Измеритель температуры и способ ее измерения
Владельцы патента RU 2677786:
Федеральное государственное унитарное предприятие "РОССИЙСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ ЯДЕРНЫЙ ЦЕНТР - ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ТЕХНИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ ИМЕНИ АКАДЕМИКА Е.И. ЗАБАБАХИНА" (RU)
Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") (RU)
Группа изобретений относится к измерительным преобразователям температуры с алгоритмической коррекцией погрешности измерений. Изобретения могут быть использованы для преобразования текущего значения температуры в цифровой код и передачи его во внешнее устройство. Способ измерения температуры включает коррекцию измерительного тракта, заключающуюся в измерении падения напряжения на первом эталонном сопротивлении - минимуме, измерении падения напряжения на втором эталонном сопротивлении - максимуме, измерение падения напряжения на термометрах сопротивления и коррекцию результатов измерения. При этом измерение проводят циклами, перед каждым из которых проводится коррекция измерительного тракта. Измеритель температуры содержит формирователь тестовых сигналов с эталонными сопротивлениями, источник тока, выход которого подключен к мультиплексору, аналого-цифровой преобразователь, который подключен к блоку управления, устройство защиты, дополнительный мультиплексор, устройство фильтрации помех, дифференциальный усилитель, источник опорного напряжения, сумматор, приемопередающее устройством, термометры сопротивления, размещенные на объекте измерения, и вторичный источник питания. Технический результат – повышение точности измерений при повышенных эксплуатационных нагрузках. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.
Группа изобретений относится к области измерительной техники, а именно, к измерительным преобразователям температуры с алгоритмической коррекцией погрешности измерений. Изобретения могут быть использованы для преобразования текущего значения температуры в цифровой код и передачи его во внешнее устройство при испытаниях изделий (при некачественном питании и повышенных эксплуатационных нагрузках, таких как температура и вибрация).
Известен прибор для измерения температуры (п.Японии №3432920, МПК G01К 1/08, 1/14, опубл. 04.08.2003 г. ). содержащий: аналого-цифровой преобразователь (АЦП), генератор тока, два эталонных резистора, сопротивления которых равны сопротивлениям датчика при заданных температурах, которые подсоединяются вместо датчика непосредственно перед процессом измерений.
Два напряжения, которые формируются при подсоединении эталонных резисторов, используются для расчета смешения и усиления вместе с двумя теоретическими значениями напряжений при отсутствии флуктуаций. После определения смещения датчик подсоединяется для измерения фактической температуры. Напряжение, полученное в результате коррекции смещения, рассчитывается согласно формуле Vsn1=Vsn - Od для напряжения Vsn, которое фиксируется в данный момент. Напряжение Vsn1, рассчитанное согласно данной формуле, выражается через соответствующее значение температуры. Поскольку расчет и коррекция смещения выполняются автоматически, регулировка для уменьшения погрешности измерений выполняется в короткий период времени.
Недостатками данною прибора является:
- подключение генератора тока к эталонным резисторам и термометру сопротивления (датчику) проводится но двухпроводной схеме, что вносит дополнительную погрешность в процесс измерения;
- отсутствует метрологический самоконтроль, что ведет к уменьшению достоверности полученной измерительной информации;
- невозможно использование всего динамического диапазона АЦП, что может вносить дополнительную погрешность в процесс измерения;
- алгоритм работы применим только для одного термометра сопротивления.
Наиболее близким аналогом измерителя температуры в группе изобретений, который принят за прототин, является устройство для измерения температуры, содержащее формирователь тестовых сигналов, состоящий из двух эталонных резисторов, источник тока, мультиплексор, АЦП. который подключен к блоку управления, выход источника тока подключен к выходу мультиплексора (п. РФ №2253846. МПК G01K 7/16. опубл. 10.06.2005 г. ). Устройство для измерения температуры также содержит счетчик, регистр, ключ, процессор, многофункциональный генератор сигналов, сдвоенный ключ, терморезистор, подключенный к первому входу мультиплексора.
