CZ229597A3

CZ229597A3 - Zapojení pro měření teploty teplotně závislého odporu a způsob jejího výpočtu

Info

Publication number: CZ229597A3
Application number: CZ972295A
Authority: CZ
Inventors: Jörg Dr. Ing. Leipold
Original assignee: Electrowatt Technology Innovation Ag
Priority date: 1996-07-24
Filing date: 1997-07-18
Publication date: 1998-02-18
Also published as: PL190473B1; PL320933A1; DE59713057D1; EP0821223A1; EP0821223B1; CH687349A5; CZ295851B6; ATE503172T1

Description

Zapojení pro měření teploty teplotně závislého odporu a způsob jejího výpočtu.

2blast_techniky.

o ο

o

C/χ

Vynález se týká zapojení pro měření teploty te plotně závislého odporu, kterým jsou měřeny hodnoty dvou odporů a prvního a druhého refrenčního odporu jako vybíjecí doby,přičemž je první kondenzátor nabíjen, a v návaznosti na to zapnutím odpovídajících spínačů přes odpor, příp. první a druhý referenční odpor,vybit a u kterého je ze tří vybíjecích dob vypočítáván relativní odpor a z relativního odporu teplota teplotně závislého odporu.

Vynález se týká i způsobu výpočtu teplúty teplotně závislého odporu.

Takováto zapojení jsou vhodná například pro měření odporu se silně nelineární charakteristikou, zejména odporu se záporným teplotním koeficientem. Ta kovéto odpory se často používají u rozdělovačů nákladů na topení a/nebo^/¹Vyhodnocování energie u počítačů spotřeby teplé vody.

Zapojení shora uvedeného druhu je známo z evropského pat. spisu EP 271 827. Také z evropské pat. při2 hlášky EP 128 283 je jedno takovéto zapojení známo.

Úkolem vynálezu je navrhnout zapojení pro měření teploty teplotně závislého odporu, které dovoluje v celém předem zadaném teplotním intervalu měření s velmi nepatrnou chybou.

Tento úkol se podle vynálezu řeší tím, že je uspořádán třetí referenční odpor, připojitelný prostřednictvím dalšího spínače a že prvním kondenzátorem samotným měřené vybíjecí doby dvou odporů, prvního a druhého referenčního odporu jsou použity pro výpočet relativního odporu, přičemž vybíjecí doba dvou od pórů je větší nebo stejná jako vybíjecí doba druhého referenčního odporu a že v opačném případě jsou pou žity pro výpočet relativního odporu vybíjecí doby dvou odporů, druhého a třetího referenčního odporu, namě řené prvním a druhým kondenzátorem.

Způsob výpočtu teploty teplotně závislého odporu za pomoci zapojení podle předcházejících nároků je pak vyznačen tím, že teplotní interval se rozdělí v počet k nestejných’’ dílčích rozsahů přičemž teplota teplotně závislého odporu se vypočítá podle rovnic,uvedených v patentovém nároku.

Vynález bude v dalším textu blíže vysvětlen na příkladu provedení za pomoci výkresu.

Na obr. 1 je znázorněno zapojení pro měření te ploty teplotně závislého odporu.

Na obr. 2 je znázorněn teplotní diagram.

?£i£lS£ž.-££°y£dení_y£nálezu.

Obr. 1 ukazuje zapojení pro měření teploty první ho, a fakultativně uspořádaného druhého teplotně zá vislého odporu 1 příp. 2. Zapojení obsahuje tři referenční odpory ~3 až 5, dva kondenzátory 6, 7, spí nace 8 až 13, spínač 14 prahové hodnoty, mikropočí tač 15 a zdroj 16 energie. Přípoj každého odporu 1 až 5, je spojen s přípojem prvního kondenzátoru 6 s přípojem druhého kondenzátoru 7 a se vstupem 17 spínače 14 prahové hodnoty. Druhý přípoj každého od póru 1 až 5 je prostřednictvím přiřazených spínačů 8 až 12 připojen na vedení 18 vysokého poten ciálu H nebo na vedení 19 s nízkým potenciálem L, nebo na vysokohmový prvek. Ve výkresu vede vedení 18 potenciál provozního napětí, zatím co vedení 19 je uzeměno. Druhý přípoj prvního kondenzátoru 6 je přímo spojen s vedením 19.Druhý přípoj druhého kondenzátoru 7 je prostřédnictvím spínače 13 spojen s ve děním _18 s vysokým potenciálem H nebo s vedením 19 s nízkým potenciálem L nebo na vjssokoohmový prvek. Spínače 8 až 13 a spínač 14 prahové hodnoty^ sou oproti znázornění na výkresu, s výhodou integrovány přímo v mikropočítači 15. Jako zdroj l6 energie slouží z pravidla baterie, zejména lithiová baterie. Spínač 14 prahové hodnoty a mikropočítač 15 jsou napájeny zé zdroje 16 energie. Mikropočítač 15 řídí spínací polohy spínačů 8 až 13. Spínač 14 prahové hodnoty je vytvořen jako jako integrovaný obvod. *^eho vstup 17 je v důsledku toho spojen prostřednictvím ochranných diod 20 a 21 s napájecím napětím zdroje 16 energie, t.j. s potenciálem H příp. L.

