SU1560987A1 - Цифровой измеритель температуры - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к температурным измерени м и позвол ет повысить надежность цифрового измерител . На входы преобразовател  напр жени  в интервал времени (ПНИВ) 5 поступают напр жени  с выходов источника 7 напр жени  смещени , источника 6 образцового напр жени , компенсационного устройства 4 и усилител  3, на вход которого поступает через переключатель 2 пол рности сигнал с термоэлектрического преобразовател  (ТП) 1. ПНИВ 5 совместно с генератором 9 опорной частоты, селекторами 11,12, блоком 8 управлени  и реверсивным счетчиком 10 осуществл ет преобразование поступающих напр жений в числоимпульсный код, пропорциональный температуре ТП 1, который поступает через функциональный преобразователь 14 в отсчетное устройство 15. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

Description

d

ел

о о $с

00

ч

Изобретение относитс  к технике температурных измерений и может быт использовано при построении простых щитовых цифровых измерителей темпе- ратуры, работающих в комплекте с темоэлектрическими преобразовател ми.

Цель изобретени  - повышение надежности цифрового измерител  температуры ,,

На фиг,1 приведена структурна  схема цифрового измерител  температуры; на фиг.2 - схема преобразовател  напр жени  в интервал времени; на фиг.З - схема компенсационного устройства; на фиг.4 - схема блока управлени  и его подключение к цифровой части прибора, на фиг.5 - бло схема функционального преобразовател 

Цифровой измеритель температуры содержит термоэлектрический преобразователь (ТП) 1, переключатель пол рности (ПП), усилитель 3, компенсационное устройство (КУ) 4, преоб- разователь 5 напр жени  во временно интервал (ПНВ), источник 6 образцовго напр жени  (ИОН), источник 7 напр жени  смещени  (ИНС), блок 8 управлени  (БУ), генератор 9 опорной частоты (ГОЧ)„ реверсивный счетчик (РСч) 10, первый 11 и второй 12 селекторы , блок 13 индикации пол рности , функциональный преобразователь 14 и цифровое отсчетное устройство 15.

ПНВ 5 содержит коммутатор 16, поторитель 17 напр жени , интегрирующие резистор 18 и конденсатор 19, усилитель 20 интегратора и нуль-орган 210 Первый и второй входы ПНВ 5 через первый и второй ключи коммутатора 16 подсоединены к входу повторител  17 напр жени , неинвертирующий вход усилител  20 интегратора соединен с инвертирующим входом нул органа 21 и служит третьим входом ПНВ 5 о Выход нуль-органа 21 через третий ключ коммутатора 16 подсоединен к входу повторител  17 Напр жени  и служит выходом ПНВ 5. Управл ющий вход коммутатора 16  вл етс  управл ющим входом ПНВ 5.

КУ 4 содержит переключатель 22, выход которого подсоединен к неинве тирующему входу усилител  23. Инвертирующий вход усилител  23 подключен к точке соединени  эмиттера первого транзистора 24 и образцовог

0

0

5

5

где

0

5

резистора 25, второй вывод которого подключен к общей шине устройства. База транзистора 24 соединена с выходом усилител  23, а коллектор транзистора 24 через первый нестаби- лизированньш источник 26 напр жени  подключен к первой вершине диагонали питани  моста компенсации, втора  вершина этой диагонали соединена с эмиттером транзистора 27. База транзистора 27 подсоединена к выходу усилител  28, а коллектор через второй нестабилизированный источник 29 напр жени  - к четвертому входу КУ 4. Инвертирующий вход усилител  28 подключен к первой вершине выходной диагонали моста, неинверти- рующий вход усилител  28 соединен с общей шиной устройства о Втора  вершина выходной диагонали моста служит выходом КУ 4. В одной паре противоположных плеч моста расположены термочувствительные резисторы 30 и 31 с линейной зависимостью сопротивлени  от температуры, а в другой паре плеч - термонезависимые резисторы 32 и 33. Это дает возможность с помощью КУ 4 моделировать термо-ЭДС ТП в области изменени  температур их свободных концов.

Сопротивление одного из термолезависимых резисторов должно быть в п раз больше, а другого - в п раз меньше сопротивлени  термочувствительных резисторов при температуре О С. При этом величину п определ ют из уравнени 

где

n2+2.n(1+dt,)

AL - il (2+0 X1+00:1) U ti re+rftiHlyf,) +

JLi. - il 2 + c{ t1

14 tj 2 + t2

где

-1

1

+ ,

c - температурный коэффициент сопротивлени  термочувствительных резисторов;

12 - значени  температур свободного спа  ТП в пределах диапазона их изменени ;

1,2 - значени  ЭДС ТЯ стандартной градуировки при температурах t1n t соответственно .

