Устройство для измерения температуры

 

Изобретение относится к устройствам для измерения температуры термопреобразователей сопротивления (ТП) и может найти применение в высокоточных измерениях. Цель изобретения - повьшение точности измерения путем уменьшения ошибки измерения, Klm-tljf вызванной нагревом ТП 2 измерительным током. В циклах измерения из блока 29 памяти в блок 35 поиска поддиапазона переписывается номер поддиапазона , в соответствии с которым устанавливаются ток питания и начальный уровень шкалы, и последовательно включаются разряды цифроаналогового преобразователя 5 до получения равновесия схемы 6 сравнения. Время, необходимое для сравнения измеряемого напряжения ТП 2 с эталонным, а вместе с тем и время подключения ТП 2 к источнику тока определяются длительностью включения или выключения -, только одного разряда эталонного напряжения . 1 з.п. ф-лы, 5 ил. с S (Л со сл 00 со

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН

„„SU„„1 15831 (5D 4 G 01 К 7/16

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ,,"";:, К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3933863/24-10 (22) 29.07.85 (46) 07.06 ° 87. Бюл. 11 21 (72) Л.П.Логинова и А.Я.Булдин (53) 536.531(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 1276924, кл. G О1 К 7/16, 1984. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ (57) Изобретение относится к устройствам для измерения температуры термопреобразователей сопротивления (ТП) и может найти применение в высокоточных измерениях. Цель изобретения — повышение точности измерения путем уменьшения ошибки измерения, вызванной нагревом ТП 2 измерительным током. В циклах измерения из блока 29 памяти в блок 35 поиска поддиапазона переписывается номер поддиапазона, в соответствии с которым устанавливаются тох питания и начальный уровень шкалы, и последовательно включаются разряды цифроаналогового преобразователя 5 до получения равновесия схемы 6 сравнения. Время, не— обходимое для сравнения измеряемого напряжения ТП 2 с эталонным, а вместе с тем и время подключения ТП 2 к источнику тока определяются длительностью включения или выключения только одного разряда эталонного на-. пряжения. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области температурных измерений, а именно к устройствам для измерения температуры термопреобразователями сопротивления, и может найти применение при высокоточных измерениях, Целью изобретения является повыmàíèå точности измерения путем уменьшения ошибки измерения, вызванной нагревом термопреобразователей измерительныч током.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства; на фиг. 2схема блока поиска поддиапазона; на фиг. 3 — схема блока управления; на фиг. 4 — схема первого цифроаналогового преобразователя; на фиг, 5 схема второго цифроаналогового преобразователя.

Устройство содержит источник 1 тока, п измерительных каналов, каждый из которых состоит из термопреобразователя 2 сопротивления, первого 3.1, второго 3,2 и третьего 3.3 ключей (на фиг. 1 показан один измерительный канал), первый 4 и второй

5 цифроаналоговые преобразователи, схему 6 сравнения, операционный усилитель 7, блок 8 управления, источник 9 опорного напряжения, суммирующии усилитель 10 с резистором ll в цепи обратной связи, m токовых ключей 12.1-12.m, где m — число поддиапазонов, m дополнительных ключей

13,1-13.m, m образцовых резисторов

14,1-14,m п элементов И 15.1-15.п, четыре элемента И 16-19, инвертор

20, элемент ИЛИ 21, пятый элемент

И 22, две RC-цепочки на конденсаторах 23 и 24 и резисторах 25 и 26,. два,циода 27 и 28, блок 29 памяти, три RS-триггера 30-32, схему 33 задержки, шифратор 34 и блок 35 поиска поддиапазона.

Блок 35 поиска поддиапазона (фиг.2 содержит m RS-триггеров 36,1-36.m неинвертирующие выходы которых являются управляющими выходами блока, две группы элементов ИЛИ 37.1-37.ш и 38,1-38.ш по ш элементов в каждой группе, — пять групп элементов И, первая из которых состоит из m элементов 39.1-39.m, вторая — из ш-1 элементов 40 .1-40.(m-l), третья — из ш-1 элементов 41,1-41,(m-l), четвер" тая — из ш-1 элементов 42,2-42.(m-l), пятая — из ш-1 элементов 43,1-43.(m-1), m-входовый элемент ИЛИ-НЕ 44, первый 45, второй 46, третий 47 и

15831 2 четвертый 48 двухвходовые элементы

И, распределитель 49 импульсов, Нвходовый элемент ИЛИ-НЕ 50, где N —число разрядов IIAII 5, и N-входовой элемент И 51.