Hodnota odporů 1 až 5 se měří buď samotným kon denzátorem 6 nebo prostřednictvím obou paralelně zapojených kondenzátorů 6 a 7.

až 5

Hodnota libovolného jednoho z odporů/ sě měří samotným kondenzát ořem 6, přičemž na začátku se všech ny spínače 8 až 13 spojí s vedením 18 s vysokým potenciálem H. Tím se dosáhne toho, že první konden zátor 6 se nabije, zatím co druhý kondenzátor 7 žádný náboj nedostane. Po i$ičité době trvání 2^ _se všechny spínače -§- ^až 12 zapojí ^na vyeokoohmový prvek. Nato se měřený odpor w_n spojí prostřednictvím prostřednictvím odpovídajícího spínače s vedením 19, vedoucím nízký potenciál L, takže se první kondenzátor 6 vybije přes odpor w_n a současně započne měření času. Se vzrůstající dobou vybíjení klesá na .pěti na vstupu 17 spínače 14_ prahové hodnoty.Klesneli napětí U_g pod předem určené prahové napětí spínače 14 prahové hodnoty, potom spínač 14 pra hové hodnoty zastaví měření času. Hodnota odporu w_nse transformuje v časové rozpětí t_n

Hodnota libovolného z odporů 1 až 5 se měří prostřednictvím obou kondenzátorů 6, 7 tak, že na začátku se spínače 8 až 12 spojí s vedením 18 vy sokého potenciálu H, zatím co spínač 13 se spojí s vedením 19 nízkého potenciálu L. Tím se dosáhne toho, že se oba kondenzátorý 6, 7 nabijí. Po předem určené době trvání se spínače 8 až 12 při pojí na vysokoohmový prvek, zatím co spínač 13 zůstane na nízkém potenciálu L. Načež se měřený odpor spojí prostřednictvím odpovídajícího spínače s vedením 19, takže se nyní oba kondenzátorý 6, 7 vybijí přes odpor w_n« Hodnota odporu w_n se v tomto případě tran sformuje v časové rozpětí t n, z.

Tři referenční odpory 3 až 5 stanovují dva nav zájem sousedění měřící rozsahy Μ = 1 a M = 2. Referenční odpor 3 tvoří dolní hranici prvního měřícího rozsahu. Referenční odpor 4 tvoří horní hranici prvního měřícího rozsahu. Referenční odpor 5 tvoří horní hranici druhého měřícího rozsahu, přičemž jeho dolní hranici tvoří současně referenční odpor 4. V prvním měřícím rozsahu se provádí zjistování teploty teplotně závislého odporu 1 (nebo 2), jak bylo již dříve popsáno, samotným kondenzátorem 6. Ve druhém měřícím rozsahu se provádí měření prostřednictvím obou kondenzátorů 6, 7. Odpory 1 a případně 2 jsou od póry se záporným teplotním koeficientem. Referenční odpor 3 je tudíž větší, než referenční odpor 4 a tento opět větší než referenční odpor 5.

