SU1154553A1 - Устройство дл измерени температуры - Google Patents

Abstract

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ, содержащее термопреобразователь , сопротивлени , соединенный .первым потенциальным приводом с первь1м неподвижным контактом первого переключател , подвижный контакткоторого подключен к первому входу диАференциального сумматора, первый образцовый резистор, соединенный первым выводом с вторым токовым проводом термопреобразовател  сопротивлени , второй переключатель, источник тока, первый вывод которого соединен с первым токовым выводом второго образ .цового резистора, повторитель напр жени , вход которого соединен с потенциальными выводами второго образцового резистора, а выход подключен к опорному входу преобразовател  напр жени  в интервал времени, первый вход которого соединен с выходом источника напр жени  смещени , а выход подключен к первому входу блока управлени , второй вход которого соединен с выходом реверсивного счетчика , а выходы подключены к управл юще му входу схемы линеаризации, индикатору знака температуры и первым входам двух селекторов, вторые входы которых соединены с выходами генератора опорной частоты, а выходы соответственно подключены к входам реверсивного счетчика и входу схемы линеаризации , выход которой соединен с цифровым отсчетным устройством, отличающеес  тем, что с целью повьшени  точности измерени , (Л в него введен третий переключатель, управл ющий вход которого соединен с выходом блока управлени , входы соединены.соответственно с вторыми выводами источника тока и второго образцового резистора, а выходы соответственно подключены к первому токовому проводу термопреобразовател  ел сопротивлени , соединенному с вторьм 4 неподвижным контактом первого пересл :л ключател , и второму входу дифференциального сумматора, соединенному с :х;} вторым выводом первого образцового резистора, первый вывод которого соединен с первым неподвижным контактом второго переключател , выход которого подключен к земл ной шине уст ройства, а второй неподвижный контакт соединен с вторым потенциальным проводом термопреобразовател  сопротивлени  и третьим входом дифференци ального сумматора, четвертый вход которого соединен с земл ной шиной устройства, а выход подключен к входу

Description

источника напр жени  смещени , при. этом выход генератора опорной часто через блок управлени  подключен к дополнительному в5соду преобразовате напр жени  в интервал времени. 2. Устройство по п. 1, отличающеес  тем, что дифференциальный сумматор содержит четыре операционных усилител  с гальванически разделенными источниками пита ни , неинвертирующие входы которых соединены со средними точками своих источников питани , и три образцовы резистора, при этом инвертирующие входы первого,второго и третьего операционных усилителей соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами дифференциального 3 сумматора, четвертый вход ксэторого соединен с неинвертирующим входом четвертого операционного усилител , выходом третьего операционного усилител  и через первый образцовый резистор подключен к неинвертирующему входу второго операционного усилител , выход которого соединен с выходом первого операционного усилител  и неинвертирующим входом четвертого операционного усилител , выход которого подключен к выходу дифференциального сумматора и через второй образцовый резистор соединен с неинвертирук дим входом операционного усилител , причем третий образцовый резистор включен между неинвертирующими входами первого и третьего операционных усилителей.

Изобретение относитс  к температурным измерени м и может быть испол эовано при создании цифровых щитовых измерительных приборов, работающих в комплекте с термопреобразовател ми сопротивлени , вкдюченными как по трех-, так и по четырехпроводной схеме,

Известно устройство дл  измерени  температуры, содержащее термопреобразователь сопротивлени , включенный по трехпроводной схеме, эталонный резистор, переключатель, источник тока, аналого-цифровой преобразователь , выход которого подключен к входу реверсивного счетчика, соединенного с блоком индикации fl .

Однако это устройство не обеспечивает высокой точности измерени  температуры из-за низкой помехозащищенности , дрейфа напр жени  смещени  сравнивающего устройства аналого-цифрового преобразовател , вли ни  на результат измерени  изменени  сопротивлени  соединительных проводов.

Известно устройство дл  измерени  температуры, содержащее термопреобразователь сопротивлени , первый вывод которого через первый соединительный провод подключен к первому вьгооду источника тока, а второй вывод через второй соединительный провод и

последовательно соединенные первьй и в горой образцовые резисторы подключен к второму выводу источника тока, повторитель напр жени , вход которого соединен с выводами второго образцового резистора, а выход подключен к преобразователю напр жени  в интервал времени, источник напр жени  смещени , два Селектора, реверсивный счетчик , генератор счетных импульсов, схему линеаризации, цифровое отсчетное устройство, два переключател , два пол ризованных реле и суммирующее устройство С2 ,

В этом устройстве выводы термопреобразовател  сопротивлени  и первого образцового резистора подключены соответственно к контактам пол ризованньЕХ реле, что позвол ет в процессе работы устройства исключать термопреобразователь сопротивлени  и образцовьй резистор из измерительной цепи и тем самым формировать сигнал, пропорциональньй падению напр жени  на соединительных проводах , который необходим дл  исключени  вли ни  изменени  сопротивлени  соединительных проводов на результат измерени .

