Устройство для измерения температуры

 

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ, содержащее термопреобразователь , сопротивления, соединенный .первым потенциальным приводом с первь1м неподвижным контактом первого переключателя, подвижный контакткоторого подключен к первому входу диАференциального 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 образ .цового 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 управляюще 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, отличающееся тем, что с целью повьшения точности измерения, (Л 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 ел сопротивления, соединенному с вторьм 4 неподвижным контактом первого пересл :л ключателя, и второму входу дифференциального сумматора, соединенному с :х;} вторым выводом первого образцового резистора, первый вывод которого соединен с первым неподвижным контактом второго переключателя, выход которого подключен к земляной шине уст ройства, 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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (19) (1 () 4(5екке (т 01 К 7 16

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

H ABTOPGHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ т н

° - вЪЪеее .ш.н.т, " - - =- «шнеке

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3663324/24-10 (22) 10.11.83 (46) 07.05,85. Бюл, И - 17 (72) М.M.Ãóëüêà, В.В.Здеб, Р.Н.Огирко, В.А.Яцук, Е.И.Шморгун и Г.В.Ляпко (71) Львовский ордена Ленина политехнический институт им,Ленинского комсомола и Мукачевский приборостроительный завод "Мукачевприбор

-(53) 536.531(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР ((р 922534, кл. G 01 К 7/16, 1980.

2. Авторское свидетельство СССР по заявке Р 362721?/24-10, кл. G 01 К 7/16, 1983.

3. Авторское свидетельство СССР по заявке И 3610371/24-10, кл. G 01 К 7/16, 1983 (прототип). (54)(57) 1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

ТЕМПЕРАТУРЫ, содержащее термопреобразователь сопротивления, соединенный .первым потенциальным приводом с пернйм неподвижным контактом первого переключателя, подвижный контакткоторого подключен к первому входу дидхЬеренциального сумматора, первый образцовый резистор, соединенный первым выводом с вторым токовым проводом термопреобразователя сопротивления, в второй переключатель, источник тока, первый вывод которого соединен с первым токовым выводом второго образ.цового 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 ныходами генератора опорной частоты, а выходы соответственно подключены к входам реверсивного счетчика и входу схемы линеаризации, выход которой соединен с цифровым отсчетным устройством, о т л и ч а ю щ. е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения, н него введен третий переключатель, управляющий вход которого соединен с выходок 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 вторым неподвижным контактом первого переключателя, и второму входу дифференциального сумматора, соединенному с вторым выводом первого образцового резистора, первый вывод которого соединен с первым неподвижным контактом второго переключателя, выход которого подключен к еенлннол шине устройства, а второй неподвижный контакт соединен с вторым потенциальным про" водом термопреобразонателя сопротивления и третьим входом дифференциального сумматора, четвертый вход которого соединен с земляной шиной устройства, а выход подключен к входу

1154553 источника напряжения смещения, при этом выход генератора опорной частоты через блок управления подключен к дополнительному входу преобразователя напряжения в интервал времени.

2. устройство по и. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что дифференциальный сумматор содержит четыре операционных усилителя с гальванически разделенными источниками пита" ния, 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

Изобретение относится к температурным измерениям и может быть использовано при создании цифровых щитовых

Измерительных приборов, работающих в комплекте с термопреобразователями 3 сопротивления, вкдюченными как по трех-, так и по четырехпроводной схеме.

Известно устройство для измерения температуры, содержащее термопреобразователь сопротивления, включенный по трехпроводной схеме, эталонный резистор, переключатель, источник тока, аналого-цифровой преобразователь, выход которого подключен к 15 входу реверсивного счетчика, соединенного с блоком индикации f1) .

Однако это устройство не обеспечивает высокой точности измерения температуры иэ-за низкой помехозащи- 20 щенности, дрейфа напряжения смещения сравнивающего устройства аналого-цифрового преобразователя, влияния на результат измерения изменения сопротивления соединительных проводов.

Известно устройство для измерения температуры, содержащее термопреобразователь сопротивления, первый вывод которого через первый соединительный провод подключен к первому 30 выводу источника тока, а второй вывод через второй соединительный провод и 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. последовательно соединенные первый и второй образцовые резисторы подключен к второму выводу источника тока, повторитель напряжения, вход которого соединен с выводами второго образцового резистора, а выход подключен к преобразователю напряжения в интервал времени, источник напряжения смещения, два селектора, реверсивный счетчик, генератор счетных импульсов, схему линеариэации, цифровое отсчетное устройство, два переключателя, два поляризованных реле и суммирующее устройство $2) .

