Цифровой измеритель температуры

 

Изобретение относится к измерению температуры и давления и позволяет повысить точность измерения за счет линеаризации градуировочной характеристики датчика. Цифровой измеритель температуры содержит преобразователь 1 напряжение-ток , подключенный своими входами к первому образцовому резистору 2, а выходом - к первому токовому выводу термометра сопротивления 3. На резисторе 7 делителя 6 напряжения формируется падение напряжения, компенсирующее сопротивление датчика в нулевой точке диапазона измерения. Операционный усилитель 4 обеспечивает независимость функции преобразования измерителя от сопротивлений линии связи. Аналоговые переключатели 16 и 17 подключают один из делителей напряжения 14 или 15 к операционному усилителю 9, обеспечивая изменение глубины отрицательной обратной связи. Аналоговый переключатель 18 обеспечивает подключение сигнального входа аналого-цифрового преобразователя 10 двухтактного интегрирования к одному из делителей напряжения 14 или 15, соответствующему положительным или отрицательным значениям измеряемой температуры. На образцовом резисторе 12, являющимся суммирующим резистором сумматора, образованного образцовым резистором 13 и резисторами 20 и 22 делителей напряжения 14 и 15, формируется опорное напряжение, обеспечивающее требуемую линейность измерительного канала .2 ил. С/У С vi ю 00 Os vl 00

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (SI)S G 01 К 7/16

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

IlO ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР 1

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4855845/10 (22) 21.05.90 (46) 23.04.92. Бюл, N- 15 (71) Омское научно-производственное объединение микрокриогенной техники (72) А.И,Щелканов (53) 536.53(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

N 1191754, кл. G 01 К 7/16, 1983.

Авторское свидетельство СССР

N 1597602, кл. G 01 К 7/16, 1988. (54) ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ТЕМПЕРАТУРЫ (57) Изобретение относится к измерению температуры и давления и позволяет повысить точность измерения за счет линеариэации градуировочной характеристики датчика. Цифровой измеритель температу.ры содержит преобразователь 1 напряжение-ток, подключенный своими входами к первому образцовому резистору 2, а выходом — к первому токовому выводу термометра сопротивления 3. На резисторе 7 делителя 6 напряжения формируется падеИзобретение относится к измерению температуры и давления, в частности к цифровым измерителям температуры и давления, работающим совместно с термометрами сопротивления и мостовыми тензометрическими преобразователями (например, с платиновыми термометрами сопротивления и преобразователями давле ния структуры "кремний-сапфир").

Известен цифровой измеритель температуры, содержащий термометр сопротивления, токовые переключатели, два. Ж, 1728678 А1 ние напряжения, компенсирующее сопро-. тивление датчика в нулевой точке диапазона измерения, Операционный усилитель 4 обеспечивает независимость функции преобразования измерителя от сопротивлений линии связи. Аналоговые переключатели 16 и 17 подключают один из делителей напряжения 14 или 15 к операционному усилителю 9, обеспечивая изменение глубины отрицательной обратной связи. Аналоговый переключатель 18 обеспечивает подключеwe сигнального входа аналого-цифрового преобразователя 10 двухтактного интегрирования к одному из делителей напряжения

14 или 15, соответствующему положительным или отрицательным значениям измеряемой температуры. На образцовом резисторе 12, являющимся суммирующим резистором сумматора, образованного образцовым резистором 13 и резисторами 20 и 22 делителей напряжения 14 и 15, формируется опорное напряжение, обеспечивающее требуемую линейность измерительного канала .2 ил. генератора тока, операционный усилитель, эталонный резистор и элементы схемы аналого-цифрового преобразователя двухтактного интегрирования . (интегратор, нуль-орган и блок управления).

К недостаткам такой схемы следует отнести невозможность ее реализации с применением современных микросхем аналого-цифровых преобразователей, например типов К572ПВ5 и К572ПВ5, так как в последних нет выходов управляющих сигналов первогои второгоинтегрирования, необходимых

1728678

0 следовательно включенных нормально замкнутых и нормально разомкнутых кондля функционирования устройства. Построение схемы АЦП из дискретных функциональных узлов вызовет неизбежное ухудшение технико-экономических характеристик измерителя. 5

Известен цифровой измеритель температуры, содержащий аналого-цифровой преобразователь (АЦП), первый сигнальный вход которого соединен с первым потенциальным выводом термометра сопротивле- 16 ния, второй потенциальный вывод термометра подключен к точке соединения переменного резистора и образцового резистора, связанного с источником напряжения через потенциометр. Второй вывод 15 источника напряжения соединен с переменным резистором, а движок потенциометра подключен к входу опорного напряжения АЦП. Источник тока подключен к токовым выводам термометра сопротивле- 20 ния, благодаря чему реализуется четырехпроводная измерительная схема и, следовательно, обеспечивается независимость показаний цифрового измерителя температуры от сопротивления линии свя- 25 зи.

