Способ измерения температуры и устройство для его осуществления

Изобретение относится к электрическим схемам включения с терморезистором, имеющим отрицательный температурный коэффициент. Способ включает преобразование температуры в напряжение с прямой и обратной температурными характеристиками. После чего получают разностное выходное напряжение, пропорциональное измеряемой температуре. Устройство содержит источник опорного напряжения, два канала преобразования температуры в напряжение и алгебраический сумматор. Изобретение направлено на повышение точности измерения температуры за счет повышения линейности характеристики преобразования при обеспечении возможности взаимозаменяемости термочувствительных элементов. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к электрическим схемам включения с сопротивлением (терморезистором), имеющим отрицательный температурный коэффициент, для линеаризации и униформирования шкал в приборах для измерения температуры.

Известен способ измерения температуры, реализованный в устройстве [1], основанный на суммировании характеристик термистора и позистора. Этот способ отличается значительными неудобствами, связанными с подбором термистора и позистора по характеристикам, выбором величины сопротивления потенциометра для обеспечения требуемой нелинейности температурной характеристики датчика, а также снижением чувствительности датчика с повышением линейности.

Известен способ измерения температуры, реализованный в устройстве [2], основанный на формировании импульсов частоты, обратно пропорциональной разности коэффициентов двух терморезисторов. Метод имеет существенные функциональные ограничения, связанные с тем, что при равенстве коэффициентов термочувствительности термисторов значение выходной частоты стремится к бесконечности.

Наиболее близким к заявляемому является способ измерения температуры, реализованный в устройстве [3], основанный на использовании моста Уинстона с формированием разности напряжения питания и сигнала с выхода моста. Указанный метод имеет недостатки, связанные с взаимозаменяемостью термисторов, поскольку обеспечивает точное униформирование, если величина коэффициентов униформированных термисторов одинакова. Отмеченные недостатки известных способов не позволяют достичь высокой точности измерения температуры при высокой линейности функции преобразования в широком диапазоне температур.

Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения температуры за счет повышения линейности характеристики преобразования при обеспечении возможности взаимозаменяемости термочувствительных элементов.

Технический результат, реализуемый в способе измерения температуры, достигается тем, что преобразуют температуру в напряжение U₁(T) с прямой температурной характеристикой по одному каналу. Затем преобразуют температуру в напряжение с обратной температурной характеристикой по второму каналу. Затем напряжение второго канала U₂(T) масштабируют с коэффициентом

где T_С - температура точки суммирования, равная средней температуре измеряемого диапазона. После этого получают разностное выходное напряжение, пропорциональное измеряемой температуре:

U_вых(T)=U₁(T)-kU₂(T)=KT+δ _н(T)

где К - коэффициент термочувствительности; δ _н(T) - зависимость погрешности нелинейности от температуры.

Устройство для измерения температуры содержит источник опорного напряжения и один канал преобразования температуры в напряжение, включающий в себя первый операционный усилитель, первый терморезистор с отрицательным коэффициентом сопротивления, постоянный резистор и два подстроечных резистора. Кроме того, в устройство введен другой канал преобразования температуры в напряжение, включающий в себя второй операционный усилитель, идентичный первому второй терморезистор, постоянный резистор и два подстроечных резистора. Неинвертирующие входы операционных усилителей через постоянные резисторы подключены к выходу источника опорного напряжения, а через подстроечные резисторы - к общей шине. Выход первого операционного усилителя через первый терморезистор соединен со своим инвертирующим входом, который через подстроечный резистор подключен к выходу источника опорного напряжения. Выход второго операционного усилителя через подстроечный резистор соединен со своим инвертирующим входом, который через второй терморезистор подключен к выходу источника опорного напряжения. Выходы операционных усилителей соединены с входами алгебраического сумматора, выход которого является выходом устройства.

Суть способа измерения температуры заключается в следующем. Формируют два канала преобразования температуры в напряжение. Для линеаризации температурной характеристики создают на основе двух однотипных терморезисторов один канал с прямой, а другой - с обратной температурной характеристикой. Проводят два одновременных измерения температуры, а терморезисторы закрепляют таким образом, чтобы расстояние между их термочувствительными элементами было минимальным. При этом на выходах прямого и обратного каналов преобразования получают соответственно напряжения U₁(T) и U₂(T). Затем напряжение U₂(T) масштабируют с коэффициентом

После этого напряжения алгебраически суммируют и получают разностное выходное напряжение, пропорциональное измеряемой температуре (фиг.1):

где К - коэффициент термочувствительности; δ _н(T) - зависимость погрешности нелинейности от температуры.

Зависимость δ _н(T) минимизируют таким образом, чтобы максимальное значение δ _н(T)_макс≤ε _доп, где ε _доп - допустимое значение погрешности преобразования, путем подбора идентичных характеристик каналов преобразования температуры.

На фиг.2 представлено устройство для измерения температуры, реализующее предлагаемый способ измерения.

В состав устройства входят: 1, 6 - операционные усилители; 2, 7 - полупроводниковые терморезисторы; 3, 8 - постоянные резисторы; 4, 5, 9, 10 - подстроечные резисторы; 11 - источник опорного напряжения; 12 - общая шина; 13 - алгебраический сумматор; 14 - выход устройства.

Предлагаемое устройство содержит один канал преобразования температуры в напряжение, включающий в себя первый операционный усилитель 1, первый терморезистор 2, постоянный резистор 3 и подстроечные резисторы 4, 5. Кроме того, в устройство введен другой канал преобразования температуры в напряжение, включающий в себя второй операционный усилитель 6, второй терморезистор 7, постоянный резистор 8 и подстроечные резисторы 9, 10. Неинвертирующие входы операционных усилителей соответственно через постоянные резисторы 3 и 8 подключены к выходу источника опорного напряжения 11, а через подстроечные резисторы 5 и 10 соответственно - к общей шине 12.

