SU1739212A2 - Устройство дл измерени температуры - Google Patents

Abstract

Устройство дл  измерени  температуры предназначено дл  измерени  температуры , а также дл  измерени  других величин, которые преобразуютс  в изменение сопротивлени  (фоторезисторы, тензорезисторы и т.д.). Датчики включены по четырехпро- водной схеме. Исключение вли ни  сопротивлени  линии св зи, а также схемы источника тока позвол ют повысить точность измерени  при одновременном упрощении устройства. 3 ил.

Description

Изобретение относитс  к измерительной технике, может быть использовано дл  измерени  малых отклонений от заданного значени  сопротивлени , а также дл  измерени  других величин, которые с помощью резисторных преобразователей (терморезисторов , фоторезисторов, тензорезисто- ров и т.д.) преобразуютс  в сопротивление, и  вл етс  усовершенствованием устройства по основному авт.св. № 1536219.

Известно устройство дл  измерени  температуры, содержащее термометр сопротивлени , включенный в цепь измерительного источника тока, компенсирующий источник питани , один из зажимов которого через резистор и сопротивление линии св зи соединен с первым потенциальным выводом термометра сопротивлени , операционный усилитель(ОУ) с отрицательной обратной св зью, к неинвертирующему входу которого через сопротивление линии св зи включен второй потенциальный вывод термометра сопротивлени , к инвертирующему входу ОУ и резистору сравнени  через резистор подключен третий источник напр жени , другие зажимы источников напр жени  и резистора сравнени  соединены с общей шиной.

Недостатком этого устройства  вл етс  низка  точность измерени , так как ток третьего источника напр жени  разветвл етс  на резисторы, что приводит к погрешности , источник тока и источники напр жени  не взаимосв заны и не обеспечиваетс  одинакова  их зависимость от внешних воздействий (при изменении напр жени  питани  устройства, при изменении температуры), включение компенсирующего источника напр жени  не обеспечивает компенсации вли ни  изменени  сопротивлени  линии св зи, компенсирующий ток измен етс  с изменением сопротивлени .

В другом известном устройстве введен дополнительный усилитель с целью компенсации вли ни  сопротивлени  линии св зи. Однако добитьс  полной компенсации вли ни  линии св зи на практике не представл етс  возможным, так как необходимо учитывать изменение параметров источника питани  и двух усилителей.

сл

С

vj CJ Ю

ю

д

го

ю

Известно также устройство, содержащее схему двойного моста, источник тока, подключенный к диагонали моста через ре- зистивный датчик тока. К измерительной диагонали моста подключен дифференциальный вольтметр.

Недостатком этого устройства  вл етс  введение дополнительного резистора, что приводит к дополнительной погрешности , св занной с изменением характеристик резистора, нелинейность выходного моста, что св зано с изменением сопротивлени  термометра сопротивлени  при изменении температуры, а также применение дифференциального вольтметра с дополнитель- ным входом дл  подключени  выходов резистивного датчика тока, что существенно ограничивает возможность применени  устройства.

Из известных устройств дл  измерени  температуры наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому  вл етс  устройство дл  измерени  температуры, содержащее термометр сопротивлени , первый токовый вывод которого через сопротивление линии св зи подключен к первому зажиму источника тока , операционный усилитель с резистором обратной св зи, резистор сравнени , второй вывод которого соединен с вторым за- жимом источника тока, а первый вывод резистора сравнени  соединен через третий резистор с неинвер1ирующим входом операционного усилител  и через сопротивление линии св зи с вторым токовым выво- дом термометра сопротивлени , первый потенциальный вывод термометра сопротивлени  через сопротивление линии св зи и первый резистор соединен с инвертирующим входом операционного усилител , а второй потенциальный вывод термометра сопротивлени  через сопротивление линии св зи и второй резистор соединен с неинвертирующим входом операционного усилител  и обща  точка источника тока и резистора сравнени  соединена с общей шиной, причем отношение сопротивлени  резистора сравнени  к сопротивлению термометра сопротивлени , соответствующему началу измер емого диапазона температур, и отношение сопротивлени  третьего резистора к сопротивлению второго резистора равны значению коэффициента усилени  операционного усилител  по инвертирующему входу.

