Устройство для измерения температуры

Устройство для измерения температуры

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к термометрии и может применяться в системах контроля и 2 управления для измерения температуры термометрии сопротивления. Цель изобретения - снижение погрешности измерения при непрерывном контроле температуры. Устройство содержит источник тока 1, источник напряжения 2, датчик 3, задатчики 4-6, измерительный 7, операционный усилитель 8 и дифференциальный 9 усилитель, нуль-орган 10, блоки памяти 11-13, генератор 14, реверсивный счетчик 15, блок временного интервала 16, ключи 17-22, выход устройства 23, общую шину 24, основной 25 дополнительный 26 счетчики, дешифратор 27, инверторы 28, 29, элемент ИЛИ 30, элемент ИЛИ-НЕ 31, элемент И 32. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛ ИСТИ Ч ЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 6 01 К 7/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ЯРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

gee 7 (21) 4779552/10 (22) 08.01.90

{46) 23.03.92. Бюл. ¹ 11 (713 Омское научно-производственное объединение микрокриогенной техники

{72) А.В.Ермакович и В,С.Пономарев (53) 536.532 (088,8) (56) Авторское свидетельство СССР

N 678335, кл. G 01 К 7/02, 1977.

Авторское свидетельство СССР

¹ 994931, кл. G 01 К 7/00, 1983.

{54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ (57) Изобретение относится к термометрии и может применяться в системах контроля и

„„5LI „„1721448 А1 управления для измерения температуры термометрии сопротивления. Цель изобретения — снижение погрешности измерения при непрерывном контроле температуры.

Устройство содержит источник тока 1, источник напряжения 2, датчик 3, задатчики

4 — 6, измерительный 7, операционный усилитель 8 и дифференциальный 9 усилитель, нуль-орган 10, блоки памяти 11-13, генератор 14, реверсивный счетчик 15, блок временного интервала 16, ключи 17-22, выход . устройства 23, общую шину 24, основной 25 . и"дополнительный 26 счетчики, дешифратор

27, инверторы 28, 29, элемент ИЛИ 30, элемент ИЛИ вЂ” НЕ 31, элемент И 32. 2 ил.

1721448

15

ЗО

55

Изобретение относится к термометрии и может быть использовано преимущественно в системах контроля и управления для измерения температуры термометрами сопротивления.

Известно устройство для измерения температуры, содержащее последовательно соединенные датчик температуры, измерительный усилитель, ключ, блок памяти, блок индикации, нуль-орган, один вход которого подключен к выходу измерительного усилителя, а выход — через блок временного интервала к управляющему входу ключа, и источник эталонного напряжения, подключенный к другому входу нуль-органа.

Недостатком устройстваявляется узкий диапазон измерения из-за невозможности измерения температур ниже температуры окружающей среды, низкое быстродействие и низкая точность измерения, обусловленная зависимостью постоянной времени датчика от параметров контролируемого объекта, теплопроводности и давления окружающей среды.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство для измерения температуры, содержащее последовательно соединенные датчик температуры, измерительный усилитель, ключ, блок памяти, блок индикации, блок запуска ключа, нуль-орган, один вход которого подключен к выходу измерительного усилителя, другой — к выходу блока памяти, а выход— через блок временного интервала к управляющему входу ключа.

Недостатком устройства является низкая точность измерения, обусловленная зависимостью постоянной времени датчика от параметров контролируемого объекта и окружающей среды, что, в свою очередь, сужает функциональные возможности устройства. Кроме того, необходимость установления некоторого начального значения температуры датчика исключает непрерывный контроль температуры объекта.

Цель изобретения — снижение погрешности измерения при непрерывном контро. ле температуры.

