Цифровой измеритель температуры

 

Изобретение относится к измерениям температуры и позволяет повысить точность измерения. Цифровой измеритель температуры содержит источник 1 тока, выполненный по схеме преобразователя напряжение-ток и подключенный выходом к датчику 3, а входами - к выводам образцового резистора 2. На потенциометре 7 формируется падение напряжения, компенсирующее сопротивление датчика в нулевой точке диапазона измерения. Операционный усилитель 8 обеспечивает независимость функции преобразования измерителя от сопротивлений линии связи. Аналоговые переключатели 9 и 11 подключают один из эталонных резисторов 10 или 12 к входам опорного напряжения аналого-цифрового преобразователя 5, на сигнальные входы которого подается разность падений напряжения на датчике 3 и потенциометре 7. К сигнальным входам аналого-цифрового преобразователя 5 подключены входы дополнительного преобразователя 4 напряжение - ток, выход которого соединен с вторым токовым выводом датчика 3. Управляющие входы аналоговых переключателей подключены к логическому выходу аналого-цифрового преобразователя 5, на котором присутствует информация о знаке измеряемой температуры. 1 ил.

СО1ОЗ СОВЕ TCKVIX

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУ6ЛИК

IsIi G 01 К 7/16

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ о (лЭ

00 4

0 (61) 1597602 (21) 4690887/10 (22) 30.03.89 (46) 30.08.91. Бюл. ¹ 32 (72) А.И.Щелканов (53) 536.53 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

¹1597602,,кл. G 01 К 7/16, 1988, (54) ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ТЕМПЕРАТУРЫ (57) Изобретение относится к измерениям температуры и позволяет повысить точность измерения. Цифровой измеритель температуры содержит источник тока, выполненный по схеме преобразователя напряжение — ток и подключенный выходом к датчику 3, а входами — к выводам образцового резистора 2. На потенциометре 7 формируется падение напряжения, компенсирующее сопротивление датчика в нулевой

„„„ Ц „„1673876 А2 точке диапазона измерения. Операционный усилитель 8 обеспечивает независимость функции преобразования измерителя от сопротивлений линии связи. Аналоговые переключатели 9 и 11 подключают один из эталонных резисторов 10 или 12 к входам опорного напряжения аналого-цифрового преобразователя 5, на сигнальные входы которого подается разность падений напряжения на датчике 3 и потенциометре 7. К сигнальным входам аналого-цифрового преобразователя 5 подключены входы дополнительного преобразователя 4 напряжение-ток, выход которого соединен с вторым токовым выводом датчика 3. Управляющие входы аналоговых переключателей подключены к логическому выходу аналого-цифрового преобразователя 5, на котором присутствует информация о знаке измеряемой температуры. 1 ил.

1673876

R1 1 Io

Изобретение относится к измерению температуры, именно к цифровым измерителям температуры, работающим совместно с датчиками, имеющими нелинейные градуировочные характеристики (например, с платиновыми термометрами сопротивления) и является вспомогательным к основновному авт. св. N. 1597602.

Цель изобретения — повышение точности измерения.

На чертеже приведена принципиальная схема цифрового измерителя 1E .ìïåðàтуры, Измеритель содержит преобразователь

1 напряжение-ток, входы которого подключе lbl к выводам первого образцового резистора 2. Выход преобразователя 1 соединен с первым токовым выводом термометра 3 сопротивления, второй токовый вывод которого подключен к выходу дополнительного преобразователя 4 напряжение-ток, Первый вход преобразователя 4 соединен с первым сигнальным входом +Unix аналогоцифрового преобразователя (АЦП) 5 и первым потенциальным выводом термометра 3 сопротивления. Последовательно соединенные первый образцовый резистор 2, второй резистор 6 и потенциометр 7 включены между шинами питания +Е„и — Е„. Общая точка соединения резистора 6 и делителя 7 подключена к второму входу преобразователя 4 и к второму сигнальному входу — U»

АЦП 5, Средняя точка делителя 7 напряжения соединена с неинвертирующим входом операционного усилителя (ОУ) 8, инвертирующий вход которого подключен к второму потенциальному выводу термометра 3 сопротивления. Выход ОУ 8 через нормально замкнутые контакты первого переключателя 9 соединен с первым выводом первого эталонного резистора 10, который через нормально замкнутый контакт второго переключателя 11 подключен ко второму входу опорного напряжения АЦП 5. Нормально ра"омкнyтыe контакты 9 и 11 соединены со вторьiM выводом второго эталонного резистора 12, Первьie выводы последовательносоединенных эталонных резисторов 10 и 12, образующих переменный резистор, подключены ко второму токовому выводу термометра 3 сопротивления и к второму входу опорного напряжения Uoo АЦП 5, Преобразователь 1 ток-напряжение выполнен на ОУ

13, неинвертирующий вход которого являетсл одним из входов преобразователя 1.

