Цифровой измеритель температуры

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистическии

Республик (ii) 987415 (61) Дополнительное к авт. сеид-ву (22) Заявлено06.11.80 (21) 3002129/18-10 с присоединением заявки Йо (23) Приоритет

Опубликовано 07.01.83. Бюллетень Но 1

Дата опубликования описания07.01.83 ф11М gw з

6 01 К 7/02

Государствеииый комитет

СССР ио делам изобретеиий и открытии (53} YgIC 53á. 532 (088. 8 ) Ю.В.Поздняков, A.A.Ñà÷åíêî и Ю.П.Троценко - . в

"у (72) Авторы изобретения

Тернопольскнй финансово-экономический институт

E (71) Заявитель (54) 11ИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ТЕМПЕРАТУРЫ

Изобретение относится к измерению температуры электрическими методами с коррекцией нелинейности характеристики преобразования первичного измерительного преобразователя.

Известно устройство для измерения температуры, содержащее термопару и соединенный с ней параллельно нуль-орган, включенные в измерительную диагональ моста, двумя смежными плечами которого служит реохорд, движок которого является одной из вершин диагонали питания моста L 1).

Недостатками этого устройства являются невозможность получения цифрового отсчета температуры ввиду значительной нелинейности характеристики преобразования устройства, влиянне собственных погрешностей кульоргана на точность измерения тем- . пературы, нагруженное состояние термопары.

Известно устройство для измерения температуры, содержащее мостовую схему,в одно плечо которой введены терморезистор и резистор обратной связи источник стабилизированного питания, усилитель постоянного тока н измерительный прибор, прнчем последовательно с измерительным прибором включен дополнительный датчик измеряемой темпера5 туры (2).

К недостаткам устройства следует отнести также значительную остаточную погрешность линейности и невозможность получения вследствие этого линейной шкалы и цифрового отсчета результата измерения, а также то, что дополнительная термопара нагружена низким сопротивлением цепочки резисторов.

Известен также цифровой измеритель температуры, содержащий термоэлектрический термометп. подключенный к входу автоматического компенсатора постоянного тока, цифровой вольтметр, источник стабилизированного напряжения и два реохорда, механически связанные с основным реохордом компенсатора, причем цифровой вольтметр соединен с термоэлектрическим термометром через первую .ветвь первого реохорда, вторая ветвь которого соединена через второй реохорд и резистор с источником стабилизированного напряжения, причем выход термоэлектрического термометра, соединенный с первым реохордом, соеди»987415 нен с выводом источника стабилизи,рованного напряжения, соеДиненного с второй ветвью первого реохорда t 3).

Несмотря на то, что в данном устройстве приняты меры для снижения влияния класса точности автоматического компенсатора постоянного тока на результат,измерения температуры г достигнутая точность измерения в ряде случаев недостаточна, что особенно сильно заметно при измерении темпе- 10 ,ратуры в широком диапазоне. Это связано с тем, что остаточная погрешность линейности указанного устройства равна нулю лишь при двух значениях температуры в пределах ра- 5 бочего диапазона устройства, в связи с чем в широком диапазоне температуры остаточная погрешность линейности на промежутках между значениями температуры полной компенсации достигает значительной величины, превышающей в ряде случаев допустимое значение для целого ряда технологических процессов, основанных на точном измерении и контроле температуры. Это является серьезным недостатком устройства и существенно .ограничивает его функциональные возможности и область применения °

Наиболее близким по технической сущности и.достигаемому результату к изобретению является цифровой измеритель температуры, содержащий термочувствительный мост постоянного тока с термометром сопротивления в одном иэ плеч, термоэлектрический преобразователь, усилитель постоянного тока, к выходу которого подключен аналого-цифровой преобразователь, образцовый резистор и дополнительный термометр сопротивления, 40 подсоединенные к стабилизированным источникам питания, переменные ограничительные резисторы, движки которых механически связаны между собой, подключенные последовательно с 45 дополнительным термометром сопротивления и образцовым резистором к стабилизированным источникам питания, а в диагональ питания и смежные плечи термочувствительного моста посто- 50 янного тока включены цепочки, состоящие из зашунтированных резисторами последовательно соединенных постоянных и переменных резисторов„ причем движки переменных резистор в, включенных в смежные плечи моста, механически соединены между собой (4).