Однако в этом устройстве не устран етс  вли ние на результат измерени  термо-ЭДС, возникающих в местах контакта соединительных проводов. Кроме того, дл  его нормальной работы необходимо, чтобы одно пол ризованное реле находилось в непосредственной близости от термопреобразовател  сопротивлени , что в р де случаев невозможно. Наиболее близким к изобретению по технической сущности  вл етс  устрой ство дл  измерени  температуры, содержащее термопреобразователь сопротивлени , соединенный первым потенциальным проводом с первым неподвижным контактом первого переключател , подвижной контакт которого подключен к первому входу дифференциального сумма тора, первый образцовый резистор, соединенный первым выводом с вторым токовым проводом термопреобразовател  сопротивлени , второй переключатель, источник тока, первый вывод которого соединен с первым токовым выводом второго образцового резистора, повторитель напр жени , вход которого соединен с потенциальными выводами второго образцового резистора, а выход подключен к опорному входу преобразовател  напр жени  в интервал времени , первый вход которого соединен с выходом источника напр жени  смещеНИН , а выход подключен к первому входу блока управлени , второй вход которого соединен с выходом реверсивного счетчика, а выходы подключены к управл ющему входу схемы линеаризации , индикатору знака температуры и первым входам двух селекторов, вторые входы которых соединены с выходами генератора опорнойчастоты, а выходы соответственно подключены к входам реверсивного счетчика и входу схемы линеаризации, выход которой соединен с цифровым отсчетным устройством 3 . В известном устройстве преобразователь температуры в интервал времени выполнен на основе интегратора с нуль органом, преобразователь сопротивлени включен по трехпроводной схеме. В нем осуществл етс  коррекци  аддитивной составл ющей погрешности, обусловлен ной дрейфом эквивалентного напр жени . смещени  преобразовател  напр жени  в интервал времени, коррекци  мульти пликативной составл ющей погрешности обусловленной изменением значени  тока в измерительной цепи. Однако в нем не устран етс  погрешность измерени , вызванна  наличием паразитных термо-ЭЛС в- цепи термопреобразовател , кроме того, оно требует равенства сопротивлений соединительных проводов и не позвол ет обеспечить высокой точности измерени  при работе с термопреобразовател ми сопротивлени , включаемыми по четырехпроводной схеме. Цель изобретени  - повьпиение точности измерени  температуры. Поставленна  цель достигаетс  тем, что дл  измерени  температуры,, содер .жащее термопреобразователь сопротивлени , соединенный первым потенциальным проводом с первым неподвижным контактом первого переключател , подвижньй контакт которого подключен к первому входу дифференциального сумматора, первьй образцовый резистор , соединенный первым выводом с вторым токовьм проводом термопреобразовател  сопротивлени , второй переключатель, источник тока, первьй вьтод которого соединен с первым токовьм вьшодом второго образцового резистора, повторитель нарр жени , вход которого соединен с потенциальными выводами второго образцового резистора, а выход подключен к опорному входу преобразовател  напр жени  в интервал времени, первьй вход которого соединен с выходом источника напр жени  смещени , а выход подключен к первому входу блока управлени , второй вход которого соединен с выходом реверсивного счетчика, а выходы подключены к управл ющему входу схемы линеаризации, индикатору знака температуры и первым входам двух селекторов , вторые входы которых соединены с выходами генератора опорной частоть1 , а выходы соответственно подключены к входам реверсивного счетчика и входу схемы линеаризации, выход которой соединен с цифровым, отсчетным устройством, введен переключатель , управл ющий вход которого соединен с выходом блока управлени , входы соединены соответственно с вторыми выводами источника тока и второго образцового резистора, а выходы соответственно подключены к первому токовому проводу термопреобразовател  сопротивлени , соединенному с вторым неподвижным контактом первого переключател , и второму входу дифференциального сумматора.

соединенному с вторым вьгоодом первого образцового резистора, первьй вывод которого соединен с первым неподвижным контактом второго переключател , вьпсод которого подключен к земл ной шине устройства, а второй неподвижный контакт соединен с вторьм потенциальным проводом термопреобразовател  сопротивлени  и третьим входом дифференциального сумматора, четвертый вход которого соединен с земл ной шиной устройства, а выход подключен к входу источника напр жени  смещени , при этом выход генератора опорной частоты через блок уп равлени  подключен к дополнительному входу преобразовате|т  напр жени  в интервал времени.

