Цифровой измеритель температуры

 

Изобретение относится к области температурных измерений, а именно к цифровым измерителям температуры в широком диапазоне ее изменения. Цель изобретения состоит в повышении помехозащищенности и точности измерения температуры в широком диапазоне. Измеритель содержит датчик температуры I,усилитель сигнала ошибки 2, состоящий из последовательно соединенных активного фильтра низкой частоты 3 и устройства гальванического разделения 4, компаратор знака 5, преобразователь напряжение-частота, реверсивный счетчик 7, индикатор 8, нелинейный цифроаналоговый преобразователь 9,состоящий из преобразователя кода 10,широтно-импульсного модулятора I1,устройства гальванического разделения 12 и демодулятора 13. Введение новых элементов и образование новых связей между элементами устройства позволяет производить автоматическую коррекцию нелинейности датчика, подавление снижающих точность помех и компенсацию воздер1ствия температуры окружающей среды. 1 ил. сл 00 05 Ю

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„SU„„1278621

А1 юи4 С 01 К 7/02

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

flO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3919625/24-10 (22) 01.07.85 (46) 23.12.86. Бюл. № 47 (71) Специальное конструкторско-технологическое бюро специальной электроники и аналитического приборостроения СО АН СССР (72) В.II. Титов и О.А. Яковлев (53) 536.53(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 697839, кл. G 01 К 7/00, 1979.

Авторское свидетельство СССР

¹ 646205, кл. G 01 К 7/02, 1976. (54) ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ТЕМПЕРАТУРЫ (57) Изобретение относится к области температурных измерений, а именнд к цифровым измерителям температуры в широком диапазоне ее изменения. Цель изобретения состоит в повышении помехозащищенности и точности измерения температуры в широком диапазоне. Измеритель содержит датчик температуры

1, усилитель сигнала ошибки 2, состоящий из последовательно соединенных активного фильтра низкой частоты 3 и устройства гальванического разделения 4, компаратор знака 5, преобразователь напряжение-частота, реверсивный счетчик 7, индикатор 8, нелинейный цифроаналоговый преобразователь

9, состоящий из преобразователя кода

10, широтно-импульсного модулятора

11, устройства гальванического разделения 12 и демодулятора 13. Введение новых элементов и образование новых связей между элементами устройства позволяет производить автоматическую коррекцию нелинейности датчика, подавление снижающих точность помех и компенсацию воздействия температуры окружающей среды. 1 ил.

1278621 где U

1 сигнал датчика 1 температуры относительно "земли"; сигнал, получаемый в результате преобразования измеряемой температуры Т в напряжение; синфазная помеха; дифференциальная помеха.

U гт) Так как демодулятор 13 нелинейного ЦАП 9 гальванически развязан с помощью второго устройства 12 галь- gp ванического разделения от земли", то в контур состоящии из выводов датчика температуры, входов активного фильтра 3 низкой частоты и выходов демодулятора 13, демодулятор 13 не вносит никаких дополнительных сигналов, кроме его выходного напряжения Бт соответствующего измеренЗМ99 ной температуре. А так как выводы

Изобретение относится к области температурных измерений, а именно к цифровым измерителям температуры в широком диапазоне ее изменения с коррекцией нелинейности датчика, подав- 5 лением снижающих точность измерения помех.

Цель изобретения — повышение помехозащищенности и точности измерения температуры в широком диапазоне.

На чертеже изображено предлагаемое устройство.

Устройство содержит датчик 1 тем пературы, усилитель,2 сигнала ошибки, состоящий из последовательно соеди-: ненных активного фильтра 3 низкой частоты и первого устройства 4 гальванического разделения, компаратор 5 знака, преобразователь б напряжение частота (ПНЧ), реверсивный счетчик

7, индикатор 8, нелинейный .цифроана логовый преобразователь 9 (нелинейный ЦАП), состоящий из преобразователя 10 кода, широтно-импульсного модулятора 11, второго устройства 12 галь- 5 ванического разделения и демодулятора 13 °

В устройство в целях компенсации воздействия температуры окружающей среды может быть введен компенсатор 30 холодного спая (не показан).

Цифровой измеритель температуры работает следующим образом.

Сигнал с выхода датчика 1 температуры можно представить в виде 35 датчика температуоы и выводы регулятора 13 включены встречно, то на входе активного фильтра 3 низкой частоты относительно земли присутствует разностный сигнал U,:

U3 Пi т Цт ™т U„+Uðä

3 т„ т т„ пс Пд или

2 пс пА (3) dU=U -U ти,м где 6U — сигнал ошибки измерения температуры, Непосредственно между обоими входами активного фильтра 3 низкой часI тоты присутствует сигнал U.: пдт

) т.е. без синфазной помехи U, которая наводится на оба входа активного фильтра 3 низкой частоты и относительно "земли". Активный фильтр 3 низкой частоты подавляет переменный сигнал U„„, поэтому на выходе его относительно " земли" будет сигнал (4) з с пс

Этот сигнал подается на компаратор

5 знака, где определяется его знак, т.к. полярность, а. также на ПНЧ 6, который вырабатыва.ет последовательность импульсов U, частота следования которых пропорциональна модулю (величине) сигнала ошибки, т.е.

f =К /6U, (6) где К вЂ” коэффициент преобразования (пропорциональности) ПНЧ.