Zjištování teploty teplotně závislého odporu 1 se začíná určením časového rozpětí t^ To je doba, která se potřebuje k tomu, aby se kondenzátor 6 vybil přes referenční odpor 4. řotom se změří časové roz pěti t^ ΤΘ je doba, která se potřebuje k tomu,aby se vybil první kondenzátor 6 přes odpor 1. Jeli t^ i t^ j, potom se měří ještě časové rozpětí t^

To je doba, která se potřebuje k tomu, aby se první kondenzátor 6 vybil přes referénční odoor 3.Nato se určí relativní odpor Rj^ ^{z rovn:i}-^ce*

M=\

A.l - Λ.Ι (1)

Jeli však t^ ^4 1 * P^a^ ^{se zm}®ří navzájem za sebou doby t^ _M_₂, t^ ₂, a t^ ₂, načež se určí relativní odpor podle rovnice:

Relativní opdor je poměr bez měrné jednotky· V případě, že hodnota R_M je menší nežli nula, stanoví se hodnota R^ rovna nule. V případě, že hodnota R^ he větší než jedna, stanoví se hodnota R^ rovna nule. Kařdá hodnota R^ leží tak v intervalu W1 případně W₂ mezi čísly nula a jedna.

Měření teplotně závislého odporu 1 se tedy provádí v tom měřícím rozsahu M = 1, nebo M = 2, uvnitř kterého hodnota skutečně leží.

Měřící doba pro určení shora uvedeného časového roz pěti činí maximálně asi 0,1 vteřiny. Mezi dvěma na vzájem za sbeou následujícími se dodržuje čekací doba t přibližně 0,4 vteřiny, přičemž se buď nabije kondenzát or 6 samotný, nebo oba kondenzátory 6_X 7•Mikropočítač 15, který řídí spínače 8 až 13_x určí bezprostředně po každém jednotlivém měření, zdali se má příští měření provésti se samotným kondenzátorem 6:,nebo zdali se má provésti s oběma kondenzátory a sepnout odpovídající spínač 13· Celková doba měření pro určení teploty teplotně závislého odporu 1 nebo 2 trvá mezi 1,1 a 1,6 vteřiny.

Během předpokládané čekací doby t 0,4 vteřiny se nabije bud kondenzátor 6 samotný, nebo se nabijí oba kondenzátory 6 a 7. Aby zdroj 16 energie měl co možná nejdelší živostnost, aby nabíjecí proud byl co nejmenší. Musí se však zajistit, aby čekací doba t byla nejméně 5-násobek až 10-násobek časové konstanty Rp.C, přičemž R^ značí ohmickou hodnotu odporů, zapojených paralelně při nabíjení a C kapacitu kondenzátoru 6, neb obou paralelně zapojených kondenzátorů 6 a 7. Nabíjecí proud se může zmenšit, jestliže během čekací doby t_wnejsou všechny odpory 1 až 5_připojeny na vedení 18_Anýbrž jen tolik z odporů 1 až 5 že platí > 5-V⁰·

Mikropočítač je tedy tak naprogramován, že řídí spínače 8 až 12 tak, že nabíjecí proces se provádí s co nejmenším nhbíječím proudem. Protože na začátku je nabí ječí proud největší, odepíná mikropočítač 15 odpory 1 až 5 jednotlivě podle jejich hodnoty podle předem určeného časového programu.

Při vybíjení se měří časové rozpětí, při kterém na pěti na kondenzátoru 6 případně na paralelně zápoje ných kondenzátorech 6 a 7 poklesne pod předem stanovené prhhové nfepětí'U . Bezprostředně po skončení do by měření nachází se tak na kondenzátorech 6 a 7 náboj. Pokud je nutná změna měřícího rozsahu M, to je přepnutí přípoje kondenzát ořu 7, provede se změna spínací polohy spínače 13 výhodně tepEve tehdy, když doj de přibližně k dokonalému vybití kondenzátoru 6, případně kondenzátor 6 a 7, jak bude v dalším textu bií že vysvětleno.

Kdyby se totiž bezprostředně po době měření,při které oba kondenzátory 6 a 7 jsou zapojeny paralelně, přepnul kondenzátor 7 prostřednictvím spí nače 13 na potenciál H z potenciálu L, potom by bylo napětív bodě P větší o prahové napětí U_r nežli potenciál H provozního napětí. To by vedlo k tomu, že ochrannou diodou 20 spínače 14 prahového napětí by protekl proudový náraz do té doby, až by na pěti v bodě _P_ bylo rovno potenciálu H.Je tudíž výhodné sepnout spínač _13 nikoliv bezprostředně po u plynutí doby měření, nýbrž zpožděně 0 ' časové rozpětí Z , takže kondenzátory 6 a 7 po skončení doby měření budou tak vybity, takže přepnutí spínače 13 nemá za následek znatelnější proudový náraz protékajíprotékající ochrannou diodou 20.

