Цифровой измеритель температуры

Цифровой измеритель температуры

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к термометрии . Цель изобретения - повьшение точности измедения путем умен шения ошибки измерения, вызванной нестабильностью элементов измерителя. Устройство содержит источник 1 опорного напряжения, переключатель 2, операционные усилители 3 и 10, образцовый резистор 4, соединительные провода 5,6,7 и 8, терморезестивный преобразователь 9, переключатели 11 и 12, усилитель-сумматор 13, источник 14 напряжения смещения, коммутатор 15, интегратор 16, нуль-орган 17, блок 18 управления, генератор 19 счетных импульсов, блок 20 определения полярности , селекторы 21 и 22, функциональный преобразователь 23, отсчетное устройство 24 и реверсивный счетчик 25. Введение новых элементов и образование новых связей между элементами устройства позволяют значение измеряемой температуры определять посредством нахождения разности результатов двух двухтактных интегрирующих преобразований выходного напряжения усилитель-сумматора 13 в импульсный код, полученных при подключении к ис точнику 1 опорного напряжения и последующего функционального преобразования этой разности. 1 а.п. ф-лы, 5 ил. , SS сл СА: о DO эо 4 х Фиъ.1

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (504 G 0 1 К 7 00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСКОМУ СВИДЕТВЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3906176/24-10 (22) 03.06.85 ,(46) 15.04.87. Бюл. № 14 (71) Львовский политехнический институт им.Ленинского комсомола и Мукачевский приборостроительный завод . (72) В.Б.Здеб, P.Н.Огирко, В.А,Яцук, Е.И.Шморгун, М.М.Гулька, И.С.Лучанин и А.Е.Карабелеш (53) 536.53 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 1150435, кл. G 01 К 7/16, 1983.

Авторское свидетельство СССР

¹ 1116329, кл. С 01 К 7/16, 1983. (54) ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ТЕМПЕРАТУРЫ (57) Изобретение относится к термометрии. Цель изобретения — повышение точности измерения путем уменьшения ошибки измерения, вызванной нестабильностью элементов измерителя. Устройство содержит источник 1 опорного напряжения, переключатель 2, операционные усилители 3 и 10, образцовый резистор 4, соединительные провода

5, 6, 7 и 8, терморезестивный преобразователь 9, переключатели 11 и 12, усилитель-сумматор !3, источник 14 напряжения смещения, коммутатор 15, интегратор 16, нуль-орган 17, блок

18 управления, генератор 19 счетных импульсов, блок 20 определения полярности, селекторы 21 и 22,. функциональный преобразователь 23, отсчетное устройство 24 и реверсивный счетчик

25. Введение новых элементов и образование новых связей между элементами устройства позволяют значение измеряемой температуры определять посредством нахождения разности результатов двух двухтактных интегрирующих преобразований выходного напряжения усилитель-сумматора 13 в импульсный код, полученных при подключении к ис точнику 1 опорного напряжения и последующего функционального преобразования этой разности. 1 s.ï. ф-лы, 5 иле

1303849

Изобретение относится к термометрии, а именно к вторичным приборам для измерения температуры контактным методом с помощью терморезистивных преобразователей. Преимущества предлагаемого устройства проявляются при

его использовании в цифровых щитовых приборах для измерения температуры с терморезистивными преобразователями, подключенными к прибору с помощью трех-или четырехпроводной соединитель ной линии. Может найти применение при измерении отклонения сопротивления от некоторого заданного значения.

Целью изобретения является повышен1 е точности измерения путемуменьшения ошибки измерения, вызванной ,нестабильностью элементов измерителя.

На фиг.1 изображена структурная электрйческая схема устройства; на фиг.2 — схема усилителя-сумматора; на фиг.3 — схема кодирующей части устройства; на фиг.4 — временные диаграммы его работы; на фиг.5 — схема функционального преобразователя.

Устройство содержит источник 1 опорного напряжения, электронный переключатель 2, первый операционный усилитель 3, образцовый резистор 4, первый токовый 5, первый потенциальный 6, второй потенциальный 7, второй токовый 8 соединительные прово— да, терморезистивный преобразователь

9, второй операционный усилитель 10, первый 11 и второй 12 механически связанные переключатели, усилительсумматор 13, источник 1 4 напряжения смещения, коммутатор 15, интегратор

16, нуль-орган 17, блок 18 управле— ния, генератор 19 счетных импульсов, блок 20 определения полярности, пер— вый 21 и второй 22 селекторы, функциональный преобразователь 23, цифровое отсчетное устройство 24, реверсивный счетчик 25. Усилитель-сумматор 13 содержит первый 26 и второй

27 операционные усилители, переменный резистор 28, первый 29, второй

30, третий 31 постоянные резисторы.