Г3оставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения тем ературы, содержащее последовательно соединенные датчик температуры и измерительный усилитель, первый блок памяти, соединенный выходом с первым входом нуль-органа, первый ключ, подключенный управляющим входом к блоку временного интервала, введены операционный усилитель, дифференциальный усилитель, второй, третий, четвертый, пятый и шестой ключи, второй и третий блоки памяти, первый, второй и третий задатчики напряжения, генератор, счетчик, основной и дополнительный счетчики, дешифратор, первый и второй инверторы, элемент ИЛИ, элемент ИЛИ вЂ” НЕ, элемент И, источник напряжения, источник тока, соединенный через первый ключ с первым выводом датчика, второй вывод которого соединен с общей шиной, выход измерительного усилителя соединен через первый блок памяти с первыми входами операционного усилителя, дифференциального усилителя, нуль-органа, и блока временного интервала, выход которого соединен с управляющими входами первого ключа и первого блока памяти, второй вход операционного усилителя соединен через второй и третий ключи соответственно с выходами первого и второго задатчиков, вторые входы нуль-органа и дифферен, иального усилителя соединены с выходом третьего задатчика, второй вход блока временного интервала соединен через четвертый ключ с выходом операционного усилителя, через последовательно включенные пятый ключ и второй блок памяти — с выходом операционного усилителя, через шестой ключ — с выходом источника напряжения, выход дифференциального усилителя соединен через третий блок памяти с выходом устройства, дополнительный и основной счетчики, соединенные последовательно и подключенные входами обнуления к выходу переноса счетчика и к управляющему входу третьего блока памяти, счетный вход дополнительного счетчика соединен с выходом генератора и счетным входом счетчика, выход основного счетчика соединен с входом дешифратора, первый выход которого соединен с управляющим входом второго блока памяти и с первым входом элемента ИЛИ, второй выход дешифратора — с управляющим входом третьего ключа, с вторым входом элемента ИЛИ и с входом первого инвертора, выход которого соединен с управляющим входом второго ключа, третий выход .дешифратора — с первым входом. элемента И и через второй инвертор с входом управления основного счетчика и входом обнуления счетчика, выход элемента И соединен с входом управления пятого ключа, выход элемента ИЛИ соединен с управляющим входом четвертого ключа и с первым входом элемента ИЛИНЕ, выход которого соединен с входом управления шестого ключа, а второй вход— с вторым. входом элемента И, с выходом нуль-органа и с входом выбора направления счета счетчика.

1721448 (2) 50

На фиг, 1 представлена функциональная схема устройства для измерения температуры; на фиг, 2 — временные диаграммы, Устройство содержит источник 1 тока, источник 2 напряжения, датчик 3 температуры, задатчики 4-6, измерительный усилитель 7, операционный усилитель 8, дифференциальный усилитель 9, нуль-орган

10, блоки 11-13 памяти, генератор 14, реверсивный счетчик 15, блок 16 временного интервала,.ключи 17 — 22, выход 23 устройства, общую шину 24, основной счетчик 25, дополнительный счетчик 26, дешифратор

27, инверторы 28 и 29, элемент ИЛИ 30, элемент ИЛИ вЂ” НЕ 31, элемент И 32, Выход датчика 3 соединен с входом усилителя 7, выход которого соединен с блоком 11 памяти.

Источник 1 тока соединен через ключ 17 с токовым выводом датчика 3, второй вывод которого соединен с общей шиной 24, Выход блока 11 памяти соединен с первыми входами усилителей 8 и 9, нуль-органа

10 и блока 16 временного интервала, выход которого соединен с управляющими входами ключа 17 и блока 11 памяти. Второй вход усилителя 8 соединен через второй 18 и третий 19 ключи соответственно с выходами задатчиков 4 и 5.

Вторые входы нуль-органа 10 и усилителя 9 соединены с выходом задатчика 6, Второй вход блока 16 временного интервала соединен через ключ 20 с выходом усилителя 8, через последовательно включенные ключ 21 и блок 12 памяти — с выходом усилителя 8, через ключ 22 — с выходом источника 2. Выход усилителя 9 соединен через блок 13 памяти с выходом 23. Последовательно соединенные дополнительный 26 и основной 25 счетчики соединены входами обнуления с выходом переноса счетчика 15 и с управляющим входом блока 13 памяти.

Счетный вход дополнительного счетчика 26 соединен с выходом генератора 14 и счетным входом счетчика 15. Выход основного счетчика 25 соединен с выходом дешифратора 27, первый выход которого соединен с управляющим входом блока 12 памяти и с первым входом элемента ИЛИ 30, второй выход — с управляющим входом ключа 19. с вторым входом элемента ИЛИ 30 и с входом инвертора 28, выход которого соединен с управляющим входом ключа 18, третий выход — с входом инвертора 29, выход которого соединен с управляющим входом основного счетчика 25 и входом обнуления счетчика 15, и с первым входом элемента И

32, выход которого соединен с управляющим входом ключа 21. Выход элемента ИЛИ

30 соединен с управляющим входом ключа

20 и первым входом элемента ИЛИ-НЕ 31. выход которого соединен с управляющим входом ключа 22, Вторые входы элементов И 32 и ИЛИ—

НЕ 31 соединены с выходом нуль-органа 10 и входом выбора направления счета счетчика 15.

