Устройство для измерения температуры
Владельцы патента RU 2451913:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тамбовский государственный технический университет" (ГОУ ВПО "ТГТУ") (RU)
Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники, в частности к термометрии. Заявлено устройство для измерения температуры, в которое дополнительно введены аналоговый перемножитель и третий постоянный резистор, что позволило произвести операцию логарифмирования сигнала от терморезистора и реализовать операцию деления. В результате выполнения данных преобразований на выходе устройства сигнал имеет прямую зависимость от температуры. Технический результат: повышение функциональных возможностей устройства и повышение точности измерений. 1 ил.
Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники, и в частности к термометрии.
Известно устройство, в котором линеаризация выходного напряжения достигается за счет способа суммирования характеристик термистора и позистора. Это устройство имеет значительные недостатки, связанные со сложностью подбора термистора и позистора по характеристикам, выбором величины сопротивления потенциометра для обеспечения требуемой величины нелинейности температурной характеристики датчика, а также со снижением чувствительности датчика с повышением линейности преобразования (а.с. СССР №369430, кл. G01K 7/22, бюл. №10 от 08.11.1973).
Известно также устройство для измерения температуры (патент RU №2255313, кл. G01K 7/22), принятое за прототип, 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 подстроечных резистора, а также 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 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, при этом терморезисторы закрепляют таким образом, что расстояние между их термочувствительными элементами было минимальным.
Недостатком прототипа является необходимость использования двух терморезисторов с отрицательным температурным коэффициентом электрического сопротивления для измерения температуры в одной точке.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является измерение одним терморезистором с отрицательным температурным коэффициентом электрического сопротивления температуры в одной точке при линейной характеристике преобразования.
Предлагаемое устройство для измерения температуры, содержащее источник опорного напряжения, два операционных усилителя, инвертирующий вход одного из них через терморезистор подключен к выходу источника опорного напряжения, а также два постоянных резистора, один из которых первым выводом соединен с суммирующим входом второго операционного усилителя, дополнительно снабжено полупроводниковым диодом, катодом, подключенным к выходу первого операционного усилителя, а анодом к инвертирующему входу этого же усилителя, суммирующий вход которого связан с общей шиной, а выход соединен со вторым входом интегрального аналогового перемножителя, первый вход которого подключен к выходу второго операционного усилителя, инвертирующий вход которого через второй постоянный резистор соединен с выходом второго дополнительно введенного источника опорного напряжения, при этом второй вывод первого постоянного резистора связан с общей шиной, а дополнительно введенный третий постоянный резистор подключен между выходом интегрального аналогового перемножителя и инвертирующим входом второго операционного усилителя. Аналоговый перемножитель может быть выполнен на интегральных микросхемах 525ПС1 и 525ПС2.
На фигуре представлена схема устройства для измерения температуры.
Устройство для измерения температуры содержит полупроводниковый терморезистор 1, которой второй клеммой соединен с инвертирующим входом операционного усилителя 2 и через последовательно соединенный полупроводниковый диод 3 связан с выходом усилителя 2, суммирующий вход которого подключен к общей шине, а выход при этом соединен со вторым входом интегрального аналогового перемножителя 4, первый вход которого связан с выходом операционного усилителя 5 и выходом устройства, при этом выход перемножителя 4 через последовательно соединенный резистор 6 соединен с инвертирующим входом усилителя 5, а суммирующий вход усилителя 5 через резистор 8 связан с общей шиной, при этом терморезистор 1 первой клеммой подключен к источнику 9 опорного напряжения U1, а инвертирующий вход усилителя 5 через последовательно соединенный резистор 7 подключен к источнику 10 опорного напряжения U2.
Назначение элементов 1-10 понятно из их названий.
Устройство для измерения температуры работает следующим образом.
Измеряемая температура Т преобразуется терморезистором с отрицательным температурным коэффициентом электрического сопротивления 1 в изменение его сопротивления по следующему закону (например, терморезисторы СТ1-18 и СТ1-19):
где А, В - постоянные;
Т - измеряемая температура [K].
Выходное напряжение логарифмирующего усилителя 2 зависит от RT:
Где k - постоянная Больцмана; е - заряд электрона; Iобр - обратный ток диода 3; U1 - источник первого опорного напряжения; Т' - температура диода 3.
При этом 
- тепловой потенциал (при Т'=300 K, φT=0,026 В).
Выходное напряжение операционного усилителя 2 (на основании (1)) описывается выражением:
Устанавливая опорное напряжение U1, например, с помощью потенциометра (условно не показано) равным U1=AIобр, получим:
Напряжение 
поступает на второй вход интегрального аналогового перемножителя 4, выход которого подключен через резистор 6 к инвертирующему входу усилителя 5. При масштабном коэффициенте K1=-R1/R2 выходное напряжение усилителя 5:
;
Устанавливая опорное напряжение U2, например, с помощью потенциометра (условно не показано) равным U2=ВφT, получим выходное напряжение, линейно зависящее от измеряемой температуры:
где с=10n, n - коэффициент размерности (целое число).
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет производить измерение одним терморезистором с отрицательным температурным коэффициентом электрического сопротивления температуры в одной точке при линейной характеристике преобразования и возможности взаимозаменяемости полупроводниковых терморезисторов.
Устройство для измерения температуры, содержащее первый источник опорного напряжения, первый и второй постоянные резисторы, первый и второй операционные усилители, инвертирующий вход первого операционного усилителя через терморезистор, являющийся входом устройства, подключен к выходу первого источника опорного напряжения, при этом первый постоянный резистор первым выводом соединен с суммирующим входом второго операционного усилителя, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено вторым источником опорного напряжения и интегральным аналоговым перемножителем, третьим постоянным резистором, полупроводниковым диодом, катодом подключенным к выходу первого операционного усилителя, а анодом - к инвертирующему входу этого же усилителя, суммирующий вход которого связан с общей шиной, а выход соединен со вторым входом интегрального аналогового перемножителя, первый вход которого подключен к выходу второго операционного усилителя, инвертирующий вход которого через второй постоянный резистор соединен с выходом второго дополнительно введенного источника опорного напряжения, при этом второй вывод первого постоянного резистора связан с общей шиной, а дополнительно введенный третий постоянный резистор подключен между выходом интегрального аналогового перемножителя и инвертирующим входом второго операционного усилителя, являющегося выходом устройства.
