Устройство для измерения температуры

 

Устройство для измерения температуры предназначено для измерения температуры , а также для измерения других величин, которые преобразуются в изменение сопротивления (фоторезисторы, тензорезисторы и т.д.). Датчики включены по четырехпроводной схеме. Исключение влияния сопротивления линии связи, а также схемы источника тока позволяют повысить точность измерения при одновременном упрощении устройства. 3 ил.

союз советских .СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 G 01:К 7/18

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) 1536219 (21) 4826989/10 (22) 18.05.90 (46) 07.06.92, Бюл. М 21 (71) Институт кибернетики им. В.М.Глушкова (72) Г.С. Лобачевский и В.Н, Мамаев (53) 536.53 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

М 1536219, кл. G 01 К 7/18, 1988.

Изобретение относится к измерительной технике, может быть использовано для измерения малых отклонений от заданного значения сопротивления, а также для измерения других величин, которые с помощью резисторных преобразователей (терморезисторов, фоторезисторов, тензорезисторов и т.д.) преобразуются в сопротивление, и является усовершенствованием устройства по основному авт.св. ¹ 1536219.

Известно устройство для измерения температуры, содержащее термометр сопротивления, включенный в цепь измерительного источника тока, компенсирующий источник питания, один из зажимов которого через резистор и сопротивление линии связи соединен с первым потенциальным выводом термометра сопротивления, операционный усилитель (ОУ) с отрицательной обратной связью, к неинвертирующему входу которого через сопротивление линии связи включен второй потенциальныи вывод термометра сопротивления, к инвертирующему входу ОУ и резистору сравнения через резистор подключен третий источник напряжения, другие зажимы источников на„„SU „„1739212A2 (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ Ы (57) Устройство для измерения температуры предназначено для измерения температуры, а также для измерения других величин, которые преобразуются в изменение сопротивления (фоторезисторы, тензорезисторы и т.д.). Датчики включены по четырехпроводной схеме. Исключение влияния сопротивления линии связи, а также схемы источника тока позволяют повысить точность измерения при одновременном упрощении устройства. 3 ил, пряжения и резистора сравнения соединены с общей шиной, Недостатком этого устройства является низкая точность измерения, так как ток третьего источника напряжения разветвляется на резисторы, что приводит к погрешности, источник тока и источники напряжения не взаимосвязаны и не обеспечивается одинаковая их зависимость от внешних воздействий (при изменении напряжения питания устройства, при изменении температуры), включение компенсирующего источника напряжения не обеспечивает компенсации влияния изменения сопротивления линии связи, компенсирующий ток изменяется с изменением сопротивления.

В другом известном устройстве введен дополнительный усилитель с целью компенсации влияния сопротивления линии связи. Однако добиться полной компенсации влияния линии связи на практике не представляется возможным, так как необходимо учитывать изменение параметров источника питания и двух усилителей.

1739212

20 ской сущности и достигаемому результату к

Известно также устройство, содержащее схему двойного моста, источник тока, подключенный к диагонали моста через резистивн ый датчик тока. К измерительной диагонали моста подключен дифферен циал ьн ы и вол ьтметр.

Недостатком этого устройства является введение дополнительного резистора, что приводит к дополнительной погрешности, связанной с изменением характеристик резистора, нелинейность выходного моста, что связано с изменением сопротивления термометра сопротивления при изменении температуры, а также применение дифференциального вольтметра с дополнительным входом для подключения выходов резистивного датчика тока, что существенно ограничивает возможность применения устройства, Из известных устройств для измерения температуры наиболее близким по техничепредлагаемому является ""òðîéñòâî для измерения температуры, содержащее термометр сопротивления, первый токовый вывод которого через сопротивление линии связи подключен к первому зажиму источника тока, операционный усилитель с резистором обратной связи, резистор сравнения, второй вывод которого соединен с вторым зажимом источника тока, а первый вывод резистора сравнения соединен через третий резистор с неинвертирующим входом операционного усилителя и через сопротивление линии связи с вторым токовым выводом термометра сопротивления, первый потенциальный вывод термометра сопротивления через сопротивление линии связи и первый резистор соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, а второй потенциальный вывод термометра сопротивления через сопротивление линии связи и второй резистор соединен с неинвертирующим входом операционного усилителя и общая точка источника тока и резистора сравнения соединена с общей шиной, причем отношение сопротивления резистора сравнения к сопротивлению термометра сопротивления, соответствующему началу измеряемого диапазона температур, и отношение сопротивления третьего резистора к сопротивлению второго резистора равны значению коэффициента усиления операционного усилителя по инвертирующему входу, Недостатком этого устройства является необходимость высокоточной стабилизации тока источника тока, а также применение дополнительных элементов, необходимых

55 для создания высокоточного источника тока.

