УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

Полезная модель относится к области электроники и преимущественно может быть использована, прежде всего, в имеющих резервированную структуру автоматизированных системах контроля объектов и технологических процессов для высокоточного дистанционного измерения температуры.
Известны устройства для измерения температуры, которые позволяют осуществить известные способы измерения температуры (RU 2249798, 2005, RU 2269102, 2006) и содержат управляемый источник постоянного тока и включенный в его цепь терморезистор.
Известно устройство для измерения температуры, которое позволяет осуществить известный способ измерения температуры (SU 1332158, 1987) и содержит терморезистор, регулятор мощности, вторичный измерительный преобразователь, регистрирующий прибор и таймер.
Известно устройство контроля параметров воздушной среды (RU 2276353, 2006), которое содержит датчики температуры, давления и влажности, преобразователи сигналов указанных датчиков, коммутатор, модулятор, генератор импульсов и вычислительное устройство.
Известно также устройство для измерения температуры, которое позволяет осуществить известный компенсационный способ измерения температуры (RU 2257553, 2005) и содержит измерительную цепь с терморезистором, устройство сравнения, задатчик температуры стабилизации, управляемый источник питания, микроконтроллер и отсчетное устройство.
Недостатком всех указанных известных технических решений является невозможность использования их в системах контроля температуры, которые имеют резервированную структуру, состоящую, например, из трех идентичных измерительных каналов с мажоритарной обработкой результатов измерений, и поэтому обеспечивают более высокую точность измерения температуры, а также позволяют выявлять отказы элементов измерительных каналов и не учитывать результаты измерений отказавших каналов. Кроме того, все указанные известные устройства обеспечивают недостаточно высокую точность измерений, поскольку в этих технических решениях не предусмотрены учет или компенсация погрешности измерений, которая вызвана нестабильным во времени конечным значением сопротивления линии связи датчика температуры с аппаратурой обработки и регистрации результатов измерения и имеет весьма существенное значение при дистанционном измерении температуры из-за протяженности линии связи.
Наиболее близким по технической сущности к настоящей полезной модели является устройство для измерения температуры, которое позволяет осуществить
известный способ определения температуры (SU 1364911, 1988). Указанное известное устройство, являющееся ближайшим аналогом, содержит управляемый источник тока, терморезистор и низкоомный калиброванный добавочный резистор, соединенные последовательно и подключенные к управляемому источнику тока, преобразователь сопротивления в напряжение, подключенный к выводам терморезистора, преобразователь тока в напряжение, подключенный к выводам добавочного резистора, цифро-аналоговый преобразователь, подключенный выходом к входу управляемого источника тока, а также последовательно соединенные мультиплексор, выполняющий функцию коммутатора, аналого-цифровой преобразователь, микро-ЭВМ и цифровой индикатор, причем коммутируемые входы мультиплексора подключены к выходам преобразователя сопротивления в напряжение и преобразователя тока в напряжение, а выходы микро-ЭВМ подключены к управляющему входу мультиплексора и входу цифро-аналогового преобразователя.
Указанное известное устройство, выбранное за ближайший аналог, может быть использовано в имеющих резервированную структуру автоматизированных системах контроля объектов и технологических процессов, но только в случае резервирования всех элементов, включая терморезистор в качестве датчика температуры, объединения резервированных ЭВМ в локальную вычислительную сеть и снабжения ЭВМ программным обеспечением, позволяющим осуществлять обмен информацией между ними и реализовать мажоритарный принцип обработки полученных результатов измерений. Вместе с тем, структура выбранного за ближайший аналог устройства не позволяет использовать его в многоканальных резервированных автоматизированных системах при контроле и измерении температуры с помощью одного терморезистора, что сужает его функциональные возможности. При этом, с одной стороны, терморезисторы на основе металлов обладают высокой надежностью и поэтому не требуют резервирования, а, с другой стороны, целый ряд возможных объектов контроля обладает спецификой, не позволяющей устанавливать на них для измерения температуры более одного терморезистора с целю резервирования.