Принцип работы устройства поясняется временными диаграммами (фиг. 2), где а— изменение сопротивления датчика R< в течение цикла измерения; б — изменение напряжения на управляющем входе ключа 18; в — изменение напряжения на управляющем входе ключа 19; г — изменение напряжения на управляющем входе ключа 20; д — изменение напряжения на управляющем входе ключа 21; е — изменение напряжения на управляющем входе ключа 22; ж — формирование сигнала на выходе переноса счетчика

15; з — широтно-модулированный выходной сигнал блока 16; и — изменение напряжения на втором входе блока 16, Устройство реализует способ измерения температуры, заключающийся в том, что в течение первого такта t> происходит регулирование температуры датчика по первому заданному значению температуры ©, превышающей TeMnepaTypy G, контролируемого объекта, а no его окончании— запоминание установленной на датчике мощности Р1, В течение второго такта т2 осуществляется нагрев датчика температуры до второго заданного значения Cb, à по его окончании на датчике устанавливается мощность Р1, соответствующая теплоэнергетическому балансу системы датчик — объект при температуре Ot. В течение третьего такта происходит охлаждение (в пределе тз = до температуры (Э1) датчика до третьего заданного значения Cb и измерение данного интервала времени тз. При этом

9з = Cb + (& — 6г) (1 — е " 9, (1) где т — постоянная времени системы датчик — объект, В течение четвертого такта t4 к датчику подводится нулевое значение мощности Р=О, происходит охлаждение датчика, определенное температурой 64 контролируемого объекта, в течение интервала времени t4 = тз до температуры 64:

C4 =®+(C4 — Cb) (1 — е ). (3)

По окончании четвертого такта t4 осуществляется измерение изменения температуры датчика ЛО = 84 — Оз в течение четверто1721448 го такта t4= t3, При этом в соответствии с (2) и (3)

1n(1- — д

Л О = C4 — Из = (C4 — Cb) (1 — e или ЛО = (C4 — Яз) — „— -(* (4) (Эг — Cb

Таким образом, изменение температуры датчика b, Î в течение четвертого такта

М = тз есть линейная функция температуры объекта

hO=А O, +В, Я вЂ” ® где А =; (5) бг — Эз

В= e3& % . 15 не зависящая от постоянной времени rсистемы датчик — объект, обусловленной параметрами датчика, контролируемого объекта и окружающей среды.

В свою очередь, температура обьекта может быть определена из (4}

Иг — 6

O =ЛΠ— - +Cb (6) и требует задания трех значений и измерения всего одного значения О4, Устройство работает следующим образом.

В исходный момент времени, например, по сигналу переноса счетчика 15 счет- 30 чики 25 и 26 обнулены, на первом выходе дешифратора 27 сформирован единичный логический уровень, разрешающий прямое . прохождение входного сигнала на выход блока 12 памяти, В течение всего цикла из- 35 мерения, состоящего из четырех тактов t>—

t4, на выходе блока 16 формируется последовательность импульсов переменной длительности, осуществляется импульсное питание датчика 3 током амплитудой Io 40 от источника 1 питания. . Блок 16 временного интервала обеспечивает формирование выходных импульсов с периодом Т, длительность которых определена отношением напряжения на его вто- „ ром входе к напряжению на его первом входе с коэффициентом пропорциональности Кг, Использование блока 16 временного интервала с данной функциональной зависимостью длительности выходных импуль- 50 сов от уровней напряжений на его входах обеспечивает управление тепловым режимом датчика независимо от сопротивления датчика, т.е. в данном устройстве мощность, подводимая к датчику, линейно зависит от длительности выходных импульсов (при

T=const) блока 16 временного интервала.

При единичном выходном сигнале блока 16 разрешается прямое прохождение выходного сигнала усилителя 7 на выход блока 11 памяти, при его нулевом уровне происходит запоминание выходного сигнала усилителя

7 блоком 11 памяти. Таким образом, на выходе блока 11 памяти формируется непрерывный аналоговый сигнал 0(OJ, определяемый сопротивлением датчика

R (0l в зависимости от его температуры и амплитудой тока, протекающего через датчик 3:

U (O) - =K> i. R (g (7) где К вЂ” коэффициент усиления усилителя 7.