Цель изобретения — повышение точности измерения и упрощение устройства.

Поставленная цель достигается тем, что устройство содержит преобразователь напряжение — значение измеряемого параметра, первый вход которого соединен с выходом операционного усилителя, а второй вход подсоединен к третьему выводу резистора сравнения, общий вывод операционного усилителя подключен к второму выводу источника тока через другие входы преобразователя напряжение — значение измеряемого параметра.

Известно измерение сопротивления с помощью неуравновешенных мостов. Выходное напряжение мостовой схемы нелинейно связано с изменением измеряемого сопротивления, кроме того, для исключения влияния сопротивления линии связи необходимо применять дополнительный ОУ, что вносит дополнительную погрешность и снижает надежность устройства.

Известно устройство для измерения сопротивления, включенного в цепь отрицательной обратной связи OY. Недостатком такой схемы является низкая точность измерения, так как не учитывается влияние сопротивления линии связи.

На фиг. 1 — 3 представлены схемы устройства для измерения температуры, Устройство (фиг,1) содержит термометр

1 сопротивления, первый токовый вывод которого через сопротивление 2 линии связи соединен с первым зажимом источника 3 тока, первый потенциальный вывод термометра 1 сопротивления через сопротивление 4 линии связи и первый резистор 5 соединен с инвертирующим входом операционного усилителя 6 и с резистором 7 отрицательной обратной связи, второй токовый вывод термометра 1 сопротивления через сопротивленние 8 линии связи соединен с первым выводом резистора 9 сравнения и через третий резистор 10 с неинвертирующим входом операционного усилителя 6, второй потенциальный вывод термометра 1 сопротивления через сопротивление 11 линии связи и второй резистор

12 соединен с неинвертирующим входом операционного усилителя 6, выход операционного усилителя 6 соединен с первым входом преобразователя 13 напряжение— значение измеряемого параметра, второй вывод источника 3 тока и второй вывод резистора 9 сравнения соединены с общей шиной и третьим входом преобразователя

13 напряжение — значение измеряемого параметра, второй вход преобразователя 13

1739212 напряжение — значение измеряемого параметра соединен с третьим выводом резистора 9 сравнения., Устройство работает следующим образом.

Напряжение О, на первом потенциальном выводе термометра сопротивления равно

Ua = 6(Rd + RI4+ Rn) (1) где Rd — сопротивление термометра сопротивления;

RI4 — сопротивление линии связи 8;

Rn — сопротивление резистора сравнения 9;

3 — ток в термометре 1 сопротивления.

Учитывая, что

Rd-=Ro+ hR, где Ro — сопротивление термометра сопротивления при температуре, соответствующей началу измеряемого диапазона температур;

hR — отклонение сопротивления термометра сопротивления от значения Ro, выражение (1) имеет вид:

Ua = В(Во+ ЛВ+ RI4+ Rn). (2)

Напряжение Ub на неинвертирующем входе операционного усилителя, при условии, что Яг » В!3 и (Вг + Яз) » В!4, равно

Ub = f Rn+f RI4 R +R (3)

Ra

Вг+ Вз

При условии, что R1 » (12 + RI4 + Rd +

+Rn), коэффициент усиления операционного усилителя 6 по инвертирующему входу равен

K() = R4/(R1 + 12+ Rd + RI4 + Rn) = R4/R1 (4) и по неинвертирующему входу равен

К(+) = К(-) + 1, (5)

Напряжение на выходе операционного усилителя 6 определяется из выражения

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

После преобразований с учетом выражений (2) — (5) и, принимая Вз/R2; — К(-) и

Rn/Ro = К(-), окончательно получают

Uv= К(-) f.hR (7)

Преобразователь 13 выполняет функцию преобразования выходного напряжения Uv в показания и устройства с использованием падения напряжения на части резистора 9 сравнения в качестве опорного напряжения. Преобразователь 13 напряжение — значение измеряемого параметра выдает показания, когда

Uv — U on ° k2 N и (8)

ГдЕ Uon = &Rn/k1 — ОПОРНОЕ НаПряжЕНИЕ;

k1 — число, определяющее часть сопро5 тивления резистора Rn, принятую для образования опорного напряжения;

N — число, соответствующее конечному значению измеряемой величины; п — число соответствующее части п/N

10 опорного напряжения при выдаче показаний;

k2 — число, определяющее заданное отношение Uv к Uon (и/N), при котором устройство выдает результат .измерения

15 (состояние равновесия).