В этом устройстве выводы термопреобразователя сопротивления и первого образцового резистора подключены соответственно к контактам поляризованных реле, что позволяет в процессе работы устройства исключать термопреобраэователь сопротивления и образцовый резистор иэ измерительной цепи и тем самым формировать сигнал, пропорциональный падению напряжения на "".îåäèíèòåëüíûõ проводах, который необходим для исключения влияния изменения сопротивления соединительных проводов на результат измерения.

Однако в этом устройстве не устраняется влияние на результат измерения термо-ЭДС, возникающих в местах кон1(54553 такта соединительных проводов. Кроме того, для его нормальной работы необходимо, чтобы одно поляризованное реле находилось в непосредственной близости от термопреобразователя сопротивления, что в ряде случаев невозможно

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устрой ство для измерения температуры, со- 1Î держащее термопреобра=ователь сопротивления, соединенный первым потенциальным проводом с первым неподвижным контактом первого переключателя, подвижной контакт которого 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 смеще-З0 ния, а выход подключен к первому входу блока управления, второй вход которого соединен с выходом реверсивного счетчика, а выходы подключены к управляющему входу схемы линеариэа35 ции, 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 линеариэации, выход которой соединен с цифровым отсчетным устройством f3(.

В известном устройстве преобразо- 45 ватель температуры в интервал времени выполнен на основе интегратора с нульорганом, преобразователь сопротивления включен по трехпроводной схеме. В нем осуществляется коррекция аддитивной 50 составляющей погрешности, обусловленной дрейфом эквивалентного напряжения .смещения преобразователя напряжения в интервал времени, коррекция мультипликативной составляющей погрешности ээ

k обусловленной изменением значения тока в измерительной цепи. Однако в нем не устраняется погрешность измерения, вызванная наличием паразитных термо-ЭДС в цепи термопреобразователя, кроме того, оно требует равенства сопротивлений соединительных проводов и не позволяет обеспечить высокой точности измерения при работе с термопреобраэователями сопротивления, включаемыми по четырехпроводной схеме.

Цель изобретения — повышение точности измерения температуры.

Поставленная цель достигается тем, что для измерения температуры,. содержащее термопреобразователь сопротивления, соединенный первым потенциальным проводом с первым неподвижным контактом первого переключателя, подвижный контакт которого 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 соответственно подключены к входам реверсивного счетчика и входу схемы линеариэации, выход которой соединен с цифровым отсчетным устройством, 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 вторым неподвижным контактом первого переключателя, и второму входу дифференциального сумматора, 1154553 соединенному с вторым выводом первого образцового резистора, первый вывод которого соединен с первым неподвижным контактом второго переключателя, выход которого подключен 5 к земляной шине устройства, а второй неподвижный контакт соединен с вторым потенциальным проводом термопреобра1 зователя сопротивления и третьим входом дифференциального сумматора, четвертый вход которого соединен с земляной шиной устройства, а выход подключен к входу источника напряжения смещения, при этом выход генератора опорной частоты через блок уп- 13 равления подключен к дополнительному входу преобразователя напряжения в интервал времени.

Кроме того, дифференциальный сумматор содержит четыре операцион- 26 ных усилителя с гальванически разде-, ленными источниками питания, неинвертирующие входы которых соединены со средними точками своих источников питания, и три образцовых резистора, 25 при этом инвертирующие входы первого, . второго и третьего операционных усилителей соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами дифференциального сумматора, четвер- ЗО тый вход которого соединен с неинвертирующим входом четвертого операцион ного 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 инвертирующим входом четвертого операционного усилителя, выход которого подключен к выходу дифференциального сумматора и через второй образцовый резистор соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, причем третий образцовый 4g, резистор включен между неинвертирующими входами первого и третьего операционных усилителей.

На фиг. 1 изображена структурная схема устройства для измерения темпе- ратуры; на фиг. 2 — схема дифференциального сумматора.

Устройство содержит термопреобразователь 1 сопротивления, первый токовый провод 2, первый 3 и второй 4 потенциальные соединительные провода, второй токовый соединительный провод 5, первый б и второй 7 образцовые на второй вход

"а pl "о 1а ) у на третий вход U>-О (2) где !p — ток в измерительной цепи; — соответственно соп0 и Ц ротивления термопреобразователя сопротивления и первого образцового резистора 6;, н у — соответственно сопротивления первого и второго токовых проводов, При работе с термопреобразователями сопротивления, включенными по четырехпроводной схеме, подвижные контакты переключателей 9 и 10 перерезисторы, источник 8 тока, первый 9, второй 10 и третий 11 переключатели, дифференциальный сумматор 12, источник 13 напряжения смещения, повторитель 14 напряжения, преобразователь 15 напряжения в интервал времени, генератор 16 опорной частоты, селекторы

17 и 18, блок 19 управления, индикатор 20 знака температуры, схему 21 линеаризации, цифровое отсчетное устройство 22 и реверстивный счетчик 23.

