Цифровой измеритель температуры

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик () 947654 (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 04.12. 80 (21) 3214990/18-10

Р М К з с присоединением заявки ¹

G 01 K 7/02

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий (23) Приоритет (53) УДЙ536. 532 (088.8) Опубликовано 30.07. 82. Бюллетень ¹ 28

Дата опубликования описания30 ° 07.82 (72) Авторы изобретения

Н.П. Кохан, В.Н. Колесников, Б.С. Мухин и Н.Ф. Храмов (71) Заявитель (54 ) ЦИФРОВОИ ИЗМЕРИТЕЛЬ ТЕМПЕРАТУРЫ он

Изобретение относится к термомет,рии и может найти применение в.системах измерения и регулирования температуры физикотермического оборудования.

Известен цифровой измеритель температуры (ЦИТ), содержащий датчик температуры, усилитель и аналогоцифровой преобразователь (АЦП) двойного интегрирования, на один вход которого через переключатель подается эталонное. напряжение, а второй вход через делитель и переключатель соединен с выходом нормирующего усилителя. В этом ЦИТ коррекция нелинейности передаточной характеристики датчика .осуществляется путем .поочередного подключения его к выходам нормирующего усилителя и делителя, соединенных со входом АЦП (1).

При этом обеспечивается уменьшение. погрешности для. датчиков с передаточной характеристикой

E - к,(н )- к (н ) + н (н),, (1> где Š— выходное напряжение датчика;

Н вЂ” температура;

K„- const (11,2,3).

Недостатком ЦИТ является его низкая точность и узкая область применения, так как он может применяться только для датчиков с передаточной характеристикой (1).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является ЦИТ, содержащий блок эталонного напряжения, дат" чик температуры, нормирующий усилитель, АцП двойного интегрирования, сигнальный вход которого через нор" мирующий усилитель соединен с датчиком температуры, вход эталонного на напряжения соединен со входом блока эталонного напряжения, а дополнительные входы АЦП вЂ” с выходами функционального:генератора (2).

В этом ЦИТ коррекция нелинейности датчика осуществляется путем подачи во втором такте на вход интегратора . АЦП линейно изменяющегося эталонного напряжения. Тем самым обеспечивается компенсация нелинейности датчиков с передаточной характеристикой

Е - К„ДН+ XqQH, (2) °

При этом по измеренному напряжению датчика показание ЦИТ QH " из выражения (2) находится как

947654

Недостаток этого ЦИТ. состоит в иевысокой точности измерения температуры. Например, в случае датчика термопары градуировки ПП-1 (ГОСТ

3044-77) при точном преобразовании

5 в точках QH, 1300 С (Е„13107 мкВ) и н = 7000с (е 6253 мкВ) (4) .

При напряжении на выходе датчика

E = 9550 мкВ, соответствующему по

ГОСТ 3044-77 температура Н = 1000 С,Щ ошибка измерения составляет

»нн)-(н) -Q») 1»»1,1-1n»o=»,1c, l5)

Кроме рассмотрен"ой составляюцей погрешности (5),. с ростом температурь| 5 окружающей среды у .ЦИТ появляется дополнительная составляюцая погрешности, обусловленная температурным коэф фициентом конденсаторов и резисторов схемы измерения. ,20

Даже самые стабильные конденсато- ры групп ПЗЗ с ТКŠ— 0,33-10 % в диапазоне температур 50ОC изменяются на 0,33 10 50 = 0,153.

Следовательно, такого же порядка будет погрешность измерения температуры с помоцью этого ЦИТ. При измеряемой температуре Q = 1000оC величина дополнительной погрешности будет 0,15-10 1000 = 1,5 С.

Таким образом, рассматриваемый

ЦИТ имеет недостаточную точность иэ измерения, требующуюся, например, при производстве интегральных схем

0 2 0 5оС

Кроме того, рассматриваемый ЦИТ работает только с датчиками, передаточная характеристика которых выражается полиномом второй степени, чем ограничивается область его применения. 40

Цель изобретения - повышение точности измерений и расширение области

| использования измерителя.

