Багатоточкова система вимірювання температури

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к многоточечным системам измерения температуры полупроводниковыми диодными датчиками, и может быть использовано для определения профиля температурных полей с повышенной точностью. Для определения профиля температурных полей применяют измерительные системы с множеством термодатчиков, размещенных в определенных заранее точках, с параллельной, параллельнопоследовательной или мультиплицированной структурами. Такие измерительные системы во многих случаях представляют объединение датчиков с аналоговыми измерительными цепями, блоками аналого-цифрового и циф-роаналогового преобразования, а также устройствами обработки и выдачи информации. В последнее время увеличивается количество измерительных систем, включающих цифро-управляемые коммутирующие устройства и средства микропроцессорной техники для обработки измерительной информации [Цапенко М.П. Измерительные информационные системы.: Структуры и алгоритмы, системотехническое проектирование М.:Энергоатомиздат, 1985. -С.155-160. В системе многоточечного контроля температуры типа К742 термодатчики включаются в измерительный канал 3-х ступенчатым коммутатором Ф799/1, в котором в качестве ключей применяются реле РЭС-44 с магнитоуправляемыми контактами. При количестве термодатчиков свыше 100-200 быстродействие многоточечной системы с электромагнитными реле получается невысоким, а точность и надежность системы из-за быстрого износа контактов реле резко снижается. Бесконтактные коммутирующие элементы, выполненные на полупроводниковых диодах, обладают высоким быстродействием и хорошей надежностью. Однако диодные ключи в открытом состоянии имеют относительно большое сопротивление (от 2 до 100 Ом), которое сильно зависит от температуры и нестабильно во времени. Поэтому точность многоточечных систем измерения С диодными ключами несмотря на высокое быстродействие и надежность остается низкой. Известна многоточечная система измерения температуры, в которой полупроводниковые диоды используются как коммутирующие элементы и одновременно открытый диод выполняет функцию термодатчика [Заявка Японии №53-19433, кл. G 01 К 7/00, 1978]. Такие системы измерения содержат диодные ключи-датчики температуры, включенные между электродами в узлах матрицы, ключи строк и столбцов матрицы, а также соединенные параллельно генератор тока и измерительный прибор, подключенные к строкам и столбцам матрицы. Однако нестабильность сопротивления открытого диода во времени, разброс параметров диодов даже в пределах одной партии неизбежно снижает точность измерения температуры в различных точках контролируемого поля, Известна также многоточечная система измерения температуры [Авт. св. СССР № 1374064, кл. G 01 К 7/00, 1986], содержащая полупроводниковые диодные датчики температуры, включенные встречнопараллельно и объединенные в матрицу, блок ключей строк матрицы, входы каждого из которых объединены в общий вывод, а выходы соединены с соответствующими строками матрицы, блок ключей столбцов матрицы, входы каждого из которых объединены в общий вывод, а выходы соединены с соответствующими столбцами матрицы, блок ключей прямого и инверсного включения, входы которого соединены с первой и второй токовыми шинами системы. Кроме того, система содержит генератор тока, соединенный с первой и второй токовыми шинами, и измерительный прибор, включенный параллельно генератору тока, выходы блока ключей прямого и инверсного включения соединены с общими выводами блоков ключей строк и столбцов матрицы. Замыканием соответствующи х ключей в блоках включается диодный датчик температуры, размещенный в заданной точке температурного поля и подключенный к одному из узлов матрицы. Температура определяется по показаниям измерительного прибора, который измеряет падение напряжения на открытом p-n-переходе полупроводникового диода. Однако прибор, включенный параллельно генератору тока, измеряет падение напряжения не только на открытом р-n-переходе диода, но и падение напряжения на электродах столбцов и строк матрицы, на замкнутых ключа х, если они выполнены на полупроводниковых структура х (триоды, интегральные сборки и т.