Дифференциальный сумматор содержит первый 24, второй 25, третий 26 и четвертый 27 операционные усилители и три образцовых резистора 28-30.

Первый 31, второй 32, третий 33 и четвертый 34 входы дифференциального сумматора соответственно соединены с инвертирующими входами первого, второго, третьего и неинвертирующим входом четвертого операционных усилителей, выход дифференциального сумматора 35 соединен с выходом четвертого операционного усилителя 27.

Устройство работает следующим образом.

При работе с термопреобразователями сопротивления, имеющими трехпроводную линию связи, первый потенциальный провод 3 отсутствует, а переключатели 9 и 10 переводятся в верхнее по схеме положение. Относительно общей точки устройства на первый вход дифференциального сумматора поступает напряжение

U(=1)(R, У,, (1) 1154553 водятся в нижнее по схеме положение.

Относительно общей точки на первый вход сумматора подается напряжение

I

"в((| з P "т о Fat(п ) Ь, (9)

Вь(„4,Р (Rò,((о1+6 . (10) р(t|„ ), (3) 5

Измерение производят в два цикла.

В исходном состоянии реверсивный счетчик и цифровое отсчетное устройство обращены в нуль, через термопреобразователь протекает ток Ip в прямом направлении.

В первом цикле напряжение, поступающее на вход преобразователя 15 напряжения в интервал времени, преобразуется в интервал времени на второй вход (4- р о, (4) на третий вход

10 (5) U =1

Р в я+

При изменении направления протека-55 ния рабочего тока на выходе дифференциального сумматора получим напряжение

Дифференциальный сумматор собран на операционных усилителях с гальванически развязанными цепями питания. Первый 24 и второй 25 операционные усилители представляют собой преобразователи напряжение-ток, третий операционный усилитель 26 — повторитель напряжения, четвертый 27 преобразователь ток-напряжение.

Сопротивления резисторов 29 и 30 равны между собой. Выходное напряжение дифференциального сумматора определяется. выражением

"в х=((1 Uz-Оз) +а, (6)

R где К = — — коэффициент усиления

2 дифференциального сумматора; 30

|(,|(kz- соответственно сопротивления резисторов

29 и 28.

При трехпроводном вк(почении на выходе дифференциального сумматора будет напряжение

"выл ъ " o(Rt Ro jf sl< 3 р ), (7) при четырехпроводном включении

"вь(х =" p("т о1+hl,(8)

4|1(где h. — приведенная к выходу диф- ференциально го сумматора погрешность, обусловленная дрейфом эквивалентного нап-45 ряжения смещения дифференциального сумматора, наличием термо-ЭДС на переходных контактах линии связи и входными токами дифферен- ® циального сумматора, протекающими через измерительную цепь.

"в(("Вы|| cM (1 1 ) где 0 — напряжение источника 13 напряжения смещения;

Ц вЂ” опорное напряжение преобразователя 15 напряжения в интервал времени, формируемое на выходе повторите.ля 14.

На протяжении времени, Т| на суммирующий вход реверсивного счетчика 23 поступают импульсы частотой fo c генератора 16 опорной частоты. По окончании первого цикла преобразования в реверсивном счетчике запишется число

= 10 Т, и по команде, поступающей с блока 19 управления, переключатель

11 произведет реверс тока в измерительной цепи.

Между концом первого и началом второго цикла преобразования выдерживается некоторая пауза, достаточная для завершения переходных процессов, вызванных реверсом тока в измерительной цепи.

Во.втором цикле производится преобразование в интервал времени нап-. ( ряжения ) „ . В результате преобразования формируется интервал времени

F вЛ F в((|(((1 2)

С началом времени Т на вычитающий вход реверсивного счетчика 23 проходят импульсы с генератора 16 опорной частоты, После прохождения на реверсивный счетчик Н(импульсов на его выходе сформируется сигнал обнуления, который поступит на блок 19 управления и прохождение импульсов через селектор 18 прекратится. В промежутке времени между окончанием интервала времени и обнулением реверсивного счетчика 23 через селектор 17

