устройство для измерения температуры

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ, содержащее термопреобразователь с двумя измерительными и двумя дополнительными жилами, преобразователь сопротивления в напряжение, усилитель, аналого-цифровой преобразователь, блок обработки информации и регистратор, причем измерительные жилы термопреобразователя подключены к входу преобразователя сопротивления в напряжение, выход которого подключен к входу усилителя, выход которого подключен к входу аналого-цифрового преобразователя, выход которого подключен к блоку обработки информации, выход которого подключен к регистратору, отличающееся тем, что в него введены схема управления термопреобразователем, эталонный датчик, датчики температуры, реле подключения эталонного датчика, вспомогательные реле, реле подключения датчиков температуры, первый и второй диоды, причем обмотка реле подключения эталонного датчика подключена к дополнительным жилам термопреобразователя, а его нормально разомкнутые контакты шунтируют эталонный датчик, включенный в измерительную жилу, один конец обмоток вспомогательных реле и реле подключения датчиков температуры подключен к первой дополнительной жиле, второй конец обмоток вспомогательных реле через первый диод подключен к второй дополнительной жиле и через второй диод к нормально разомкнутому контакту вспомогательных реле, второй конец обмотки реле подключения датчиков температуры через нормально замкнутые контакты вспомогательного реле подключен к второй дополнительной шине, нормально замкнутые контакты реле подключения датчиков температуры шунтируют датчики температуры, включенные последовательно в измерительную жилу термопреобразователя, дополнительные жилы термопреобразователя подключены на вход схемы управления термопреобразователем.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что схема управления термопреобразователем содержит триггер запуска, счетчик количества датчиков, схему индикации, генератор тактовых импульсов, распределитель импульсов, схему ИЛИ, триггер разрешения, триггер полярности, формирователь двухполярного тока и пульт управления, причем инверсный выход триггера запуска подключен на R-вход счетчика количества датчиков, а его выход подключен на R-вход триггера запуска, выходные шины счетчика количества датчиков подключены на вход схемы индикации и на вход блока обработки информации, C-вход распределителя импульсов подключен на выход генератора тактовых импульсов, его первый выход подключен на первый вход схемы ИЛИ, а второй выход подключен на C-входы триггера полярности и счетчика количества датчиков и на S-вход триггера разрешения, R-входы триггера разрешения, триггера полярности и распределителя импульсов подключены к инверсному входу триггера запусков, выходные шины пульта управления подключены соответственно на C-вход триггера запуска, на второй вход схемы ИЛИ и на вход генератора тактовых импульсов, выходы триггера разрешения и триггера полярности подключены на входы формирователя двухполярного тока, выходы схемы ИЛИ подключены на вход аналого-цифрового преобразователя и на вход блока обработки информации, выходы формирователя двухполярного тока подключены к дополнительным жилам термопреобразователя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам, обеспечивающим измерение температуры жидких и газообразных сред и может быть использовано при океанологических исследованиях.

Известно устройство для многоточечного измерения температуры [1] содержащее пару магистральных термоэлектродов, подключенных к измерительному прибору, переключатель, соединенный с реле, причем количество реле равно числу точек измерения. Недостатком такого устройства является большое количество магистральных шин для включения реле.

Известно многоканальное телеизмерительное устройство (авт. св. ССР N 752436, кл. G 08 С 15/08), содержащее резистивные датчики, реле опроса, реле компенсации, операционный усилитель, блоки регистрации. Недостатком этого устройства является низкая точность измерения из-за погрешностей, вносимых линией связи при изменении температуры внешней среды.

В качестве прототипа изобретения взято устройство для измерения температуры [2] в состав которого входит термопреобразователь, преобразователь сопротивления в напряжение, усилитель, аналого-цифровой преобразователь, формирователь команд управления, блок обработки информации и регистратор. Термопреобразователь выполнен в виде кабеля с двумя измерительными и двумя дополнительными жилами, к которым подключены электромагнитные реле.

При работе реле последовательно срабатывают и подключают измерительные жилы к преобразователю сопротивления в напряжение.

Недостатком прототипа является зависимость времени одного опроса от времени срабатывания соответствующего реле, которое определяется самим реле и постоянной времени RC и не может изменяться в процессе измерений, что делает невозможным оперативное управление процессом проведения эксперимента за счет изменения периода опроса датчиков или многократного измерения температуры на одном горизонте.

Кроме того, наличие переходных процессов в термопреобразователе при ограниченном времени на одно преобразование снижает информационную надежность устройства и точность измерений.

Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей за счет оперативного управления измерительным процессом, повышение информационной надежности и точности измерений.