Использование в известном устройстве, выбранном за ближайший аналог, низкоомного добавочного резистора, включенного последовательно с терморезистором, в принципе позволяет получать на выходе аналого-цифрового преобразователя цифровой код, пропорциональный току через терморезистор, и в случае снабжения ЭВМ соответствующим программным обеспечением производить с ее помощью учет погрешности измерения температуры, вызванной неопределенностью и нестабильностью значения сопротивления линии связи между терморезистором и элементами обработки и регистрации результатов измерений. Однако применение добавочного резистора с низким номиналом сопротивления, существенно меньшим сопротивления включенного с ним последовательно терморезистора, и использование одного и того же аналого-цифрового
преобразователя для последовательного во времени преобразования сигналов с них приводит к тому, что значение напряжения, подаваемого с добавочного резистора на вход аналого-цифрового преобразователя, оказывается в самом начале шкалы преобразования аналого-цифрового преобразователя из-за необходимости соответствия середины шкалы преобразования аналого-цифрового преобразователя значению напряжения, снимаемого с терморезистора при среднем значении температуры измеряемого диапазона температур. В результате этого снижается чувствительность данного известного устройства к сигналу, пропорциональному току через терморезистор, что не позволяет корректно произвести учет погрешности измерения температуры, вызванной неопределенностью и нестабильностью значений сопротивлений линии связи между терморезистором и элементами обработки и регистрации результатов измерений, а также коммутирующих элементов устройства, и поэтому не обеспечивает повышения точности измерений.
Поэтому недостатками устройства для измерения температуры, выбранного за ближайший аналог, являются недостаточно высокая точность измерения температуры, что обусловлено погрешностью измерения, вызванной неопределенностью и нестабильностью значений сопротивлений линии связи между терморезистором и элементами обработки и регистрации результатов измерений и коммутирующих элементов устройства, а также недостаточно широкие функциональные возможности применения его в многоканальных резервированных автоматизированных системах.
Задачами настоящей полезной модели являются повышение точности измерения температуры и расширение функциональных возможностей устройства при применении в многоканальных резервированных автоматизированных системах.
Поставленные задачи решены, согласно настоящей полезной модели, тем, что устройство для измерения температуры, содержащее, в соответствии с ближайшим аналогом, последовательно соединенные терморезистор и добавочный резистор, коммутатор, первый аналого-цифровой преобразователь, ЭВМ, подключенную первым входом и первым выходом соответственно к выходу первого аналого-цифрового преобразователя и управляющему входу коммутатора, и цифро-аналоговый преобразователь, подключенный входом ко второму выходу ЭВМ, отличается от ближайшего аналога тем, что оно снабжено вторым аналого-цифровым преобразователем, подключенным входом и выходом соответственно к выводам добавочного резистора и второму входу ЭВМ, и нагрузочным резистором, выводы которого подключены к выходу цифро-аналогового преобразователя, причем цифро-аналоговый преобразователь выполнен с возможностью формирования стабильного выходного тока, выводы терморезистора подключены к входу первого аналого-цифрового преобразователя, а последовательно соединенные коммутируемая цепь коммутатора,
терморезистор и добавочный резистор подключены к выходу цифро-аналогового преобразователя параллельно нагрузочному резистору.
Снабжение устройства для измерения температуры вторым аналого-цифровым преобразователем, подключенным входом и выходом соответственно к выводам добавочного резистора и второму входу ЭВМ, позволяет согласовать напряжение, подаваемое с добавочного резистора на вход аналого-цифрового преобразователя, таким образом, чтобы его значение при токе через последовательно соединенные терморезистор и добавочный резистор, протекающем при среднем значении температуры измеряемого диапазона температур, соответствовало середине шкалы преобразования второго аналого-цифрового преобразователя. В результате этого повышается чувствительность устройства к сигналу, пропорциональному току через терморезистор, что позволяет более точно произвести учет погрешности измерения температуры, вызванной неопределенностью и нестабильностью значений сопротивлений линии связи между терморезистором и элементами обработки и регистрации результатов измерений, а также коммутирующих элементов устройства, и поэтому обеспечивает повышения точности измерений.
Снабжение устройства для измерения температуры нагрузочным резистором, выводы которого подключены к выходу цифро-аналогового преобразователя, а также выполнение цифро-аналогового преобразователя с возможностью формирования стабильного выходного тока, подключение выводов терморезистора к входу первого аналого-цифрового преобразователя и подключение последовательно соединенных коммутируемой цепи коммутатора, терморезистора и добавочного резистора к выходу цифро-аналогового преобразователя параллельно нагрузочному резистору при функционировании устройства в резервированной автоматизированной системе контроля позволяет поочередно подключать терморезистор с помощью коммутатора к выходам цифро-аналоговых преобразователей каждого измерительного канала. Это обеспечивает поочередное пропускание через терморезистор стабильного тока, формируемого цифро-аналоговым преобразователем каждого измерительного канала, ввод в ЭВМ каждого измерительного канала цифровых кодов, пропорциональных падению напряжения на терморезисторе и току через терморезистор, и последующее вычисление ЭВМ этого измерительного канала значения сопротивления терморезистора, а значит и значения температуры. В результате этого возникает возможность за счет обмена информацией о полученных значениях температуры между ЭВМ измерительных каналов и сравнения этих значений, во-первых, выявлять и отбрасывать аномальные результаты измерения температуры, возникающие, например, из-за отказов элементов какого-либо измерительного канала, и во-вторых, усреднять результаты измерений температуры. Это свидетельствует о расширении функциональных возможностей устройства для
измерения температуры при применении его в многоканальных резервированных автоматизированных системах.