Блок 8 управления (фиг. 3) содержит генератор 52 тактовой частоты, выход которого является тактовым выходом блока управления, распредели1Î тель 53 импульоов, два формирователя 54 и 55 импульсов, выходы которых являются соответственно первым и вторым выходами блока управления, счетчик 56, выходы которого являются адt5 ресными выходами блока управления, и дешифратор 57, выходы, которого образуют m управляющих выходов.

Первый ЦАП 4 (фиг. 4) содержит распределитель 58 импульсов, входные

20 элементы И 59, выходной регистр 60 и резистивный делитель 61.

Второй ЦАП 5 (фиг. 5) содержит резистивный делитель 62 с ключами, управляющие входы которого сЬединены с выходом реверсивного счетчика 63 с предустановочными входами, при этом питающий вход и аналоговый выход резистивного делителя являются соответственно опорным входом и аналоговым

3g выходом ЦАП, а предустановочные входы реверсивного счетчика, вход установки 0, входы сложения и вычитания

11 И являются соответственно входом предустановки, установочным, суммирующим и вычитающим входами ЦАП, а выход реверсивного счетчика — выходом ЦАП.

Устройство работает следующим образом.

Весь диапазон измеряемых темперащ тур в зависимости от типа используемых термопреобразователей разбивается на m поддиапазонов. Для каждого поддиапазона устанавливается оптимальное значение измерительного

) 5 тока I„-, пропускаемого через термопреобразователь сопротивления, выбираемое из условия

50 где Р „ — допустимая мощность рассеивания, R- — максимальное значение сопротивления термопреобра55 зователя в данном поддиапазоне.

При включении устройства по и сигналам с блока 8 управления термопреобразователи 2 сопротивления по3 13158 очередно подключаются к схеме 6 сравнения через ключи 3.2-3.п и к операционному усилителю 7 через ключи

3.3-3.п.

Рассмотрим работу первого измерительного канала.

Преобразование сигнала осуществляется в два такта, В первом такте замкнуты ключи 3.2 и 3.3, термопреобразователь 2 при этом находится fQ в обесточенном состоянии, а имеющиеся на входе схемы 6 сравнения сигналы U помехи, дрейфа нуля и другие

4Р паразитные сигналы измерительной цепи сравниваются с аналоговым сигна- 15 лом ЦАП 4, который поступает через суммирующий усилитель на второй вход схемы 6 сравнения до ее уравновешивания. ЦАП 4 работает по принципу поразрядного кодирования. По сигналу 2р

"Пуск 1", формируемому на первом выходе блока управления, устанавливаются в ноль ЦАП 4 и 5 и блок 35 поиска поддиапазона и открывается триггер 32, сигнал с выхода которого от- 25 крывает элементы И 16 и 17 для прохождения импульсов с блока 8 управления соответственно на входы сброса и включения ЦАП 4 (фиг. 4). С выхода элемента И 17 импульсы поступают на вход распределителя 58, где формируются сигналы управления выходного регистра 60, поступающие на его Rи S-входы со сдвигом относительно друг друга в один такт причем на 35

R-входы — через элементы И 59, вторые входы которых соединены с выходом элемента И 16. При поступлении пачки импульсов с элемента И 17 осуществляется поочередное включение всех разрядов ЦАП 4, начиная со старшего, и в .зависимости от результата сравнения измеряемого сигнала U> с выходным напряжением Uö разряд остается либо включенным, когда Uö

И 16 на R-вход выходного регистра через элементы И 59, когда П„ 1Ч,р, для чего управление элементом И 16 осуществляется сигналом, снимаемым с выхода схемы 6 сравнения. По окончании первого такта измерения по сигналу "Пуск 2" с второго управляющего выхода блока управления триггер

32 и элементы И 16 и 17 закрываются, а на аналоговом выходе ЦАП 4 остается сигнал У„„, сформированный в результате уравновешивания схемы срав31 Д нения, равный сигналу помехи измерительной цепи Ц, =11, который сохраняется на время второго такта, Во втором такте замкнуты ключи

3.1-3 ° 3 и один их ключей 12 соответствующего поддиапазона измерения, номер которого по сигналу "Пуск 2" списывается с блока 29 памяти в ЦАП

5. При этом ток от источника 1 тока протекает пс цепи: ключ 13.m, ключ

3.1, термопреобразователь 2, ключ

3.3, операционный усилитель 7, общая шина. Полученное при этом падение напряжения U на сопротивлении термопреобразователя 2 сравнивается с аналоговым напряжением U второго

