенному с запрещающим входом первого формирователя импульсов, а выход подключен к управляющему входу источника стандартного сигнала, второму управляющему входу первого блока коррекции, второму входу первого блока управления и первому управляющему входу второго блока коррекции, выход которого соединен с дополнительным входом второго включа, второй управляющий вход соединен с выходoM счетчика совпадеHHH и входом ждуlILE го мультивибратора, а вход соединен с первым выходом счетчика результата, установочный вход которого соединен с четвертым выходом второго блока управления.