RU1778556C - Устройство дл измерени разности температур - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к измерительной технике, а именно к средствам измерени  разности температур. Целью изобретени   вл етс  повышение чувствительности и точности измерений при уменьшении габаритов чувствительной части, а также повышение технологичности за счет исключени  подбора пар полупроводниковых терморезисторов. Сущность изобретени : устройство содержит терморезисторы 7-9, шину 1 положительного питани , операционные усилители 5, 6, резисторы 11-15, общую шину, выходную шину 16 и блок компенсации дрейфа чул . 1 з.п.ф-лы. 2 ил.. 1 табл.

Description

(Dual

Изобретение относитс  к измерительной технике, а именно к средствам измерени  разности температур.

Целью изобретени   вл етс  повышение чувствительности и точности измерений при уменьшении габаритов чувствительной части, а также повышение технологичности за счет исключени  подбора пар полупроводниковых терморезисторов.

На фиг. 1 изображена принципиальна  электрическа  схема устройства; на фиг. 2 - принципиальна  электрическа  схема устройства с блоком температурной компенсации дрейфа нул .

Измеритель разности температур (фиг. 1) содержит первую шину положительного питани  1, общую шину 2, шины 3 и 4 положительного и отрицательного питани  операционных усилителей, первый 5, второй 6 операционные усилители, первый 7, второй 8 и третий 9 термисторы, подстроечный резистор 10, первый 11, второй 12, третий 13, четвертый 14 и п тый 15 резисторы, выходную шину 16.

Шины положительного 3 и отрицательного 4 питани  операционных усилителей подключены к соответствующим выводам операционных усилителей 5 и 6. Термистор 8 включен между шиной 1 питани  и первым выводом термистора 7, второй вывод которого подключен к выходу операционного усилител  5. Резистор 12 подключен между общей точкой термисторов 7 и 8, к которой подключен неинвертирующий вход операционного усилител  6 и инвертирующим входом операционного усилител  5, резистор 13 подключен между инвертирующим входом и выходом операционного усилител  5, резистор 11 подключен между шиной 1 питани  и соединением второго вывода термистора 9 и первого вывода подстроеч- ного резистора 10 подключенного вторым выводом к общей шине. Первый вывод термистора 9 соединен со вторым выводом резистора 14, первый вывод которого подключен к соединению инвертирующего входа операционного усилител  6 и первого вывода резистора 15, подключенного вторым выводом к выходу операционного усилител  б и выходной шине 16 устройства. Схема работает следующим образом. Термистор 8 нагрет до более высокого значени  из двух температур, разность которых измер етс , а термисторы 7 и 9 наход тс  при более низком значении температуры. Термисторы 7 и 8 составл ют делитель, с которого на неинвертирующий вход операционного усилител  подано напр жение , величина которого определ етс  измер емой температурной разностью.

Операционный усилитель 5 совместно с делителем на резисторах 12 и 13 трансформирует сопротивление термистора 7, при этом сопротивление эквивалентного резистора,

подключенного между точкой 17 соединени  термисторов и общей шиной.определ - етс  соотношением сопротивлений резисторов 12 и 13 и вычисл етс  по формуле

R7Ri2/(Ri3 + Ri2).(1)

где R, Ri2 и Ria - соответственно сопротивлени  резисторов 7, 12 и 13.

Известно, что зависимость термосопротивлени  от температуры выражаетс  следующей формулой:

R(T)RioexpB (1/T-TO),(2)

где RTO - сопротивление термистора при температуре ТО; В - константа материала терморезистора.

Дл  того, чтобы максимально линеаризовать зависимость напр жени , снимаемого с термистора, от температуры в некотором температурном диапазоне, необходимо создать последовательную цепь

из термистора и резистора, сопротивление которого определ етс  по формуле;

RZ - Rlc(B - 2Т)/(В + 2Т),(3)

где RTC - сопротивление термистора при температуре ТС середины измер емого

температурного диапазона.