Последовательность импульсов U< с частотой f поступает на реверсивный счетчик 7, на котором накапливается число Н, представленное в параллельном двоичном коде и являющееся величиной измеренной температуры. где К вЂ” коэффициент усиления активного фильтра 3 низкой частоты. Этот сигнал поступает на вход первого устройства 4 гальванического разделения, которое подавляет синфазную помеху U«т.е. на вьгходе устройства

4 (а значит, и на вьгходе усилителя 2 сигнала ошибки) будет усиленный сигнал ошибки измерения

1278621

f N,+f t, при дц > С(Ю 0) т (7, N f ° t, при U < 0(aU « 0) где И - ; t — текущее время. 5

Если в выражение (7) подставить выражени (6), то выражение (7) можно представить в виде

И„+К /pU /t,ïðè àU > 0(Л О) (Й,-К ./аУ- /t,ïðè ЬП 0(аU О).

Данное число N, представляющее собой величину измеренной температуры в параллельном коде, подается на индикатор 8, с которого считывается результат измерения, а на преобразователь

10 кода (вход нелинейного ЦАП 9).Преобразователь 10 осуществляет преобразование кода N,,т.е. величины изме- 20 ренной температуры (Т„щ) в код напряжения N при этом закон преобразования идентичен закону, по которому дат чик 1 температуры преобразует температуру в напряжение (U, =f(T), т ° е. 25 (9) — X (N,) 35 (10) т н Ии н (т)

ИЗМ

55 где К вЂ” коэффициент преобразования кода Nö в напряжение.

Описанное преобразование кода Hö в напряжение 0 „„ в отличие от обычных

Код Uö необходимо преобразовать в напряжение, которое должно быть гальва- 30 нически развязано от "земли . Для этого и служат блоки 12 и 13, Широтно-импульсный модулятор 11 преобразует код N> в периодическую последовательность импульсов, длительность которых прямо пропорциональна коду Ии, т.е. осуществляет широтно-импульсную модуляцию (ШИМ).Блок

12 осуществляет гальваническое разделение как в цепи сигнала, так и по 40 питанию демодулятора 13. При этом разделение в цепи сигнала осуществляется за счет импульсного трансформатора, входящего в состав блока 12, а разделение по питанию осуществляется так же, как и в блоке 14. Демодулятор 13 преобразует ШИМ-сигналы с выхода блока 12 в постоянное напряжение, которое прямо пропорционально величине длительности импульсов, т.е. коду N и, следовательно, коду И (измеренной тепмературе): цифроаналоговых преобразователей (на базе интегральных ЦАП) обеспечивает относительно малую величину дискретности выходного напряжения Б,,что

И М определяет в конечном счете погрешность измерения. Пз соотношений (1О) и (8) следует, что при g U ) 0 (т. е.

> Тт ) происходит увеличение н ц числа И и, следовательно, напряжения Пт„ „, что в свою очередь приводит к уменьшению сигнала ошибки д U. (См. формулу 3). Аналогично при

Ю (О происходит уменьшение числа

Ит,Следовательно, напряжение Ц,соответствующее измеряемой температуре, равно напряжению UT,соответствующее теизм измеренной температуре, и ввиду идентичности законов преобразования в датчике 1 температуры и преобразователе 10 кода число Ит равно величине измеряемой температуры.

Датчик 1 температуры представляет собой один из типов термопар. . Компенсатор холодных спаев может быть выполнен из термометра сопротивления и параллельно включенного к нему стабилизированного источника тока.

При этом один его вход непосредственно соединен с одним из выходов, а другой — через термометр сопротивления.

Активный фильтр 3 низкой частоты состоит из двух каскадов усилителей постоянного тока (с ограниченной полосой пропускания), последовательно соединенных, причем первый каскад с учетом малого дрейфа входных токов может быть выполнен на основе операционного усилителя КМП817УД6, а второй каскад — КР544УД1А.

Первое устройство 4 гальванического разделения состоит из двух цепей гальванического разделения: цепь гальванического разделения в цепи сигнала и цепь гальванического разделения по питанию всего усилителя 2 сигнала ошибки. Цепь гальванического разделения в цепи сигнала состоит из модулятора, который производит широтно-им)пульсную модуляцию, первого импульсного трансформатора и демодулятора.