Кроме того, дифференциальный сумматор содержит четыре операцион- ных усилител  с гальванически разделенными источниками питани , н еинвертирующие входы которых соединены со средними точками своих источников питани , и три образцовых резистора, при этом инвертирующие входа первого, второго и третьего операционных усилителей соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами дифференциального сумматора, четвертый вход которого соединен с неинвертирующим входом четвертого операционного усилител , выходом третьего операционного усилител  и через первый образцовьй резистор подключен к неинвертирующему входу второго операционного усилител , выход которого соединен с выходом первого операционного усилител  и инвертирующим входом четвертого операционного усилител , выход которого подключен к выходу дифференциального сумматора и через второй образцовый резистор соединен с инвертирующим входом операционного усилител , причем третий образцовый резистор включен между неинвертирующими входами первого и третьего операционных усилителей.

На фиг. 1 изображена структурна  схема устройства дл  измерени  температуры; на фиг. 2 - схема дифференциального сумматора.

Устройство содержит термопреобразователь 1 сопротивлени , первьй токовьй провод 2, первьй 3 и второй 4 потенциальные соединительные провода, второй токовьпЧ соединительньй провод 5, первьй 6 и второй 7 образцовые

резисторы, источник 8 тока, первьй 9 второй 10 и третий 11 переключатели, дифференциальный сумматор 12, источник 13 напр жени  смещени , повторитель 14 напр жени , преобразователь напр жени  в интервал времени, генератор 16 опорной частоты, селекторы 17 и 18, блок 19 управлени , индикатор 20 знака температуры, схему 21 линеаризации, цифровое отсчетное устройство 22 и реверстивньй счетчик 23.

Дифференциальный сумматор содержит первый 24, второй 25, третий 26 и четвертьй 27 операционные усилители и три образцовых резистора 28-30 Первый 31, второй 32, третий 33 и четвертый 34 входы дифференциального cytoiaTopa соответственно соединены с инвертирующими входами первого, второго, третьего и неинвертирующим входом четвертого операционных усилителей , выход дифференциального сумматора 35 соединен с выходом четвертого операционного усилител  27.

Устройство работает следующим образом.

При работе с термоПреобразовател ми сопротивлени , имеющими трехпроводную линию св зи, первьй потенциальный провод 3 отсутствует, а переключатели 9 и 10 перевод тс  в верхнее по схеме положение. Относительно общей точки устройства на первьй вход дифференциального сумматора поступает напр жение

и,;1р(,), (1) на второй вход

иг--1рСРоЧп4), (2) на третий вход где 1

- ток в измерительной

Р

цепи;

R- и RQ - соответственно сопротивлени  термопреобразовател  сопротивлени  и первого образцового резистора 6;

If9i yszi- соответственно сопротивлени  первого и второго токовых проводов .