Сопротивление второго эталонного резистора составляет 40-60% от сопротивления первого эталонного резистора. Первый эталонный резистор подключен к входу замыкающего контакта сдвоенного ключа, второй эталонный резистор подключен к входу размыкающего контакта сдвоенного ключа. Выходы замыкающего и размыкающего контактов сдвоенного ключа соединены и подключены ко второму входу мультиплексора. В источнике тока нагрузка выполнена из последовательно соединенных первого и второю резисторов, сопротивление первого резистора выполнено с отношением 4-10% к сопротивлению второю резистора. Вход ключа подключен к первому выводу первого резистора, выход ключа подключен ко второму выводу первого резистора. Ко второму входу блока управления подключен первый выход многофункционального генератора сигналов с первой частотой, более чем в два раза большей максимальной частоты преобразования АЦП. К третьему входу блока управления подключен второй выход многофункционального генератора сигналов со второй частотой, более чем на два порядка меньшей первой частоты.
Первый выход блока управления подключен к входу счета счетчика, к входу обнуления которого подключен второй выход блока управления. Выход счетчика подключен к входу данных регистра, к входу разрешения записи которого подключен третий выход блока управления. Первый выход процессора подключен к управляющему входу сдвоенного ключа, второй выход процессора подключен к входу управления ключа, третий выход процессора подключен к входу разрешения чтения регистра, еще два выхода процессора подключены к входам селекции мультиплексора. Выход регистра соединен шиной данных с входом процессора.
Данное устройство обладает достаточно высокой точностью измерения температуры, однако высокие точностные характеристики не обеспечиваются в широком диапазоне внешних климатических воздействий. К недостаткам такого устройства можно отнести:
- подключение генератора тока к эталонным резисторам и терморезистору проводится по двухпроводной схеме, что вносит дополнительную погрешность в процесс измерения;
- отсутствие входного усилителя не позволяет использовать весь диапазон входных напряжений АЦП;
- не проводится определение передаточной характеристики измерительного тракта.
Известно многоканальное устройство для измерения температуры (п. РФ №2526195, МПК G01K 7/16, опубл. 2014 г. ). в котором описан способ измерения температуры, заключающийся в измерении калибровочного сопротивления в нижней калибровочной точке, измерении калибровочного сопротивления в верхней калибровочной точке, измерении текущего значения сопротивления термометров сопротивления и проведении коррекции результатов измерения.
Недостатком данного способа является, то что необходимо распределить количество калибровок на весь период эксплуатации прибора, так же в процессе калибровки не участвует выходной усилитель, как следствие - в распределенной по времени калибровке не учитывается дрейф характеристик усилителя, связанных с температурной флуктуацией и старением прибора. Наличие же двух генераторов тока не позволяет учитывать уход их индивидуальных характеристик при калибровке.
Наиболее близким способом того же назначения к заявленному способу в группе изобретений является способ измерения температуры, описанный в изобретении под названием «Интерфейсный модуль контроля температур» (п. РФ №2562749, МПК G01K 7/16. опубл. 2015 г. ). Способ основан на коррекции измерительного тракта, которая включает в себя: измерение падения напряжения на нервом эталонном сопротивлении нижняя калибровочная точка (минимум), измерение падения напряжения на втором эталонном сопротивлении - верхняя калибровочная точка (максимум), измерение падения напряжения на термометрах сопротивления, коррекцию результатов измерения.
Интерфейсный модуль контроля температур содержит термопреобразователь сопротивления, опорный резистор и эталонные резисторы нижней и верхней калибровочных точек первого канала контроля, общая точка которых соединена с общей шиной питания, несколько групп электронных коммутаторов.