Поставленная цель достигается тем, что в ЦИТ, содержаций датчик 45 температуры, соединенный с входом нормирующего усилителя и AUII двойного интегрирования, введены цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), включенный между сигнальным входом

АЦП и выходом нормируюцего усилителя, преобразователь напряжение — частота лПНЧ), счетчик и постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), последовательно включенные между выходом

ПНЧ и управляюцими входами ЦАП, а также блок управления, выход которого соединен с входами ПНЧ, счетчика и

АЦП.

На фиг. 1 показана функциональная схема измерителя; на фиг. 2, а-д—

60 диаграммы, поясняющие работу ЦИТ.

Датчик 1 температуры ., дключен к входу нормируюцего усилителя 2. Между выходом нормируюцего усилителя 2 и сигнальным входом АЦП 3 включен 65

ЦАП 4, а между выходом нормируюцего усилителя 2 и управляюцими входами

ЦАП 4 последовательно включены ПНЧ

5, счетчик б, ПЗУ 7. Выходы блока 8, управления подключены к входам АЦП 3, ПНЧ 5. и счетчика б. ЦИТ работает следующим образом.

В начальный момент времени на выходе блока 8 управления поддерживается высокий уровень выходного напряжения 08 (фиг. 2). При этом содержимое счетчика бN О (фиг.26) подается на адресные входы ПЗУ 7, на выходе

ПЗУ 7 будет число а0 1фиг.2II), записанное в нулевой ячейке ПЗУ 7, а. коэффициент передачи ЦАП 4 будет равен ао (фиг.26,8). При появлении низкого уровня на выходе блока 8 управ" ления (фиг.21.) импульсы с ПНЧ 5 начинают поступать на счетчик б, запус,кается АЦП 3 и напряжение с датчика 1 через усилитель 2 и ЦАП 4 поступает на сигнальный вход АЦП Э. Напряжение интегратора AIJII 3 начинает увеличиваться (фиг.2a). По мере заполнения счетчика б (фиг.2Á) будет меняться код адреса ПЗУ 7, при этом будет изменяться выходной код ПЗУ 7 (фиг.2B), а следовательно, и коэффициент передачи ЦАП 4. Последнее вызы- вает появление изломов на кривой выходного напряжения интегратора АЦП 3 (фиг.2В)." ПроцЕсс заряда интегратора

AItII 3 от сигнала датчика 1 продолжается в течение фиксированного отрезка времени Т (I-й такт на фиг.2a).

Во Я такте ЦАП 4 отключается от

АЦП 3 и происходит разряд интеграто-, ра АЦП 3 до нуля опорным напряжением )0 (фиг.2O) При этом длительность

Т. второго такта численно равна температуре (Й) датчика (фиг.23).

После окончания второго такта на выходе,блока 8 управления появляется высокий уровень напряжения (фиг.2ъ) и дальнейшая работа ЦИТ происходит аналогично описанному циклу.

Для оценки погрешности измерения температуры ЦИТ выразим коэффициенты а„.,через параметры градуировочной характеристики датчика 1.

Пусть температура датчика равна (Н), а выходное напряжение Е(®). Тогда частота ПНЧ 5 будет

За время Т первого такта преобразования содержимое счетчика 6 будет

N-T" 15-.К5-Е(ОН )Т (7) напряжение на интеграторе AUII 3 в конце первого такта (фиг.2a) будет 0 Т1 Т

u,= Ь О» а, З++ 1) и ® a,à ...+ ) EQH »d1=

0 0 К-Л

947654

„.5

Формула изобретения

Он) ) (10) 55

60 где (О,ТО) — отрезок времени, в тече- ние которого МО;

t Òä,11j — отрезок времени, в течение которого й»! и т.д., K - наибольшая целая часть числа N..