Неинвертирующий вход ОУ 13 соединен с истоком полевого транзистора 14 и первым выводом резистора 15, второй вывод KoTQрого является другим входом преобразователя 1. Потенциометр 7 имеет первый и второй выводы 16 и 17. Дополнительный преобразователь 4 напряжение-ток содержит ОУ 18 и 19, между инвертирующими входами которых включен резистор 20. OY

18 и 19 подключены своими выходами к затворам, а инвертирующими входами — к истокам полевых транзисторов 21 и 22 . соответственно. Неинвертирующие входы

ОУ 18 и 19 через нормально замкнутые контакты аналоговых переключателей (АП) 23 и

24 соединены с первым и вторым сигнальными входами АЦП 5, нормально замкнутый контакт АП 23 подключен к нормально разомкнутому контакту АП 24, нормально замкнутый контакт которого подключен к нормально разомкнутому контакту АП 23.

Сток полевого транзистора 21 соединен с неинвертирующим входом ОУ 25 и через резистор 26 — с шиной питания + Еп, к которой через резистор 27 подключена точка соединения истока полевого транзистора

28 с инвертирующим входом ОУ 25. Затвор полевого транзистора 28 соединен с выходом ОУ 25, а сток через нормально замкнутый контакт аналогового преобразователя

29 — с выходом преобразователя 4. Нормально разомкнутый контакт АП 29 подключен к стоку полевого транзистора 30, сток которого соединен с инвертирующим входом ОУ 31 и через резистор 32 — с шиной питания — Eo. Выход ОУ 31 подключен к затвору полевого транзистора 22 и через резистор 33 — к шине питания -Ел, Входы управления АП подключены к выходу полярности АЦП 5.

Цифровой измеритель температуры работает следующим образом.

При подаче напряжения питания на клеммы +Е и -Е, через последовательную цепь, состоящую из образцового резистора

2, резистора 6 и потенциометра 7 будет протекать ток 1О. На выходе преобразователя напряжение-ток появится ток Ii, значение которого определяется по формуле где R1 — сопротивление образцового резистора 2;

R2 — сопротивление резистора 15 преобразователя 1.

Напряжение Овх на сигнальных входах

ЛЦП 5 будет равно

0вх=!1 1 R(0) — lo ВЗ (2) где R 0- сопротивление термометра 3 при температуре 0;

1673876 (8) 10

8эт = — я(Оп)-яз

К1.

R1

1)оп — Io R 2 э

25 К2. (5) (9) О*= — кг =

Ых.

Uîï

К1 =g-x п (6)

К2

2 R(t )-Яз

А — 0 (10) 40 где

R2 И(й) Р3 я (0) КЗ

R3 — сопротивление потенциометра 7.

С учетом формулы (1) выражение (2) можно переписать в виде

u., =i. (RIo)-))ç) )з)

Аналого-цифровой преобразователь 5 реализует выполнение операции деления значения напряжения на сигнальных входах на значение напряжения на входах опорного напряжения, которое определяется формулой

Uol) = (I1 )2) Йэт (4) где I2 — ток на выходе дополнительного преобразователя напряжение-ток 4;

R ò — сопротивление эталонного резистора 10, С учетом коэффициента преобразования К1 дополнительного преобразователя 4 выражение (4) примет вид

-K1lR(0) -яз >) Результат измерения определяется формулой — Яэт (1 " l I R() рр где К2 — коэффициент преобразования АЦП

5.

Для вычисления R T и К1 на основе выражения (6) составим систему уравнений — в(0,)-нз

R2

К2 †. Вэт (1- K l I п (6, ) .— - Н З I )

R1 .К1

R2 яг (7) — R(9) Яз яг

Кг

„, эт (1 K I I R(9) R31)

Rl,,R 1 где б — результат измерения в конечной точке диапазона измерения ттп; ()) — результат измерения в некоторой промежуточной точке диапазона измерения

9.

Очевидно, что для выполнения условия гипотетического равенства нулю погрешности в начальной точке диапазона измерения

0о- необходима выполнение равенства (Д ))I )-Яз) =о, откуда находится значение сопротивления гт3 при заданном значении R1 и определенНоМ иэ выражения (1) значении сопротивления R2.

Предположим, что имеет место гипотетическое равенство нулю погрешности в точках Q и 6)з, чемУ соответствУет )л т)1 и 6„=,. Выразив первое уравнение системы (7), получим следующую формулу: — Й,(1 — Kl I R(0o) — — -ЯЗ))

R2 Яг

30 Подставив полученное выражение во второе уравнение системы (7) и осуществив ряд алгебраических преобразований можно представить расчетную формулу для вычисления значения К1 в следующем виде:

35 х — —— (g- — 1) I " . R (О„) — R 3 I

50 Значение R3f определяется после расчета К1 по формуле (9).

Переключение диапазонов осуществляется автоматически по сигналу с логического выхода АЦП 5, На схеме предложенного

55 устройства аналоговые переключатели 23.