После начальной инициализации центральный процессорный модуль начинает взаимодействовать по шине обмена с контроллером интерфейсов и формировать диаграмму циклического опроса каналов контроля интерфейсного модуля. Эта диаграмма предполагает фиксацию в памяти схемы управления режимов работы интерфейсного модуля, чтение через буферное устройство данных о результатах измерения сопротивлений термопреобразователей сопротивления в каналах контроля и обработку результатов измерения в центральном процессорном модуле. Процесс формирования диаграммы опроса в одном цикле включает в себя следующую последовательность действий:
- в схему управления производится запись номера опрашиваемого капала и требуемой точки контроля;
- после установления переходных процессов в масштабирующем усилителе через схему управления производится запуск АЦП для начала преобразования напряжения, полученного при усилении одного из трех дифференциальных напряжений текущего. на ладонном резисторе верхней калибровочной точки, на эталонном резисторе нижней калибровочной точки);
- в следующий момент времени после завершения процесса преобразования в АЦП производится через буферное устройство чтение цифрового эквивалента напряжения па шипу приема данных контроллера интерфейсов и передача его через контроллер интерфейсов по шине обмена в нейтральный процессорный модуль для обработки результатов измерения.
После завершения цикла опроса предыдущею канала контроля начинается новый цикл опроса следующего канала контроля и процесс формирования диаграммы опроса в новом цикле повторяется.
Поскольку результат измерения текущего дифференциального напряжения может содержать систематическую погрешность измерения, то ее вычисляют с помощью программных средств центрального процессорного модуля путем определения констант уравнения передаточной характеристики усилительной части измерительного тракта по результатам измерения дифференциальных напряжений в верхней и нижней калибровочных точках, а результат измерения калибруют.
В общем случае цифровой эквивалент напряжения, полученного после усиления измеряемого напряжения, определяется отклонением реальной передаточной характеристики усилительной части измерительного тракта от идеальной и может быть получен с погрешностью из-за наличия начального смещения (аддитивная составляющая), отличия коэффициента передачи от номинального (мультипликативная составляющая) и нелиненности передаточной характеристики (нелинейная составляющая). Если пренебречь последней из составляющих (линейность измерительного тракта обеспечивают выбором элементной базы), то получение результата, свободного от погрешностей, предполагает проведение трех измерений: текущего дифференциального напряжения на термопреобразователе сопротивления, дифференциального напряжения на эталонных резисторах верхней калибровочной точки и дифференциального напряжения на эталонном резисторе нижней калибровочной точки.
Недостатками прототипа являются необходимость применения эталонных и опорных резисторов в каждом измерительном канале. Учитывая размеры прецизионных резисторов, это в значительной мере влияет на габариты устройства для осуществления описанного способа, а также требует проведения расчетов для нивелирования погрешностей для каждого канала в отдельности; наличие двух генераторов тока требует предварительной точной настройки каждого генератора, а при изменении индивидуальных характеристик, в силу действия внешних воздействующих факторов либо старения, приведет к возникновению дополнительной погрешности.
Единая задача, решаемая данными изобретениями, - высокая точность измерений при повышенных эксплуатационных нагрузках (при механических, тепловых, ударных и вибрационных нагрузках).
Единый технический результат, получаемый при использовании предлагаемого техническою решения, - адаптация измерительною тракта (ИТ) к внешним условиям эксплуатации.
Указанный технический результат при осуществлении группы изобретений по объекту - измеритель температуры достигается тем, что его измерительный тракт, содержащий формирователь тестовых сигналов с эталонными сопротивлениями, источник тока, выход которого подключен к мультиплексору, и аналого-цифровой преобразователь-, который подключен к блоку управления, согласно изобретению снабжен устройством защиты, дополнительным мультиплексором, устройством фильтрации помех, дифференциальным усилителем, источником опорного напряжения, сумматором, приемопередающим устройством, термометрами сопротивления, размещенными на объекте измерения, и вторичным источником питания, соединенным со всеми вышеупомянутыми элементами, кроме термометров сопротивления и формирователя тестовых сигналов, который снабжен дополнительным эталонным сопротивлением, выходы устройства зашиты подсоединены к входам дополнительного мультиплексора, выходы которого подсоединены к входам устройства фильтрации, выходы которого подключены к входам дифференциального усилителя, выход которого подключен к входу сумматора, выход сумматора подключен к аналого-цифровому преобразователю, выходы мультиплексора подключены к термометрам сопротивления и входам формирователя тестовых сигналов, выходы которого подключены к входам дополнительного мультиплексора, приемопередающее устройство подключено к блоку управления, выходы которого подключены к входам мультиплексоров, источник опорного напряжения подключен к входу сумматора, выходы термометров сопротивления подключены к входам устройства защиты.