Jestliže by se v opačném případě bezprostředně po době měření se samotným kondenzátořem 6 přepnul kondenzátor 7 spínačem 13 2 potenciálu H na potenciál L, pak by tekl spínačem 13 vyrovnávací proud do té doby, až by se náboje na obou kondenzátořech 6 a 7 přizpůsobily novým napěíovým poměrům. Takovémuto vy rovnávacímu proudu se může zabrált,nébo se může alespoň omezit tím způsobem, že kondenzátor 6 se před se pnutím spínače 13 téměř dokonale vybije.

Výpočet teploty T, odpovídající relativnímu odporu příp. ^m-2 ^se Ρ^Γον&άί výhodně dále popsaným způsobem. Interval přiřazený měřícímu rozsahu M=1 je, jak jez obr. 2 zřejmé, rozdělen v předem určený počet k dílčích rozsahů o nestejné velikosti.Koncové body dílčí oblasti, označené indexem i jsou o značeny jako r_m_-^(i-l) a γ^_ι(1). Koncový bod V°> má hodnotu 0, koncový bod r_M ,(k) má hodnotu 1, nebot interval obsahuje hodnoty od 0 až do 1.

Každé hodnotě r^_-^(i) j^e přiřazena podpěrná polohová hodnota ST_m_^(i). Podpěrné polohové hodnoty STj^(i) leží na charakteristice 22 měřeného odporu 1 příp.

2. V příkladu je zvolen počet dílčích rozsahů k = 4. Analogickým způsobem je interval W₂ přiřazený mě řícímu rozsahu M = 2 rozdělen v počet h dílčích rozsahů, které jsou charakterizovány koncovými body ^rM=2^^ ^a P°^dpěrnými polohovými hodnotami ST^_₂(j),při čemž index nabývá hodnot od 0 až do h.

Výhodně jsou velikosti dílčích rozsahů o počtu k příp. h podle potence čísla 2 stanoveny tak, že druhý dílčí rozsah má poloviční velikost prvního dílčího rozsahu, třetí poloviční velikost druhého dílčího rozsahu, atd. až konečně (k -1) má poloviční velikost (k - 2) dílčího rozsahu.

Výpočet teploty T odporu 1 (obr. 1) se pro vádí ve třech krocích, přičemž na základě měření rela tivního odporu resp. R₂ je již jasné, zdali se měření provádí uvnitř prvního měřícího rozsahu Mel, nebo druhého měřícího rozsahu M = 2.

Nejdříve se určí index i tak, že platí

(3) (4)

Potom se určí veličina rt z rovnice

Rm-Φ) r(i + l)-r(i)

Potom se vypočítá teplota T ze vztahu ^T = ST_M(i) + [ST_s,(i +1) - ST_M(i)]* rt + [ST_M(i +1) - ST_M(i)1\ÍH ^J n.« přičemž veličina n_M je konstanta, závislá na měřícím rozsahu M = 1, nebo M - 2.

Teplota T muže se díky toinuto způsobu měření a výpočtu určit s vysokou přesností. Způsob výpočtu nepoužívá žádných exponenciálních funkcí a je tudíž v mikropočítači 15 (obr. 1) proveditelný s nepatrnými náklady·.

Ve znázorněném příkladu provedení se provádí měření doby vybíjení kondenzátoru 6, případně kondenzáto rů 6 a 7 (obr. 1). Měření vybíjecího procesu poskytuje tu výhodu, že provozní napětí, dodávané zdrojem 16 energie, tvořený primárním článkem, nemusí být po celý interval doby měření konstantním.Protože se však kondenzátory 6, případně 6a 7 na začátku každého ze tří až pěti jednotlivých, měření, která jsou potřebná pro určení relativního odporu ^nel30 ^M=2^,mu“ sí nabýt na stejnou hodnotu, pak po nabitý kondenzátorů 6, případně 6 a _7 uvede mikropočítač 15 v činnost, jak je pro něho typické, na několik setin mikrovteřin. Tím se dosáhne toho, že zátěž zdroje 16 energie, tvořený primárním článkem a tím i nabíjecí napětí na kondenzátorech 6, případně 6 a 7 jsou před každým jednotlivým měřením stejná.