При этом снабжение устройства для измерения температуры нагрузочным резистором, выводы которого подключены к выходу цифро-аналогового преобразователя, постоянно обеспечивает выходную цепь цифро-аналогового преобразователя нагрузкой, даже при разомкнутой коммутируемой цепи коммутатора. В результате этого выходная цепь цифро-аналогового преобразователя, с одной стороны, никогда не оказывается не нагруженной, а работа выходной цепи цифро-аналогового преобразователя, выполненного с возможностью формирования стабильного тока, без нагрузки близка к аварийному режиму. С другой стороны, замыкание коммутируемой цепи коммутатора для подключения параллельно нагрузочному резистору терморезистора с добавочным резистором не вызывает существенного броска выходного тока цифро-аналогового преобразователя. Эти причины не приводят к снижению срока службы цифро-аналогового преобразователя в условиях коммутации его выходной цепи.
Отмеченное свидетельствует о решении декларированных выше задач настоящей полезной модели благодаря наличию у устройства для измерения температуры перечисленных выше отличительных признаков.
1
3
1
3
1
3
1
3
1
3
1
3
1
3
На чертеже представлена структурная схема устройства для измерения температуры в случае его использования в трехканальной резервированной системе контроля, где 1 - первый измерительный канал, 2 - второй измерительный канал, 3 -третий измерительный канал, 4 - терморезистор, 5-5 - ЭВМ, 6-6 - первый аналого-цифровой преобразователь, 7-7 - второй аналого-цифровой преобразователь, 8-8 - цифро-аналоговый преобразователь, 9-9 - коммутатор, 10-10 - добавочный резистор и 11-11- нагрузочный резистор.
1
3
1
3
1
3
1
3
1
3
1
3
1
3
1
3
1
3
1
3
Устройство для измерения температуры содержит терморезистор 4 в качестве датчика температуры и идентичные первый, второй и третий измерительные каналы 1, 2 и 3, обеспечивающие резервирование и мажоритарную обработку результатов измерений. В качестве терморезистора 4 предпочтительно использование платинового терморезистора, например, типа ТСП-0879 с четырьмя выводами и сопротивлением при температуре 0°С около 100 Ом. Первый, второй и третий измерительные каналы 1, 2 и 3 содержат ЭВМ 5-5, первый аналого-цифровой преобразователь 6-6, подключенный к первому входу ЭВМ 5-5, второй аналого-цифровой преобразователь 7-7, подключенный ко второму входу ЭВМ 5-5, и цифро-аналоговый преобразователь 8-8, подключенный ко второму выходу ЭВМ 5-5. Цифро-аналоговый преобразователь 8-8 выполнен с возможностью формирования стабильного выходного тока. Кроме того, первый, второй и третий измерительные каналы 1, 2 и 3 содержат последовательно соединенные коммутатор 9-9 и добавочный резистор 10-10, включенные последовательно с терморезистором 4. Указанная
1
3
1
3
1
3
1
3
1
3
1
3
1
3
1
3
1
3
1
3
1
3
1
3
1
3
последовательная цепь подключена к выходу цифро-аналогового преобразователя 8-8, причем параллельно ей к его выходу подключен нагрузочный резистор 11-11. Выводы терморезистора 4 соединены с входом первого аналого-цифрового преобразователя 6-6, а выводы добавочного резистора 10-10 соединены с входом второго аналого-цифрового преобразователя 7-7. При использовании однотипных первого 6-6 и второго 7-7 аналого-цифровых преобразователей сопротивление добавочного резистора 10-10 целесообразно выбирать близким по значению к сопротивлению терморезистора 4 при температуре, равной среднему значению температуры измеряемого диапазона температур. Сопротивление нагрузочного резистора 11-11 для существующих типов цифро-аналоговых преобразователей 8-8, выполненных с возможностью формирования стабильного выходного тока, предпочтительно выбирать в пределах 0,5-1,5 кОм. Управляющий вход коммутатора 9-9, который выполнен на транзисторах или электромагнитных реле, подключен к первому выходу ЭВМ 5-5. ЭВМ 5-5 первого, второго и третьего измерительных каналов 1, 2 и 3 попарно соединены между собой шинами межмашинного обмена.