Недостатком этого устройства  вл етс  необходимость высокоточной стабилизации тока источника тока, а также применение дополнительных элементов, необходимых

дл  создани  высокоточного источника тока .

Цель изобретени  - повышение точности измерени  и упрощение устройства.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что устройство содержит преобразователь напр жение - значение измер емого параметра , первый вход которого соединен с выходом операционного усилител , а второй вход подсоединен к третьему выводу резистора сравнени , общий вывод операционного усилител  подключен к второму выводу источника тока через другие входы преобразовател  напр жение - значение измер емого параметра.

Известно измерение сопротивлени  с помощью неуравновешенных мостов. Выходное напр жение мостовой схемы нелинейно св зано с изменением измер емого сопротивлени , кроме того, дл  исключени  вли ни  сопротивлени  линии св зи необходимо примен ть дополнительный OY, что вносит дополнительную погрешность и снижает надежность устройства.

Известно устройство дл  измерени  сопротивлени , включенного в цепь отрицательной обратной св зи OY. Недостатком такой схемы  вл етс  низка  точность измерени , так как не учитываетс  вли ние сопротивлени  линии св зи.

На фиг. 1-3 представлены схемы устройства дл  измерени  температуры.

Устройство (фиг.1) содержит термометр 1 сопротивлени , первый токовый вывод которого через сопротивление 2 линии св зи соединен с первым зажимом источника 3 тока, первый потенциальный вывод термометра 1 сопротивлени  через сопротивление 4 линии св зи и первый резистор 5 соединен с инвертирующим входом операционного усилител  бис резистором 7 отрицательной обратной св зи, второй токовый вывод термометра 1 сопротивлени  через сопротивленние 8 линии св зи соединен с первым выводом резистора 9 сравнени  и через третий резистор 10 с неинвертирующим входом операционного усилител  6, второй потенциальный вывод термометра 1 сопротивлени  через сопротивление 11 линии св зи и второй резистор

12соединен с неинвертирующим входом операционного усилител  6, выход операционного усилител  6 соединен с первым входом преобразовател  13 напр жение - значение измер емого параметра, второй вывод источника 3 тока и второй вывод резистора 9 сравнени  соединены с общей шиной и третьим входом преобразовател 

13напр жение-значение измер емого параметра , второй вход преобразовател  13

напр жение - значение измер емого параметра соединен с третьим выводом резистора 9 сравнени .

Устройство работает следующим образом .

Напр жение Ua на первом потенциальном выводе термометра сопротивлени  равно

(Rd + Rl4+Rn)(1)

где Rd - сопротивление термометра сопротивлени ;

Ri4 - сопротивление линии св зи 8;

Rn - сопротивление резистора сравнени  9;

Ц-ток в термометре 1 сопротивлени .

Учитыва , что

Rd Ro + AR,

где RO - сопротивление термометра сопротивлени  при температуре, соответствующей началу измер емого диапазона температур;

AR - отклонение сопротивлени  термометра сопротивлени  от значени  R0, выражение (1) имеет вид:

Ua t(Ro+ AR + Ri4 + Rn). (2) Напр жение Ub на неинвертирующем входе операционного усилител , при условии , что R2 Ri3 и (R2 + Ra) Ri4, равно

Rs

Ub Ј Rn + Ј-Ri4

(3)

R2 + Rs

При условии, что Ri (Ri2 + Ri4 + Rd + +Rn), коэффициент усилени  операционного усилител  6 по инвертирующему входу равен

К(-) R4/(Ri + Ri2 + Rd + RU + Rn) R4/R1

(4) и по неинвертирующему входу равен

K(+)K(-)+1.(5)

Напр жение на выходе операционного усилител  6 определ етс  из выражени 

Uv Uy K(+) - Ua-K(-).(6)

После преобразований с учетом выражений (2) - (5) и, принима  R3/R2 К(-) и Rn/Ro K(-), окончательно получают

(- t-AR(7)

Преобразователь 13 выполн ет функцию преобразовани  выходного напр жени  Uv в показани  п устройства с использованием падени  напр жени  на части резистора 9 сравнени  в качестве опорного напр жени . Преобразователь 13 напр жение - значение измер емого параметра выдает показани , когда

Uv U оп К2 JJ

(8)

где Uon &Rn/ki - опорное напр жение;

ki - число, определ ющее часть сопро- тивлени  резистора Rn, прин тую дл  образовани  опорного напр жени ;

N - число, соответствующее конечному значению измер емой величины;

п - число соответствующее части n/N опорного напр жени  при выдаче показаний;

К2 - число, определ ющее заданное отношение Uv к Uon (n/N), при котором устройство выдает результат измерени  (состо ние равновеси ).