п.), а также на объемных сопротивлениях открытого диода. Так как суммарное сопротивление электродов строк и столбцов зависит от расположения датчика в сетке матрицы, то учесть или скорректировать погрешность от падений напряжений на пассивных элементах матричной схемы не представляется возможным. В основу изобретенияположена задача создать многоточечную систему измерения температуры, в которой введение новых элементов и их взаимосвязь позволило бы обеспечить измерение падения напряжения независимо от места расположения в матричной системе диодного датчика при его включении, от сопротивления подводящих проводов, переходных сопротивлений ключей, объемных сопротивлений полупроводниковых диодов, нестабильности и разброса параметров открытого р-n-перехода. Благодаря этому можно существенно повысить точность измерения температуры в любой точке контролируемого поля. Эта задача решается тем, что в многоточечную систему измерения температуры, содержащую полупроводниковые диодные датчики температуры, включенные встречно-параллельно и объединенные в матрицу, блок ключей строк матрицы, входы каждого из которых объединены в общий вывод, а выходы соединены с соответствующими строками матрицы, блок ключей столбцов матрицы, входы каждого из которых объединены в общий вывод, а выходы соединены с соответствующими столбцами матрицы, блок ключей прямого и инверсного включения, входы которого соединены с первой и второй токовыми шинами системы, согласно изобретению, введены микро-ЭВМ, дисплей, цифроаналоговый преобразователь типа кодток, кодовый вход которого соединен с первым входом-выходом микро-ЭВМ, токовые выходы соединены с токовыми шинами системы, аналого-цифровой преобразователь типа напряжение-код, входами соединенный с токовыми шинами системы, кодовым выходом соединенный со вторым входом-выходом микро-ЭВМ, цифроуправляемый коммутатор, включающий блок ключей прямого и инверсного включения, выполненный в виде двухполюсного переключателя прямого и инверсного включения, управляющий вход коммутатора соединен с третьим входом-выходом микро-ЭВМ, два цифро-управляемых мультиплексора, включающие блоки ключей столбцов и строк матрицы, общие выводы ключей соединены с выходами цифро-управляемого коммутатора, управляющие входы мультиплексоров соединены с четвертым и пятым входом-выходом микро-ЭВМ, а дисплей соединен с шестым входом-выходом микро-ЭВМ. Указанное включение дополнительных элементов и блоков системы обеспечивает гибкость системы и возможность программного управления как опросом датчиков, так и проведением дополнительных измерений при различных режимах работы диодных датчиков. Избыточность измерений и обработка их по предложенному алгоритму позволяет исключить погрешность измерения от непостоянства сопротивлений проводов, соединяющих каждый датчик с каналом измерительного преобразования, а также вариаций сопротивлений коммутирующих элементов и объемных сопротивлений самих датчиков. Благодаря дополнительным измерениям устраняется также влияние разброса параметров диода, влияющих на форму вольтамперной характеристики открытого p-n-перехода диода, что обеспечивает измерение падения напряжения независимо от лишающих его точности измерения факторов, благодаря чему повышается точность измерения температуры в любой точке контролируемого поля. На фиг. 1 приведена многоточечная система измерения температуры с полупроводниковыми диодными датчиками; на фиг. 2 -блок-схема алгоритма работы системы. Система содержит микро-ЭВМ 1, цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) 2 типа код-ток, токовые шины 3.1 и 3.2, цифроуправляемый коммутатор 4, включающий блок ключей прямого и инверсного включения, выполненный в виде двухполюсного переключателя прямого 4.1 и инверсного 4.2 включения токовых шин, цифроуправляемые мультиплексоры 5 и 6, матрицу датчиков температуры 7, включающую две группы встречно-параллельных диодов, из которых группа диодов 8.11, 8.12.....8.nm включена встречно между столбцами и строками матрицы, а группа диодов 9.11, 9.12.....9.nm включена между теми же строками и столбцами матрицы, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 10 типа напряжение-код и дисплей 11. Кодовые входы цифроаналогового преобразователя 2 соединены с первым входом-выходом микро-ЭВМ 1, аналоговые выходы соединены с токовыми шинами 3.1 и 3.2 системы, которые через цифроуправляемый коммутатор 4 соединены с выходами мультиплексоров 5 и 6. Входы мультиплексоров 5 и 6 соединены со строками и столбцами матрицы 7, в узлы которой включены встречно-параллельно группы диодов 8 и 9. Аналоговые входы аналого-цифрового преобразователя 10 подключены к токовым шинам 3.1 и 3.2, кодовые выходы соединены со вторым входом-выходом микро-ЭВМ 1. Управляющие входы цифро управляемого коммутатора 4, цифро управляемых мультиплексоров 5 и 6 соединены соответственно с третьим, четвертым и пятым входом-выходом микро-ЭВМ 1. Дисплей 11 соединен с микро-ЭВМ своим шестым входом-выходом. Работа многоточечной системы измерения температуры (фиг. 1) осуществляется в режиме программного обмена данными между цифровыми и аналого-цифровыми блоками в соответствии с алгоритмом опроса датчиков-диодов и проведения дополнительных измерений в каждой контролируемой точке температурного поля (фиг 2). По команде микро-ЭВМ 1 кодом No', внесенным в ее память, в цифроаналоговом преобразователе 2 формируется выходной ток I1, который по токовым шинам 3.1 и 3.2 через цифроуправляемый коммутатор 4 с включенным в положении 4.1 двухполюсным переключателем прямого