Указанный технический результат при осуществлении группы изобретений по объекту - способ измерения достигается тем, что в способе измерения температуры, включающем коррекцию измерительного тракта, заключающуюся в измерении падения напряжения па первом эталонном сопротивлении - минимуме, измерении падения напряжения на втором эталонном сопротивлении - максимуме, измерение падения напряжения на термометрах сопротивления и коррекцию результатов измерения, особенность заключается в том, что измерение проводят циклами, перед каждым из которых проводится коррекция измерительного тракта, при этом значение первого эталонного сопротивления принимается за «0 шкалы», а второго за «максимум шкалы», после чего дополнительно проводится измерение падения напряжения на контрольном сопротивлении, вычисление отклонения измерительного тракта от установленной нормы и оценка полученной погрешности, а при необходимости корректировка устройства фильтрации.
Создание измерителя указанным выше образом обеспечило введение алгоритма адаптации измерительного тракта (ИТ) к внешним условиям эксплуатации, заключающегося в применении метола калибровки ИТ с помощью двух тестовых сигналов с известными параметрами, заданными с высокой точностью и соответствующими крайним значениям параметров для заданного динамического диапазона входных сигналов. Передаточная характеристика ИТ при этом рассматривается как линейная функция.
Учитывая инерционность температурного и временного дрейфа передаточной характеристики ИТ, добавление функции (проведение коррекции ИТ.непосредственно перед каждым краткосрочным циклом измерения) в работу измерителя позволяет существенно уменьшить мультипликативную и аддитивную составляющие погрешности преобразования (погрешность измерения температуры с помощью измерителя практически полностью определяется погрешностью термометров сопротивления, непосредственно устанавливаемых на объект контроля) и существенно повысить достоверность результатов, что является несомненным достоинством предлагаемого изобретения. Подключение источника тока к термометрам сопротивления и эталонным сопротивлениям, а также измерение падения напряжения на них происходит по четырехпроводной схеме, что также обеспечивает большую точность измерения и упрощает алгоритм считывания сигнала.
Дополнительный эффект, выходящий за рамки прямых результатов использования предложенного изобретения, состоит в повышении помехоустойчивости во всех условиях эксплуатации за счет применения собственного вторичного источника питания, который обеспечивает стабильным напряжением питания измерительную часть измерителя температуры даже при низком качестве входного электропитания (с выбросами и провалами напряжения). Это в свою очередь значительно сокращает погрешность измерения.
Заявленные изобретения взаимосвязаны настолько, что образуют единый изобретательский замысел. Действительно, при создании способа измерения температуры было изобретено повое устройство - измеритель температуры. Использование данного устройства позволяет решить поставленную задачу с получением требуемого технического результата адаптации ИТ к внешним условиям эксплуатации.
При анализе уровня техники не обнаружено аналогов, характеризующихся признаками, тождественными всем существенным признакам данного изобретения. А также не выявлено факта известности влияния признаков, включенных в формулу, на технический результат заявляемого технического решения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условиям «новизна» и «изобретательский уровень».
На чертеже представлена электрическая функциональная схема измерителя температуры.
Измеритель температуры, реализующий заявляемый способ, состоит из измерительного тракта (ИТ), который включает в себя источник тока 1, устройство защиты 2. формирователь тестовых сигналов 3, мультиплексоры 4, 5, устройство фильтрации помех 6, дифференциальный усилитель 7. источник опорного напряжения 8. сумматор 9, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 10, блок управления 11, приемопередающее устройство 12, вторичный источник питания 13 и термометры сопротивления 14l - 14n.