После подстановки в (8) значени  Uv из (7), а также учитыва , что Rn Ro-K(-) получают

35

R

Ro-k2

й-fcn

(9)

201V ki

где k Ro k2/(ki N) const, откуда видно, что значение AR не зависит от силы тока, поэтому могут быть снижены требовани  к стабильности источника тока,

25 выходному сопротивлению источника тока, а также исключаетс  необходимость в отдельном источнике опорного напр жени . По этой же причине исключаетс  по вление нелинейности функции преобразовани  из30 за изменени  тока источника тока при изме- нении AR. Дл  случа  измерени  температуры AR R0 A t, где А 0,00426 1/°С,

(10)

k2 п ki-A N

При условии, что k2/(ki A N) 1, отсчет температуры производитс  в единицах температуры (°С).

Вместо термометра сопротивлени  может быть включен любой резистивный чувствительный элемент, например тензорезистор, фоторезистор и т.д. При этом расчет схемы ведетс  по формуле (9), где вместо AR подставл етс  изменение сопротивлени  чувствительного элемента, оп- ределенное по его функции преобразовани . При этом никаких изменений в схеме устройства не требуетс .

В случае измерени  отклонени  AR сопротивлени  резистора от заданного значени  при условии, что k 1, число п выражаетс  в единицах сопротивлени .

На фиг.2 показан пример реализации предлагаемого устройства дл  измерени 

сопротивлени  в варианте ручного уравновешивани , в котором происходит сравнение выходного напр жени  Uv операционного усилител  с опорным Uon n/N напр жением, получаемым на выходе

переключаемого делител  D. Преобразователь 13 напр жение - значение измер емого параметра содержит инвертирующий операционный повторитель 14 с резистором 17 обратной св зи Rs Re и вспомогательным резистором 18 R.

Число N ступеней делител  напр жени  D, состо щего из N равных по сопротивлению резисторов 15, 16 и 19 Re.-.Rg, выбираетс  с учетом максимального значени  отклонени  сопротивлени  измер емого резистора R0. Например, RO 10 Ом, ARmax 1 Ом. Дл  получени  отсчета в сотые доли ома получают N 100. В качестве нуль-индикатора 20 может быть применен, например, любой магнитоэлектрический гальванометр.

Поскольку равновесие схемы достигаетс  при Don n/N Uv, из (8) следует, что К2 1.

Из услови  к 0,01 определ ют значение коэффициента ki:

Ro-K2 ,n

k1 k.N 1U

Полученное устройство обеспечит измерение отклонени  AR резистора R0 10 Ом. Число, равное пор дковому номеру положени  движка делител  D, определ ет значение отклонени  AR, выраженное в сотых дол х ома. Дальнейшее повышение точности устройства может быть получено путем градуировки шкалы нуль-индикатора, например, в тыс чных дол х ома.

Результат измерени  не зависит от сопротивлени  линий св зи, соедин ющей измер емое сопротивление с устройством. Значение коэффициента К(-) и тока I выбираетс  с целью обеспечени  чувствительности нуль-индикатора.