Naproti tomu v případě měření doby během nabíjení kondenzátorů 6, případně 6 a 7 by se musela věnovat pozornost tomu, aby zátěž zdroje 16 energie byla během souhrnné doby měření všech tří nebo pěti jednotlivých mě ření kontstantní.

Claims

NÁROKY

PATENTOVÉ

1. Zapojení pro měření teploty teplotně závislého odporu, kterým jsou měřeny hodnoty dvou odporů a prvního a druhého referenčního odporu jako doba vybíjení, přičemž se první kondenzátor nabije a v návaz nosti na to se sepnutím ospovídajících spínačů se vybije přes odpory, případně přes první nebo druhý referenční obvod a u kterého se ze tří dob vybíjení vy počte relativní odpor a z relativního odporu teplota teplotně závislého odporu, vyznačující se tím, že je uspořádán třetí referenční odpor (5) připojitel ný prostřednictvím dalšího spínače (12), že prvnímu kondenzátoru (6) je prostřednictvím odpovídajícího spínače (13) paralelně připojitelný druhý kondenzátor (7) a že doby vybíjení naměřené samotným prvním kondenzát ořem (6) odporu (1,2) a prvního a druhého referenčního opdoru (3;) se použií pro výpočet relativního odporu pokud doba vybíjení odporu (1;2) je větší nebo stejná jako doba vybíjení druhého referečního odporu (4) a že v opačném případě se použijí pro výpočet relativního odporu prvním a druhým kon denzátorem (6í7)naměřené doby vybíjení odporu (1;2) a druhého a třetího referenčního odporu (4$ 5),
2.Zapojení podle nároku 1, vyznačující se tím, že při změně jednoho měření, při kterém jsou oba kondenzátory (6, 7) zapojeny paralelně, na jiné měření se samotným prvním kondenzátořem (6),provede se sepnutí spínače (13) teprve tehdy, až jsou kondenzátory (6;7) téměř vybity.
3. Zapojení podle nároku 1 nebo S, vyznačující se prvním tím, že při změně jednoho měření samotným/kondenzátorem (6) na měření, při kterém jsou oba kondenzátory (6; 7) zapojeny paralelně, provede se sepnutí spínače (13) teprve tehdy, až je první kondenžátor (6) téměř vybit.
4. Zapojení podle některého z nároku 1 až 3, vyznačující se tím, že místo dob vybíjení kondenzátorů (6;·7) jsou měřeny jejich doby nabíjení.
5. Způsob výpočtu teploty teplotně závislého odporu, přičemž aktuální hodnota odporu leží uvnitř předem určeného měřícího rozsahu a přičemž hodnota odporu se převádí v relůtivní odpor jehož hodnoty jsou v předem určeném intervalu, vyznačující se tím, že interval W se rozdělí v počet k nestejně velkých dílčích rozsahů, přičemž koncové body dílčích rozsahů jsou ozna čeny jako r_M(0) až r_M(k), každé hodně r_M(i) je při řazena podpěrná polohová hodnota ST^(i), přičemž index i nabívá hodnoty 0 až k a že teplota T se vy počte tak, že se nejprve určí index i, takže platí r_M(i)^ R_M < r_M(i 4-1) přičemž veličila rt se určí z rovnice a teplota T se potom vypočte ze vztahu

Z—4 2 __

T = ST_M(i) + [ST_M(Í +1) -ST_M(i)]*rt + [ST_u(i +1)- ST_M(i)]’*L__i přičemž veličina n_M je konstanta, závislá na měřícím rozsah· M.
6. Způsob podle nároku 5, vyznačující se tím, že dílčí rozsah je vytvořen tak, že druhý dílčí rozsah je z poloviny tak velký, jako první dílčí rozsah, třetí dílčí rozsah je z poloviny tak velký jako druhý dílčí rozsah až nakonec dílčí rozsah (k-1) je z poloviny tak velký, jako dílčí rozsah (1-2)a že poslední dílčí rozsah k je stejně velký jako předposlední dílčí rozsah (k-1).

5.Způsob podle nároku 5 nebo 6, vyznačující se tím, že jsou uspořádány nejméně dva měřící rozsahy M.
8. Způsob podle některého z nároku 5 až 7, vyznačující se tím, že zapojení podle některého z nároku 1 až 4 se použije pro měření teplotně závislého odporu