ЦАП 5 до уравновешивания схемы 6 сравнения, ЦАП 5 работает в следящем режиме и имеет предустановку начального кода, переписываемого из блока 29 памяти по адресной выборке и записанного в предшествующем цикле измерения. Если при этом на выходе схемы сравнения появляется сигнал

U 7 U„, то открывается элемент И 18 и на вычитающем входе ЦАП 5 появляется импульс сброса единицы разряда, а если U (U то открывается элемент И 19 и пропускает тактовый импульс с блока 8 управления на суммирующий вход ЦАП 5, в результате чего аналоговый сигнал на выходе ЦАП 5 увеличится на единицу дискретности. Если после этого сигнал на выходе схемы сравнения изменяет свой знак, то это означает, что сигналы на входе схемы сравнения уравновешены и на входе RC-цепочек и элементов 21 и 22 формируется сигнал

"Конец измерения", по которому триггер 30 закрывается. Выходной сигнал последнего закрывает ключ 3.1, который, в свою очередь, отключает источник 1 тока от термопреобразователя 2.. Одновременно с этим по сигналу "Конец измерения" осушествляется запись в блок 29 памяти кодовой информации с ЦАП 5, номера поддиапазона с блока 35 поиска поддиапазона и адреса канала с блока 8 управления.

Далее цикл измерения повторяется.

Во втором ".акте схема 6 сравнения уравновешивается с помощью ЦАП 5 до получения равенства где I. — ток питания термопреобразоi вателя в данном поддиапазоне;

1315831

Х; R;„. В этом случае 1 Rõ Uur ь

20 (3) 5

ЬК» - приращение сопротивления термопреобразователя;

R„„ - начальный уровень сопротивления термопреобразователя в данном поддиапазоне; 5

U„ - аналоговый сигнал на выходе

ЦАП 5;

Uь — напряжение опорного источника 9;

Ro — сопротивление в цепи отри- Ю цательной обратной связи суммирующего усилителя;

К;р — сопротивление образцового резистора 14.m данного поддиапазона. !5

Сопротивление резисторов 14.m u ,11 выбирается таким образом, чтобы выполнялось соотношение U — =

Ro

Е1о т.е. напряжение на выходе ЦАП 5, а следовательно, и его код являются эквивалентом измеряемой величины 25 (температуры), из которого исключены сигналы помехи, дрейф нуля измерительной цепи и начальный уровень шкалы, что обеспечивает высокую точность измерения. 30

Измерительная информация выдается с кодового выхода второго ЦАП 5, одновременно с которой с выхода дешифратора выдается код номера поддиапазона, а с блока управления " код номера канала.

В первом цикле измерения, когда а б л о0кКе п а м я тTиH: отсутствует запись номера поддиапазона, о чем свидетельствует появление сигнала на выходе 40 элемента ИЛИ-НЕ 50 блока 35 поиска поддиапаэона, который в свою очередь, открывает элемент И 45, пропускающий первый пусковой импульс через элемент ИЛИ 37.1 на вход триггера 36.1. 45

В результате этого включаются ключи

12.1 и 13.1 и по цепи: ключ 12.1. ключ 3.1> термопреобразователь 2 сопротивления, ключ 3.3, операционный усилитель 7, общая шина от источника 1 тока протекает ток первого поддиапазона (минимальный) и создает падение напряжения на сопротивлении. термопреобразователя 2, который через ключ 3.2 подключен к схеме 6 сравнения, к другому входу которой через ключ 13.1 подключен сигнал, соответствующий начальному уровню шкалы первого поддиапазона. Если при о этом на выходе схемы 6 сравнения появляется отрицательный сигнал, что соответствует соотношению U> ) U», то на выходе элемента И 18, а также на выходе элемента И 47 блока 35 появлястся импульс, так как его второй вход в первом цикле измерения открыт.

Все разряды ЦАП 5 находятся в состоянии логического нуля, который проходит через элемент И 46 и распределитель 49 на. входы элементов ИЛИ 38.1 и 37.2, в результате чего триггер

36.1 закрывается, а триггер 36.2 открывается и включаются, соответственно, ключи 12.2 и 13.2. Если при этом на выходе схемы 6 сравнения опять появляется отрицательный сигнал, происходит аналогичное переключение на следующий поддиапазон с большим током, и т.д, до тех пор, пока сигнал на выходе схемы сравнения не изменит знак на положительный, что соответствует соотношению U>cU„ и на выходе элементов 21 и 22 появится импульс

"Конец измерения". На этом поиск поддиапазона заканчивается, и его номер записывается в блок памяти. В следующем цикле с блока памяти в блок поиска поддиапазона переписывается номер поддиапазона, в соответствии с которым устанавливаются ток питания и начальный уровень шкалы, и по" следовательно включаются разряды ЦАП

5 до получения равновесия схемы сравнения.