На фиг.З показан пример реализации предлаагемого устройства дл  измерени  температуры с применением аналого-цифрового преобразовател  13 (АЦП), выполненного на микросхеме К572ПВ5 и с использованием цифрового индикатора 14 ИЖЦ5-4/8. В состав преобразовател  13 напр жение - значение измер емого параметра кроме этого АЦП (стандартные навесные элементы на фиг.З не показаны) при необходимости может быть введен операционный усилитель 17 с резистором 16 обратной св зи дл  согласовани  выходного напр жени  Uv с требовани ми микросхемы К572ПВ5дл  выбранного диапазона измерени . Микросхема К572ПВ5 выдает максимальное показание на индикаторе ИЖЦ5-4/8 1999 при Don 100 мВ и UBX 199,9 мВ. Следовательно, из выражени  (8) получаетс  К2 2, Дл  согласовани  пол рности напр жени  Uv примен етс  инвертирующий операционный повторитель с резистором 15 обратной св зи R4 RS и вспомогательным резистором 18 Re. Принима  общее число ступенек N 1999 и задава сь условием,чтобы показани  были в дес тых дол х градуса, из выражени  (10) получаютk2/(ki AN) 0,1 °С, откудаki 2,33. Значение тока I и коэффициента К(-) выбира0 етс  из услови  применени  микросхемы К572ПВ5, чтобы Uon 100 мВ и ивых было не более 200 мВ.

Как показано выше, результат измерени  приведенных на фиг.2 и 3 устройств не

5 зависит от изменений тока I. Значение тока I должно лишь обеспечивать требовани  чувствительности примен емого в этих преобразовател х нуль-индикатора (нуль-органа ). Стабилизаци  напр жени  питани 

0 устройства должна быть обеспечена лишь в пределах нормальных условий функционировани  примен емых элементов (например ±5% дл  К572ПВ5).

Источник тока может быть образован

5 путем подачи на сопротивление Ri2 напр жени  питани  через непрецизионный резистор .

При подключении АЦП К572ПВ4 на выходе преобразовател  (АЦП) будет пред0 ставлен восьмиразр дный двоичный код, который можно использовать дл  дальнейшей обработки.

Испытани  устройства показали, что при измерении температуры от минус 50 до

5 плюс 50°С погрешность измерени  не превышает 0,05%. При испытани х вместо медного термометра сопротивлени  был применен магазин сопротивлений Р4831 кл. 0,02/2 . Изменение показаний, вызыва0 емое увеличением сопротивлени  линии св зи до 100 Ом, не превысило 0,02%.

Повышение точности в предлагаемом устройстве обеспечиваетс  за счет применени  одного и того же тока I дл  обрэзова5 ни  измер емого электрического сигнала (I ДК) и опорного напр жени  (I Rn/k1). Высока  точность преобразовани  величины AR в выходное напр жение Uv операционного усилител  обеспечиваетс  за счет ис0

5

пользовани  одних и тех же элементов схемы (Ri, Ri2, Rd, RH. Rn) в образовании коэффициентов усилени  К(-) и К(+). Как видно из выражени  (10), результат измерени  не зависит от значений К(-) и К(+). Однако это справедливо при сохранении услови  R4/Ri R3/R2 Rn/Ro.

Повышение точности в предлагаемом устройстве обеспечивааетс  за счет принципиального исключени  значени  тока из

формул расчета погрешности, что создает возможность существенно снизить требовани  к источнику тока в части его выходного сопротивлени  и стабильности, снижение требований к стабильности на- пр жени  питани  устройства, исключает необходимость в отдельном источнике опорного напр жени . Благодар  перечисленным услови м существенно (в несколько раз) снижаетс  потребл ема  им энерги  от источника питани  (главным образом за счет исключени  цепей стабилизации). Сокращение количества элементов схемы обеспечивает повышение его надежности, снижение себестоимости, повышение его технологичности.

По данному принципу могут быть выполнены также устройства дл  сигнализации об отклонении измер емого параметра от заданного значени ; регулировани  тех- нологических процессов по отклонению измер емых параметров от заданного значени ; сортировки прецизионных резисторов по отклонению их сопротивлени  от номинального значени ; измерени  электрического сопротивлени  взамен сложных измерительных мостов.

Claims (1)

1. Формула изобретени  Устройство дл  измерени  температуры по авт.св. № 1536219, отличающеес  тем, что, с целью повышени  точности измерени , в него введен преобразователь напр жение - значение измер емого параметра, первый вход которого соединен с выходом операционного усилител , а второй вход подсоединен к третьему выводу резистора сравнени , общий выход операционного усилител  подключен к второму выходу источника тока через другие входы преобразовател  напр жение - значение измер емого параметра.

   «

   N-1

   U U

   Преобразователь напр жение -значение, измер емого параметра

   16

   -о

   О

   Риг.2

   Преобразователь напр жение-значение измер емого параметра

   Фиг.З