Блок 18 управления содержит делитель

32 частоты, кольцевой счетчик 33, первый 34, второй 35, третий Зб,четвертый 37, пятый 38 и шестой 39 RS— триггеры, D-триггер 40, первый 41, второй 42, третий 43 и четвертый 44 элементы ИЛИ, первый 45, второй 46, третий 47 и четвертый 48 импульсные трансформаторы, первый 49, второй

50, третий 51 и четвертый 52 элементы И, сумматор по модулю два 53.

Второй селектор 22 содержит первый

54 и второй 55 элементы И. Источник

1 опорного напряжения подключен параллельно к неподвижным контактам электронного переключателя, один из

его выводов соединен с общей шиной, а второй — с входом коммутатора 13.

Первый операционный усилитель 3 имеет отдельный источник питания. Инвертирующий вход этого операционного усилителя соединен с подвижным контактом электронного переключателя 2, а неинвертирующий вход подключен к средней точке его источника питания и через образцовый резистор

4 соединен с общей шиной устройства, Выход первого операционного усилителя 3 подключен к первому неподвижно- му контакту первого переключателя 11 и через первый токовый соединительный провод 5 — к первому выводу термореактивного преобразователя 9, который через первый потенциальный соединительный провод б подключен к второму неподвижному контакту первого переключателя 11. Второй вывод терморезистивного преобразователя 9 через второй потенциальный соединительный провод 7 соединен с инвертирующим входом второго операционного усилителя 10, а через второй токовый соединительный провод 8 — с выходом второго операционного усилителя 10 и с первым неподвижным контактом второго переключателя,12. Неинвертирующий вход второго операционного усилителя 12 соединен с общей шиной устройства. Первый вход усилителя-сумматора 13 подключен к подвижному контакту первого переключателя 11, второй вход — к подвижному контакту второго переключателя 12, третий вход— к неинвертирующему входу первого операционного усилителя 3. Выходы усилителя-сумматора 13 и источника напряжения смещения подключены к входу коммутатора 15, выход которого через интегратор 16 и нуль-орган 17 подключен к блоку 18 управления. Выход генератора 19 счетных импульсов подключен к блоку 18 управления, через первый селектор 21 и цифровой функциональный преобразователь 23 — к цифровому отсчетному устройству 24, а через второй селектор 22 — к суммирующему и вычитающему входу реверсив13038 где П „,„, см мя ного счетчика 25, выход которого подключен к блоку 18. Управляющие выходы блока управления подключены к электронному переключателю 2, коммутатору 15, блоку 20 определения полярности, цифровому функциональному преобразователю 23 и к цифровому отсчетному устройству 24. Усилительсумматор l3 имеет три входа. Неинвертирующий вход первого операционного 10 усилителя 26 служит его первым входом. Второй и третий входы усилителя-сумматора 13 через соответственно переменный 28 и первый постоянный

29 резисторы подключены к инвертиру- 15 ющему входу его второго операционного усилителя 27, в цепь отрицатель— ной обратной связи которого включен третий постоянный резистор 31. Первый операционный усилитель 26 усили- 20 теля-сумматора 13 включен как повторитель напряжения, выход которого соединен через второй точный резистор с инвертирующим входом второго операционного усилителя. Выход первого операционного усилителя 26 соединен с общей шиной устройства, а выход служит выходом усилителя-сум— матора 13.

Значение измеряемой температуры 30 определяют посредством нахождения разности результатов двух двухтактных интегрирующих преобразований выходного напряжения усилителя-сумматора в число импульсный код, полу- 35 ченных при подключении к источнику 1 опорного напряжения, или к общей шине устройства инвертирующего входа первого операционного усилителя 3 и последующего функционального преобра- О зования этой разности. При работе устройства с терморезистивным преоб-. разователем 9,подключенным при помощи четырехпроводной соединительной линии, переключатели 11 и 12 нахо- 45 дятся в нижнем по фиг.1 положении, а при работе с терморезистивным преобразователем 9 подключены при помощи трехпроводной соединительной линии, первый потенциальный провод 6 >0 отсутствует, и переключатели 11 и 12 .находятся в верхнем.по фиг.1 положении.

Устройство работает следующим об- разом.