Предлагаемое устройство для измерения температуры, содержащее термопреобразователь с двумя измерительными и двумя дополнительными жилами, преобразователь сопротивления в напряжение, усилитель, аналого-цифровой преобразователь, блок обработки информации и регистратор, причем измерительные жилы термопреобразователя подключены к входу преобразователя сопротивления в напряжение, выход преобразователя сопротивления в напряжение подключен на вход усилителя, выход усилителя подключен на вход аналого-цифрового преобразователя, выход которого подключен к блоку обработки информации, а выход блока обработки информации подключен к регистратору, дополнительно содержит схему управления термопреобразователя, эталонный датчик, датчики температуры, реле подключения эталонного датчика, вспомогательные реле, реле подключения датчиков температуры, первый и второй диоды, причем обмотка реле подключения эталонного датчика подключена к дополнительным жилам термопреобразователя, а его нормально замкнутые контакты шунтируют эталонный датчик, включенный в измерительную жилу; один конец обмоток вспомогательных реле и реле подключения датчиков температуры подключен к первой дополнительной жиле, второй конец обмоток вспомогательных реле через первый диод подключен к второй дополнительной жиле и через второй диод к нормально разомкнутому контакту вспомогательных реле, второй конец обмотки реле подключения датчиков температуры через нормально замкнутые контакты вспомогательного реле подключен к второй дополнительной шине, нормально замкнутые контакты реле подключения датчиков температуры шунтируют датчики температуры, включенные последовательно в измерительную жилу термопреобразователя, дополнительные жилы термопреобразователя подключены на вход схемы управления термопреобразователем.

Схема управления термопреобразователем содержит триггер запуска, счетчик количества датчиков, схему индикации, генератор тактовых импульсов, распределитель импульсов, схему ИЛИ, триггер разрешения, триггер полярности, формирователь двухполярного тока и пульт управления, причем инверсный выход триггера запуска подключен на вход R счетчика количества датчиков, а его выход подключен на вход R триггера запуска, выходные шины счетчика количества датчиков подключены на вход схемы индикации и на вход блока обработки информации, вход С распределителя импульсов подключен на выход генератора тактовых импульсов, его первый выход подключен на первый вход схемы ИЛИ, а второй выход подключен на входы С триггера полярности и счетчика количества датчиков и на вход S триггера разрешения; входы R триггера разрешения, триггера полярности и распределителя импульсов подключены к инверсному входу триггера запуска, выходные шины пульта управления подключены соответственно на вход С триггера запуска, на второй вход схемы ИЛИ и на вход генератора тактовых импульсов, выходы триггера разрешения и триггера полярности подключены на вход формирователя двухполярного тока, выходы схемы ИЛИ подключены на вход аналого-цифрового преобразователя и на вход блока обработки информации, выходы формирователя двухполярного тока подключены к дополнительным жилам термопреобразователя.

На фиг.1 приведена схема предлагаемого устройства; на фиг.2 вариант выполнения схемы управления термопреобразователем; на фиг.3 изображена временная диаграмма работы устройства.

Устройство для измерения температуры (фиг.1) содержит термопреобразователь 1, преобразователь 2 сопротивления в напряжение, усилитель 3, аналого-цифровой преобразователь 4, блок 5 обработки информации, регистратор 6 и схему 7 управления термопреобразователем.

Термопреобразователь 1 выполнен в виде кабеля с измерительными жилами 8 и 9, дополнительными жилами 10 и 11 и содержит реле 12 включения эталонного датчика, вспомогательные реле 13 и реле 14 подключения датчиков температуры, причем обмотка реле 12 подключена к дополнительным жилам 10 и 11, а его нормально разомкнутые контакты шунтируют эталонный датчик 15, включенный в измерительную жилу 8; один конец обмотки реле 13 и реле 14 подключен к дополнительной жиле 11, второй конец обмотки реле 13 через первый диод 16 подключен к дополнительной жиле 10 и через второй диод 17 подключен к нормально разомкнутому контакту вспомогательного реле 13, второй конец обмотки реле 14 через нормально замкнутые контакты вспомогательного реле 13 подключен к дополнительной жиле 10, нормально замкнутые контакты реле 14 шунтируют датчики температуры 18, включенные последовательно в измерительную жилу 8, измерительные жилы 8,9 подключены на вход преобразователя 2 сопротивления в напряжения, а дополнительные жилы 10 и 11 подключены на выход схемы 7 управления термопреобразователем.

Схема 7 управления термопреобразователем содержит триггер запуска 19, счетчик 20 количества датчиков, схему 21 индикации номера датчика, генератор 22 тактовых импульсов, распределитель 23 импульсов, схему ИЛИ 24, триггер разрешения 25, триггер полярности 26, формирователь 27 двухполярного тока, пульт управления 28, пpичем инверсный выход триггера запуска 19 подсоединен на вход R счетчика 20 количества датчиков, а его выход подключен на вход R триггера запуска 19, выходные шины счетчика 20 количества датчиков подключены на входы схемы 21 индикации номера датчика и на вход блока 5 обработки информации, вход С распределителя импульсов 23 подключен на выход генератора 22 тактовых импульсов, а его первый выход подсоединен на первый вход схемы ИЛИ 24, а второй выход подключен на вход С триггера полярности 26, на вход С счетчика 20 количества датчиков и на вход S триггера разрешения 25, входы R триггера разрешения 25, триггера полярности 26 и распределителя импульсов 23 подключены к инверсному выходу триггера запуска 19, выходные шины 29,30,31 пульта управления подключены соответственно на вход С триггера запуска 19, на второй вход схемы ИЛИ 24 и на вход генератора 22 тактовых импульсов, выходы триггера разрешения 25 и триггера полярности 26 подключены на входы формирователя 27 двухполярного тока, на выходе схемы ИЛИ формируется сигнал "Запуск" АЦП, выходы формирователя 27 двухполярного тока подключения к дополнительным жилам 10 и 11. С пульта управления 28 по шине 29 поступает сигнал "Oпрос датчиков", по шине 30 "Внешний запуск АЦП", по шине 31 "Управление частотой" генератора 22 тактовых импульсов.