и инверсного включения и открытые каналы мультиплексоров 5 и 6 воздействует на матрицу 7 из датчиков-диодов. При измерении температуры в одной течке одним из датчиков-диодоз группы 8, например, диодом 8.22 (на чертеже для наглядности число строк и столбцов матрицы ограничено и равно трем) по программе ЭВМ включаются каналы 5.2 и 6,2 соответствующи х м ультиплексоров. В результате этого при указанной полярности тока цифро-аналогового преобразователя 2 открывается диод 8.22 и через его р-n-переход начинает протекать ток I1'. Связь между током I1' через открытый p-n-переход и падение напряжения U1' на нем определяется прямой ветвью вольтамперной характеристики диода где Iн - предельный ток насыщения при температуре Τ ®¥; В - коэффициент, зависящий от ширины p-n-перехода и имеющий размерность температуры; q - заряд электрона; к - постоянная Больцмана. Учитывая, что при температуре Τ = 300 К температурный потенциал перехода kT/q = =26mB, а падение напряжения на открытом диоде U1' > 0,5 В, можно считать, что член exp (qU1'/kT) > 1. Тогда зависимость (1) можно представить в более простом виде Для исключения дополнительного нагрева датчика-диода протекающим током последний выбирает из условия I1 U1') и, с учетом вольтамперной характеристики открытого диода (2), можно представить в виде где Τ1- температура в l-ой точке размещения диода-датчика, например, 8,22; R1 - суммарное сопротивление, включающее сопротивление электродов столбца и строки матрицы, объемных сопротивлений открытого диода 8.22, сопротивлений открытых каналов мультиплексоров 5.2 и 6.2, а также токовых шин 3.1 и 3.2. код Падение напряжение U1 преобразуется с помощью аналого-цифрового преобразователя 10 в цифровой где a - масштабный коэффициент преобразования напряжения в код. Код Ν1 вводится в микро-ЭВМ 1 и хранится в ее памяти. Затем ток I1 = βNo', где β- масштабный коэффициент обратного преобразования, уменьшается в 5-10 раз. Для этого в процессоре микро-ЭВМ 1 программно формируется код где a = 0,1...0,2 - коэффициент уменьшения тока. Соответственно коду (5) на выходе цифро-аналогового преобразователя 2 формируется второе значение тока Под действием тока I1 на токовых шинах 3.1 и 3.2 возникает падение напряжения которое с помощью аналого-цифрового преобразователя 12 преобразует в код Далее в процессоре микро-ЭВМ 1 программно формируется код тока где b = 2 - а - коэффициент увеличения тока. Соответственно коду (9) формируется третье значение тока Код падения напряжения на токовых шинах 3.1 и 3.2 увеличивается до значения После проведения дополнительных измерений в процессоре микро-ЭВМ 1 вычисляется разность кодов в виде Подставляя в соотношение (12) коды из выражений (4), (8) и (11), получаем Учитывая соотношение между коэффициентами а и b из (5) и (9), получим Так как коэффициент уменьшения тока а согласно (5) выбран многим меньше единицы, то членом второго порядка малости (а2) можно пренебречь. Тогда где - чувствительность преобразования температуры в код. Из выражения (15) следует, что измеряемая температура в заданной точке контроля вычисляется по формуле Как видно из полученного выражения (16), результат измерения не зависит от сопротивления R1, а следовательно, от размещения датчика-диода в пространственной матрице-сетке. Кроме того, результат не зависит от индивидуальных параметров диодов (В и 1Н), по которым существуе т большой технологический разброс. Благодаря этому, повышается точность измерения температуры в заданных точках. Изменением состояния каналов мультиплексоров 5 и 6 производится поочередное подключение диодов-датчиков 8.11, 8.12..... 8.n.m при включенном положении 4.1 двухполюсного переключателя коммутатора 4. Управление каналами мультиплексоров 5 и 6 производится непосредственно от микро-ЭВМ 1 по программе опроса датчиков. При этом, в каждом включенном датчике-диоде ток через p-n-переход устанавливается на трех уровнях (I1, al1, bl1), а температура вычисляется по формуле (16). Сопротивления открытых каналов мультиплексоров 5 и 6 не влияют на результат измерения температуры. При измерении температуры одним из датчиков группы 9 по команде микро-ЭВМ 1 двухполюсный переключатель коммутатора 4 переключается в положении 4.2. В результате этого, изменяется полярность тока, протекающего через строки и столбцы матрицы. Опрос датчиков-диодов производится подключением каналов мультиплексоров 5 и 6. Например, для датчика-диода 9.22 по программе микро-ЭВМ открываются каналы 5.2 и 6.2 соответствующих мультиплексоров. Остальные датчики-диоды по указанным выше причинам не оказывают влияния на ток, а следовательно, и на падение напряжения подключенного диода. Для каждого включения диода измерение температуры проводится также при токах h, al1 и bl1, а результат измерения вычисляют по формуле(16). Изменением состояния каналов мультиплексоров 5 и 6 проводится поочередное