В исходном состоянии.инвертирующий вход первого операционного усилителя 3 через электронный переключа49 4 тель 2 подключен к общей шине устройства, реверсивный счетчик 25, цифровой функциональный преобразователь

23 и цифровое отсчетное устройство

24 обнулены. В первом цикле работы устройства сумма выходного напряжения усилителя-сумматора и источника напряжения смещения методом двухтактного интегрирования преобразуется в число — импульсный код, который через второй селектор 22 подается на суммирующий вход реверсивного счетчика 25. Таким образом, в конце первого цикла преобразования в реверсивном счетчике будет записано число

BblX < " Л АLLtl gf

+1! +К (ОЭ

Uo — p, выходное напряжение усилителя-сумматора 13; напряжение смещения; дрейф эквивалентного напряжения смещения интегратора 15 и нуль-органа 18, напряжение источника 7 опорного напряжения; время интегрирования напряжения.

По окончании первого цикла преобразования инвертирующий вход первого операционного усилителя 3 подключается через переключатель 2 к источнику

1 опорного напряжения. Во втором цикле сумма выходного напряжения усилителя-сумматора 13 и источника 14 напряжения смещения преобразуется в число — импульсный код. В обоих циклах преобразования число — импульсный код формируется путем заполнения импульсами частоты f генератора 19 счетных импульсов, временного интервала, образующегося между началом разряда интегратора 16 напряжения

U и моментом обрабатывания нуль-органа 17 ° Во втором цикле с началом разряда интегратора 15 блок 18 управления разрешает прохождение импульсов на вычитающий вход реверсивного счетчика 25 до момента его обнуления.

Сигналы,. проходящие в блок 18 управления с нуль-органа 17 и реверсивного счетчика 25, сигнализирующие о срабатывании нуль-органа и перехода через нуль реверсивного счетчика, служат для формирования временного интервала, на протяжении которого импульсы с генератора l9 счетных им5 1303849 6 пульсов через первый селектор 21 бу- Можно записать выходное напряжедут поступать на функциональный пре- ние усилителя-сумматора при трехобразователь 24. Таким образом, на проводном Б",„,„ и четырехпроводном функциональный преобразователь прой- U 1,„ подключении терморезистивнодет число импульсов ro преобразователя как и =Я -и - "" a "" " .Т, (г)

» » и +Д К + „ вь|х (R //R

Ул R»< дуг дм ) »<+ » о где 1 ом донцо Т

Z о

Uo <»

"styx (R 7Д»

Ro +

Выходное, напряжение усилителя-сумматора 13 можно определить как!

5 ц (1 о олл бл2 1 << ) R (м о R R„R<»+R< Ос

Х (14) "Tfî

»М о R R„+R о Tf (15)

Uo+ дьего

u<-x (R + „,)-д„

1 о»»2 Д»»2

1 э=1 вх+д < э (5) (6) (7) где R — сопротивление резистора 30.

Учитывая что R =R (1+ a +pc + о оя

У .е а

+....) и обеспечив где уц

О»»г о 4я КК»»

« <„ +R о получим

Ro(t +Р + ° ° ° ) Ro(1»вЂ”

<аи,п о

Uo (М

"вх (4» R (oL»: +9t +...)К„

1+ Ьщп

U где Rn — сопротивление резистора 28.

Функциональный преобразователь 23 моделирует зависимость8 =F(R<-R ).

Таким образом, пройдя через функциональный преобразователь импульсов, преобразуется в N4 импульсов, 55 (18) U< Rî h Ц1

01 =О, "э вх+Дц»» ь

x---(u,„+д„, ) /(R„//R,), (8) (9) (10) (11) N =e. где К„, R, — сопротивление резисторов соответственно 4 и

29.

Для нормальной работы устройства источник 1 опорного напряжения и источник 14 напряжения смещения должu Ä= -(— + — + - -) R., +Д „+ в„(4)

Rn где U, U ; U — напряжение на соответствующих входах усилителя-сумматора

Ьо — эквивалентный дрейф усилителя-сумматора

До — эквивалентное напряжение смещения от термоЭДС, .возника-, ющих в соединительных линиях. Учитывая, что при трехпроводном подключении термореэистивного преобразователя 9 ЗО

35 сопротивление первого токового провода 5; сопротивление второго токового провода; эквивалентный дрейф второ-г 40

ro операционного усилителя 10, напряжение на инвертирующем входе первого операционного усилителя 3, 45 эквивалентнйй дрейф первого операционного усилителя при четырехпроводном подключении. (13)

N < где R — сопротивление резистора 31. ос

Учйтывая, что Uö„â первом цикле принимает значение О, а во втором

U и подставив в выражение (2) зна(Я» (41 чение U ц,„ „и U b,Ä при этих значениях

U „, получим

1303849 ны быть противоположной полярности.