ЬУ 8 содержит делитель 34 частоты , кольцевой счетчик 35, элементы ИЛИ 36-39, RS-триггеры 40-45, D-триггер 46, импульсные трансформаторы 47-50, элементы И 51-54 и элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 55.

Первый селектор 11 выполнен на элементах И 56 и 57.

Функциональный преобразователь 14 содержит двоичный умножитель 56 частоты, счетчик 57 длины участка аппроксимации, формирователь 58 импульсов, посто нное запоминающее устройство (ПЗУ) 59 и счетчик 60 числа участков аппроксимации.

Цифровой измеритель температуры работает следующим образом.

Перед измерением рабочий спай ТП 1 помещают в среду, температуру которой необходимо измерить,а в месте подключени  свободных концов ТП располагают термочувствительные резисторы 30 и 31.

Цикл измерени  состоит из двух циклов преобразовани , каждый из которых состоит из трех тактов. В конце предыдущего цикла измерени  ФП 14 и ЦОУ 15 обнул ютс  (устанавливаютс  в исходное состо ние). В каждом цикле преобразовани  входное напр жение по методу двухтактного интегрировани  преобразуетс  в числоим- пульсный код. Результат измерени  определ етс  по методу коммутационного инвертировани  как разность двух результатов двухтактных преобразований , проведенных при противоположных пол рност х входного напр жени .

Каждый цикл преобразовани  состоит из трех тактов. В первом такте происходит установка начального уровн  напр жени  на интегрирующем конденсаторе 19. Это осуществл етс  при разомкнутых первом и втором и замкнутом третьем ключах коммутатора 16. При этом на конденсаторе 19 запоминаетс  напр жение смещени  UHO НО 21 Во втором такте происходит зар д конденсатора 19 входным напр жением усилител  3. В цикле коррекции выходное напр жение усилител  3

U иус

де К

+ 4Ч + 4„),

УС

«- коэффициент усилени  усилител  3; термо-ЭДС ТП;

4Ч

АКПри этом U

эквивалентное напр жение смещени , приведенное к входу прибора-, эквивалентное напр жение смещени  КУ 4.

йк RM

с а

+ ui3

ft

1+/S

1

где

R«

RN1+/5 1 + 1/К2з

Кэ1 R зо Кэг.Кзз.

+4

23

R3,+

1зт

R3,+

7з

R

30

R33

5

4«rKJ3

5

0

сопротивлени  резисторов 30-33j Uc- - напр жение сдвига

1 (блок 7);

R - сопротивление токоза- дающего резистора 25; эквивалентное напр жение смещени  и коэффициент передачи усилител  23 -,

коэффициент усилени  транзистора 24j эквивалентное напр жение смещени  усилител  28.

К концу второго такта выходное напр жение интегратора

Р 4

VT ги1Ьс-ЦсЭ+еи+еп т

но исЭЈL

5

0

где

R UC 1Э

;п

5

посто нна  времени интегрирующей цепи; соответственно сопротивление и емкость резистора 18 и конденсатора 19,1

е и - эквивалентные напр жени  смещени  повторител  17 и усилител  интегратора 20;

Т - врем  зар да конденсатора 19.

В третьем такте происходит разр д конденсатора 19 до значени  напр жени  UH(J + ис. В этот момент ПНВ 5 переводитс  в такт установки начального уровн . От начала третьего такта до момента срабатывани  НО 21 на прот жении отрезка времени t БУ 8 разрешает прохождение импульсов ГОЧ 9 частотой fо через селектор 11 на вычитающий вход РСч 10„

N

где

Е - напр жение ИОН 6.

В цикле измерени  в код зуетс  выходное напр жение л  3 К

F

где UK KN

Ус(е в Р

+ йк+ Л

1

1+0 ТиЖ

23

Напр жение Uyc преобразуетс  в интервал времени

U

ус

- Ucd + е ы + ег

Ео Т ,

С началом третьего такта цикла измерени  БУ 8 разрешает импульсам ГОЧ 9 проходить через селектор 11 на суммирующий вход РСч 100 В момен перехода РСч 10 через нуль по его выходному сигналу БУ 8 прекращает подачу импульсов ГОЧ 9 на селектор 11 и разрешает их прохождение через селектор 12 на ФП 14. Таким образом происходит вычитание в реальном масштабе времени из длительности интервала t длительности интервала

К

t x и формирование интервала времени t х t - t,. пропорционального результату измерени . По моменту срабатывани  НО 21 в цикле измерени  прекращаетс  формирование интервало времени t и tx соответственное и

Ч

U

к

ус

- U ус

ЕО - е,

Т

Кч,с(ее + UK)

Дс ЕО - е.

