Многоканальный измеритель температуры

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 G 01 К 7/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

QO

Q0 ф фа., !(р

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4873298/10 (22) 11.10.90 (46) 15,01.93. Бюл. 2 (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт "Электронстандарт" (72) И. А. Коченов и Б. А. Максимов (56) Авторское свидетельство СССР

N 1239531, кл. G 01 K 7/16, 1983.

Авторское свидетельство СССР . ¹ 11447744448822, кл. G 01 К 7/00, 1987. (54) МНОГОКАНАЛЬНЪ|Й ИЗМЕРИТЕЛЬ

ТЕМПЕ РАТУРЫ .. (57) Использование: приборостроение, техника измерений температуры, Сущность.Ы2 1788446 А1 изобретения: измеритель содержит N датчиков температуры (1, 1.1„...1.N), N управляемых генераторов тока (2, 2,1,...,2 ), N и рограммируемых измерителей-сумматоров (3, 3.1,...,3.N), 1 аналоговый коммутатор (4), 1 аналогово-цифровой преобразователь (5), 1 блок управления (6), 1 преобразователь код-напряжение (7), 1 буферное запоминающее устройство (8), N нормирующих регистров (9, 9.1,...,9.N), 1 шину данных и управления(10), 1 вычислитель (11), 1 панель управления (12), 1 индикатор (13), 1 блок хранения температурных характеристик (14), 1 вычислительную систему 15. 5 ил, 1788446

15

30

55

Изобретение относится к области измерительной технике, в частности, к измерйтелям температуры в широком диапазоне измеряемых температур, Известно устройство для измерения температуры, содержащее дна преобразователя напряжения с подключенными к нимдатчиками температуры и регулировкой выходного напряжения, аналоговый мультиплексор, аналого-цифровой преобразователь, вычислительный блок и блок индикации.

Недостатком устройства является низкая точность измерения температуры

Наиболее близким устройством к заяв. ляемому является многоканальное устройство для измерения температуры, которое и взято в качестве прототипа. Устройство содержит датчики температуры, которые через аналоговый коммутатор соединены с управляемым генератором тока и программируемым усилителем-сумматором, преобразователь код-напряжение, аналого-цифровбй преобраэователь, блок управленйя, вычислительную систему с взаимосвязанными панелью управления, вычислителем и шиной данных, а также блок индикации, Устройство работает по одной из двух программ; "измерение" или "сведение". Наличие программы "сведение" позволяет подобрать для каждогодатчикатемпературы такой ток, который позволяет привести температурную характеристику конкретного датчика к типовой характеристике, Для увеличения точности измерения весь диапазон разбит на четыре поддиапазона.

Недостатком устройства является отсутствие возможности использования по разным каналам датчиков, которые имеют характеристику отличную от типовой характеристики с ограниченным диапазоном измеряемых температур. Кроме того, устройство не имеет автокоррекции, устраняющей или компенсирующей дрейф параметров элементов аналогового тракта, что ведет к снижению точности измерения.

Целью изобретения является расширение диапазона измеряемых температур и увеличение точности измерения температуры.

Для этого в устройство, содержащее К датчиков температуры, управляемый генератор тока, аналоговый коммутатор, преобразовательь код-напряжение, аналого-цифровой преобразователь, программируемый усилитель — сумматор, блок управления, вычислительную систему с взаимосвязанными панелью управления, вычислителем и шиной данных, а также индикатор, вход которого подключен к шине данных дополнительно введены Nуправляемых генераторов тока,,N программируемых усилителей — сумматоров, буферное запоминающее устройство, N нормирующих регистров и блок хранения температурных характеристик, электрические входы К датчиков температуры соединены соответственно с выходами N управляемых генераторов тока, также соответственно соединенных с первыми входами N программируемых усилителей— сумматоров, вторые входы которых подключены соответственно к выходам N датчиков температуры, выходы программируемых усилителей — сумматорон через аналоговый коммутатор связаны с аналоговым входом аналого-цифрового преобразователя, вход запуска и выход готовности которого соединены соответственно с выходом запуска и входом готовности блока управления, а цифровой выход — с входом данных буферного запоминающего устройства и входом данных блока управления, выход разрешения которого связан со входом преобразователя код-напря>кение, а вход "конец коррекции" — с соответствующим выходом преобразователя код — напряжение, аналоговый выход которого через аналоговый коммутатор сое- . динен с третьими входами программируемых усилителей — сумматоров, подсоединенных входами управления режимами через аналоговый коммутатор к выходу" установка режима грубо-точно" блока управления, а входы коэффициента усиления усилителей-сумматоров соединены соответственно с выходами нормирующих регистров, которые также подключены к соответствующим входам управления N управляемых генераторов тока, входы отключения которых через аналоговый коммутатор связаны с выходами "измерение" блока управления, подключенного выходом

