Устройство для измерения температуры

Полезная модель относится к области электроники и может быть использована в автоматизированных системах контроля объектов и технологических процессов, имеющих резервированную структуру, для высокоточного измерения температуры.
Известно устройство для измерения температуры (RU 2253846 C1, 2005), которое содержит мультиплексор, аналого-цифровой преобразователь, блок управления, счетчик, регистр, источник тока, ключ, процессор, многофункциональный генератор сигналов, сдвоенный ключ, терморезистор, первый образцовый резистор, второй образцовый резистор.
Недостатком данного технического решения является температура самонагрева терморезистора, при протекании больших токов для измерения малых сопротивлений.
Известно устройство для измерения температуры термопреобразователей сопротивления (SU 1315831 A1, 1987), которое содержит источник тока, термопреобразователи сопротивления, ключи, цифроаналоговые преобразователи, схему сравнения, операционный усилитель, блок управления, источник опорного напряжения, суммирующий усилитель с резистором в цепи обратной связи, образцовые резисторы, элементы И, элемент ИЛИ, RC-цепочки, диоды, блок памяти, RS-триггеры, схему задержки, шифратор, блок поиска поддиапазона.
Недостатками данного технического решения являются низкая точность измерения сопротивления термопреобразователей из-за отсутствия возможности калибровки результатов измерения, а так же недостаточная надежность, связанная с содержанием большого количества элементов.
Наиболее близким по технической сущности к настоящей полезной модели является устройство для измерения температуры с помощью термопреобразователей сопротивления (RU 2562749 C2, 2015). Данное устройство содержит термопреобразователь сопротивления, опорный резистор и эталонные резисторы нижней и верхней калибровочных точек первого канала контроля, общая точка которых соединена с общей шиной питания, первую группу электронных ключей (ЭК) с тремя ключами - А, В, D, вторую группу ЭК с четырьмя ключами - А, В, С, D, первый генератор стабильного тока, который подключен между общей шиной питания и объединенными входами ключей А, В первой группы ЭК. Дополнительно в устройство введен второй канал контроля, представленный термопреобразователями сопротивления, опорными резисторами и эталонными резисторами нижней и верхней калибровочных точек, общая точка которых соединена с общей шиной питания, второй генератор стабильного тока, интерфейсная шина обмена, контроллер интерфейсов, схема управления и последовательно соединенные инструментальный усилитель, первый вход которого соединен с точкой объединения выходов ключей А, В, С второй группы ЭК, а второй вход которого соединен с выходом ключа второй группы ЭК, масштабирующий усилитель, аналого-цифровой преобразователь и буферное устройство.
Недостатком технического решения принятого за прототип является невозможность измерения неизвестного сопротивления в разных диапазонах с разными коэффициентами усиления, что отрицательно сказывается на точности измерения.
Техническим результатом, на достижение которого направлена предлагаемая полезная модель, является повышение точности измерения температуры.
Заявленный технический результат, согласно настоящей полезной модели, достигается тем, что предлагаемое устройство для измерения температуры имеет три измерительных канала, каждый из которых включает в себя: микроконтроллер, источник измерительного тока, аналого-цифровой преобразователь, первый коммутатор аналоговых сигналов, второй коммутатор аналоговых сигналов, третий коммутатор аналоговых сигналов, первую схему мажоритара, вторую схему мажоритара, первый ограничительный диод, второй ограничительный диод, третий ограничительный диод, а также третью схему мажоритара, первый эталонный резистор, второй эталонный резистор, третий эталонный резистор и терморезистор; при этом выход источника измерительного тока подключен к входу первого коммутатора аналоговых сигналов, выход подключен к первому выводу первой схемы мажоритара, первый выход первого коммутатора аналоговых сигналов соединен с первым токовым выводом первого эталонного резистора, второй выход первого коммутатора аналоговых сигналов соединен с первым токовым выводом второго эталонного резистора, так же соединенного с первым выводом третьей схемы мажоритара, второй вывод которого соединен с первым выводом третьего эталонного резистора, третий выход первого коммутатора аналоговых сигналов соединен с первым токовым выводом терморезистора, второй токовый вывод терморезистора соединен со вторым токовым выводом первого эталонного резистора, вторым токовым выводом второго эталонного резистора, вторым выводом третьего эталонного резистора и вторым выводом первой схемы мажоритара, первый вход аналого-цифрового преобразователя подключен к выходу второго коммутатора аналоговых сигналов, второй вход аналого-цифрового преобразователя подключен к выходу третьего коммутатора аналоговых сигналов, первый вход