, По моментам перехода НО 21 и РСч 10 через нуль в БУ 8 определ ют пол рность измер емого напр жени . Если первым через нуль переходит РСч 10, а вторым НО 21, то КИП 13 покажет знак +, если наоборот - то -. Соответственно по этому сигналу в ФП 14 подключаетс  схема линеаризации положительных либо отрицательных температур.

В ФП 14 происходит преобразование количества импульсов N х tvf0, пропорциональных измер емой термо-ЭДС ТП е9 f(CJx), в количество импульсов Ng FNX , пропорциональное измер емой температуре Q х M(eg) , где F - коэффициент преобразовани  ФП 14. Аппроксимаци  производитс  по программе , записанной в ПЗУ 59. В ПЗУ 59 записаны коэффициент преобразовани 

N

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

8

на каждом участке аппроксимации р,- каждого участка.

К,

и длительность N

Код N к,- устанавливает коэффициент преобразовани  умножител  56 частоты, а код Noi устанавливает в счетчике 57 длительность участка, Числоим- пульсный код N д, поступает на умножитель 56, где делитс  на коэффициент FJ . С выхода умножител  импульсы . поступают в ЦОУ 15 и на счетчик 57. При переходе счетчика 57 через нуль на его выходе формируетс  импульс, который приводит к увеличению на единицу содержимого счетчика 60, т.е. изменению адреса выборки ПЗУ. На выходах ПЗУ 59 устанавливаютс  следующие значени  N K44i и .По заднему фронту импульса, приход щего в счетчик 57, формирователь 58 формирует импульс разрешени  предварительной записи, по которому в счетчик 57 записываетс  код N -4 .При установке ФП 14 в исходное состо ние счетчик 60 сбрасываетс  в нуль, а в счетчике 57 записываетс  код N длительности первого участка аппроксимации . Алгоритмы аппроксимации дл  температур выше и ниже О С устанавливаютс  путем выборки соответствующих областей ПЗУ подачей на старший разр д адреса 0 при и 1 при Qx 0°C.

Компенсационное устройство работает следующим образом. I

Переключателем 22 подают на вход стабилизатора тока (элементы 23-26) напр жение U cn в цикле коррекции, либо ЕО + исл в цикле измерени . Нестабилизированный источник 26 напр жени  служит дл  обеспечени  активного режима работы транзистора 24. Резистор 25 служит опорным элементом стабилизатора тока. Преобразователь 28 ток - напр жение преобразует плавающее падение напр жени  на мосте в напр жение, отсчитывае- |мое относительно общей шины устройства . Нестабилизированный источник 29 напр жени  служит дл  задани  активного режима работы транзистора 27. Ток питани  моста компенсации замыкаетс  только через источники 26 и 29, транзисторы 24 и 27 и резистор 25. Это позвол ет значительно упростить реализацию КУ 4 по . сравнению с прототипом без ухудшени  метрологических характеристик прибора в целом. Дл  уменьшени  вли ни 

на результат измерени  коэффициента усилени  р транзистора 24 он может быть выполнен по схеме составного транзистора. В предлагаемом устройст ве практически без методической погрешности моделируетс  термо-ЭДС ТП в области изменени  температуры СК. Кроме этого, исключена АСП, вызванна  вли нием активных элементов КУ, контактными ЭДС и токами утечки источников питани .

БК 8 работает следующим образом.

Делитель 34 частоты по частоте f ГОЧ 9 формирует импульсы с периодом Т0. Кольцевой счетчик 35 формирует шесть сдвинутых по времени импульсов длительностью Т. Но переднему фронту первого и четвертого импульсов на выходе второго импульсного трансформатора 41 формируетс  сигнал начала второго такта каждого цикла, второго и п того импульсов на выходе третьего импульсного трансформатора 49 - сигнал начала третьего такта , шестого импульса через первый импульсный трансформатор 47 - сигнал начала первого цикла преобразовани . Эти сигналы формируютс  RS-триггера- ми 40-42. RS-триггер 43 фиксирует срабатывание НО 21. RS-триггеры 41- 43 сбрасываютс  в О сигналом установки в 1 следующего после него. триггера. Триггер 40 сбрасываетс  в О сигналом срабатывани  НО. Выходной сигнал триггера 40 управл ет ПП 2 и переключателем 22 КУ 4, а триггеров 41-43 - работой коммутатора 16 ПНВ 5. Замыкание ключей коммутатора 16 производитс  единичным уровнем на выходах триггеров 41-43. Триггер 41 задает врем  зар да интегрирующего конденсатора напр жением , триггер 42 - врем  интегрировани  опорного напр же - ни  Е0 до момента срабатывани  НО, триггер 43 вырабатывает сигнал установки начального уровн  интегратора о Выходной сигнал импульсного трансформатора 50, свидетельствующий о срабатывании НО, и сигнал перехода через нуль РСч 10 фиксируютс  путем сброса в нуль RS-триггеров 44 и 45. Очередность их срабатывани  фиксируетс  D-триггером 46 путем записи в него состо ни  триггера 44 в момент прохождени  сигнала перехода через нуль РСч 10. Таким образом , при на выходе D-триг