"выбор номера канала" к управляющему йходу аналогового коммутатора и входу записи адреса буферного запоминающего устройства, выходы "запись кода нуля" и

"запись данных" блока управления связаны с соответствующими входами буферного за- . поминающего устройства, подключенного выходом данных к шине данных вычислительной системы, к которой также подключены выход блока хранения температурных характеристик, входы данных и входы записи N йормирующих регистров и входы управляющих сигналов буферного запоминающего устройства. Блок управления выполнен состоящим из цифрового компаратора, генератора тактовых импульсов, формирователя адресов и задатчика команд, выход генератора тактовых импульсов соединен с тактовым входом формирователя адреса, выход которого связан со входом задатчика команд, при этом

1788446 выход "конец коррекции" которого соединен с соответствующим входом блока 6 управления. Аналоговый выход преобразователя 7 код-напряжение через аналоговый коммутатор 4 соединен с третьими входами программируемых усилителейсумматоров 3, входы управления режимами которых соединены через аналоговый коммутатор 4 с выходом "установка режима грубо-точно" блока 6 управления, а входы коэффициента усиления программируемых усилителей-сумматоров 3 соединены с выходами нормирующих регистров 9. С выходами нормирующих регистров 9 соединены .

5 и входы управления управляемых генераторов 2 тока, входы отключения которых через аналоговый коммутатор 4 соединены с выходами "измерение" блока 6 управления.

Выход "выбор номера канала" блока 6 управления соединен с управляющим входом аналогового коммутатора 4 и входом записи адреса БЗУ 8, Выходы "запись кода нуля" и

"запись данных" блока 6 управления соеди- нены с соответствующими входами БЗУ 8.

Выход данных БЗУ 8 подключен к шине 10 данных вычислительной системы 13, к которой также подключены выход блока 15 хранения температурных характеристик, входы данных и входы записи нормирующих регйстров 9 и входы управляющих сигналов БЗУ

8 и вход индикатора t4.

В блоке 6 управления выход генератора

16 тактовых импульсов соединен с тактовым входом формирователя 17 адреса. Вход запуска формирователя 17 адреса является входом готовности блока 6 управления, выход запуска формирователя 17 адреса — выходом запуска блока 6 управления. Выход формирователя 17 адреса соединен со входом задатчика 18 команд, первый выход которого является выходом "измерение" блока 6 управления, второй выход — выходом "установка режима грубо-точно" блока

6 управления, третий выход — выходом "выбор номера канала" блока 6 управления, четвертый — выходом "запись кода нуля", пятый выход — выходом "запись данных" блока 6 управления, а вход задатчика 18 команд является входом "конец коррекции" блока 6 управления. Первый вход цифрового компаратора 19 является входом данных блока 6 управления, второй вход является входом установки нуля, а выход является выходом разрешения блока 6 управления.

20

30

45

3, Выходы программируемых усилителей- 50 сумматоров 3 через аналоговый коммутатор

4 соединены с аналоговым входом аналогоцифрового преобразователя 5, вход запуска и выход готовности которого соединены со55 вход и выход запуска формирователя адресВ являются соответственно входом готовности и выходом запуска блока управления, первый, второй, третий, четвертый и пятый выходы, а также вход задатчика команд являются соответственно выходами "измерение", "установка режима грубо-точно", "выбор номера канала", "запись кода нуля", и "запись данных", а также входом "конец коррекции"блока управления, а входы и выход цифрового компаратора являются соответственно входом данных, входом установки нуля и выходом разрешения-блока управления.

В данном устройстве в результате введения блоков и новых связей осуществляется измерение температуры с помощью датчиков, имеющих различные температурные характеристики, а также коррекция дрейфа параметров аналогового тракта, в результате чего увеличивается точность аналого-цифрового преобразования, На фиг. 1 представлена функциональная схема многоканального измерителя температуры; на фиг. 2 — функциональная схема блока 6 управления; на фиг. 3, 4, 5— временные диаграммы работы устройства.