Выходы устройства защиты 2 подсоединены к входам второго (дополнительного) мультиплексора 5, выходы которого подсоединены к входам устройства фильтрации 6, выходы которою подключены к входам дифференциального усилителя 7. Выход усилителя 7 подключен к входу сумматора 9, выход которого подключен к АЦП 10. Выход источника тока 1 подключен к входу первого мультиплексора 4, выход которого подключен к входу формирователя тестовых сигналов 3, выходы которого подключены к входам дополнительного мультиплексора 5. Приемопередающее устройство 12 и АЦП 10 подключены к блоку управления 11, выходы которого подключены к входу второю мультиплексора 5. Источник опорного напряжения 8 подключен к входу сумматора 9. Выходы первого мультиплексора 4 подключены к входу блока управления 11 и к термометрам сопротивления 14l-n, которые подключены к устройству защиты 2 и источнику тока 1. Измеритель температуры также снабжен вторичным источником питания 13, обеспечивающим стабилизированным электропитанием все его функциональные узлы. Таким образом, вторичный источник питания 13 соединен со всеми вышеупомянутыми элементами измерителя, кроме формирователя тестовых сигналов и термометров сопротивления.
Формирователь тестовых сигналов 3 включает в себя три эталонных сопротивления, одно из которых выполняет функцию контрольного. Таким образом, формирователь тестовых сигналов 3 предназначен для формирования двух тестовых и одною контрольною сигналов. Первый мультиплексор 4 обеспечивает поочередное подключение источника тока 1 к термометрам сопротивления и к эталонным сопротивлениям. Второй мультиплексор 5 обеспечивает поочередное подключение термометров сопротивления и эталонных сопротивлений к входу дифференциального усилителя 7. Дифференциальный усилитель 7 предназначен для усиления сигналов и дополнительной фильтрации помех симметричного вида. Источник опорного напряжения 8 вырабатывает постоянное напряжение, противоположной с напряжением на выходе дифференциального усилителя полярности. Сумматор 9 объединяет сигналы с выходов дифференциального усилителя 7 и источника опорного напряжения 8, который предназначен для компенсации постоянной составляющей измеренного сигнала.
Блок управления 11 обеспечивает переключение мультиплексоров 4, 5, запуск АЦП 10, считывание и хранение кодов АЦП, преобразование кодов в последовательный вид и передачу их по стандартному интерфейсу во внешнее устройство. Приемопередающее устройство 12 обеспечивает согласование сигналов по току и напряжению.
Способ осуществляют следующим образом.
Измеритель температуры имеет три режима работы: ожидание команды, измерение, передача данных. Работа начинается с подачи на измеритель напряжения питания и начальной инициализацией блока управления 11 и АЦП 10.
Измерение проводят циклами, перед каждым из которых проводится коррекция измерительного тракта, т.е. коррекция передаточной характеристики, при этом измеряют падение напряжения на первом эталонном сопротивлении (значение которого принимается за «0 шкалы»), втором эталонном сопротивлении (его значение принимается за «максимум шкалы»). После коррекции проводится параметрический (метрологический) и функциональный контроль - подключается контрольное сопротивление и измеряется падение напряжения, соответственно, вычисление погрешности ИТ (отклонение ИТ от установлен пой нормы), а результаты измерения сохраняются для подтверждения метрологической надежности измерителя. При соответствии погрешности заданному допуску измеритель температуры переходит в режим проведения цикла измерений, если же погрешность измерения не соответствует заданному допуску происходит подстройка (корректировка) устройства фильтрации по алгоритму Кифера, далее проводится повторная калибровка. Блок управления 11 выставляет адреса для мультиплексоров 4 и 5, ток от источника тока 1 поступает на первый термометр сопротивления 14l, а сигнал с него в виде напряжения постоянного тока, равный по величине произведению данного тока на значение сопротивления, через устройство защиты 2, второй мультиплексор 5 и устройство фильтрации 6 - на дифференциальный усилитель 7. Усиленный, отфильтрованный и скорректированный на постоянное значение сигнал приходит на вход АЦП 10. Через интервал времени, необходимый для завершения переходных процессов в измерительном тракте, выполняется запуск АЦП, после преобразования сигнала оцифрованный сигнал записывается в оперативную память блока управления 11. Далее, адреса для мультиплексоров 4 и 5 инкрементируются, и выполняется считывание информации со следующего термометра сопротивления, коррекция результатов измерения проводится непосредственно в процессе измерения.