При работе с термопреобразовател ми сопротивлени , включенными по четырехпроводной схеме, подвижные контакты переключателей 9 и 10 перевод тс  в нижнее по схеме положение. Относительно общей точки на первый вход сумматора подаетс  напр жение U, Ip(R,y,), на второй вход U2 -Io-Rr Lp , на третий вход з-1р-у„, . (5) Дифференциальный сумматор собран на операционных усилител х с гальванически разв занными цеп ми питани . Первый 24 и второй 25 операционные усилители представл ют собой преобразователи напр жение-ток, третий операционньй усилитель 26 - повторитель напр жени , четвертый 27 преобразователь ток-напр жение. Сопротивлени  резисторов 29 и 30 равны между собой. Выходное напр жение дифференциального сумматора определ етс  выражением Ue,,,-(U,-U2-U,)-lf+u, (6) R. где К -р- - коэффициент усилени  дифференциального сумматора; соответственно сопротивлени  резисторов 29 и 28. При трехпроводном включении на выходе дифференциального сумматора будет напр жение ивыхз 1о(Кт-1 оЧ51гЬ4Ий., (7 при четырехпроводном включении Uebix4 P T-o)+u, (8) где Л - приведенна  к выходу дифференциального сумматора погрешность, обусловленна дрейфом эквивалентного на р жени  смещени  дифферен циального сумматора, нали чием термо-ЭДС на переход ных контактах линии св зи и входными токами диффере циального сумматора, протекающими через измерительную цепь. При изменении направлени  протек ни  рабочего тока на выходе диффере циального сумматора получим напр же ние 1вм.(«т-1 о- ЬгУп4 +Л, (9) выхч р i T-RoVu . (10) Измерение производ т в два цикла. В исходном состо нии реверсивный счетчик и цифровое отсчетное устрой- ство обращены в нуль, через термопреобразователь протекает ток 1р в пр мом направлении. В первом цикле напр жение, поступающее на вход преобразовател  15 напр жени  в интервал времени, преобразуетс  в интервал времени ,: (11) т Л ,,tUcM Чиггч-FO (( ol Uo I где - напр жение источника 13 напр жени  смещени ; о - опорное напр жение преобразовател  15 напр жени  в интервал времени, формируемое на выходе повторите,л  14. На прот жении времени. Т, на суммирующий вход реверсивного счетчика 23 поступают импульсы частотой i, с генератора 16 опорной частоты. По окончании первого цикла преобразовани  в реверсивном счетчике запишетс  число N, о и по команде, поступающей с блока 19 управлени , переключатель 11 произведет реверс тока в измерительной цепи. Между концом первого и началом второго цикла преобразовани  вьщерживаетс  некотора  пауза, достаточна  дл  завершени  переходных процессов, вызванных реверсом тока в измерительной цепи. Во.втором цикле производитс  преобразование в интервал времени нап-р жени  и gx результате преобразовани  формируетс  интервал времени ( ) o с началом времени Tj на вычитающий вход реверсивного счетчика 23 проход т импульсы с генератора 16 опорной частоты. После прохождени  на реверсивный счетчик N импульсов на его выходе сформируетс  сигнал обнулени , который поступит на блок 19 управлени  и прохождение импульсов через селектор 18 прекратитс . В промежутке времени между окончанием интервала времени Т и обнулением реверсивного счетчика 23 через селектор 17 9,1 с генератора 16 опорной частоты поступит на схему линеаризации количество импульсов VI -с /т т г )( «чт N3UVTi) ), (13 а га цифровое отсчетное устройство пройдет количество импульсов N, F вЫК вЬ1Х ( 14) Если учесть, что U,, I- Нц образуетс  выходным напр жением повто рител  14 и в выражение (14) подста вить значени  U вьи i,4 1,4из выражений (7)-(11), то получим следующий результат: k(«т-VУ rУл.) Nn ЦЯт-«о1 где ц - сопротивление второго обра цового резистора 7. Если F .-RoV N/loP .где ,l - измер ема  температура, то на цифровом отсчетном устройстве получают результат в единицах измер емой температуры. Если RQ равно сопротивлению термопреобразовател  при Ос, то на цифровом отсчетном устройстве получают результаты отно сительно . Значение измер емой температуры, выше или ниже ОС, определ етс  индикатором 20 знака температуры, путем анализа очередности обнулени  реверсивного счетчика и окончани  интервала времени T,j. Если интервал времени Т окончитс  раньше обнулени  реверсивного счетчика, т.е. Т, Т, или , то на индикаторе знака будет +. R противном случае, Т, Tj, RT - RO будет показан знак -. Дл  нормальной работы устройства должно соблюдатьс  условие l ebuLax c, (17) ч-го ПОЗВОЛИТ обойфись одним однопол рным источником опорного напр жени  и значительно упростит структур преобразовател  напр жени  в интервал времени. При работе в комплекте с термопреобразовател ми сопротивлени , включенным по трехпроводной ( 15 схеме, необходимо обеспечить равенство сопротивлений токовых проводов, ifll Гп4 . Из выражений (15) и (16) видно, что результат измерени  не зависит от значени  тока в измерительной цепи (достаточно обеспечить его стабильность на врем  одного измерени ), от дрейфа эквивалентного напр жени  смещени  дифференциального сумматора и преобразовател  напр жени  в интервал времени, от наличи  паразитных термо-ЭДС на переходных контактах линий св зи и от значений входных токов дифференциального сумматора. Это позвол ет не примен ть специальных мер дл  стабилизации 1р, использовать в дифференциальном сумматоре операционные усилители без канала МДМ-преобразовани  и полностью исключить необходимость периодической уста новки нул  устройства, что особо важно при использовании предлагаемого (устройства в качестве щитового измерител  температуры. Предложенный дифференциальный сумматор имеет большое входное сопротивление по всем входам и практически исключает методическую йогрешность, обусловленную шунтированием измерительной цепи входным сопротивлением вторичного прибора, имеет высокий коэффициент подавлени  синфазной составл к цей входного сигнала - неинвертирующий вход всех операционных усилителей соединен со средней точкой источника питани  и его коэффициент передачи задаетс  всего лишь трем  резисторами. Кроме того, применение дифференциального сумматора позвол ет совместить преимущества мостовойи потенциометрической схем включени  термопреобразовател . Это высока  чувствительность схемы к изменению сопротивлени  термопреобразовател  под воздействием измер емой температуры , зависимость пол рности выходного напр жени  дифференциального сумматора от значени  измер емой температуры (вьше или ниже ) и полна  компенсаци  вли ни  на результат соединительных проводов при четырехпроводной схеме включени  термопреобразовател . Из выражений (15) и (16) видно, что источниками погрешности устройства  вл ютс : а) нестабильность частоты -io генератора опорной частот