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

гера 46 устанавливаетс  нулевой уровень , а при ( - единичный. Выход D-триггера 46 служит дл  индикации знака в БИП 13 и управлени  ФП 14. Команду разрешени  прохождени  импульсов с ГОЧ 9 на вычитающий вход РСч 10 по состо нию RS-триггера 44 и второго выхода кольцевого счетчика формирует элемент И 53. Команду разрешени  прохождени  импульсов на суммирующий вход РСч 10 до момента его обнулени  формирует элемент И 54. Сумматор по модулю два 55 анализирует состо ние RS-триггеров 44 и 45. При несовпадении их состо ний элемент 55 переходит в единичное состо ние, что в третьем такте второго цикла преобразовани  служит сигналом разрешени  прохождени  импульсов с генератора 9 через селектор 12 на ФП 14.

Claims (2)

1. Цифровой измеритель температуры, содержащий термоэлектрический преобразователь , подключенный к входам переключател  пол рности, первый выход которого соединен с первым входом усилител , источник напр жени  смещени , источник опорного напр жени , первый вывод которого соединен с первым входом компенсационного устройства и вторым входом преобразовател  напр жени  в интервал времени, выход которого подключен к первому входу блока управлени , второй вход которого соединен с выходом генератора опорной частоты и первыми входами первого и второго селекторов , реверсивный счетчик, входы которого соединены с выходами первого селектора, а выход подключен к третьему входу блока управлени , первый выход которого соединен с управл ющими входами компенсационного устройства и переключател  пол рности, второй выход подключен к управл ющему входу преобразовател  напр жени  в интервал времени, третий и четвертый выходы соединены соответственно с управл ющими входами первого и второго селекторов, п тый выход соединен с третьим входом первого селектора , а шестой выход подключен к управл ющим входам блока индикации пол рности и функционального преобразовател , вход которого соединен с выходом второго селектора, выход подключен к входу цифрового отсчет

ного устройства, а управл ющий вход соединен с управл ющим входом цифро- врго отсчетного устройства и седьмым выходом блока управлени , о т л и- чающийс  тем, что, с целью повышени  надежности, первый вывод источника напр жени  смещени  подключен к общей шине измерител , а второй вывод соединен с вторым выводом источника опорного напр жени , вторым входом компенсационного устройства и третьим входом преобразовател  напр жени  в интервал времени, первый вход которого соединен с выходом усилител , второй вход которого подключен к общей шине измерител , соединенной с четвертым входом компенсационного устройства, третий вход которого соединен с вторым выходом переключател  пол рности.

2. Измеритель по п.1, отличающийс  тем, что компенсационное устройство содержит два операционных усилител , образцовый ре чс тор, мост компенсации, два транзистора , два дополнительных источника напр жени  и переключатель, первый -к второй входы которого соединены соответственно с первым и вторым вхо-

0

5 0

5

0

дами компенсационного устройства, управл ющий вход соединен с управл ющим входом компенсационного устройства , а выход - с неинвертирующим входом первого операционного усилител , инвертирующий вход которого подключен к точке соединени  эмиттера первого транзистора и первого вывода образцового резистора, а выход подключен к базе первого транзистора , коллектор которого через первый дополнительный источник напр жени  подключен к первой вершине диагонали питани  моста компенсации, втора  вершина которого соединена с эмиттером второго транзистора,база которого соединена с выходом второго операционного усилител , а коллектор через второй дополнительный источник соединен с четвертым входом компенсационного устройства, вторым выводом образцового резистора и неинвертирующим входом второго операционного усилител , инвертирующий вход которого соединен с первой вершиной выходной диагонали моста компенсации , втора  вершина выходной диагонали которого  вл етс  выходом компенсационного устройства.

Фиъ.2

фиг.З

Фиг А

.«

56

J I

r i

M

JL.

1

.J

Фаг. 5

CSpoc