подключение диодов 9.11, 9.12.....9.nm при указанном положении двухполюсного переключателя коммутатора 4. Результаты измерений температуры датчиками-диодами группы 8 и группы 9 матрицы 7 отражаются на дисплее 11, который подключен к микро-ЭВМ 1. Независимость результатов измерений от индивидуальных параметров диодов позволяет легко увеличивать число контролируемых точек введением дополнительных столбцов и строк матрицы и включением в узлы новых диодов без жесткого отбора их по параметрам. Высокая разрешающая способность многоточечной системы измерения определяется коэффициентом а, от которого согласно выражению (15) зависит чувствительность преобразования S. Уменьшение этого коэффициента приводит к росту чувствительности (ln(а) ®¥). Однако с уменьшением тока l2 = al1 увеличивается влияние шумов и помех на измеряемое падение напряжения. Поэтому коэффициент а целесообразно выбирать в пределах, указанных выражением (5) (а = 0,1...0,2). При этом, коэффициент b в соотношении (9) однозначно определяется равенством а + b = 2, которое обеспечивает равенство нулю второго члена в уравнении (13). При этом ток l3 = bI1 асимптотически приближается к удвоенному значению первого тока (I2 ® 2I1). Так как ток h выбран меньше обратного тока насыщения (Ι1 < 0,5lн), то исключается дополнительный нагрев диода протекающим током (I2 ® lн). Использование в качестве термодатчиков серийно выпускаемых диодов без отбора по параметрам позволяет заменить в многоточечных системах измерения температуры высокоточные и стабильные термодатчики из благородных металлов на дешевые и более чувстви тельные полупроводниковые. Работа многоточечной системы измерения температуры осуществляется автоматически в соответствии с блок-схемой алгоритма, представленной на фиг. 2. Перед началом работы системы в память микро-ЭВМ 1 заносят исходные данные о датчиках и аппаратных средствах (оператор 1): о размерности матрицы (n-строк и m-столбцов), значение первого тока l1, коэффициенты уменьшения а и увеличения b тока, коэффициент прямого а и обратного β преобразования, а также константы к и q характеристики диодов. Далее осуществляется опрос датчиков в узлах матрицы. Вначале двухполюсным переключателем коммутатора 4 (оператор 3) устанавливается направление тока, при котором открываются верхние по схеме матрицы диоды (р = 0). Затем опрос начинается с диода, расположенного в первом узле матрицы (оператор 9) установкой каналов мультиплексоров 5 и 6 в исходном положении (i = 1, j = 1). С помощью признака L операторов 10,11 формируется значение кода тока p-nперехода в соответствии с выбранными коэффициентами изменения тока а и b (операторы 13...15). Полученные код N подается на ЦАП 2 (оператор 16) и считывается код АЦП 10 (оператор 17) падения напряжения на включенном диоде в первом узле матрицы. Оператором сравнения 18 и оператором 19 организуется формирование кода второго значения тока (операторы 14, 16, 17) и третьего значения тока (операторы 15, 16, 17). После получения трех значений кодов (оператор 17) оператором сравнения 18 дается команда на вычисление суммарного кода (оператор 20), а также на вычисление чувствительности преобразования S (оператор 21). Температура в точке расположения датчика вычисляется по формуле (16) и выводится на дисплей (оператор 22). Далее происходит последовательный опрос узлов матрицы. Для перехода во второй узел матрицы мультиплексор 6 переключается на второй столбец (I - 2), а мультиплексор 5 остается в прежнем положении 0 = 1)· После перебора всех столбцов матрицы в первой строке (i = m), через оператор сравнения 24 происходит увеличение номера строки (j = j +1) и установка первого столбца. Мультиплексор 5 переключается на вторую строку матрицы (оператор 28), а мультиплексор 6 подключает первый столбец матрицы с последующим перебором всех столбцов матрицы во второй строке (I - m). Далее мультиплексор 5 переключается на третью строку и т.д. до перебора всех строк 0-n). После завершения опроса всех датчиков, расположенных в узлах матрицы, получение положительного ответа в операторах 23 и 24 и отсутствие признака "конец измерений" (оператор 29) управление передается оператору 3 анализа направления пропускания тока и по значению индекса ρ происходит переключение двухполюсного переключателя коммутатора 4 на противоположное. После этого полностью повторяется опрос и определение температуры во всех узлах матрицы для диодов, включенных во встречном направлении. Благодаря трехтактному режиму измерения падения напряжения на каждом узле матрицы полностью устраняется влияние неинформативных термозависимых параметров вольт-амперной характеристики диодов, создается возможность замены диодов в узлах матрицы без первоначального подбора их характеристик, а исключение влияния сопротивлений электродов матрицы позволяет расширять ее без снижения точности измерения температуры.