второго коммутатора аналоговых сигналов соединен со вторым измерительным выводом первого эталонного резистора, первый измерительный вывод первого эталонного резистора соединен с первым входом третьего коммутатора аналоговых сигналов, второй вход второго коммутатора аналоговых сигналов соединен с первым измерительным выводом второго эталонного резистора, второй измерительный вывод второго эталонного резистора соединен с анодом второго ограничительного диода, катод которого соединен с катодом первого ограничительного диода, катодом третьего ограничительного диода и первым выводом второй схемы мажоритара, второй вывод которой соединен со вторым и третьим входами третьего коммутатора аналоговых сигналов, а также со вторыми выводами вторых схем мажоритара других измерительных каналов, третий вывод второго коммутатора аналоговых сигналов соединен с первым измерительным выводом терморезистора, второй измерительный вывод терморезистора соединен с анодом третьего ограничительного диода, микроконтроллер подключен по параллельным шинам к аналого-цифровому преобразователю и схеме управления первой, второй и третей схем мажоритаров, по последовательным интерфейсам связанный с резервирующими каналами и внешним управляющим устройством, отличается от ближайшего аналога тем, что оно снабжено цифроаналоговым преобразователем, входы которого по параллельной шине соединены с микроконтроллером, а выход соединен с анодом первого ограничительного диода.
В процессе измерения микроконтроллеры, всех трех каналов, обмениваются результатами измерения, полученными в каждом из каналов на дифференциальных входах аналого-цифрового преобразователя, на которые подается напряжение с выхода цифроаналогового преобразователя задающего канала, с помощью межмашинного обмена информацией, сравнивая их, и если все три результата отличаются друг от друга не более чем на заданную величину, то конечным результатом измерения будет считаться среднее арифметическое значение этих трех результатов измерения. Иначе, если одно значение отличается от двух других более чем на заданную величину, данное значение будет признано аномальным, и не будет учитываться при вычислении среднего арифметического значения.
На чертеже представлена структурная схема устройства для измерения температуры в случае его использования в трехканальной резервированной схеме контроля, где 1 - первый измерительный канал, 2 - второй измерительный канал, 3 - третий измерительный канал, 4 - микроконтроллер первого измерительного канала, 5 - микроконтроллер второго измерительного канала, 6 - микроконтроллер третьего измерительного канала, 7 - источник измерительного тока первого измерительного канала, 10 - источник измерительного тока второго измерительного канала, 13 - источник измерительного тока третьего измерительного канала, 8 - аналого-цифровой преобразователь первого измерительного канала, 11 - аналого-цифровой преобразователь второго измерительного канала, 14 - аналого-цифровой преобразователь третьего измерительного канала, 9 - цифроаналоговый преобразователь первого измерительного канала, 12 - цифроаналоговый преобразователь второго измерительного канала, 15 - цифроаналоговый преобразователь третьего измерительного канала, 16 - первый коммутатор аналоговых сигналов первого измерительного канала, 20 - первый коммутатор аналоговых сигналов второго измерительного канала, 24 - первый коммутатор аналоговых сигналов третьего измерительного канала, 17 - второй коммутатор аналоговых сигналов первого измерительного канала, 21 - второй коммутатор аналоговых сигналов второго измерительного канала, 25 - второй коммутатор аналоговых сигналов третьего измерительного канала, 18 - третий коммутатор аналоговых сигналов первого измерительного канала, 22 - третий коммутатор аналоговых сигналов второго измерительного канала, 26 - третий коммутатор аналоговых сигналов третьего измерительного канала, 28 - первая схема мажоритара первого измерительного канала, 32 - первая схема мажоритара второго измерительного канала, 36 - первая схема мажоритара третьего измерительного канала, 29 - вторая схема мажоритара первого измерительного канала, 33 - вторая схема мажоритара второго измерительного канала, 37 - вторая схема мажоритара третьего измерительного канала, 19 - первый ограничительный диод первого измерительного канала, 23 - первый ограничительный диод второго измерительного канала, 27 - первый ограничительный диод третьего измерительного канала, 30 - второй ограничительный диод первого измерительного канала, 34 - второй ограничительный диод второго измерительного канала, 38 - второй ограничительный диод третьего измерительного канала, 31 - третий ограничительный диод первого измерительного канала, 35 - третий ограничительный диод второго измерительного канала, 39 - третий ограничительный диод третьего измерительного канала, 40 - третья схема мажоритара, 41 - первый эталонный резистор, 42 - второй эталонный резистор, 43 - третий эталонный резистор, 44 - терморезистор.