В таблице приведены значени  К Rz/Ri (сопротивление RI соответствует значени м сопротивлени  термистора дл  нижней границы диапазона) дл  термистора

с параметрами RTO 33 кОм (ТО 25 град.С) В 3500 дл  диапазона разности температур 20 град., при изменении нижней границы диапазона от 10 до 60 град. С. Из таблицы видно, что величина К мен етс 

незначительно и ее можно выбрать посто нной , равной средней величине двух крайних значений. Очевидно, что дл  удовлетворени  условий минимальной нелинейности необходимо точное выполнение соотношений

номиналов термисторов в схеме, что практически неосуществимо из-за ограниченности выпускаемых номиналов термисторов, выбор же термисторов одного номинала не обеспечивает услови  минимальной нелинейности в измер емом диапазоне температур .

Сопротивлени  Кт2 и Ri3 выбираютс  такими, чтобы обеспечить режим измерени  с минимальной нелинейностью и избежать шунтировани  термистора 7.

Таким образом при помощи трансформатора сопротивлени  на операционном усилителе 5 осуществл етс  выбор оптимального соотношени  сопротивлений в делителе на

термисторах 7 и 8, обеспечивающего минимальную нелинейность преобразовани .

Делитель на резисторах 11 и 10 обеспечивает задание нул  на выходе устройства, при этом резистором 10 осуществл етс  подстройка нул . Операционный усилитель 6 выполн ет роль масштабирующего усилител , усиливающего сигнал, снимаемый с точки 17 и одновременно осуществл ющего коррекцию по изменению температуры нижней границы измер емого температурного диапазона. При изменении этой температуры мен етс  сопротивление тер- мистора 9, а следовательно, и коэффициент усилени  масштабирующего усилител , при этом нужные соотношени  задаютс  выбором номиналов резисторов 14 и 15.

В случае, если оба термистора имеют одинаковый ТКС:

TKCi TKC2 -B/T2(4)

При этом чувствительность схемы по разности температур (при небольших значени х разности) пропорциональна В/Т . Если существенно измен ютс  температуры обоих термисторов, то измен етс  и чувствительность схемы. Так при изменении абсолютной температуры обоих резисторов на 60 градусов (при Т 283 К) приводит к изменению чувствительности на 45%, что соответствует температурной погрешности преобразовани  0,8% град, и сужает диапазон изменени  абсолютных температур нижней границы измер емой разности.

Таким образом применение масштабирующего усилител  на операционном усилителе б, помимо осуществлени  функции усилени , позвол ет скомпенсировать изменение чувствительности, вызванное изменением температуры нижней границы измер емого температурного диапазона.

Реально примен емые термисторы имеют разбросы по величинам Rio и В, это приводит к по влению погрешности измерени , в частности к дрейфу нулевой точки и увеличению погрешности за счет отличи  соотношени  сопротивлений термисторов в делителе при заданных номиналах резисторов 12 и 13 от оптимального. Разбросы термисторов компенсируютс , если выполнить резистор 13 подстроечным и включить междуточками 18 и 19 блок температурной компенсации дрейфа с нул  20. как изображено на фиг. 2.

В этой схеме резистор 13 сделан подстроечным . Генератор тока 21 включен между шиной отрицательного питани  4 и соединением первых выводов четвертого термистора 22, потенциометра 23 и шестого резистора 24, вторые выводы потенциометра 23 и резистора 22 подключены к шине

земли, а движок потенциометра 23 - к неинвертирующему входу операционного усилител  25. к инвертирующему входу которого подключены первый вывод седьмого рези- стора 26, второй вывод резистора 24 и первый вывод восьмого резистора 27. второй вывод которого подключен к точке 18, а второй вывод резистора 26 - к выходу операционного усилител  25, подключенному к

точке 19. К соответствующим выводам питани  операционного усилител  25 подключены шины 3 и 4.