9, 1154553 с генератора 16 опорной частоты поступит на схему линеаризации количество импульсов схеме, необходимо обеспечить равенство сопротивлений токовых проводов, ч! л4 °

k(A,™.+ Ул -g„.j

М„= 4, F „(15) 2О

"н.) К(Я,- .q 4 (16) т где Rg — сопротивление второго образцового резистора 7 °

Если F =2(R> Йо ™ц/f °, F, где

2(!з-R f — измеряемая температура, то на цифровом отсчетном устройстве получают результат в единицах измеряемой температуры. Если Ro равно сопротивлению термопреобразователя о при 0 „ то на цифровом отсчетном устройстве получают результаты отноо сительно 0 С. Значение измеряемой ь температуры, выше или ниже 0 С, определяется индикатором 20 знака температуры, путем анализа очередности обнуления реверсивного счетчика и окончания интервала времени Т . Если интервал времени 1 з окончится раньше обнуления реверсивного счетчика, т,е. Т > Т, или

Й - Я т О, то на индикаторе знака будет "+". В противном случае, Т Т, R — Ro с О, будет показан

t1 11 знак

Для нормальной работы устройства должно соблюдаться условие !еьп!мез uñâ (17) ч-го позволит обойФись одним однополярным источником опорного напряжения и значительно упростит структуру преобразователя напряжения в интервал времени. При работе в комплекте с термопресабразователями сопротивления, включенным по трехпроводной

И, f,(T,-тД-f,F ""„" "), (1З> о а ца цифровое отсчетное устройство пройдет количество импульсов о

Если учесть что U = I Яя об-! о. разуется выходным напряжением повторителя 14 и в выражение (14) подста1!1 ф п 3,4 H ffyi ff q,4 1$ из выражений (7)-(11), то получим следующий результат:

Из выражении (15) и (16) видно, что результат измерения не зависит от значения тока в измерительной цепи (достаточно обеспечить его стабильность на время одного измерения), от дрейфа эквивалентного напряжения смещения дифференциального сумматора и преобразователя напряжения в интервал времени, от наличия паразитных термо-ЭДС на переходных контактах линий связи и от значений входных токов дифференциального сумматора.

Это позволяет не применять специальных мер для стабилизации ip использовать в дифференциальном сумматоре операционные усилители без канала

MAYS-преобразования и полностью исключить необходимость периодической уста. новки "нуля" устройства, что особо важно при использовании предлагаемого устройства в качестве щитового изме рителя температуры.

Предложенный дифференциальный сумматор имеет большое входное сопротивление по всем входам и практически исключает методическую погрешность, обусловленную шунтированием измерительной цепи входным сопротивлением вторичного прибора, имеет высокий коэффициент подавления синфазной составляющей входного сигнала — неинвертирующий вход всех операционных усили телей соединен со средней точкой источника питания и его коэффициент передачи задается всего лишь тремя резисторами. Кроме того, применение дифференциального сумматора позволяет совместить преимущества мостовой и потенциометрической схем включения термопреобразователя ° Это высокая чувствительность схемы к изменению сопротивления термопреобразователя под воздействием измеряемой температуры, зависимость полярности выходного напряжения дифференциального сумматора от значения измеряемой температуры (выше или ниже 0 С) и

I полная компенсация влияния на результат соединительных проводов при четырехпроводной схеме включения термопреобразователя.

Из выражений (15) и (16) видно, что источниками погрешности устройства являются: а) нестабильность частоты 10 генератора опорной часто1154553

12 тьц б) нестабильность коэффициента усиления дифференциального сумматора; в) нестабильность коэффициента преобразователя напряжения в интервал времени F.; г) нестабильность резисто- S ров; д) дрейф эквивалентного напряжения смещения повторителя напряжения;

e) нестабильность коэффициента усиления повторителя напряжения.

Если применить преобразователь 10 напряжения в интервал времени двухтактового интегрирования и длительность первого такта преобразования задавать частотой 1, то погрешности от нестабильности не возникнет. 15

Составляющие погрешности, отмеченные в пунктах б, в, г, е, определяются характеристиками применяемых в устройстве резисторов и при использовании манганиновых резисторов не превысят в сумме 0,01Х. Если падение напряжения в резисторе "g U = Ов

= 5 В, то при использовании в повторителе напряжения операционного уси» лителя широкого применения, для которого температурный дрейф напряжения смещения обычно составляет о

20 мкВ/ С, а временной не превышает

200 мкВ/1000 ч, погрешность, обусловленная дрейфом эквивалентного напря-. жения смещения, в температурном диапазоне 0-(+40) С за несколько тысяч часов не превысит уровня 0,022.

Высокая стабильность характеристик предлагаемого устройства позволяет увеличить время работы без подстроек до нескольких тысяч часов.

1154553

Составитель В. Куликов ,Редактор А. Козориз ТехредС.Легеза, Корректор М. Мансимишинец

Заказ 2704/36 Тираж 897 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открьгтий

113035, Иосква, Ж-35, Раушская наб., д, 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4