Устройство для измерения температуры работает следующим образом.
При подаче питания устройство, после инициализации портов микроконтроллеров первого канала 4, второго канала 5 и третьего канала 6, входит в режим калибровки, по окончании которого выбирает задающий канал. Микроконтроллеры первого канала 4, второго канала 5 и третьего канала 6 управляют первыми схемами мажоритаров первого канала 28, второго канала 32 и третьего канала 35 и вторыми схемами мажоритаров первого канала 29, второго канала 33 и третьего канала 37, по очереди подключая первый 1, второй 2 или третий 3 измерительный канал. Измерения во всех каналах происходят одинаковые, поэтому рассмотрим измерение только первого канала 1.
Сначала калибруется диапазон измерения с коэффициентом усиления аналого-цифрового преобразователя равным 32.
Источник измерительного тока 7, через первый коммутатор аналоговых сигналов 16, запитывает первый эталонный резистор 41. Выводы для измерения напряжения первого эталонного резистора 41 подключены ко второму 17 и третьему 18 коммутаторам аналоговых сигналов, выходы которых подключены к дифференциальному входу аналого-цифрового преобразователя 8, программно-управляемый коэффициент усиления которого равен 32. Аналого-цифровой преобразователь 8 измеряет напряжение на первом эталонном резисторе 41, данные запоминаются микроконтроллером 4. Далее микроконтроллер 4 переключает первый коммутатор аналоговых сигналов 16 для запитки параллельно соединенных (схема мажоритара 40 замкнута) второго 42 и третьего 43 эталонных резисторов. Выводы для измерения напряжения параллельно соединенных второго 42 и третьего 43 эталонных резисторов подключены ко второму 17 и третьему 18 коммутаторам аналоговых сигналов, выходы которых подключены к дифференциальному входу аналого-цифрового преобразователя 8, программно-управляемый коэффициент усиления которого равен 32. Аналого-цифровой преобразователь 8 измеряет напряжения на параллельно соединенных втором 42 и третьем 43 эталонных резисторах, данные запоминаются микроконтроллером 4.
По результатам этих измерений определяются коэффициенты линейного уравнения:
где k - угловой коэффициент прямой, также равный току запитки;
b - смещение функции относительно оси ординат, также равное напряжению смещения;
U2 - напряжение на параллельно соединенных втором 42 и третьем 43 эталонных резисторах;
U1 - напряжение на первом эталонном резисторе 41;
R2 - известное сопротивление параллельно соединенных второго 42 и третьего 43 эталонных резисторов;
R1 - известное сопротивление первого эталонного резистора 41.
С помощью коэффициента (1) и смещения (2), определяется обратная зависимость сопротивления от напряжения:
В результате калибровки диапазона с программно-управляемым коэффициентом усиления аналого-цифрового преобразователя равным 32 определяется зависимость (3) сопротивления от напряжения.
Далее калибруется диапазон измерения с коэффициентом усиления аналого-цифрового преобразователя равным 4.