24, 29, 9 и 11 показаны в положении, соответствующем положительным значениям измеряемых температур. При отрицательных значениях измеряемых температур по сигналу с логического выхода АЦП 5 анало1673876 говые переключатели изменяют свое состояние н противоположное, причем переключатели 23 и 24 обеспечивают неизменность знака напряжения на неинвертирующих входах операционных усили- 5 телей 18 и 19, переключатель 29 изменяет значение коэффициента преобразования

К1, а переключатели 9 и 11 производят переключение эталонных резисторов.

Работа дополнительного преобразова- 10 теля напряжение-ток 4 аналогична работе преобразователя 1 в прототипе. Выражение для расчета К1 имеет вид

R4 R6 (12) R(0) = RO (1+ А О+ В Ф (13)

30 для диапазона температур О... +200 С и

8(0)=RO (1+F0+ (14)

+В Ф 4-С (0 — 100) Ф)

35 для диапазона температур О,..., — 200 С, где

RO — сопротивление термометра при температуре 0 С (например, RO = 100 Ом);

А = 3.96847 10

 =. — 5.847 10

С = — 4.3558 10

Тогда путем несложных вычислений на 45

ЭВМ можно найти такие значения Q, при которых погрешность равна нулю в трех точках диапазона измерения, изменяет знак при переходе через точку 9 и имеет равные модули максимальных значений. Для вычис50 ленных значений Я, для каждого диапазона измерения по формулам (10) и (9) рассчитываются значения коэффициента К1 и сопротивления эталонных резисторов 10 и 12.

В предложенном техническом решении при использовании платинового термометра сопротивления благодаря введению дополнительного преобразователя напряжение-ток и органиэации новых свягде R4 — сопротивление резистора 20;

85 — сопротивление резистора 33 (для диапазона 8...., +200 С) или 26 (для диапа- 20 эона О, ..., -200 С);

86 — сопротивление резистора 32 или 27 (в зависимости от диапазона).

Пусть в качестве датчика 3 используется платиновый термометр сопротивления с 25 градуировочной характеристикой, имеющей аналитические зависимости видов эей с его участием погрешность измерения, обусловленная нелинейностью градуировочной характеристики не превышает по абсолютной величине 0,009 С в диапазоне

О,..., +200 С и 0,18 С в диапазоне О...„—

200 С.

Формула изобретения

1. Цифровой измеритель температуры по авт. св. М 1597602, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены дополнительный преобразователь напряжение-ток, первый и второй входы которого подключены к сигнальным входам аналого-цифрового преобразователя, а выход соединен с вторым токовым выводом термометра сопротивления, и первый и второй переключатели, при этом выход операционного усилителя подключен к второму выводу переменного резистора через нормально замкнутые

KoHTBKTbl первого переключателя, а один иэ входов опорного напряжения аналого-цифрового преобразователя подключен к соответствующему выводу переменного резистора через нормально замкнутые контакты второго переключателя, 2, Измеритель по п.1, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что дополнительный преобразователь напряжение-ток содержит первый, второй, третий и четвертый операционные усилители, первый, второй, третий и четвертый полевые транзисторы, первый, второй и третий аналоговые переключатели и с первого по шестой резисторы, причем к выходу каждого операционного усилителя подключен затвор соответствующего полевого транзистора, неинвертирующие входы первого и второго операционных усилителей соединены соответственно, с выходами первого и второго аналоговых переключателей, первые входы которых объединены и подключены к первому входу дополнительного преобразователя напряжение-ток, к второму входу которого подключены вторые входы первого и второго аналоговых переключателей, между точкой соединения инвертирующего входа первого операционного усилителя с истоком первого полевого транзистора и точкой соединения ин вертирующего входа второго операционного усилителя с истоком второго полевого транзистора включен первый резистор, сток первого полевого транзистора подключен к неинвертирующему входу третьего операционного усилителя непосредственно, а к инвертирующему входу— через последовательно соединенные второй и третий резисторы, общая точка которых подключена к первой шине питания, сток второго полевого транзистора подклю to

1673876

Составитель В,Ярыч

Редактор А.Долинич Техред М.Моргентал Корректор М.Максимишинец

Заказ 2910 Тираж 375 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород. ул.Гагарина, 101 чен к неинвертирующему входу четвертого операционного усилителя непосредственно, а к инвертирующему входу— через последовательно соединенные пятый и шестой резисторы. общая точка которых подключена к второй шине источника питания, истоки третьего и четвертого полевых транзисторов подключены соответственно к инвертирующим входам третьего и четвертого операционных усилителей, а стоки соединены соответственно с первым и вторым входами третьего аналогового переключателя, выход которого соединен с выходом дополнительного преобразователя напряжение-ток.

3. Измеритель по п.1, от л и ч а ю щ и йс я тем, что переменный резистор содержит

5 последовательно соединенные первый и второй эталонные резисторы, общая точка которых является его первым выводом, а вторым выводом переменного резистора является первый вывод первого эталонного

10 резистора, при этом второй вывод второго эталонного резистора соединен с нормально разомкнутыми контактами первого и второго переключателей.