Значение U „ определяют из соотношения V<:ä > < Uвых, макс, (19) 5 где UI,ыл. макс выходное напряжение усилителя-сумматора при

Блок управления кроме изначальной установки схемы управления коммутатором 15 и переключателем 2, формирования по частоте генератора 19 временного интервала Т, фиксации срабатывания нуль-органа 17 и перехода через нуль реверсивного счетчика 25, управления селекторами 21 и 22, обеспечивает определение знака измеряемой температуры. Знак измеряемой температуры определяется полярностью 20 о напряжения U „. Если 9 0 С или

Rg Rpy тогда Пвы«а 0 HJIH N ) N<, т.е. во втором цикле преобразования нуль-органа 17 срабатывает после перехода через нуль реверсивного счетчика 25, что зафиксирует блок 20 определения полярности и покажет знак

При 6 0 С, Rg о, . N< + NI, т.е. нуль-орган 17 сработает до перехода через нуль реверсивного счетчика 25, и блок определения полярности покажет "+" °

Блок 18 управления работает следующим образом.

Делитель частоты 32 по частоте f 35 генератора счетных импульсов формирует импульсы с периодом слеДования

Т. Кольцевой счетчик 33 циклически формирует шесть сдвинутых во времени импульсов длительностью Т. По перед- 40 нему фронту первого и четвертого импульса на выходе второго импульсного трансформатора 46 формируется сигнал начала первого такта интегрирования, второго и пятого импульса на выходе 45 третьего импульсного трансформатора

47 — сигнал начала второго такта интегрирования, шестого импульса через первый импульсный трансформатор

45 — сигнал начала первого цикла преобразования. Эти сигналы фиксируются первым 34, вторым 35 и третьим

36 RS-триггерами. Четвертый RS-триггер 37 фиксирует срабатывание нульоргана 17. Второй 35, третий 36 и четвертый 37 RS-триггеры сбрасываются в нуль сигналом установки в единицу следующего после него триггера, Первый триггер 34 сбрасывается в нуль сигналом срабатывания нуль-органа. Выходной сигнал первого RSтриггера 34 управляет переключателем

2, второго 35, третьего 36 и четвертого 37 RS-триггеров — работой коммутатора 15. Замыкание ключей коммутатора 15 производится единичным уровнем на выходе второго 35, третьего 36 и четвертого 37 RS-триггеров.

Второй RS-триггер 35 задает время интегрирования выходного напряжения усилителя-сумматора 13 и источника

14 напряжения смещения, третий 36— подключение источника 1 напряжения до момента срабатывания нуль-органа

17, четвертый 37 — обнулению интегратора 16 до начала первого такта *преобразования. Обнуление интегратора

16 производится путем подключения выхода нуль-органа 17 к входу интегратора 16 через коммутатор 15. Выходной сигнал четвертого импульсного трансформатора 48, свидетельствующий о срабатывании нуль-органа, и сигнал перехода через нуль реверсивного счетчика 25 фиксируются путем сброса в нуль соответственно пятого 38 и шестого 39 RS-триггеров. Очередность их срабатывания фиксируется D-триггером 40 путем записи в него состояния триггера 38 в момент прохождения сигнала перехода через нуль реверсивного счетчика 25. Таким образом, .о при 9 ) 0 С на выходе D-триггера устао новится нулевой уровень, а при 9 <О Сединичный. Выход D-триггера служит для определения знака и управления функциональным преобразователем 23.

Команду разрешения прохождения импульсов с генератора 19 на суммируюп,ий вход реверсивного счетчика по состоянию пятого RS-триггера 38 и второго выхода кольцевого счетчика формирует третий элемент И 51. Команду разрешения прохождения импульсов на вычитающий вход реверсивного счетчика 25 до момента его обнуления формирует элемент И 52. Сумматор по модулю два 53 анализирует состояние пятого 38 и шестого 39 RS-триггеров.

При несовпадении их состояний элемент 53 переходит в единичное состоя- ние, что во втором такте второго цикла преобразования служит сйгналом разрешения прохождения импульсов с генератора 19 на функциональный преобразователь 23.

1303849

Функциональный преобразователь (ФП) 23 может быть выполнен по схеме, приведенной на фиг.5. Он содержит двоичный умножитель 56 частоты, счетчик 57 длины участка аппроксимации, 5 формирователь 58 импульсов, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 59 и счетчик числа участков аппроксимации 60.,Функциональный преобразователь 23 осуществляет кусочно-линейную аппроксимацию зависимости 6 F(R<-R ). Аппроксимация производится по программе, записанной в ПЗУ.