Устройство для измерения температуры работает следующим образом.

Термопреобразователь 1 устройства помещают в среду, температуру которой надлежит измерить, например в морскую воду. В блоке 5 обработки информации программно задается режим работы.

После этого (фиг.3) по шине 29 на вход С триггера запуска 19 поступает сигнал "Опрос датчиков", который устанавливается в состояние "1" и разрешает работу счетчика 20 количества датчиков, распределителя импульсов 23, триггера разрешения 25 и триггера полярности 26. С триггера разрешения 25 на формирователь 27 двухполярного тока поступает запрет и на дополнительных шинах 10 и 11 отсутствует напряжение.

При этом все реле термопреобразователя 1 обесточены и сопротивление измерительных жил R^э_изм будет равным

R^э_изм R_этал + n(R_к+R_n) + R_п9, где R_этал сопротивление эталонного датчика,

n количество датчиков,

R_к сопротивление нормально замкнутых контактов реле,

R_п сопротивление отрезков проводов жилы 8 между двумя соседними датчиками,

R_п9 сопротивление измерительной жилы 9.

Напряжение на входе аналого-цифрового преобразователя 4 будет пропорционально сопротивлению R^э_изм.

Распределитель импульсов 23 под воздействием тактовых импульсов, поступающих на его вход С, формирует на выходе последовательность импульсов, которая повторяется при опросе каждого датчика. В каждом цикле на выходе схемы ИЛИ 24 формируется импульс запуска АЦП, а затем через время t₁ изменяется состояние триггера полярности 26, который определяет полярность напряжения на выходных шинах формирователя 27 двухполярного тока.

В первом цикле триггер разрешения 25 запрещает работу формирователя 27 двухполярного тока и аналого-цифровой преобразователь 4 преобразует эталонное напряжение, код которого запоминается в блоке 6 обработки информации и затем вычитается из кодов, полученных при последующих преобразованиях.

Во втором цикле на выходных шинах формирователя 27 двухполярного тока формирует токовый импульс, например, отрицательной полярности, под действием которого срабатывает реле 12, шунтируя своими нормально разомкнутыми контактами эталонный датчик 15 и реле 14 первого горизонта, которое подключает первый датчик температуры 18 в измерительную жилу 8. При этом сопротивление измерительных жил R¹_изм будет равным

R¹_изм R₁ + n (R_к + R_п) + R_п9.

Напряжение на входе аналого-цифрового преобразователя 4 будет пропорционально сопротивлению R¹_изм.

Нетрудно показать, что погрешности измерения, возникающие за счет сопротивления нормально замкнутых реле 14 и сопротивления проводов измерительных жил 8 и 9, исключаются в процессе обработки

R R¹_изм-R R₁-R_этал

В третьем цикле полярность тока на выходных шинах формирователя 27 двухполярного тока изменяется и при этом включается реле 13 первого горизонта и реле 14 второго горизонта, реле 14 первого горизонта обесточивается, а в измерительную жилу 8 включается датчик температуры 18 второго горизонта (R₂).

Измерительный процесс продолжается до появления импульса на выходе счетчика 20 количества датчиков, который устанавливает триггер запуска 19 в первоначальное состояние "0", запрещая работу схемы.

Период опроса датчиком зависит от частоты генератора 22 тактовых импульсов и может меняться под действием сигнала "Управление частотой", поступающего по шине 31 с пульта управления 28.

Запуск АЦП может производиться и управляющим сигналом "Управление частотой" с пульта управления 28 по шине 30. При этом появляется возможность длительного измерения температуры на одном выбранном горизонте.

В качестве датчиков температуры 15, 18 могут быть использованы резистивные или полупроводниковые первичные преобразователи.

Эталонный датчик 15 соответствует начальной температуре, например 0^оС. Преобразователь 2 сопротивления в напряжение может представлять собой мостовую схему, выполненную на высокоточных резисторах.

Блок 5 обработки информации может быть реализован на базе серийных микропроцессорных комплектов или бытовых компьютеров.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет оперативно изменять скорость опроса датчиков и производить многократные измерения на одном выбранном горизонте. В преобразователе отсутствуют цепочки RC и на каждом горизонте устанавливаются два реле и датчик температуры. Номер опрашиваемого датчика высвечивается на схеме индикации номера датчика.

Схема управления термопреобразователем выполнена на девяти микросхемах серии К561 и шести полупроводниковых транзисторах.

В настоящее вpемя разработана техническая документация на устройство и предполагается изготовление опытной партии приборов.