CS233771B1 - Zapojeni elektrického převodníku teploty se samočinnou kompenzací napětí - Google Patents

Abstract

Vynález ee týká zapojení elektrického převodníku teploty se samočinnou kompenzací napětí na polovodičovém čidlu k měření teploty za použití operačního zesilovače a jím řízeného zpětnovazebního článku, přičemž polovodičové čidlo může být teplotně lineární polovodičový odpor, dioda nebo tranzistor, zapojený jako dioda. Podstata vynálezu spočívá jednak v tom, že napětí na diodě se kompenzuje napětím řízeného děliče na teplotním čidlu, jednak V tom, že velikost napětí na diodě je dána velikostí vyrovnávacího proudu.

Description

Vynález se týká zapojení elektrického převodníku teploty ee samočinnou kompenzací napětí na polovodičovém k čidlu měřeni teploty za použití operačního zesilovače a jim řízeného zpětnovazebního článku, přičemž polovodičové čidlo mdže být teplotně lineární polovodičový odpor, dioda nebo tranzistor, zapojený jako dioda.

V současné době využívají jednoduché diodové teploměry známé závislosti mezi napětím a teplotou polovodičového přechodu při konstantním proudu. Využívá as polovodičového přechodu i u tranzistorů, případně speciálních odporů. Zdrojem klidového proudu ja zdroj napětí s předřazeným velkým odporem. Zdroj napětí napájí i pomocný dělič složený ze dvou odporů, z nichž jeden je nastavitelný. Napětí na diodě a odbočče odporového děliče se měří měřidlem a nastavitelnou citlivostí. Zapojení tvoří kupř. Whsastonův můstek, v jehož jednom rameni je teploměrná dioda.

Odporový dělič se nastaví tak, aby při jedné referenční teplotě (0 °C) nepřetékal měřidlem proud. Při jiné teplotě polovodičového přechodu je napětí na diodě jiné než na odbočce děliče a měřidlem protéká proud, který je mírou teploty. Při druhá referenční teplotě (100 °C) ae nastaví citlivost měřidla tak, aby údaj odpovídal teplotě. Nedostatek věak je, že proud procházejícím měřidlem, nebo vstupním obvodem měřidla, nebo pomocným děličem na vstupu kompenzačního číslicového voltmetru zatěžuje obvod teplotního čidla, což je hlavní příčinou nelinearity a chyby převodu. Polovodičovým čidlem může být bu3 teplotně lineární polovodičový odpor, dioda nebo tranzistor, zapojený jako dioda (dále jen polovodičové čidlo). Měřicí proud ovlivňuje klidový odpor teplotního čidla a výsledná chyba může dosáhnout až jednotky procent. Proměnné zatěžováni teplotního čidla vyvolává problémy při nastavování referenčních údajů, protože obvody oe navzájem ovlivňují a nastavovací postup je nutné opakovat. Další problém způsobuje připojeni teplotního čidla a měřidla k měřicímu obvodu. Pouze jeden prvek může být epojen ae společným vodičem a případně stíněn proti rušivým napětím. Na přípojích k druhému prvku se rušivá napětí uplatni v plné míře. Většina současných zapojení vychází z principu popsaného obvodu. K realizaci dokonalejších proudových zdrojů a k vyeokoohmovému oddělení teplotního čidla od měřidla ao používá tranzistorů a operačních zesilovačů. Kompenzace počátečního napětí na teplotním čidle se realizuje různými způsoby a zapojení obvykle využívají proudových nebo napěťových komparátorů na bázi operačních zesilovačů.

Některé zapojení dovoluji stínit teplotní čidlo i výstup k měřidlu. Všechny tyto úpravy věak vodou ke složitým zapojením, obsahujícím minimálně dva operační zesilovače. Každé další zlepšeni vlastnosti zapojení jo podmíněno jednak jeětě větší složitostí a dále horší teplotní a dlouhodobou stabilitou, protože zapojení obsahuje prvky teplotně závislé, které se nepříznivě podílejí přímo na přenosu měřeného signálu. Značně nepříznivý vliv má teplotní závislost proudové a napěťové nesymetrie vstupů operačních zesilovačů. Zapojení pro nenáročná použití využívají větších klidových proudů až deset mA, ke snížení nepříznivého vlivu nestabilit vstupních obvodů operačních zesilovačů. To věak způsobuje vlastní ohřev polovodičového čidla, což vodo k velké chybě. Jiným nedostatkem je, Se teplotní čidlo bývá galvanicky připojeno ke vetupům operačního zesilovače, která nelse chránit běžnými prostředky proti přepětí vzniklé např. vazbou při odpojeni teplotního čidla. Může proto dojit k zahlcení zesilovače příp. i k jeho zničení.