Однако в данном устройстве все еще велико влияние остаточной погреш 60 ности нелинейности„ а также погрешностей самих термочувствительных элементов на результат измерения.

Целью изобретения является повышение точности измерения. 65

Укаэанная цель достигается тем, что в устройство введен автоматический компенсатор постоянного тока, включенный на выходе усилителя постоянного тока параллельно. цифровому регистратору два противоположных смежных плеча моста образованы постоянным резистором, включенным в одной из них, и цепочкой из последовательно соединенных постоянного резистора и первого реохорда, включенных в другое плечо, при этом один иэ входов усилителя постоянного тока соединен с одним из выводов термоэлектрического преобразователя, другой вывод которого соединен с одним из крайних выводов второго реохорда, соединенного через переменный резистор и второй источник стабилизированного напряжения с его первым выводом, а через движок подключен к одному из выводов выходной диагонали моста, другой вывод которой соединен с другим входом усилителя постоянного тока, причем движки обоих реохордов механически связаны один с другим и движки реохорда автоматического компенсатора постоянного тока.

На фиг. 1 показана принципиальная схема цифрового измерителя температуры; на фиг. 2 - графики зависимос-, тей термо-ЭДС, напряжений и погрешности линейности от температуры.

Цифровой измеритель температуры содержит термоэлектрический преобразователь 1, цифровой вольтметр (регистратор) 2, источники 3 и 4 стабилизированного напряжения, и два реохорда 5 и б, механически связанные с основным реохордом автоматического компенсатора 7 постоянного тока. Последовательно с термоэлектрическим преобразователем 1 соединены вход усилителя 8 постоянного тока и выходная диагональ четырехплечего моста, в одно из плеч которого включен реохорд 5, в смежные с ним плечо — резистор 9, последовательно с реохордом 5 включен резистор 10.

В два других смежных плеча моста включены цепочки из последовательно соединенных постоянных 11 и 12 и переменных 13 и 14 резисторов, движ ки которых механически связаны между собой. В диагональ питания моста последовательно с источником 3 стабилизированного напряжения включен переменный резистор 15 Последовательно с выходной диагональю моста соединен второй реохорд 6, включенный в цепь движком и одним из крайних выводов, а к обойм крайним выводам реохорда б через переменный резистор

16 подключен источник 4 стабилизированного напряжения. К выходу усилителя 8 постоянного тока параллельно подключены цифровой вольтметр 2

987415 и автоматический компенсатор 7 постоянного тока, движок реохорда которого механически связан с движками обоих дополнительных реохордов 5 и б.

Цифровой измеритель температуры работает следукщим образом.

Термо-ЭДС термоэлектрического преобразователя 1 E(t ) нелинейно возрастает с ростом температуры его рабочего спая (фиг. 2а ). При этом термо-ЭДС отличается от линейно зависящего от температуры напряжения

Uq(t ) на величину погрешности линейности AU(t ). Чтобы скорректиро вать эту погрешность, последовательно с термоэлектрическим прерб- t5 зователем .включена схема линеаризации, на выходе которой формируется постоянное напряжение, э висящее от температуры по такому же закону, как и погрешность линейности ь0(с ). Это ;д корректирующее напряжение Ux(t ).суммируется с термо-ЭДС Е(с ), в результате чего на вход усилителя постоянного тока 8 поступает напряжение, линейно зависящее от темпеРа- я5 туры. Это напряжение усиливается и подается на.параллельно включенные автоматический компенсатор 7 посто- янного тока и цифровой вольтметр 2.