Согласно фиг. 1 устройство содержит N датчиков 1 температуры, N управляемых генераторов 2 тока, N программируемых измерителей-сумматоров 3, аналоговый коммутатор 4, аналого-цифровой преобразователь 5, блок 6 управления, преобразователь 7 код-напряжение, буферное запоминающее устройство (БЗУ) 8, N нормирующих регистров 9; взаимосвязанные шину 10 данных, вычислитель 11 и панель

12 управления. Блоки 10, 11 и 12 образуют. вычислительную систему 13. Устройство содержит также индикатор 14 и блок 15 хранения температурных характеристик.

Согласно фиг. 2 блок 6 управления содержит генератор 16 тактовых импульсов, формирователь 17 адреса, задатчик 18 команд и цифровой компаратор 19, Датчики 1 температуры подключены к соответствующим управляемым генераторам 2 тока и к первым и вторым входам соответствующих и рограммируемых усилителей-сумматоров ответственно с выходом запуска и входом готовности блока 6 управления, а цифровой выход — с входом данных БЗУ 8 и входом данных блока 6 управления. Выход разрешения блока 6 управления соединен со входом преобразователя 7 код-напряжение, Преобразователь 7 код-напряжение выполнен на схеме КР 572 ПВ1 и кроме нее включает в себя источник опорного напряжения и операционный усилитель для преобразования выходного тока в напряжение, 1788446

Блок 15 хранения температурных характеристик представляет собой перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство, а буферное запоминающее устройство 8 представляет собой память с независимым чтением -записью, разделенную на область значения кода нуля и область данных.

Перед началом работы в блок 15 хранения температурных характеристик необходимо занести информацию о характеристиках используемых датчиков 1 температуры.

Многоканальный измеритель температуры работает следующим образом. При включении устройства вычислитель 11 вычислительной системы 13 устанавливает все узлы в исходное состояние, Далее устройство работает по программе, задаваемой бло= ком 6 управления и вычислителем 11, Устройство может работать в одном из двух режимов — режиме грубого и режиме точного измерения. Выбор необходимого режима осуществляется вычислителем 11 и зависит от того. к какому участку температурной характеристики датчика 1 температуры принадлежит измеренная температура и от заданной с панели 12 управления погрешности измерения, На фиг. 3 приведен пример возможной температурной характеристики датчика 1 температуры и выбор режима измерения, На аналого-цифровой преобразователь 5 приходит напряжение пропорциональное сопротивление датчика 1 температуры, поэтому погрешность аналого-цифрового преобразования, определяемая количеством разрядов аналого-цифрового преобразователя 5, будет определять и погрешность измерения температуры. Если температура среды, в которой находится датчик 1 температуры — t1, что соответствует точке 1 на температурной характеристике датчика, то при данной до. пустимой погрешноСти измерения температуры Л t погрешность аналого-цифрового преобразователя должна быть не более

Л01, причем h,U =Кy Ь R<, где Ку— коэффициент усиления аналогового тракта, 1 — ток, задаваемый управляемым генератором 2 тока, а ЬR> — погрешность измерения сопротивления, Если же температура среды — 1г, что; соответствует точке 2 на температурной характеристике датчика 1, то для той же погрешности At погрешность аналого-цифрового преобразования должна быть не больше A 02 02=Ky ЛR2, причем на фиг, 3 ясно видно, что Rz<

<ЬR>, Поскольку погрешность аналого-цифрового преобразования зависит от количества разрядов аналого-цифрового преобразователя 5, ее можно оценить по формуле

Л0=0оп/2, где 0оп — опорное напряжение, N а N — количество разрядов аналого-цифро5 ваго преобразователя 5. Для того чтобы выполнить условие Л.R2< Л R<, необходимо чтобы 602< Л 01 или Nz>N>, т. е, для измерения второй температуры необходимо более точное аналого-цифровое преобразо 10 вание для получения той же погрешности измерения, что оправдывает использование режимов "грубо" и "точно", На фиг.4 приведена качественная временная диаграмма измерения температуры

15 в режиме "грубо". Измерение проходит за

26 циклов аналого-цифрового преобразования, Первые 24 цикла отведены на коррекцию аналогового тракта, а последние два— на измерение и запись в БЗУ 8 кода нуля и

20 кода измеренного напряжения, и на подготовку к проведению измерения по следующему каналу. Коррекция аналогового тракта происходит при отключении управляемых . генераторов 2 тока и заключается в форми25 ровании преобразователем 7 код-напряже-.. ние напряжения, компенсирующего напряжение смещения аналогового тракта, включая и смещение аналого-цифрового, преобразователя 5, Напряжение на выходе

30 преобразователя 7. код-напряжение формируется по алгоритму поразрядного уравновешивания. После проведения коррекции к датчику 1 температуры подключается управляемый генератор 2 тока и после заверше35 ния в аналоговом тракте переходных процессов (время круст. на фиг, 4) проводится непосредственное измерение напряжения.