Недостатком схемы измерителя является ее низкая точность и сложность конструктивного исполнения, Показания прибора 30 линейно зависят от параметров источников тока и напряжения, что предъявляет высокие требования к схемной реализации этих источников, в частности к их точности и стабильности. Кроме того, схема требует при- 35 менения дополнительных, гальванически развязанных от цепей питания АЦП, источников питания, что ведет к усложнению схемы прибора в целом.

Наиболее близким к предлагаемому по 40 технической сущности и достигаемому положительному эффекту является цифровой измеритель температуры, содержащий источник тока, выполненный по схеме преобразователя "напряжение-ток", датчик, 45 включенный по четырехпроводной схема, аналого-цифровой преобразователь, операционный усилитель, переменный резистор и включенные между шинами питания последовательно соединенные потенциально 50 и два образцовых резистора. Управляющие входы источника тока подключены параллельно выводам второго образцового резистора, выход источника тока через токовые выводы датчика и переменный резистор 55 подключен к выходу операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с движком потенциометра.

Потенциальные выводы датчика включены между первым сигнальным входом аналого- б цифрового преобразователя и инвертирук щим входам операционного усилителя, второй сигнальный вход аналого-цифрового преобразователя подключен к общей точке соединения первого образцового резистора и потенциометра. Входы опорного напряжения аналого-цифрового преобразователя соединены с выводами переменного резистора.

Цель изобретения — повышение точности измерения.

Поставленная цель достигается путем линеаризации нелинейной градуировочной характеристики в процессе аналого-цифроваго преобразован я.

Для этого в известный цифровой измеритель температуры. содержащий последовательно соединенные первый образцовый резистор, резистор и первый делитель напряжения, включенные между положительной и отрицательной шинами источника питания, преобразователь напряжение-ток, подключенный входами к выводам первого образцового резистора, а выходом — к перsoMy токовому выводу термодатчика, подключенного первым потенциальным выводом к инвертирующему входу первого операционного усилителя, соединенного неинвертирующим входом со средней точкой первого делителя напряжения, первый вывод которого подключен к первому сигнальному входу аналого-цифрового преобразователя, подключенного входами опорного напряжения к выводам второго образцового резистора, введены первый, второй и третий аналоговые переключатели, второй и третий делители напряжения, третий образцовый резистор и второй и третий операционные усилители, подключенные неинвертирующими входами к второму потенциальному выводу термодатчика и перному сигнальному входу аналого-цифрового преобразователя соответственно, инвертирующий вход третьего операционного усилителя соединен с его выходом через второй образцовый резистор, а с отрицательной шиной источника питания — через третий образцовый резистор, инвертирующий вход второго операционного усилителя через нормально-замкнутый и нормально разомкнутый контакты первого аналогового переключателя соединен соответственно со средними точками второго и третьего делителей напряжения, а его выход подключен через последовательно соединенные нормально замкнутые контакты второго и третьего аналоговых переключателей к второму сигнальному входу аналого-цифрового преобразователя, общие точки соединения по1728678 тактов второго и третьего аналоговых переключателей соответственно подключены к первым выводам второго и третьего делителей напряжения, вторые выводы которых объединены и подключены к инвертирующему входу третьего операционного усилителя, второй токовый вывод термодатчика подключен к выходу первого операционного усилителя, управляющие входы первого, второго и третьего аналоговых переключателей подключены к знаковому выходу аналого-цифрового преобразователя, На фиг,1 приведена функциональная схема предлагаемого цифрового измерителя температуры; на фиг.2 — зависимости абсолютной погрешности преобразования от текущих значений измеряемой температуры при работе измерителя с платиновым термометром сопротивления.