После обнуления счетчиков 25 и 26 начинается первый такт t>, ключи 18 и 20 открыты, ключи 19, 21 и 22 закрыты, На выходе блока 16 временного интервала в соответствии с выходным напряжением операционного усилителя 8 устанавливается скважность выходных импульсов, при которой происходит разогрев и стабилизация температуры датчика 3 по первому заданному значению И, определяемому выходным напряжением 0@ задатчика 4.

При установлении теплоэнергетического баланса системы датчик — объект происходит стабилизация мощности Р, подводимой к датчику, и имеет место равенство входных напряжений усилителя 8. В соответствии с этим

Ов = К1 о (О ), (8) где R (Q ) — сопротивление датчика 3 при температуре И, Р = .Я„, « fr, (9) где Т вЂ” период повторения импульсов преобразователя 16 длительностью t<<, Т = const, t11= Кг — —, (10)

01 Кг U

Ugg К1 о R где Кг — коэффициент преобразования блока 16;

U > — выходное напряжение усилителя 8, соответствующее теплоэнергетическому балансу системы датчик — объект к моменту окончания первого такта t>..

В соответствии с (9) и (10)

К Т (11)

По окончании первого такта ц, определяемого коэффициентом пересчета дополнительного счетчика 26 и частотой генератора 14, на втором выходе дешифратора 27 устанавливается единичный уровень, на его первом .выходе — нулевой уровень. На выходе блока 12 памяти устанавливается запомненное значение выходного напряжения 01 усилителя 8.

Формируется второй такт t2 цикла измерения, ключи 18, 21 и 22 разомкнуты, ключи 19 и 20 замкнуты. По выходному напряжению

Ug эадатчика 5 осуществляется разогрев да чика 3 до температуры Cb изменением

1721448

10 (13) 10 длительности импульсов преобразователя

16 выходным напряжением U2 усилителя 8.

B течение третьего такта з ключи 18 и

21 замкнуты, ключи 19, 20 и 22 разомкнуты.

На второй вход блока 16 через ключ 21 по- 5 ступает запомненное в блоке 12 памяти напряжение 01. К датчику подводится мощность P:

Рз = l o R (®1з/Т, (12)

01 где и1з = К2 щц длительность импульсов в зависимости от сопротивления датчика В(Щ

В соответствии с (12) и (13) мощность, подводимая к датчику, не зависит от его сопротивления Я((= и определена значением напряжения 01:

Рз=

К2 о 01 (14)

На входе обнуления счетчика 15 установлен 20 нулевой уровень, осуществляется прямой счет импульсов опорной частоты генератора

14, Равенство мощностей Р1 и Рз из (11) и (14), подводимых к датчику 3 в первом t1 и третьем 1з тактах и соответствующих теплоэнергетическому балансу системы датчик— объект при температуре датчика О1, определяет изменение температуры датчика 3 по экспоненциальному закону в течение третьего такта тз:

O=Cb+(O1 — Я2) (1 — е ), (15) где Π— температура датчика 3;

t — текущее время от начала интервала

1З.

При достижении температурой датчика

3 значения Cb, определяемого выходным напряжением 0е задатчика 6, на выходе

3 нуль-органа 10 устанавливается нулевой уровень, ключи 18 и 22 замкнуты, ключи 19, 20 и 21 разомкнуты, формируется четвертый такт t4, осуществляется обратный счет счетчиком 15 импульсов генератора 14. При этом с выхода источника 2 на второй вход преобразователя 16 поступает напряжение смещения UcM, определяющее минимальную длительность выходных импульсов блока 16, исключающую саморазогрев датчика измерительным током источника 1. При t4 =

=тз на выходе переноса счетчика 15 формируется единичный импульс, обнуляющий счетчики 25 и 26, на первом выходе дешифратора 27 устанавливается единичный уровень. Выходное напряжение 0 „блока 11 памяти в момент появления импульса переноса соответствует температуре 64 датчика 3, где из (2) и (3)

Я4 = Cb + (0 - Cb) + (16)

И2 — Эз а из(7)

Ц„= К1 l, R(а4), Очевидно, что выходное напряжение задатчика 6

09, = К1 ID R (- Ъ)

Если R(Щ есть линейная функция от О

R(Q= М e+ N, (17) где М и N — коэффициенты завмсимости Я(Щ то на выходе дифференциального усилителя

9 устанавливается напряжение

U = l0 Kg М(64 — Cb), (18) где К9 — коэффициент преобразования усилителя 9.