Если в процессе измерения на цифровом выходе ЦАП 5 все разряды уста- навливаются в "1", о чем свидетельствует появление сигнала на выходе элемента И 51, а на выходе элемента

И 19 появляется сигнал сложения, это означает выход сигнала измерения иэ данного поддиапазона при соотношении

U U „. В этом случае на элементах

48, 44, 43, 38 и 50 блока 35 формируется сигнал переключения с меньшим током, что соответствует поддиапазону с меньшим порядковым номером. Если в процессе измерения на цифровом выходе ЦАП 5 все разряды устанавливаются в "0", о чем свидетельствует появление сигнала на выходе элемента

ИЛИ-НЕ 50, а на выходе элемента И 18 появляется сигнал вычитания, это означает вьиод сигнала измерения из данного поддиапазона при соотношении

U ) Ug На элементах 50, 47, 42, 38, 41 и 37 формируется сигнал переключения в диапазон с большим током, что

1315831

I соответствует поддиапазону с большим порядковым номером.

Блок 8 управления вырабатывает импульсы управления устройсовом в заданном алгоритме. Распределитель 53 импульсов вырабатывает импульсы

"Пуск 1" и "Пуск 2", задающие двухтактный алгоритм работы устройства.

Запуск счетчика 56 импульсов. осуществляется импульсом "Пуск 1" .С выхода 1О счетчика 56 сигнал адреса канала в двоичном коде поступает на адресный вход блока 29 памяти и на вход дешифратора 57, где формируются н импульсов последовательного переключения 15 каналов.

В процессе измерения время, необходимое для сравнения измеряемого напряжения с термопреобразователя с эталонным, и время подключения тер- 20 мопреобраэователя к источнику тока определяются длительностью включения или выключения только одного разряда эталонного напряжения, что сущест. венно меньше общего времени сравне.ния, необходимого при поразрядном методе приближения. Следовательно, во столько же раз можно повысить ток питания термопреобразователя,а соответственно, увеличить точность изме- 30 рения.

Формула изобретения

l. Устройство для измерения температуры, содержащее и измерительных каналов, каждый иэ которых включает в себя три ключа и термопреобразователь сопротивления, первый токовый вывод которого через первый ключ и 40

m токовых ключей, где m — - число поддиапазонов измерения, подключен к выходу источника тока, соединенному с общей шиной устройства, а второй токовый вывод через второй ключ под- 45 ключен к выходу операционного усили- теля, неинвентирующий вход которого соединен с общей шиной устройства, а инвейтирующий вход подключен к второму потенциальному выводу термопреобразователя сопротивления, первый потенциальный вывод которого подключен к первому входу схемы сравнения, соединенной с общей шиной устройстВа ВтОрОи ВхОд KoTopoA пОдключен к выходу суммирующего усилителя с резистором в цепи обратной связи, неинвентирующий вход которого соединен с общей шиной устройства, соединенной с источником опорного напряжения, а инвентирующий вход подключен r. аналоговым выходам первого и второго цифроаналоговых преобразователей, установочные вход"1 которых подключены к первому выходу .блока управления, опорные входы соединены с выходом источника опорного напряжения, соединенного через m цепочек, состоящих иэ последовательно включенных дополнительных ключей и образцовых резисторов, с инвентирующим входом суммирующего усилителя, блок, поиска поддиапаэона, m управляющих выходов которого подключены соответственно к управляющим входам токовых и дополнительных ключей и входам шиф-ратора, а первый и второй управляющие входы соединены с первым и вторым выходом блока управления, о т л и ч а . ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения путем уменьшения ошибки измерения, вызванной нагревом термопреобразователей, в него введены. три RS-триггера, схема задержки, элементы И, два диода, две

RC-цепочки, элемент ИЛИ, инвертор и блок памяти, адресные входы которого соединены с адресными выходами блока управления, управляющие входы подключены соответственно к ш управляющим выходам блока поиска поддиапаэона,информационные входы и выходы соединены соответственно с кодовыми выходами и входами предустановки второго цифроаналогового преобразователя, вход "Считывание подключен к второму выходу блока управления, соединенному с S-входом второго RS-триггера,через схему задержки с S-входом третьего RS-триггера и R-входом первого Rs-триггера, S-вход которого подключен к первому выходу блока управления, а выход подключен к первым входам первого и второго элементов И, вторые входы которых соединены с тактовым выходом блока управления, выходы соединены с управляющими входами первого цифроаналогового преобразователя, а третий вход первого элемента И подклю-. чен к выходу схемы сравнения, соединенному непосредственно и через инвертор с первыми входами третьего и четвертого элементов И, вторые Входы которых соединены с тактовым выходом блока управления, выходы подключены к суммирующему и вычитающему входам второго цифроаналогового преобразователя, соединенным с третьим