Uvedené nedostatky současného stavu techniky jsou odstraněny vynálezem, jehož podstatou jo že v protějších větvích můstku v uzlu jsou zapojeny teplotní čidlo a výstupní odpor zpětnovazebního článku a ve zbývajících větvích můstku aa společným uzlem jsou zapojeny proudový zdroj s pomocným odporem, přičemž uzly, jsou připojeny ke zdroji napájecího napětí, uzel, společný proudovému zdroji a teplotnímu čidlu, je připojen na neinvertujiei vstup operačhího zesilovače a uzel, společný pomocnému odporu a výstupnímu odporu zpětnovazebního článku, je spojen s invertujieím vstupem operačního zesilovače, přičemž výstup operačního zesilovače je epojen se vstupem zpětnovazebního článku a a výstupní svorkou a druhá výstupní svorka obvodu je společná zpětnovazebnímu článku, teplotnímu čidlu a zdroji napájecího napětí.

Zapojení má řadu předností, které jsou důsledkem užitého principu. Hlavní výhodou vynálezu proti dosavadnímu stavu techniky je, že napětí na polovodičovém čidlu je srovnáváno operačním zesilovačem s napětím na odbočce proměnného děliče a jejich rozdíl řídí dělič tak, že dochází k vyrovnání obou napětí. V ustáleném stavu jsou prakticky.obě napětí stejná a proto ani teplotní čidlo, ani odbočka řízeného děliče nejsou zatěžovány připojenými vstupními obvody operačního zesilovače.

Vstupy operačního zesilovače lze chránit proti přetížení běžně užívanými způsoby, např. antiparalelním zapojením diod. Dělič, řízený napělovou diferencí, je složen z pevného odporu a výstupního odporu zpětnovazebního článku, jehož druhá strana je připojena na výstup operačního zesilovače a změnou parametrů přenosného článku můžeme měnit výslednou konstantu převodu.

Věechny důležité části obvodu jsou spojeny se společným vodičem, přičemž mírou teploty polovodičového čidla je velikost napětí na vstupu zpětnovazebního článku, což jednak umožňuje snadná připojení vnějěích prvků jednak dovoluje stínit teplotní čidlo i výstup, případně použít čtyřvodičováho připojení teplotního čidla při dálkovém měření. Výstupní napětí obvodu je úměrné napětí na polovodičovém čidlu a má tedy lineární průběh.

Lze volit nízký klidový proud diodou bez ohledu na odpory vstupů operačního zesilovače, takže dochází k zanedbatelnému vlastnímu ohřevu čidla. Při cejchování lze nezávisle pro dvě teploty nastavit výstupní napětí. Zapojení je jednoduché a využívá minimální počet součástí. U vdech součástí lze zajistit dobrou teplotní stabilitu.

Vynález bude blíže popsán a vysvětlen na příkladu možného provedení podle vynálezu β použitím dvou obrázků, kde obr. 1 představuje principiální schéma měřicího zařízení a obr, 2 schéma jednoduché aplikace obvodu převodníku pro měření teploty s diodou jako teplotním čidlem.

Zdroj napětí viz. obr. 1 je připojen ke svorkám J., 2 a napájí zdroj A klidového proudu diody D a dělič složený z odporu R a výstupního odporu zpětnovazebního článku ZČ.