Таким образом, перемещение движка реохорда автоматического компенсатора линейно зависит от измеряемой температуры, а показание цифрового вольтметра при соответствующем выборе предела представляет собой результат измерения температуры, выраженный в цифровой форме.

Рассмотрим подробнее работу схемы линеаризации.

Корректируииаее напряжение 0„(t ) формируется при помощи четырехйлечего моста, напряжение на выходе которого 0 (t ) зависит от перемещения движка реохорда 5 по закону, который описывается функцией температуры с положительной первой и отрицательной 45 второй производными по температуре.

Поэтому кривая графика зависимости

0„(t ) является выпуклой (фиг. 2б )., 1

Напряжение 0 (с ) на выходе цепочки, состоящей из реохорда, последовательно соединенного с переменным резистором и источником стабилизированного напряжения, при линейной зависимости перемещения движка реохорда от температуры также является линейной зависимостью температуры (фиг.2б)

Напряжение на выходе цепочки 0 (t ) при конечной температуре диапазона равно по абсолютной величине и на1 правлено противоположно напряжению на выходной диагонали моста. Поэтому разность между выходными напряжением моста 0 (с ) и линейным напряжением 0 (t ) имеет зависимость от температуры, подобную зависимости от 65 температуры погрешности Ь0 (е ) . Суммарное корректирующее напряжение

U„(t ) Равно нулю при начальной и конечной с температурах рабочего диапазона устройства. Степень нелинейности выходного напряжения моста зависит от сопротивления резисторов в плечах моста. В заданных пределах степень нелинейности напряжения U<(t ) можно Регулировать, изменяя не "равные значения сопротивления нижних плеч моста (R13, 114 на фиг. 1). При уве- личении сопротивлений резисторов

13 и 14 равновесие моста не нарушается, поскольку сопротивления обоих ( смежных плеч моста получают одинаковые приращения за счет того, что движки переменных резисторов механически связаны между собой, а степень нелинейности зависимости 0< (t ) умень-! шается (график U„(t ) по сравнению с гРафиком 0 (t ) на фиг.2б). Вследст,вие этого изменяется и абсолютное значение компенсирующего напряжения

UK(t ) .(графики U„(t ) и О,,(» ) на фиг. 2б ). Это дает возможность плавно регулировать уровень компенсирующего напряжения при помощи подстройки резисторов 13 и 14, выбирая его таким, чтобы корректирующее напряжение 0<(t ) как можно более точно соответствовало погрешности линейности bU (t ). Это позволяет снизить остаточную погрешность линейности до значений, пренебрежимо малых по сравнению с другими составляющими результирующей погрешности измерения температуры.

Собственные погрешности усилителя постояниого тока и цифрового вольтметра также значительно меньше, даже по сравнению с остаточной погрешностью линейности, поэтому они практически не влияют на точность измерения.

Степень влияния собственной погрешности автоматического компенсатора постоянного тока на результирующую погрешность измерения температуры определяется отношением максимального значения корректирующего напряжения U (t ) к основному измерительному сигналу — термо-ЭДС Е(t )

Это отношение очень мало и составляет величину порядка единиц процентов, поэтому класс точности автоматического кюмпенсатора практически не влияет на погрешность измерения температуры. Это является важным преимуществом устройства, позволяющим использовать в нем автоматический самопишущий потенциометр низкого класса точности беэ ущерба для точности измерения. Следует отметить, что погрешность автоматического компенсатора постоянного тока не влияет на точность измерения температуры

987415 при отсчете результата по табло циф. рового вольтметра, но влияет на точность аналоговой регистрации измерительной информации в случае, если автоматический компенсатор наряду со своей основной функцией (работой в схеме линеаризации выполняет дополнительную функцию — регистрацию измерительной информации . в виде непрерывной записи на ленту графика температуры. 1О