1315831 10 и четвертым управляющими входами блока поиска поддиапазона, кодовые входы которого соединены с кодовым выходом второго цифроаналогового преобразователя, а входы номера поддиапа.5 зона соединены с выходом блока памяти, при этом третьи входы третьего и четвертого элементов И соединены с выходом третьего RS-триггера и первым входом пятого элемента И, выход 10 которого подключен к входу Запись" блока памяти и R-входам второго и третьего триггеров, а второй вход подключен к выходу элемента ИЛИ, входы которого соответственно через по.следовательно включенные диоды и RCцепочки подключены к входу и выходу инвертора, при этом выход второго

RS-триггера подключен к первым входам и элементов И, вторые входы кото-д) рых соединены с и управляющими выходами блока управления, соединенными с управляющими входами вторых и третьих ключей каждого измерительного канала,а выходы и элемен" îâ И подклю- 5 чены к управляющим входам первых

;:лючей каждого измерительного канала.

2. Устройство по п. ll o т л ич а ю щ е е с я тем, что блок по- 3g иска поддиапазона содержит две группы элементов ИЛИ по ш элементов в каждой группе, пять групп элементов

И, первая из которых состоит из ш элементов, а остальные — из (m-1) элементов, распределитель импульсов, четыре двухвходовых элемента И, Nвходовые элементы И и ИЛИ-НЕ, где

N — число разрядов второго цифроаналогового преобразователя. m-входовый элемент ИЛИ-НЕ и ш ВБ-триггеров, выходы которых являются управляющими выходами блока поиска поддиапазона, à R-входы соединены соответственно с выходами m элементов ИЛИ пер-, 5 вой группы, первый вход первого из которых соединен с выходом первого двухвходового элемента И, а первые входы остальных элементов ИЛИ первой в группы подключены соответственно к выходам распределителя импульсов, вторые входы элементов ИЛИ соединены соответственно с выходами ш элементов И первой группы, третьи входы элементов ИЛИ, за исключением последнЕго, соединены соответственно с выходами (m-1) элементов И второй группы, третий вход последнего и четвертые входы остальных элементов ИЛИ, за исключением первого элемента, подключены соответственно к выходам (m-1) элементов И третьей группы, первые входы которых соединены соответственно с выходами элементов ИЛИ второй группы, первые входы которых соединены с первым управляющим входом блока поиска поддиапазона, вторые входы элементов ИЛИ, за исключением последнего, соединены соответственно с выходами (m-1) элементов И четвертой группы, соединенными соответственно с вторыми входами элементов

И третьей группы, второй вход последнего элемента ИЛИ и третьи входы остальных элементов ИЛИ, за исключением первого, соединены соответственно с выходами (m-1) элементов И пятой группы, соединенными соответственно с первыми входами элементов И второй группы, вторые входы которых соединены с инвентирующими выходами RSтриггеров, за исключением первого, при этом первые входы элементов И первой, четвертой и пятой групп и N-входового элемента ИЛИ-НЕ соединены с входом номера поддиапазона блока поиска поддиапазона, а выход ш-входового элемента ИЛИ-НЕ соединен с первыми входами первого и второго двухвходовых элементов И, вторые входы которых подключены соответственно к второму управляющему входу блока поиска поддиапазонов, соединенному с

Ф вторыми входами элементов И первой группы и вторыми входами элементов И четвертой группы, соединенными соответственно с выходом третьего двухвходового элемента И, первый вход которого соединен с четвертым управляющим входом блока поиска подциапазона, а второй вход соединен с выходом

N-входового элемента ИЛИ-НЕ, входы которого соединены с кодовыми входами блока поиска поддиапазона, соединенными с входами N-входового элемента И, выход когорого подключен к первому входу четвертого двухвходового элемента И, второй вход которого соединен с третьим управляющим входом блока поиска поддиапазона, а выход подключен к вторым входам элементов И пятой группы.

131583l

1315831

Составитель В,Куликов

Редактор О.Юрковецкая Техред А.Кравчук Корректор И.Муска

Тираж 776 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий !

13035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д, 4/5

Заказ 2352/44

Производственно-полиграфическое предприятие, r, Ужгород, ул. Проектная, 4