тм; б) несгабильность коэффициента усилени  дифференциального сумматора; в) нестабильность коэффициента преобразовател  напр жени  в интервал времени F. ; г) нестабильность резисторов; д) дрейф эквивалентного напр жени  смещени  повторител  напр жени  ё) нестабильность коэффициента усилени  повторител  напр жени .

Если применить преобразователь напр жени  в интервал времени двухтактового интегрировани  и длительность первого такта преобразовани  задавать частотой i , то погрешности от нестабильности не возникнет. Составл ющие погрешности, отмеченные в пунктах б, в, г, е, определ ютс  характеристиками примен емых в устройстве резисторов и при использовании манганиновых резисторов Me превыс т всумме 0,01%. Если падение напр жени  в резисторе йц U|}n to 5 В, то при использовании в повторителе напр жени  операционного усилител  гаирокого применени , дл  которого температурный дрейф напр жени  смещени  обычно составл ет 20 мкВ/°С, а временной не пр.евыпает 200 мкВ/1000 ч, погрешность, обусловленна  дрейфом эквивалентного напр жени  смещени , в температурном диапазоне 0-(+АО)С за несколько тыс ч часов не превысит уровн  0,02.

Высока  стабильность характеристик предлагаемого устройства позвол ет увеличить врем  работы без подстроек до нескольких тыс ч часов

фиг. г

Claims (2)

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ, содержащее термопреобразователь. сопротивления, соединенный .первым потенциальным приводом с первым неподвижным контактом первого переключателя, подвижный контакткоторого подключен к первому входу дифференциального сумматора, первый образцовый резистор, соединенный первым выводом с вторым токовым проводом термопреобразователя сопротивления, второй переключатель, источник тока, первый вывод которого соединен с первым токовым выводом второго образцового резистора, повторитель напряжения, вход которого соединен с потенциальными выводами второго образцового резистора, а выход подключен к опорному входу преобразователя напряжения в интервал времени, первый вход которого соединен с выходом источника напряжения смещения, а выход подключен к первому входу блока управления, второй вход которого соединен с выходом реверсивного счетчика, а выходы подключены к управляющему входу схемы линеаризации, индикатору знака температуры и первым входам двух селекторов, вторые входы которых соединены с выходами генератора опорной частоты, а выходы соот ветственно подключены к входам ревер сивного счетчика и входу схемы линеаризации, выход которой соединен с цифровым отсчетным устройством, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введен третий переключатель, управляющий вход которого соединен с выходом блока управления, входы соединены.соответственно с вторыми выводами источника тока и второго образцового резистора, а выходы соответственно подключены к первому токовому проводу термопреобразователя сопротивления, соединенному с вторьач неподвижным контактом первого переключателя, и второму входу дифферен циального сумматора, соединенному с вторым выводом первого образцового резистора, первый вывод которого соединен с первым неподвижным контак том второго переключателя, выход которого подключен к земляной шине устройства, а второй неподвижный контакт соединен с вторым потенциальным проводом термопреобразователя сопротивления и третьим входом дифференци^ального сумматора, четвертый вход которого соединен с земляной шиной устройства, а выход подключен к входу

1>

источника напряжения смещения, при. этом выход генератора опорной частоты через блок управления подключен к дополнительному вкоду преобразователя напряжения в интервал времени.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что дифференциальный сумматор содержит четыре операдионных усилителя с гальванически разделенными источниками питания, неинвертирующие входы которых соединены со средними точками своих источников питания, и три образцовых резистора, при этом инвертирующие входы первого,>второго и третьего операционных усилителей соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами дифференциального сумматора, четвертый вход которого соединен с неинвертирующим входом четвертого операционного усилителя, выходом третьего операционного усилителя и через первый образцовый резистор подключен к неинвертирующему входу второго операционного усилителя, выход которого соединен с выходом первого операционного усилителя и неинвертирующим входом четвертого операционного усилителя, выход которого подключен к выходу дифференциального сумматора и через второй образцовый резистор соединен с неинвертирующим входом операционного усилителя, причем третий образцовый резистор включен между неинвертирующими входами первого и третьего операционных усилителей.