Так как Т„= -- .;, то последнее вы-. I ражение можно йереписать в виде 10

Т Т

Н -E(QH) „а. +ан y) .(н)

;,18 и

Длительность второго такта преобразования находится из уравнения

К1

) ((НН)) ; а )(т-ЙК) =Ч Н,(Н)

1=0 при этом должно быть Гн К4-(Й}, где

К const. Подставив это соотношение

4 и уравнение (9), получим выражение для температуры

ЦН ) К-1

Дн —.,т, . т

4 0 4=0

Учитывая (7), последнее выражение перепишем в виде

Е(Н ) К-1

О" О = -"

4 о " (ОН)r =о С! ° 4 Cf )(Ko 35

"Ае Ь Е= 1 =сопМ, 1

40 5

Из выражения (10) видно, что передаточная характеристика предлагае:,мого ЦИТ является кусочно-линейной.

При этом количество линейных участков одределяется количеством а! в ПЗУ 7 и -имеется воэможность обеспечить точ- . ное совпадение измерений температуры с расчетной в и точках, смена коэффициентов а. будет происходить при

К((Н),.)-ibE. Î (i 1 2,3,...N) (11)

B этом случае иэ выражения (10) коэффициенты а; находятся из системы.

Ф,-ОНЛН,У, 4=0

ci, ОНК К С (1%)

Е а =Она К K 1

1=0 стемы (! 2) Решенйе си ,. - ((й},.-(й}1) к4к чо (1-0,1,2„. „14). (13) 65

Совместное выполнение условий (!1), и (12) обеспечивает совпадение передаточной. характеристики градуировочной кривой в точках

OH) Сн)1, E»!gal (IQ,1,2, ° °,N) ° (14)

В качестве примера рассчитана погрЕшность данного ЦИТ при измерении температуры (Н}»700-1300 С термопарным датчиком градуировки ПП-1 (ГОСТ ЗЯ44-7Щ т. е. при тех же исходных данных, что и у прототипа, величина которой находилась в пределах 0,2 С.

Таким образом, по сравнению с прототипом данный ЦИТ позволяет повысить точность измерения температуры в диапазоне 700-1300 С в

3 т

3 о2

Н

Кроме того, данный ЦИТ позволяет измерять температуру, любым датчиком с монотонной передаточной характеристикой и не ограничивается характеристиками (1). и (2), как в известных

ЦИТ. Это позволяет расширить область использования измерителя по изобре-. тению.

Цифровой измеритель температуры, содержащий датчик температуры, соединенный с входом нормирующего усилителя,. и аналого-цифровой преобразователь двойного интегрирования, о т л и ч аю шийся тем, что, с целью повышения точности измерения и расширения области использования измерителя,, в него введены преобразователь напряжение - частота, счетчик, постоянное запоминающее устройство. блок управления и цифра-аналоговый преобразователь, включенный между выходом .нормирующего усилителя и сигнальным входом аналого-цифрового преобразователя двойного интегрирования, блок управления, выход которого соединен с с преобразователем напряжение — частота, счетчиком и аналого-цифровым преобразователем двойного интегрирования,.а выход нормирующего усилителя через последовательно включенные преобразователь напряжениечастота, счетчик и постоянное эапоми нающее устройство соединен с управля.:ющим входом цифра-аналогового преоб разователя.

Источники информации, принятые во внимание при эксйертиэа . 1. Авторское свидетельство СССР

Р 627349, кл. G 01 К 7/02, 1979.

2. Семенов В.Г. Цифровой термометр с линейной шкалой. — Труды .мЭИ, 1975, 9 234, с. 130-137 (про-. тотип).

947654 фиЕ.2

Составитель Н.Горшкова

Редактор С.Тараненко Техред М, Надь Корректор Г. Огар

Заказ 5618/62 Тиран 887 Подписное

ВНИИПИ Государственного .комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП "Патент", r.уигород, ул. Проектная, 4