Таким образом, в момент окончания четвертого такта t4 на выходе усилителя 9 устанавливается напряжение в соответствии с (16) и (18)

U = lo Kg М (Ос — Cb) — 8-„.,(19) которое при появлении импульса переноса счетчика 15 записывается в блок 13 памяти, с выхода которого поступает на выход 23.

Полученное на выходе 23 значение напряжения есть линейная функция температуры 64 контролируемого объекта.

Если.R (О) есть нелинейная функция

R (O) = f (C5, то усилитель 9 используется в качестве усилителя только выходного напряжения блока 11 памяти (т.е. его второй входдолжен быть соединен с общей шиной).

В этом случае в момент окончания четвертого такта т4 на выходе усилителя 9 устанавливается напряжение

0:l. К R(бИ), которое импульсом переноса счетчика 15, записывается в блок 13 памяти, с выхода которого поступает на вход 23.

Так как

С4 — 65 + (Q(— Cb) . 6 — Оз то и выходное напряжение U является функцией (нелинейной) от температуры С4 контролируемого объекта

0 =a(S)

Таким образом, существенно повышена точность измерения, благодаря исключению влияния на результат измерения постоянной времени датчика, обеспечивается непрерывный контроль температуры. Кроме этого, при измерении криогенных температур в диапазоне (4,2-20) К могут использоваться резистивные (металлические Pt, Nl, Cu) термометры сопротивления, не требующие индивидуальной градуировки, как, например, полупроводниковые термометры, и имеющие наиболее стабильные во времени значения термочувствительного параметра.

1721448

Формула изобретения

Устройство для измерения температуры, содержащее последовательно соединенные источник тока, датчик температуры, измерительный усилитель и первый блок памяти, подключенный выходом к первому входу нуль-органа, и блок временного интервала, подсоединенный выходом к управляющему входу первого ключа, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью снижения погрешности измерения при непрерывном контроле температуры, в него введены операционный и дифференциальный усилители, второй и третий блоки памяти, второй третий, четвертый, пятый и шестой ключи, первый, второй и третий задатчики напряжения, генератор импульсов, первый и второй счетчики импульсов, реверсивный счетчик импульсов, дешифратор, источник напряжения, первый и второй инверторы, элементы И, ИЛИ и ИЛИ-НЕ, причем первый ключ включен между выходом источника тока и датчиком температуры и подключен управляющим входом к управляющему входу первого блока памяти, подсоединенного выходом к первому входу блока временного интервала, соединенного вторым входом через четвертый, пятый и шестой ключи с выходами соответственно операционного усилителя, второго блока памяти и источника напряжения и подсоединенного также к первым входам операционного усилителя, соединенного выходом с входом второго блока памяти, и дифференциального усилителя, соединенного выходом с входом третьего блока памяти, подключенного выходом к выходу устройства и управляющим входом к соединенным между собой установочным входам первого и второго счетчиков импульсов и выходу ре5 версивного счетчика импульсов, подсоединенного входом к соединенным между собой входу второго счетчика импульсов и выходу генератора импульсов, установочным входом — к управляющему входу перво10 го счетчика импульсов и выходу второго инвертора и управляющим входом к выходу нуль-органа, подключенного вторым входом к соединенным между собой выходу третьего задатчика напряжения и второму входу

15 дифференциального усилителя, при этом операционный усилитель подсоединен вторым входом через второй и третий ключи к выходам первого и второго задатчиков напряжения, первый счетчик импульсов сое20 динен входом с выходом второго счетчика импульсов и выходами к входам дешифратора, подключенного первым выходом к управляющему входу второго блока памяти и первому входу элемента ИЛИ, соединенно25 го выходом с управляющим входом четвертого ключа и первым входом элемента

ИЛИ-НЕ, вторым выходом — c вторым входом элемента ИЛИ, с управляющим входом третьего ключа и через первый инвертор с

30 управляющим входом второго ключа, третьим выходом — с входом второго инвертора и первым входом элемента И, подключенного вторым входом к второму входу элемента

ИЛИ вЂ” НЕ, соединенного выходом с управ35 ляющим входом шестого ключа, и к выходу нуль-органа и подключенного выходом к управляющему входу пятого ключа, 1721448

Редактор В.Петраш

Заказ 946 Тираж 375 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Х(ур)

У(вз) Техред М.Моргентал Корректор Т.Малец