После проведения коррекции в БЗУ 8 записывается значение напряжения при отклю-.

40 ченном управляемом генераторе 2 тока {оно должно быть равно нулю), а после измерения в БЗУ 8 записывается значение измеренного напряжения при включенном управляемом генераторе 2 тока, после чего

45 блок 6 управления подключает к аналогоцифровому преобразователю 5 следующий датчик 1 температуры, БЗУ 8 представляет собой двухпортовое запоминающее устройство с независимым чтением и записью ин50 формации, что позволяет работать по двум независимым циклам, I-ый цикл — перебор каналов, аналого-цифровое преобразование и запись в БЗУ 8, 2-й цикл — чтение БЗУ

8, поиск на температурной характеристике

55 полученной температуры, анализ и вывод информации на экран.

Вычислитель 11 читает на БЗУ 8 код преобразованного аналого-цифровым преобразователем 5 напряжения нуля и напря1788446

10 жения, соответствующего измеренной температуре. По коду измеренного напряжения вычисляется сопротивление датчика 1 температуры и по температурной характеристике датчика находится значение измеренной температуры, Проанализиро.вав участок кривой температурной характеристики, которой принадлежит измеренная температура, вычислитель 11 определяет. нужно ли перейти к режиму точного измерения для данного датчика. Если перейти к режиму точного измерения нужно, то в нормирующем регистре 9 данного канала вычислитель 11 устанавливает признак точного измерения..

На фиг. 5 приведена временная диаграмма измерения температуры в режиме

"точно", Измерение занимает в два раза больше времени, чем в режиме "грубо". За первые 24 цикла аналого-цифрового преобразования осуществляется коррекция аналогового тракта при коэффициенте усиления программируемого усилителясумматора 3, соответствующем режиму:

"грубо", после чего коэффициент усиления увеличивается, что соответствует режиму

"точно" и в БЗУ 8 записывается погрешность аналого-цифрового преобразования нуля, соответствующего режиму ",точно".

Затем коэффициент усиления программируемого усилителя-сумматора 3 вновь устанавливается в режим "грубо", подключается управляемый генератор 2 тока и в базу 8 записывается значение "грубо" измеряемого напряжения, что соответствует старшим разрядам числа. Следующие 24 цикла аналого-цифрового преобразования система коррекции вырабатывает на программируемый усилитель-сумматор 3 такое напряжение, которое бы компенсировало с точностью, соответствующЕй точности в режиме "грубо", напряжение, снимаемое с . датчика 1 температуры, т, е. получить на выходе аналого-цифрового преобразователя 5 код нуля, Затем коэффициент усиления программируемого усилителя-сумматора 3 вновь устанавливается в режим "точно" и в

БЗУ 8 записывается информация с аналогоцифрового преобразователя 5 о младших разрядах числа. При этом искомое значение напряжения можно найти по формуле:

0=0грубо/Кгрубо+ваточно/Кточно лоточно t где Urpy6o, 0точно — значения напряжений, измереннйе в режиме "грубо" и "точно";

Кгрубо Кточно ЗНаЧЕНИЯ КОЭффИцИЕНтОВ усиления режимов "грубо" и "точно";

U<»<» — значение погрешности.

Таким образом, один и тот же преобразователь 7 код-напряжение с обратной связью, охватывающей практически весь аналоговый тракт, позволяет проводить коррекцию найряжейия смещения аналогового тракта и формировать компенсирующее напряжение для более точного

5 измерения, Нормирующие регистры 9 служат для хранения коэффициентов усиления программируемых усилителей-сумматоров. 3 и значений токов управляемых генераторов 2

10 тока, задаваемых с панели 12 управления и вычисляемых вычислителем 11. Коэффициенты зависят, в основном, от типа используемых датчиков 1 температуры.