В ПЗУ записаны коэффициент преобразования N; длительность N каждого

15 участка аппроксимации. Значение N устанавливает коэффициент преобразования двоичного умножителя 56 частоты, а N устанавливает в счетчике

Р

57 длительность участка аппроксима- 20 ции. Последовательность импульсов, соответствующая результату преобразования (R>-К ) в цифровой код И поступает йа умножитель 56, где делится на коэффициент К. Импульсы с выхода умножителя 5 поступают на индикацию и счетчик длительности участка аппроксимации. При переходе счет— чика 57 через нуль на его выходе формируется импульс, который приводит к увеличению на единицу содержимого счетчика 60, т.е. изменению адреса выборки содержимого ПЗУ. На выходах ПЗУ устанавливается следующее значение NÄÄ +, и И,; „ . По заднему 35 фронту импульса, приходящего в счетчик 57, формирователь 58 импульсов формирует импульс предустановки счетчика 57. В результате в счетчике 57 записывается код N>,+„ . При началь-. ной установке счетчик 60 сбрасывается в нуль, а в счетчике 57 записывается код N, При начальной уста31+! новке счетчик 60 сбрасывается в нуль, а в счетчике 57 записывается код И

При начальной установке счетчик 60 сбрасывается в нуль, а счетчик 57 записывается код N — длительности первого

Э» участка аппроксимации. Алгоритмы an проксимации для температур выше и ниже 0 С устанавливаются путем выборки соответствующих областей ПЗУ подачей на старший разряд адреса 0 при

8 >0 С и 1 при8 <0 С.

Формула из о бр е т е н ия

1. Цифровой измеритель температуры, содержащий образцовый резистор, терморезистивный преобразователь, соединенный с потенциальными и токо— выми проводами линии связи, электронный переключатель, первый неподвижный контакт которого соединен с общей шиной измерителя, коммутатор, первый и второй входы которorо под— ключены соответственно к выходам усилителя-сумматора и источника напряжения смещения, а выход через последовательно соединенные интегратор и нуль-орган подключен к первому входу блока управления, второй вход которого соединен с выходом реверсивного счетчика, а выходы подключены соответственно к управляющим входам электронного переключателя, коммутатора, первого и второго селекторов, блока определения полярности,цифрового отсчетного устройства и функционального преобразователя, выход которого подключен к входу цифрового отсчетного устройства, а вход соединен с выходом первого селектора, вход которого подключен к выходу генератора опорной частоты, соединенному с третьим входом блока управления и входом второго селектора, выходы которого подключены к суммирующему и вычитающему входам реверсивного счетчика, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения путем уменьшения ошибки измерения, вызванной нестабильностью элементов измерителя, в него введены два операционных усилителя, источник опорного напряжения и два механически связанных переключателя, первые неподвижные контакты которых подключены соответственно к выходам первого и второго операционных усилителей, вторые неподвижные контакты соединены соответственно с первым потенциальным проводом и общей шиной измерителя, а подвижные контакты подключены соответственно к первому и второму входам усилителя-сумматора, третий вход которого соединен с неинвертирующим входом первого операционного усилителя и средней точкой его источника питания, подключенной через образцовый резистор к общей шине измерителя, соединенный с первым выводом источника опорного напряжения, второй вывод которого подключен к третьему входу коммутатора и второму неподвижному контакту электронного перекпючателя, подвижный кон12!

303849

ФЫ2

Фиа 3 такт которого соединен с инвертируищим входом первого операционного усилителя, выход которого соединен с первым токовым проводом терморезистивного преобразователи, второй токо- 5 вый провод которого соединен с выходом второго операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соеди— нен с общей шиной измерителя, а инвертирующий вход подключен к второму f0 потенциальному проводу термореэистивного преобразователя, при этом четвертый вход коммутатора соединен с выходом нуль-органа.

2. Измеритель температуры по п.1, f5 отличающийся тем, что усилитель-сумматор содержит два опеН ощип 75 К переключ.2 рационных усилителя, три постоянных и один переменный резистор, причем первый вход усилителя сумматора соединен с неинвертирующим входом первого операционного усилителя, инвертирующий вход которого соединен с его выходом и через первый постоянный резистор подключен к инвертируюшему входу второго операционного усилителя, соединенному через переменный и второй и третий постоянные резисторы соответственно с BTopblM и третьим входами усилителя-сумматора и его выходом, соединенным с выходом второго операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной измерителя.

Редактор Э.Слиган

Тираж 777 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Заказ 1296/40

Производственно-полиграфическое предприятие, г.ужгород, ул.Проектная,4 с ф

Ъ

1303849

Уг Рт 3r 4 т Jr gr Рт gr 3r Ar Fr &

Составитель В.Куликов

Техред Л.Сердюкова Корректор Л.Патай