Измеритель содержит преобразователь напряжение-ток 1, входы которого подключены к выводам первого образцового резистора 2. Выход преобразователя 1 напряжение-ток соединен с первым токовым выводом термодатчика 3, второй токовый вывод которого подключен к выходу первого операционного усилителя 4. Последовательно срединенные первый образцовый резистор 2, резистор 5 и первый делитель напряжения 6, состоящий из резисторов 7 и 8, включены между положительной и отрицательной шинами источника питания. Неинвертирующий вход первого операционного усилителя 4 подсоединен к средней точке первого делителя напряжения 6, а инвертирующий вход первого операционного усилителя подключен к первому потенциальному выводу термодатчика 3, второй потенциальный вывод которого соединен с неинвертирующим входом второго операционного усилителя. Точка соединения резистора 5 и первого вывода делителя напряжения 6 подключена к. первому сигнальному входу — U« аналого-цифровОго преобразователя 10 и к неинвертирующему входу третьего операционного усилителя

11, инвертирующий вход которого через второй образцовый резистор 12 соединен со своим выходом, а через третий образцовый резистор 13 — с шиной питания -E>.

Входы опорного напряжения +V>< и -Чоп аналого-цифрового преобразователя 10 подключены к выводам второго образцового резистора 12. Неинвертирующий вход второго операционного усилителя 9 соединен со вторым и третьим делителями напряжения 14 и 15 соответственно через нормально замкнутый и нормально разомкнутый контакты аналогового переключателя 16. Выход второго операционного

55 усилителя через аналоговые переключатели

17 и 18, соединенными один с другим нормально замкнутыми и нормально разомкнутыми контактами, подключен к второму сигнальному входу +Vs< аналого-цифрового преобразователя 10. Первые входы делителей напряжения 14, 15 соединены один с другим и подключены к инвертирующему входу третьего операционного усилителя.

Второй вход второго делителя напряжения

14 соединен с общей точкой соединения нормально замкнутых контактов аналоговых переключателей 17 и 18, а второй вход третьего делителя напряжения — с общей точков соединения нормально разомкнутых контактов аналоговых переключателей 17 и

18. Входы управления аналоговых переключателей 16...18 обьединены и подключены к знаковому выходу аналого-цифрового преобразователя 10, Каждый из делителей напряжения 14 и 15 состоит из двух последовательно соединенных резисторов

19, 20 и 21, 22. Преобразователь 1 выполнен по известной схеме и состоит из резистора

23, операционного усилителя 24 и полевого транзистора 25, сток которого является выходом преобразователя.

Введение второго операционного усилителя, второго и третьего делителей напряжения в сочетании с подключением второго потенциального вывода датчика к неинвертирующему входу второго операционного усилителя позволило усилить сигнал датчика путем реализации схемы неинвертирующего усилителя и, следовательно, повысить точность преобразования за счет снижения требований к аналого-цифровому преобразователю в части его чувствительности, Введение трех аналоговых переключателей и образование новых-связей с их участием позволило обеспечить режим линеаризации градуировочной характеристики датчика, как для положительных, так и для отрицательных значений измеряемой температуры.

Введение третьего образцового резистора и третьего операционного усилителя в сочетании с образованием новых связей позволило сформировать знаменатель функции преобразования, представляющей собой сплайн-функцию. Разнесение во времени процесса формирования сплайнфункции позволило повысить устойчивость преобразования и, следовательно, расширить ряд типов датчиков, с которыми может функционировать измеритель с заданной точностью, Непосредственное соединение второго токового вывода датчика с выходом первого операционного усилителя обеспечило воэ1728678

25 можность применения проводов линии связи с большим сопротивлением; что актуально при дистанционных измерениях температуры и при измерениях температуры поверхностей, находящихся в вакууме в криостатируемых объемах (при этом для снижения теплопритоков по проводам иэ окружающей среды провода могут выполняться из сплавов с низким значением теплопроводности и высоким значением удельного электрического сопротивления, например из манганина), Соединение неинвертирующего входа третьего операционного .усилителя с первым сигнальным входом аналого-цифрового преобразователя позволило исключить влияние изменений напряжений питающих шин на функцию преобразования измерителя, Цифровой измеритель температуры работает следующим образом.

При подаче напряжений питания на шины +Еп и -En через последовательную цепь, состоящую из образцового резистора 2, резистора 5 и релителя напряжения 6, начинает протекать ток 11. При этом на выходе преобразователя 1 напряжение-ток 4, равный

1о — (1

Йг (1) где Rl — сопротивление образцового резистора 2;

Rz — сопротивление резистора 23.