Замена посто нного резистора 13 на подстроечный позвол ет подбирать оптимальное соотношение результирующих сопротивлений в плечах делител  на термисторах 7 и 8 путем изменени  коэффициента трансформации сопротивлени  термистора 7. Дл  исключени  дрейфа нулевой

точки разности от значений абсолютной температуры в устройство введен компенсатор дрейфа 20 на операционном усилителе 25, термисторе 22. резисторах 24, 26 и 27, потенциометре 23 и генераторе тока 21. При

отключенном резисторе 27, если движок по- тенциометра находитс  в крайнем верхнем положении, операционный усилитель 25 повтор ет напр жение в точке 28 соединени  термистора 22 и потенциометра 23, при

этом ТК этого напр жени  отрицателен. В случае, если движок потенциометра находитс  в крайнем нижнем положении, операционный усилитель 25 ведет себ  как инвертирующий усилитель, соответственно

ТК выходного напр жени  положителен. Таким образом, мен   положение движка потенциометра , мы можем установить необходимый температурный дрейф выходного напр жени  операционного усилител 

25. Таким образом подстройка резистора 10 мы можем задавать необходимый нулевой уровень на выходе масштабирующего усилител  на операционном усилителе 6, а регулировкой потенциометра 23 - его

температурный дрейф.

Все перечисленные регулировки позвол ют избавитьс  от подбора термисторов по величинам Rio и В. Таким образом, использование данного устройства дает положительный эффект, св занный с улучшением технологичности за счет исключени  операции начальной разбраковки и подбора пар термисторов с идентичными параметрами.

Claims (2)

1. Устройство дл  измерени  разности температур, содержащее последовательно соединенные первый и второй терморезисторы , шину положительного питани , под- ключенную к одному выводу первого

терморезистора и одному выводу первого резистора, первый и второй операционные усилители, выходы которых соединены с инвертирующими входами соответственно через второй и третий резисторы, а инвертирующие входы подключены к одним выводам соответственно четвертого и п того резисторов, общую шину, подключенную к одному выводу шестого резистора, и выходную шину, подключенную к выходу вто- рого операционного усилител , отличающеес  тем, что, с целью повышени  чувствительности и точности измерений при уменьшении габаритов чувствительной части, первый и второй терморезисторы выполнены в виде полупроводниковых терморезисторов и введен третий полупроводниковый терморезистор, одним выводом подключенный к другим выводам первого и шестого резисторов, другим выво- дом - к другому выводу п того резистора, при этом неинвертирующие входы первого и второго операционных усилителей соединены соответственно с общей шиной и объединенными выводами первого и второго полупроводниковых терморезисторов, подключенными к другому выводу четвертого резистора, а другой вывод второго полупроводникового терморезистора соединен с выходом первого операционного усилител .

2. Устройство по п. 1,отличающее- с   тем, что, с целью повышени  технологичности за счет исключени  начального подбора пар полупроводниковых терморезисторов , в него введен блок компенсации дрейфа нул , через который третий полупроводниковый терморезистор одним выводом подключен к другим выводам первого и шестого резисторов, при этом блок компенсации дрейфа нул  выполнен в виде генератора отрицательного тока, параллельно включенных между его выходом и общей шиной четвертого полупроводникового терморезистора и потенциометра, седьмого, восьмого и дев того резисторов и третьего операционного усилител , неинвертирующий вход которого подключен к среднему выводу потенциометра, а инвертирующий вход соединен через седьмой резистор с выходом генератора отрицательного тока, через восьмой резистор - с выходом третьего операционного усилител ,  вл ющимс  выходом блока компенсации дрейфа нул , и с одним выводом дев того резистора, другой вывод которого  вл етс  входом блока компенсации дрейфа нул .

Зависимость оптимального отношени  К резисторов в делителе от температуры нижней границы измер емого диапазона (дл  термистора с Ro 33 кОм, В 3500, Ti - Т2 20 град.С).

со

ю

П