После подстановки в (8) значения 1.4 из (7), а также учитывая, что Rn = Ro.К(-) получают

Rok2 п

20 К Й (9)

ГДЕ k = Ro k2/(k1 N) = СОПЗС, откуда видно, что значение Ь R не зависит от силы тока, поэтому могут быть снижены требования к стабильности источника тока, 25 выходному сопротивлению источника тока, а также исключается необходимость в отдельном источнике опорного напряжения.

По этой же причине исключается появление нелинейности функции преобразования из30 за изменения тока источника тока при изменении ЛЯ. Для случая измерения температуры М = Ro А t, где А = 0,00426

1/ОС, т "2 и (10)

35 с= k„А-Я

При условии, что k2/(k1 А N) = 1, отсчет температуры производится в единицах температуры (С).

Вместо термометра сопротивления мо40 жет быть включен любой резистивный чувствительный элемент, например тензорезистор, фоторезистор и т.д. При этом расчет схемы ведется по формуле (9), где вместо AR подставляется изменение со45 противления чувствительного элемента, определенное по его функции преобразования. При этом никаких изменений в схеме устройства не требуется.

В случае измерения отклонения hR сопротивления резистора от заданного значения при условии, что k = 1, число и выражается в единицах сопротивления.

На фиг.2 показан пример реализации предлагаемого устройства для измерения сопротивления в варианте "ручного уравновешивания", в котором происходит сравнение выходного напряжения Uv операционного усилителя с опорным U«

n/N напряжением, получаемым на выходе

1739212 переключаем д ого елителя D. Прео разоваб - ности напряжения U> применяется инвертиющий операционный повторитель с резитель 13 напряжение— — значение измеряемо- рующ15 обратной связи R4 = Rs u го параметра д р т а со е жит инвертирующий стором омогательным резистором 18 Rs. Приниоперационны р и повто итель 14 с резисто- вспом г

5 б ее число "ступенек" N = 1999 и авром 17 обратн тной связи Rs = Rs и вспомога- мая о ще даваясь условием, чтобы показания были в теля нап яжения десятых долях градуса, из выражения (10)

Число и ступеней делителя напряжения десят го из N авных по сопротивле- получают Мг (1 б - Значениетока1и коэффициента К() выбирамакс 10 ется из условия применения микросхемы зисто ов 15, 16 и 19 Rs...Rg, выбирается с учетом макс максимального значения го К572ПВ5, чтобы 0оп=100мВ и 0, было не отклонения сопротивления измеряемого

Нап име, Rp = 10 Ом, более200мВ. резистора Во. апример, о =

Как показано выше, результат измере= 1 Ом. Для получения отсчета в со- ак с-а max = . Д вЂ” . В ния приведенных на фиг.2 и 3 устроиств не тые доли ом у а пол чают N = 100. В качестве

15 висит от изменений тока I, Значение тока нуль-индикат р то а 20 может быть применен, зави и

1 олжно лишь обеспечивать требования например, любой магнитоэлектрический должн чувствительности применяемого в этих прегальванометр, б азователях нуль-индикатора (нуль-оргаПоскольку р авновесие схемы достигает- о р

). Стабилизация напряжения питания ся при 0оп / — ч, и/N = U<, из (8) следует, что kz = на).