По завершении цикла измерения измеритель температуры переходит в режим ожидания внешней команды на передачу данных. При поступлении соответствующей команды измеритель температуры переходит в режим передачи данных, при этом блок управления 11 через приемопередающее устройство 12 выдает данные во внешнее устройство и переходит в режим ожидания команды на следующий цикл измерения. Вторичный источник питания 13 обеспечивает стабильным напряжением питания все элементы измерителя температуры даже при низком качестве входного электропитания (с выбросами и провалами напряжения).
Таким образом, измеритель температуры обеспечивает преобразование сигналов с выходов термометров сопротивления в сигнал с информационной составляющей в виде напряжения постоянного тока, его последующее усиление, фильтрацию высокочастотной составляющей сигналов и последующее преобразование сигналов в цифровой код. Описанный способ работы и схемотехнические решения, заложенные в измеритель температуры (вследствие гибкости ИТ к внешним условиям за счет адаптации), позволяют измерять температуру с повышенной точностью и сохранять эту точность при внешней температуре среды от минус 40°С до плюс 60°С.
В заключение можно сказать, что характерной особенностью измерителя температуры также является возможность программного управления характеристиками ИТ (величиной запитывающего тока, коэффициентом усиления сигнала и параметрами цифрового фильтра), что позволяет оперативно адаптировать измеритель температуры к различным задачам, типам термометров сопротивления и условиям эксплуатации. По совокупности характеристик данный измеритель температуры относится к интеллектуальным средствам измерений.
Таким образом, представленные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемой группы изобретений следующей совокупности условий:
- средство, воплощающее заявленное устройство при его осуществлении, воспроизводит заявленный способ, предназначенный для использования в измерительной технике для определения (контроля) температуры в телеметрических системах и системах терморегулирования в процессе их эксплуатации;
- для заявляемой группы изобретений в том виде, в котором она охарактеризована в формуле изобретения, подтверждена возможность ее осуществления с помощью описанных в заявке и известных до даты приоритета устройств.
Следовательно, заявляемая группа изобретений соответствует условию «промышленная применимость».
1. Измеритель температуры, измерительный тракт которого содержит формирователь тестовых сигналов с эталонными сопротивлениями, источник тока, выход которого подключен к мультиплексору, и аналого-цифровой преобразователь, который подключен к блоку управления, отличающийся тем, что снабжен устройством защиты, дополнительным мультиплексором, устройством фильтрации помех, дифференциальным усилителем, источником опорного напряжения, сумматором, приемопередающим устройством, термометрами сопротивления, размещенными на объекте измерения, и вторичным источником питания, соединенным со всеми вышеупомянутыми элементами, кроме термометров сопротивления и формирователя тестовых сигналов, который снабжен дополнительным эталонным сопротивлением, выходы устройства защиты подсоединены к входам дополнительного мультиплексора, выходы которого подсоединены к входам устройства фильтрации, выходы которого подключены к входам дифференциальною усилителя, выход которого подключен к входу сумматора, выход сумматора подключен к аналого-цифровому преобразователю, выходы мультиплексора подключены к термометрам сопротивления и входам формирователя тестовых сигналов, выходы которого подключены к входам дополнительного мультиплексора, приемопередающее устройство подключено к блоку управления, выходы которого подключены к входам мультиплексоров, источник опорного напряжения подключен к входу сумматора, выходы термометров сопротивления подключены к входам устройства защиты.
2. Способ измерения температуры, включающий коррекцию измерительного тракта, заключающуюся в измерении падения напряжения на первом эталонном сопротивлении - минимуме, измерении падения напряжения на втором эталонном сопротивлении - максимуме, измерение падения напряжения на термометрах сопротивления и коррекцию результатов измерения, отличающийся тем, что измерение проводят циклами, перед каждым из которых проводится коррекция измерительного тракта, при этом значение первого эталонного сопротивления принимается за «0 шкалы», а второго за «максимум шкалы», после чего дополнительно проводится измерение падения напряжения на контрольном сопротивлении, вычисление отклонения измерительного тракта от установленной нормы и оценка полученной погрешности, а при необходимости корректировка устройства фильтрации.