Mezi uzly *(, J je zapojen vstup operačního zesilovače OZ tak, že uzel J s teploměmou diodou 2 je spojen s neinvertujícím vstupem a uzel j s výstupem zpětnovazebního článku ZČ. .Výstupní svorka 2 operačního zesilovače OZ je spojena se vstupem zpětnovazebního článku ZČ. Polarita připojení vstupu OZ k uzlům J, J je volena tak, že napětí vzniklé mezi uzly X 1 po zesílení operačním zesilovačem OZ a převedení na vstup článku ZČ způsobí takovou změnu výstupního odporu článku ZČ. že rozdíl napětí mezi uzly J, J je prakticky nulový. Napětí mezi výstupní svorkou 2 operačního zesilovače OZ a společnou svorkou 2 je mírou teploty polovodičového přechodu diody.

V příkladu jednoduchého provedení elektrického převodníku pro měření teploty viz. obr. 2 je zdroj klidového proudu 100 μΑ odvozen ze zdroje napětí U = 15 V stabilizovaného Zenerovou diodou ZD s předřazeným odporem Rl a stabilizačním odporem R2. Zpětnovazební článek ZČ je složen pouze ze dvou odporů RJ, R5. Odpor R3 společně s výstupním odporem zpětnovazebního článku ZČ tvoři dálič napětí, řízený výstupním napětím operačního zesilovače OZ z uzlu 2. Mezi uzly J, J jsou antiparalelně zapojeny dvě ochranné diody Ďí. D2.

Výstupní napětí υθ převodníku pro měření teplotý je odebíráno z odbočky 6 nastavitelného odporu R2 a společného vodiče 2. Teploměrné dioda D má ochranné stínění spojené' se společným vodičem 2. Operační zesilovač OZ je napájen běžným způsobem. V klidovém stavu se ustaví prakticky nulový potenciální rozdíl mezi uzly j, J. Odporem R4 nastavíme při referenční teplotě 0 °C na výstupu J nulové napětí. Při druhá referenční teplotě 100 °C nastavíme odérem R5 na výstupu napětí 100 mV. Převodník pracuje v tomto zapojení s převodem teploty na napětí 1 mV/Ι °C.

233771 4

Přesným měřením výstupního nepětí U_Q se dosahuje rozlišitelnost teplotních rozdílů v oblasti 0,01 °C v rozsahu teplot -50 °C až 150 °C.

Vynález lze využít při realizaci jednoduchých elektrických převodníků teploty s použitím polovodiěových Čidel, jakými jsou diody a tranzistory zapojené jako diody, případně speciální teplotně lineární polovodičové odpory. Ve spojení s Číslicovými voltmetry lze doetateCně přesně měřit teplotu v uvedeném rozmezí. Stabilita a tím i přesnost závisí na vlastnostech použitých souCástí, pro vedení funkčních Částí obvodu a především na vlastnostech polovodičového Čidla. Volbou složitějších zpětnovazebních Článků lze dosáhnout požadovaná konstanty převodu, např. 10 mV/1 °C. Při zvýšených nárocích na přesnost lze obvod teplotně stabilizovat.

Claims (1)

1. Zapojení elektrického převodníku teploty se samočinnou kompenzací napětí Čidlem za použití můatkováho obvodu samočinně vyrovnávaného operačním zesilovačem a jím řízeného zpětnovazebního článku, přičemž polovodičovým Čidlem teploty může být polovodičový teplotně lineární odpor, polovodičová dioda nebo tranzistor zapojený jako dioda, vyznačená tím, že v protějších větvích můstku v uzlu (2) jsou zapojeny teplotní čidlo (D) a výstupní odpor zpětnovazebního Článku (ZČ) a ve zbývajících větvích můstku se spoleCným uzlem (1) jsou zapojeny proudový zdroj (A) s pomocným odporem (R), přičemž uzly (1, 2) jsou připojeny ke zdroji napájecího napětí (Un), zatímco uzel (3), společný proudovému zdroji (A) a teplotními Čidlu (D), je připojen na neinvertující vstup operačního zesilovače (OZ) a uzel (4), společný pomocnému odporu (R) a výstupnímu odporu zpětnovazebního článku (ZČ) je spojen s invertujíeím vstupem operačního zesilovače (0Z), přičemž výstup operaCního zesilovače (OZ) je spojen se vstupem zpětnovazebního Článku (ZČ) a s výstupní svorkou.