20 устройства должна быть обеспечена лишь в

Из словия k = 0,01 определяют зна- пределах нормальных условии функциониИз условия =, оп рования применяемых элементов (напричение коэффициента К1;

R kz мер 4- для

4- 5 К572ПВ5)

О= " =10

Источник тока может быть. образован

k N

25 путем подачи на сопротивление Я а напрлПолученное устройство обеспечит измерение отклонения Ь R резистора R = 10 Ом, жения питания через непрецизионный реЧислО, равное порядкОвОму нОмеру положе ш . ния движка делителя D, определяет значение При подключении на в отклонения М, выраженное в сотых долях ходе преобразователя (АЦП) будет пред. Д овышение точности уст- 30 ставлен восьмиразрядный двоичный код, ома. Дальнейшее повыш вать ля альнейройства может ыть получ б ено путем градуи- который можно использов д д овки шкалы нуль-индикатора, например, в шей обработки. ровки шк

Испытания устройства показали, что

Результат измерения не зависит от со- при измерении температуры о у д тмин с50 о п отивления линий связи, соединя соединяющей из- 35 плюс 50 С погрешность измерения не прер ством, вышает 0,05, При испытаниях вместо медме яемое сопротивление с устройств

Значение коэффициента К(-) и тока 1 выбираP ного те мометра сопротивления был р тивлений Р4831 кл. т я с елью обеспечения чувствительности применен магазин сопротивлений ется с целью о еспеч н

0,02/2 10, Изменение показаний, вызывануль-индикатора.

На фиг.3 показан пример реализации 40 емое увеличением р соп отивления линии тройства для измерения связи до 100 Ом, не превысило 0,02 . и редлаагемого устрой в п е лагаемом температуры с применением ением аналого-циф- Повышение точности р д р ового преобразователя (, вь

13 (АЦП) выпол- устройстве обеспечивается за счет примеК572 П В5 и с нения одного и того же тока 1 для образованенного на микросхеме сигнала использованием цифрового индик индикатора 14 45 ния измеряемого электрического го нап яжения 1 Вп/k1). ВыЖЦ5-4/8. B состав преобразователя 13 (1 ЛВ) и опорного напряжения (и

И вЂ” . о об азования величины напряжение— — значение:измеряемого пара- сокая точность пре р

U опе а ионметра кроме этого АЦП (стандартные навес- ЬК в выходное напряжение Оу р ц фиг,3 не показаны) при ного усилителя обеспечивается за счет исные элементы на фиг, тех же элементов б 1и может быть введен опера- 50 пользования одних и тех ж ционный усилитель 17 с резистором 16 об- схемы (R1 Rlz, а l4 n)

R R, Rn) в образовании ратной связи для согласования выходного коэффициентов усиления К(-) и К(+). Как виднапряжения U с требованиями микросхе но из выражения (10), результат измерения мы К572ПВ5 для выбранного диапазона l43 не зависит от значений К(-) и К(+) . Однако мерения, Микросхема K572IlB5 выдае 55 это справедливо при сохранении условия

МаКСИМаЛЬНОЕ ПОКаэаНИЕ Íà ИНдИКатОрЕ R4/R1= КЗ/RZ= Rn/RO

ИЖЦ5 — 4/8 1999 при Uon = 100 мВ и Usx = Повышение точности в предлагаемом

=199,9мВ. Следовательно, из выражения(8) устройстве обеспечиваается за счет принполучается г =

k = 2, Для согласования поляр- ципиального исключения значения тока из

1739212

10 формул расчета погрешности, что создает возможность существенно снизить требования к источнику тока в части его выходного сопротивления и стабильности, снижение требований к стабильности на- 5 пряжения питания устройства, исключает необходимость в отдельном источнике опорного напряжения. Благодаря перечисленным условиям существенно (в несколько раз) снижается потребляемая им энергия от 10 источника питания (главным образом за счет исключения цепей стабилизации). Сокращение количества элементов схемы обеспечивает повышение его надежности, снижение себестоимости, повышение его 15 технологичности.

По данному принципу могут быть выполнены также устройства для сигнализации об отклонении измеряемого параметра от заданного значения; регулирования тех-. 20 нологических процессов по отклонению измеряемых параметров от заданного значения; сортировки прецизионных резисторов по отклонению их сопротивления от номинального значения; измерения электрического сопротивления взамен сложных измерительных мостов.

Формула изобретения

Устройство для измерения температуры по авт.св. hh 1536219, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введен преобразователь напряжение — значение измеряемого параметра, первый вход которого соединен с выходом операционного усилителя, а второй вход подсоединен к третьему выводу резистора сравнения, общий выход операционного усилителя подключен к второму выходу источника тока через другие входы преобразователя напряжение — значение измеряемого параметра.

1739212

Фиг. 2

1739212

Составитель Г.Лобачевский

Техред М.Моргентал Корректор М.Шароши

Редактор Е.Папп.Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 1996 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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