Выход первого операционного усилителя 1 через первый терморезистор 2 соединен со своим инвертирующим входом, который через подстроечный резистор 4 подключен к выходу источника опорного напряжения 11. Выход второго операционного усилителя 6 через подстроечный резистор 9 соединен со своим инвертирующим входом, который через второй терморезистор 7 подключен к выходу источника опорного напряжения 11. Выходы операционных усилителей соединены с входами алгебраического сумматора 13, выход которого является выходом устройства 14.

Устройство функционирует следующим образом. Измеряемая температура полупроводниковыми терморезисторами 2 и 7 преобразуется в напряжения U₁(T) и U₂(T) на выходах операционных усилителей 1 и 6. На основе операционных усилителей (ОУ) 1 и 6 построены два канала преобразования температуры, причем ОУ 1 обеспечивает преобразование с прямой температурной характеристикой, а ОУ 6 - с обратной (фиг.1) за счет соответствующего включения терморезисторов 2 и 7. Инвертирующие входы обоих операционных усилителей запитываются от источника опорного напряжения 11, причем для ОУ 1 - через подстроечный резистор 4, а для ОУ 6 - через терморезистор 7. Неинвертирующие входы обоих операционных усилителей запитываются от источника опорного напряжения 11, причем для ОУ 1 - через делитель напряжения, состоящий из постоянного резистора 3 и подстроечного резистора 5, а для ОУ 6 - через делитель напряжения, состоящий из постоянного резистора 8 и подстроечного резистора 10. Подстроечные резисторы 5 и 10 соединены с общей шиной 12. В цепь обратной связи ОУ 1 включен терморезистор 2, а в цепь обратной связи ОУ 6 - постоянный резистор 9. С выходов операционных усилителей напряжения U₁(T) и U₂(T) подаются на входы алгебраического сумматора 13, на выходе 14 которого, являющегося выходом устройства, формируется разностное выходное напряжение в соответствии с (2) U_вых(T)=КТ+δ _н(Т), пропорциональное измеряемой температуре.

Для обеспечения заменяемости терморезисторов по значению начального сопротивления введены подстроечные резисторы 5 и 10, которые варьируются таким образом, чтобы при некоторой температуре Т_н, являющейся нижней границей рабочего диапазона, значения выходных напряжений U₁(T_Н) и U₂(T_H) были равны нулю. Масштабирование напряжения U₂(T) с коэффициентом k в соответствии с (1) осуществляется в алгебраическом сумматоре по вычитающему входу.

Для обеспечения заменяемости терморезисторов по значению коэффициента преобразования в масштабирующих усилителях предусмотрены регулировки коэффициентов усиления (подстроечные резисторы 4 и 9), изменением которых добиваются того, чтобы значение выходного напряжения U_вых(T) при некоторой температуре T_н, являющейся верхней границей рабочего диапазона, было равно некоторому заданному значению.

В результате предусмотренных регулировок обеспечивается минимизация функции погрешности нелинейности δ _н(T) таким образом, чтобы ее максимальное значение δ _н(T)_макс≤ε _доп, где ε _доп - допустимое значение погрешности преобразования.

Таким образом, предложенный способ позволяет повысить точность измерения температуры, линейность преобразования и обеспечить взаимозаменяемость чувствительных элементов - терморезисторов.

Литература

1. Авторское свидетельство СССР №369430, кл. G 01 k 7/22.

2. Авторское свидетельство СССР №1068738, кл. G 01 k 7/22.

3. Патент СССР №345702, кл. G 01 k 7/24.

1. Способ измерения температуры, основанный на преобразовании температуры в напряжение U₁(T) с прямой температурной характеристикой по одному каналу, отличающийся тем, что преобразуют температуру в напряжение с обратной температурной характеристикой по второму каналу, затем напряжение второго канала U₂(T) масштабируют с коэффициентом

где Т_С - температура точки суммирования, равная средней температуре измеряемого диапазона, после чего получают разностное выходное напряжение, пропорциональное измеряемой температуре:

U_вых(T)=U₁(T)-kU₂(T)=KT+δ _н(T),

где К - коэффициент термочувствительности; δ _н(T) – зависимость погрешности нелинейности от температуры.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что зависимость погрешности δ _н(T) минимизируют таким образом, чтобы максимальное значение δ _н(T)_макс≤ ε _доп, где ε _доп - допустимое значение погрешности преобразования, путем подбора идентичных характеристик каналов преобразования температуры.

3. Устройство для измерения температуры, содержащее источник опорного напряжения, один канал преобразования температуры в напряжение, включающий в себя первый операционный усилитель, первый терморезистор с отрицательным коэффициентом сопротивления, постоянный резистор и два подстроенных резистора, отличающееся тем, что в устройство введен другой канал преобразования температуры в напряжение, включающий в себя второй операционный усилитель, идентичный первому, второй терморезистор, постоянный резистор и два подстроечных резистора, причем неинвертирующие входы операционных усилителей через постоянные резисторы подключены к выходу источника опорного напряжения, а через подстроечные резисторы - к общей шине, выход первого операционного усилителя через первый терморезистор соединен со своим инвертирующим входом, который через подстроечный резистор подключен к выходу источника опорного напряжения, выход второго операционного усилителя через подстроечный резистор соединен со своим инвертирующим входом, который через второй терморезистор подключен к выходу источника опорного напряжения, выходы операционных усилителей соединены с входами алгебраического сумматора, выход которого является выходом устройства.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что терморезисторы закрепляют таким образом, чтобы расстояние между их термочувствительными элементами было минимальным.