Выход модулятора подключен к входной обмотке первого импульсного трансформатора, на который с модулятора поступают импульсы со скважностью, пропорциональной величине постоянного напряжения на входе модулятора, явля127862 ющимся входом первого устройства гальванического разделения.

Выходная обмотка первого импульсного трансформатора подключена к входу демодулятора, который производит обратное преобразование. Выходом устройства гальванического разделения является выход демодулятора. Цепь гальванического разделения по питанию содержит преобразователь посто- fQ янного напряжения в переменное,второй импульсный трансформатор и выпрямитель. Выход преобразователя постоянного напряжения в переменное подключен к входным обмоткам второго им- f5 пульсного трансформатора, выходные обмотки которого соединены с входом выпрямителя. Выход выпрямителя подключен к цепям питания всего усилителя 2 сигнала ошибки. 20

Компаратор 5 знака представляет собой интегральный ксмпаратор напряжения (например, K554CA3).

Преобразователь 6 напряжений — частота выполнен по известной схеме с 25 периодическим инвертированием входного сигнала и состоит из входного инвертора (например, КР544УД1),управ— ляемого двухканального переключателя (К561КП1), интегратора (КР544УД1) 30 и компаратора (К554СЛЗ).

Реверсивный счетчик 7 содержит К последовательно включенных четырехразрядных реверсивных счетчиков

К (например, К561ИЕ11 ), где К = 4 (N— число двоичных разрядов, необходимое для измерения температуры с заданной точностью).

Индикатор состоит из последовательно соединенных преобразователя рр двоичного кода в двоично-десятичный (на основе интегральных двоичных счетчиков К651ИЕ11 и двоична-десятичных К561ИЕ 14), преобразователя двоична-десятичного кода в семисегментный код (например, К176ИД2) токовых ключей (в качестве которых могут быть использованы транзисторы) и семисегментных светодиодных матриц (например, АЛС324Б).

Преобразователь 10 кода может быть выполнен в виде постоянного запоминающего устройства (например, К573РФ1), где входами являются адрес ные входы, а выходами — выходы дан- 55 ных, Ниротно-импульсный модулятор 11 состоит из опорного генератора, счет чика-делителя опорной частоты (-на1

1 6 пример, К561ИЕ10), цифровой схемы сравнения (например, К561ИП2), на которую подается входной код и код со счетчика-делителя опорной частоты. На выходе цифровой схемы сравнения (являющимся выходом широтно-импульсного модулятора) формируется периодическая последовательность импульсов, длительность которых прямо пропорциональна входному коду.

Второе устройство 12 гальванического разделения, аналогично первому устройству 4 гальванического разделения и состоит из двух цепей гальванического разделения: цепь гальванического разделения в цепи сигнала и цепь гальванического разделения по питанию. Цепь гальванического разделения в цепи сигнала представляет собой импульсный трансформатор. Цепь гальванического разделения по питанию полностью совпадает с цепью гальванического разделения по питанию первого устройства 4 гальванического разделения, только в данном случае выходное постоянное напряжение явля ется питающим для демодулятора 13.

Демодулятор 13 состоит из последовательного соединения источника опорного напряжения, электронного ключа (например, К561КТЗ) и фильтра низкой частоты, выход которого является выходам демоцулятора 13.Входом демодулятора 13 является управляющий. вход электронного ключа.

Формула изобретения

Цифровой измеритель температуры, содержащий датчик температуры, преобразователь напряжение — частота, реверсивный счетчик, нелинейный цифроаналоговый преобразователь, о т— л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности измерения и помехозащищенности за счет подавления дифференциальных и синфазных помех и коррекции нелинейности датчика, в него введены усилитель сигнала ошибки, состоящий из последовательно соединенных активного фильтра низкой частоты и первого блока гальванического разделения, компаратор знака и индикатор., а нелинейный цифрЬаналоговый преобразователь выполнен в виде последовательно соединенных преобразователя код — код, широтноимпульсного модулятора, второго блока гальванического разделения и демоду1278621

Составитель Е. Зыков

Техред Л.Олейник

Корректор А. Обручар

Редактор Н. Тупица

Заказ 6822/36 Тираж 778 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4 лятора, при этом первый выход демо- . дулятора подключен к первому выводу датчика температуры, второй выход демодулятора подключен к первому входу активного фильтра низкой частоты,вто- 5 рой вход которого соединен с вторым выводом датчика температуры, а выход первого блока гальванического разделения соединен с входом компаратора знака и входом преобразователя напря- 10 жение — частота, выход компаратора знака подключен к управляющему входу преобразователя напряжение — частота и к управляющему входу реверсивного счетчика, выход которого соединен с входом индикатора и входом преобразователя код — код, выход преобразователя напряжение — частота соединен с входом реверсивного счетчика.