1
3
1
3
1
3
1
3
1
3
Все элементы первого, второго и третьего измерительных каналов 1, 2 и 3 могут быть выполнены, например, на базе отечественных электронных компонентов серии «Мезонин», выпускаемых фирмой «Осатек», Москва. В этом случае в качестве первого 6-6 и второго 7-7 аналого-цифровых преобразователей может быть использован аналого-цифровой преобразователь М-22, а в качестве цифро-аналогового преобразователя 8-8 - цифро-аналоговый преобразователь М-26. При выполнении коммутатора 9-9 на транзисторах может быть использован коммутатор транзисторный М-17, а при выполнении его на электромагнитных реле - коммутатор релейный М-18. В качестве ЭВМ 5-5 может быть использован процессорный модуль 0-25 VME.
Устройство для измерения температуры работает следующим образом.
1
3
1
3
1
3
1
3
1
3
1
1
1
1
т
д
1
ЭВМ 5-5 первого, второго и третьего измерительных каналов 1, 2 и 3 подает на цифро-аналоговый преобразователь 8-8 цифровой код, который соответствует заданному значению тока через терморезистор 4. Цифровой код преобразуется цифро-аналоговым преобразователем 8-8 в стабильный выходной ток заданного значения, который при разомкнутой коммутируемой цепи коммутатора 9-9 протекает только через нагрузочный резистор 11-11. Для проведения измерений температуры первый, второй и третий измерительные каналы 1, 2 и 3 работают поочередно во времени, например, в порядке их упоминания здесь. Тогда сначала по сигналу с ЭВМ 5 замыкается коммутируемая цепь коммутатора 9, в результате чего стабильный ток с выхода цифро-аналогового преобразователя 8 потечет также через последовательно соединенные добавочный резистор 10 и терморезистор 4. Падение напряжения U на терморезисторе 4 и падение напряжения U на добавочном резисторе 10, пропорциональное току через терморезистор 4, подаются на входы соответственно
1
1
1
т
т
д
д
д
1
1
первого аналого-цифрового преобразователя 6 ч и второго аналого-цифрового преобразователя 7 и преобразуются ими в цифровые коды, которые вводятся в ЭВМ 5. На основании полученных значений цифровых кодов ЭВМ 5 в соответствии с законом Ома для участка электрической цепи вычисляет значение сопротивления терморезистора, используя выражение: R=U/(U/R), где R - сопротивление добавочного резистора 10. Затем ЭВМ 5 на основании хранящейся в ее запоминающем устройстве зависимости сопротивления терморезистора 4 от температуры определяет значение температуры.
1
1
2
2
1
Далее по сигналу с ЭВМ 5 коммутируемая цепь коммутатора 9 размыкается, но замыкается коммутируемая цепь коммутатора 9 по сигналу с ЭВМ 5, сформированному по результатам обмена информацией с ЭВМ 5. Затем происходит измерение температуры с использованием второго измерительного канала 2, по аналогии с тем, как это происходило при функционировании первого измерительного канала 1. Далее аналогичным образом осуществляется измерение температуры третьим измерительным каналом 3.
1
3
1
3
1
3
2
3
После этого с использованием межмашинного обмена информацией в ЭВМ 5-5 выполняется мажоритарная обработка полученных результатов измерения температуры. При этом ЭВМ 5-5 осуществляют сравнение результатов измерения температуры, полученных первым, вторым и третьим измерительными каналами 1, 2 и 3. Если все три результата измерения отличаются друг от друга не более, чем на заданную величину, ЭВМ 5-5 вычисляют среднее арифметическое значение этих трех результатов измерения, которое и принимается за окончательный результат измерения. Если один из результатов измерений, например, полученный с использованием первого измерительного канала 1, отличается от двух других более, чем на заданную величину, например, из-за отказа какого-либо элемента, данный результат признается аномальным и не учитывается. В этом случае вычисление окончательного результата измерения температуры ЭВМ 5-5 второго и третьего измерительных каналов 2 и 3 осуществляют по двум оставшимся результатам, например, в виде среднего арифметического их значений.
Авторами настоящей полезной модели был разработан и испытан опытный образец настоящего устройства для измерения температуры, который позволяет измерять температуру в диапазоне от -50°С до +50°С с относительной погрешностью не более 0,2% при длине линии связи между терморезистором 4 и первым, вторым и третьим измерительными каналами 1, 2 и 3 до 1000 м.
Таким образом, полезная модель обеспечивает повышение точности измерения температуры и расширение функциональных возможностей устройства при применении в многоканальных резервированных автоматизированных системах.