Напряжение на сигнальных входах +Ч» и -Чв)(аналого-цифрового преобразователя

10 примет значение

V» = (1о R (О ) — I l Вэ ) (2) где Нз — сопротивление резистора 7;

R(0) -сопротивление термометра 3 при температуре О:

R4, Rg — сопротивление резисторов 19, 20.

С учетом выражения (1) для напряжения на сигнальных входах аналого-цифрового преобразователя 10 будет иметь место равенство которое при выполнении условия

Вз - — R (Oо) можно будет nepenuR1

Вг сать в следующем виде:

v, = (— (в (0 ) — (() ) ) .(4)

Я В5 где й(Оо) — сопротивление термометра 3 при температуре О, = 0 С.

Напряжение на входах опорного напряжения +Чоп и -Чоп будет определяться равенством: оп —. 1(— R,— R(1, ) (о)) RB.

R3+R6 Rl (5) где R6 — сопротивление резистора 8; йв, R7 — сопротивления образцовых резисторов 12; 13.

Аналого-цифровой преобразователь 10 реализует алгоритм двухтактного интегрирующего преобразования, поэтому результат измерения будет представлять собой отношение напряжения на сигнальных входах к напряжению на входах опорного напряжения, умноженное на масштабный коэффициент К (равный, например 100 для диапазона измеряемых температур

0...199,9 С и аналого -цифрового преобразователя К572ПВ2), С учетом изложенного, выражение для функции преобразования можно представить в виде отношений выражений (4) и (5): 4 5 (о (Оо) — n; -(в(9)-в(0,)

R1 R> (())

Анализ данного выражения показывает, что результат измерения не зависит от тока

11. а ЗНаЧИт. И От НаПРЯжЕНИй ПИтаНИЯ +Еп И

Еп

Приведенные выкладки справедливы в том случае, если замкнутому состоянию нормально замкнутых контактов аналоговых переключателейй соответствуют положительные значения измеряемых температур, а замкнутому состоянию нормально разомкнутых контактов — отрицательные значения измеряемых температур. в последнем случае необходима замена сопротивлений R4, Rs в выражениях (2)-(6) на значения сопротивлений резисторов делителя напряжения 15.

Формула изобретения

Цифровой измеритель температуры, содержащий последовательно соединенные первый образцовый резистор, резистор и первый делитель напряжения, включенные между положительной и отрицательной шинами источника питания, преобразователь напряжение-ток, подключенный входами к выводам первого образцового резистора, а выходом — к первому токовому выводу термодатчика, подключенного первым потенциальным выводом к инвертирующему входу первого операционного усилителя, соединенного неинвертирующим входом со средней точкой nepecro делителя напряже10

1728678 ь У, С

ЮC

Составитель И. Власова

Техред М.Моргентал Корректор M. Кучерявая

Редактор Н. Козлова

Заказ 1400 Тираж 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 ния, первый вывод которого подключЕн к первому сигнальному входу аналого-цифрового преобразователя, подключенного входами опорного напряжения к выводам второго образцового резистора, о т л и ч а ю- 5 шийся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены первый, второй и,третий аналоговые переключатели, второй и третий делители напряжения, третий образцовый резистор и 10 второй и третий операционные усилители, подключенные неинвертирующими входами ко второму поте,,иальному выводу термодатчика и первому сигнальному входу аналого-цифрового преобразователя, соот- 15 ветственно, инвертирующий вход третьего операционного усилителя соединен с его выходом через второй образцовый резистор, а с отрицательной шиной источника питания — через третий образцовый рези- 20 стор. инвертирующий вход второго операционного усилителя через нормально замкнутый и нормально разомкнутый контакты первого аналогового переключателя соединен, соответственно, со средними точками второго и третьего делителей напряжения, а его выход подключен через последовательно соединенные нормально замкнутые контакты второго и третьего аналоговых переключателей ко второму сигнальному входу аналого-цифрового преобразователя, общие точки соединения последовательно включенных нормально замкнутых и нормально разомкнутых контактов второго и третьего аналоговых переключателей, соответственно, подключены к первым выводам второго и третьего делителей напряжения, вторые выводы которых объединены и подключены к инвертирующему входу третьего операционного усилителя, второй токовый вывод термодатчика подключен к выходу первого операционного усилителя, управляющие входы первого, второго и третьего аналоговых переключателей подключены к знаковому выходу аналого-цифрового преобразователя.