Таким образом, благодаря введению

15 коррекции смещения аналогового тракта и формйрованию компенсирующего напряжения для более точного аналого-цифрового преобразования достигается эффект точного измерения температуры в широком

20 диапазоне, Формула изобретения

Многоканальный измеритель температуры, содержащий N датчиков температуры, управляемый генератор тока, аналоговый

25 коммутатор, преобразователь код-напряжение, аналого-цифровой преобразователь, программируемый усилитель-сумматор, блок управления, вычислительную систему с взаимосвязанными панелью управления, 30 вычислителем и шиной данных, а также индикатор, вход которого подключен к шине . данных, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона измеряемых температур и увеличения точности измере35 ния, в него введены N управляемых генераторов тока, N программируемых усилителей-сумматоров, буферное запоминающее устройство, N нормирующих регистров и блок хранения температурных

40 характеристик, электрические входы N датчиков температуры соединены соответст-, венно с выходами N управляемых генераторов тока, также соответственно со. единенных с первыми входами N програм45. мируемых усилителей-сумматоров, вторые входы которых подключены соответственно к выходам N датчиков температуры, выходы программируемых усилителей-сумматоров через аналоговый коммутатор связаны с

50 аналоговым входом аналого-цифрового преобразователя, вход запуска и выход готовности которого соединены соответственно с выходом запуска и входом готовности блока управления, а цифровой выход — с входом

55 данных буферного запоминающего устройства и входом данных блока управления, выход разрешения которого связан с входом преобразователя код — напряжение, а вход "конец коррекции"-с соответствующим выходом преобразователя код — напря12

1788446

"запуск"

"измерение"

"точно/грубо запись даннных конец коррекции" ) канала

"0" - код нуля

Фиг. 2 жение, аналоговый выход которого через аналоговый коммутатор соединен с третьи- ми входами программируемых усилителейсумматоров, подсоединенных входами управления режимами через аналоговый 5 коммутатор к выходу "установка режима грубо — точно" блока управления, а входы коэффициента усиления усилителей-сумматоров соединены соответственно с выходами нормирующих регистров, которые также 10 подключены к соответствующим входам управления Й управляемых генераторов тока, входы отключения которых через аналоговый коммутатор связаны с выходами "измерение" блока управления, подключенного 15 выходом "выбор номера канала" к управляющему входу аналогового коммутатора и входу записи адреса буферного запоминающего устройства, выходы "запись кода нуля" и "запись данных" блока управления свяэа- 20 ны с соответствующими входами буферного запоминающего устройства, подключенного выходом данных к шине данных вычислительной системы, к которой также подключены выход блока хранения темпе- 25 ратурных характеристик, входы данных и входы записи Й нормирующих регистров и входы управляющих сигналов буферного запоминающего устройства, блок управления выполнен состоящим из цифрового компаратора, генератора тактовых импульсов, формирователя адреса и задатчика команд, выход генератора тактовых импульсов соединен с тактовым входом формирователя. адреса, выход которого связан с входом задатчика команд, при этом вход и выход запуска формирователя адреса являются соответственно входом готовности и выходом запуска блока управления, первый, второй, третий, четвертый и пятый выходы, а также вход задатчика команд являются соответственно выходами "измерение", установка режима грубо-точно"; "выбор номера канала", "запись кода нуля", и "запись данных ", а также входом "конец коррекции" блока управления, а входы и выход цифрового компаратора являются соответственно входом данных, входом установки нуля и выходом разрешения блока управления, 1788446

; P - HII%12i Т11 iIIBPGT »IUÉ ПРВПЕЛ IJQT ICE/ — ИОРХПИ11 тЕ1,".ПЕРПТУРН11Й ПРСЛЕЛ 11ат ШК9, Д, „ — ПОГ . СШ11001Ь IY3EIe!POEEIQН 761GIOPHT H

411Г. 3

"зануск"

ГОТОРАОСТВ"

"конец кор."

"кзиерещя" зпк зпд

1 канала

Г"

7г/У//У//у //Р/ч/р

Ь ф- вре..л сбороса

4 вре"л аналог -шфрового преобразована врс >1 установка аналогового (TQ

ЗП/- закво кода кулн D БЗУ ,1Гф- зал:св изморенного ценрионкл

1788446

1

С 4

Ъ

-, 4

I в

° 1

4 1

1,! с 4

1 1

4 °

° I

C4 О Р!

И Ц Д

p gg n n

О 14 О

@ й

D3 Г-!

Составитель Л.Осетинская

Техред M.Моргентал

Корректор H,Ðåâñêàÿ

Редактор

Заказ 70 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101