Микроконтроллер 4 переключает первый коммутатор аналоговых сигналов 16, для запитки параллельно соединенных (схема мажоритара 40 замкнута) второго 42 и третьего 43 эталонных резисторов от источника измерительного тока 7. Выводы для измерения напряжения параллельно соединенных второго 42 и третьего 43 эталонных резисторов подключены ко второму 17 и третьему 18 коммутаторам аналоговых сигналов, выходы которых подключены к дифференциальному входу аналого-цифрового преобразователя 8, программно-управляемый коэффициент усиления которого равен 4. Аналого-цифровой преобразователь 8 измеряет напряжения на параллельно соединенных втором 42 и третьем 43 эталонных резисторах, данные запоминаются микроконтроллером 4. Измеренное напряжение выставляется на выходе цифроаналогового преобразователя 9. Программно-управляемый коэффициент усиления аналого-цифрового преобразователя 8 изменяется с 4 на 32. Аналого-цифровой преобразователь 8 измеряет напряжения на параллельно соединенных втором 42 и третьем 43 эталонных резисторах с учетом подключенного напряжения цифроаналогового преобразователя 9 к инвертирующему входу аналого-цифрового преобразователя 8.
Последние два измерения аналого-цифрового преобразователя 8 суммируются, в виде эквивалентного сопротивления, получая первую точку калибруемого диапазона:
где R1цап - сопротивление эквивалентное выходному напряжению цифро-аналогового преобразователя 9;
R1 - известное сопротивление параллельно соединенных второго 42 и третьего 43 эталонных резисторов;
ΔR1 - сопротивление эквивалентное напряжению измеренному аналогово-цифровым преобразователем с программно-управляемым коэффициентом усиления равным 32, полученное по калиброванной характеристике (3).
Далее микроконтроллеры первого канала 4, второго канала 5 и третьего канала 6 размыкают третью схему мажоритара 40, для запитки второго эталонного резистора 42. Выводы для измерения напряжения второго эталонного резистора 42 подключены ко второму 17 и третьему 18 коммутаторам аналоговых сигналов, выходы которых подключены к дифференциальному входу аналого-цифрового преобразователя 8, программно-управляемый коэффициент усиления которого равен 4. Аналого-цифровой преобразователь 8 измеряет напряжения на втором эталонном резисторе 42, данные запоминаются микроконтроллером 4. Измеренное напряжение выставляется на выходе цифроаналогового преобразователя 9. Программно-управляемый коэффициент усиления аналого-цифрового преобразователя 8 изменяется с 4 на 32. Аналого-цифровой преобразователь 8 измеряет напряжения на втором эталонном резисторе 42 с учетом подключенного напряжения цифроаналогового преобразователя 9 к инвертирующему входу аналого-цифрового преобразователя 8. Последние два измерения аналого-цифрового преобразователя 8 суммируются, получая вторую точку калибруемого диапазона R2цап, по формуле (4).
По результатам этих измерений определяются коэффициенты линейного уравнения:
где k - угловой коэффициент прямой;
b - смещение функции относительно оси ординат;
U2 - напряжение на втором эталонном резисторе 42;
U1 - напряжение на параллельно соединенных втором 42 и третьем 43 эталонных резисторах;
R2цап - сопротивление эквивалентное выходному напряжению цифро-аналогового преобразователя 9 второй точки калибруемого диапазона;
R1цап - сопротивление эквивалентное выходному напряжению цифро-аналогового преобразователя 9 первой точки калибруемого диапазона.
С помощью коэффициента (5) и смещения (6), определяется зависимость эквивалентного сопротивления от напряжения, выдаваемого цифроаналоговым преобразователем 9:
В результате калибровки в диапазоне с программно-управляемым коэффициентом усиления аналого-цифрового преобразователя равным 4 определяется зависимость (7) эквивалентного сопротивления от напряжения цифроаналогового преобразователя.
к
По последовательному порту межмашинного обмена микроконтроллеры первого канала 4, второго канала 5 и третьего канала 6 сравнивают значения токов запитки I. Задающим каналом выбирается тот, у которого значение тока запитки близко к 4,105 мА. Микроконтроллеры первого канала 4, второго канала 5 и третьего канала 6 управляют первыми схемами мажоритаров первого канала 28, второго канала 32 и третьего канала 36 и вторыми схемами мажоритаров первого канала 29, второго канала 33 и третьего канала 37, для подключения задающего канала.
Устройство входит в режим калибровки при включении и периодически в режиме работы. Периодичность калибровки заложена в микроконтроллеры первого 4, второго 5 и третьего 6 канала.