Одним из преимуществ устройства является его высокое быстродействие определяемое, в основном,, постоянной времени автоматического компенсатора постоянного тока. Однако инер- 15 ционность термоэлектрическоro преобразователя и его арматуры обычно на практике приводит к тому, что быстродействие всей системы определяется именно тепловой инерцион- ;О ностью элементов первичного измерительного преобразователя ° Поэтому постоянной времени самого устройства по сравнению с постоянной времени ,термоэлектрического термометра можно пренебречь, т.е. устройство обладает высоким быстродействием, что по срав» нению с наиболее широко применяющимися устройствами для измерения температуры в производственных условиях, основанными на измерении ЭДС термоэлектрического преобразователя при помощи потенциометра постоянного тока с йоразрядным уравновешиванием последнего вручную, многократ- 5 ном внесении поправок и связанных с этим промежуточных вычислениях позволяет повысить быстродействие измерения температуры как минимум на два порядка. Одновременно с этим исключается погрешность, связанная с субъективным восприятием оператором показаний нуль-индикатора потенциометра, и обеспечивается улучшение условий труда оператора. . Устройство предназначено для ши- 45 рокого применения в различных отраслях промышленности при производстве измерений температуры непосредственно в производственных условиях.

Наиболее эффективно использовать 50 предлагаемое устройство в цехах при многоточечном контроле температуры в технологических процессах, основанных на точном измерении и контроле температуры, например, при термооб- 55 работке металлов, выращивании. кристаллов, производстве интегральных микросхем, измерении температуры рабочего тела турбогенератора. Техникоэкономический эффект от внедрения 6О устройства может быть получен как за счет повышения качественных характеристик изделий (металлообрабатывающая промышленность>, так и за счет повышения процента выхода годных6 иэделий полупроводниковая промышленность) или повышения КПД оборудования (электроэнергетика) .

Формула изобретения

Цифровой измеритель температуры, содержащий термоэлектрический преобразователь, термочувствительный мост постоянного тока, в два смежных плеча которого включены цепочки из последовательно соединенных постоянного и переменного резисторов, движки которых механически соединены один с другим, а в диагональ питания моста включены последовательно соединенные источник стабилизированного напряжения и переменный резистор, усилитель постоянного тока, выход которого соединен с входом цифрового регистратора, два реохорда, второй источник стабйлизированного напряжения, переменный резистор, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введен автоматический компенсатор постоянного тока, включенный на выходе усилителя постоянного тока параллельно цифровому регистратору, два противоположных смежных плеча моста образованы постоянным резистором, включенным в одной из них, и цепочкой из последовательно соединенных постоянного резистора и первого реохорда, включенных в другое плечо, при этом один из входов усилителя постоянного тока соединен с одним из выводов термоэлектрического преобразователя, другой вывод которого coe— динен с одним из крайних выводов второго реохорда, соединенного через переменный резистор и второй источник стабилизированного напряжения с его первым выводом, а через движок подключен к одному из выводов выходной диагонали моста, другой вывод которой соединен с другим входом усилителя постоянного тока, причем движки обоих реохордов механически связаны один с другим и с движком реохорда автоматического компенсатора постоянного тока.

Источники информации, принятые во внимание при экспеотизе

1. Авторское свидетельство СССР

9 316945, кл. G 01 К 7/02, 1971.

2. Авторское свидетельство СССР

М 463007, кл. G 01 К 7/00, 1975.

3. Авторское свидетельство СССР

М 625319, кл, 0 01 К 7/02, 1978.

4. Авторское свидетельство СССР по заявке Р 2029774/18-10, кл. G 01 К 7/02,,22.05.80 (прото(тип ), 987415

Составитель Н.Горшкова

Редактор Т.Кугрышева Техред Т.Маточка Корректор Л.Ференц

Заказ 10281/27 Тираж 871 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП "Патент", г. ужгород, ул. Проектная, 4