После калибровки и выбора задающего канала устройство переходит в рабочий режим. Измерения во всех каналах происходят одинаковые, поэтому рассмотрим измерение только первого канала 1.
Источник измерительного тока 7, через первый коммутатор аналоговых сигналов 16, запитывает терморезистор 44. Выводы для измерения напряжения на терморезисторе 44 подключены ко вторым коммутаторам аналоговых сигналов первого канала 17, второго канала 21 и третьего канала 25 напрямую и третьим коммутаторам аналоговых сигналов первого канала 18, второго канала 22 и третьего канала 26 через третий диод 31 и вторую схему мажоритара 29. Выходы вторых коммутаторов аналоговых сигналов первого канала 17, второго канала 21 и третьего канала 25 и третьих коммутаторов аналоговых сигналов первого канала 18, второго канала 22 и третьего канала 26 подключены к дифференциальному входу аналого-цифровых преобразователей первого канала 8, второго канала 11 и третьего канала 14 соответственно, программно-управляемые коэффициенты усилений которых равны 4. Аналого-цифровые преобразователи первого канала 8, второго канала 11 и третьего канала 14 измеряют напряжение на терморезисторе 44, данные запоминаются микроконтроллерами первого канала 4, второго канала 5 и третьего канала 6. Измеренное напряжение выставляется на выходах цифро-аналоговых преобразователей первого канала 9, второго канала 12 и третьего канала 15. Программно-управляемые коэффициенты усилений аналого-цифровых преобразователей первого канала 8, второго канала 11 и третьего канала 14 изменяются с 4 на 32. Аналого-цифровые преобразователи первого канала 8, второго канала И и третьего канала 14 измеряют, напряжение на терморезисторе 44 с учетом подключенного напряжения цифро-аналогового преобразователя 9 к инвертирующим входам аналого-цифровых преобразователей первого канала 8, второго канала 11 и третьего канала 14.
Последние два измерения аналого-цифровых преобразователей первого канала 8, второго канала 11 и третьего канала 14 суммируются, получая значение сопротивления терморезистора 44:
где Rx - сопротивление терморезистора 44;
Rхцап - сопротивление эквивалентное выходному напряжению цифроаналогового преобразователя 9, полученное по калиброванной характеристике (7);
ΔRx - сопротивление эквивалентное напряжению измеренному аналогово-цифровым преобразователем с программно-управляемым коэффициентом усиления равным 32, полученное по калиброванной характеристике (3).
После этого с использованием межмашинного обмена информацией микроконтроллеры первого канала 4, второго канала 5 и третьего канала 6 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, микроконтроллеры первого канала 4, второго канала 5 и третьего канала 6 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 конечного результата измерения температуры микроконтроллерами второго канала 5 и третьего канала 6 второго и третьего измерительных каналов 2 и 3 осуществляют по двум оставшимся результатам, например, в виде среднего арифметического их значений.
Таким образом, полезная модель обеспечивает повышение точности измерения температуры и достижение заявленного технического результата.
Кроме того, дополнительным положительным результатом является расширение функциональных возможностей устройства при применении его в многоканальных резервированных автоматизированных системах.
Снабжение устройства для измерения температуры двумя схемами мажоритаров, выводы первой подключены к источнику измерительного тока и общей точке токовых выводов эталонных резисторов и терморезистора, а выводы второй к общей точке катодов трех ограничительных диодов, и второму и третьему входам третьих коммутаторов аналоговых сигналов, позволяют в режиме калибровки поочередно подключать эталонные резисторы к источникам измерительного тока и цифроаналоговым преобразователям каждого измерительного канала. Это обеспечивает поочередное пропускание через эталонные резисторы тока запитки, источником измерительного тока каждого измерительного канала, ввод в микроконтроллер каждого измерительного канала цифровых кодов, пропорциональных падению напряжения на эталонных резисторах, и последующее вычисление микроконтроллером этого измерительного канала значения тока запитки источника измерительного тока. В результате этого возникает возможность за счет обмена информацией о полученных значениях тока запитки между микроконтроллерами измерительных каналов и сравнения этих значений, в режиме калибровки выбирать задающий канал, а в режиме работы, 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 в многоканальных резервированных автоматизированных системах.