ДАТЧИК ТЕМПЕРАТУРЫ С ЧАСТОТНЫМ ВЫХОДОМ Российский патент 1994 года по МПК G01K7/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для преобразования температуры в частоту в прецизионных измерителях температуры, термокомпенсированных кварцевых генераторах.

Известен класс датчиков температуры с частотным выходом, выполненных на основе структур, содержащих последовательно соединенные источник постоянного тока, терморезистор, согласующий усилитель на операционном усилителе (ОУ), управляемый напряжением генератор [1].

Однако даже при использовании в составе датчиков высоколинейных преобразователей напряжения в частоту на ОУ и управляемых напряжением генераторов они не обеспечивают достаточную точность преобразования.

Наиболее близким по технической сущности являются прецизионный преобразователь температуры в частоту, содержащий термочувствительную схему с терморезистором, коммутаторы цепи заряда и разряда конденсатора, компаратор тока на ОУ и импульсную схему управления работой коммутаторов [2].

Недостатком прецизионного преобразователя температуры в частоту, работающего на принципе сравнения тока, протекающего через терморезистор, с током разряда емкости, является наличие двух стабильных разнополярных источников опорного напряжения. При условии работы преобразователя в широком диапазоне температур в автономном режиме требование высокой температурной и долговременной стабильности накладывается не только на источники опорного напряжения, но и на элементы схемы, определяющие ток заряда-разряда конденсатора. Все указанные причины увеличивают погрешность преобразования.

Цель изобретения - повышение точности преобразования температуры в частоту.

Для достижения цели в датчик температуры с частотным выходом, содержащий компаратор в виде операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с объединенными выводами последовательно соединенных термозависимого резистора и резистора, другой вывод которого подключен к общей шине, коммутатор, выход которого связан с входом фильтра нижних частот, один вход - с общей шиной, а другой вход - с выходом источника опорного напряжения, а также выходную шину и схему управления, связанную входом с выходом компаратора, введены источник эталонной частоты, управляемый напряжением генератор, через который выход компаратора связан с входом схемы управления, а также конденсатор и другой резистор, включенный между выходом фильтра нижних частот и инвертирующим входом компаратора, который связан с выходом компаратора через конденсатор, выход источника опорного напряжения подключен к другому выводу термозависимого резистора, а выход управляемого напряжением генератора соединен с выходной шиной, при этом схема управления выполнена из двух D-триггеров, N-разрядного регистра сдвига, шин логических "0" и "1" и делителя частоты, выход которого подсоединен к тактовому С-входу D-триггера, соединенного выходом с D-входом N-разрядного регистра сдвига, первый и N-й выходы которого связаны соответственно с S и с тактовым С-входами другого D-триггера, подключенного выходом к выходу схемы управления, шина логической "1" соединена с D-входом D-триггера, шина логического "0" - с D-входом другого D-триггера, R-вход триггера подключен к первому выходу N-разрядного регистра сдвига, тактовый С-вход которого подключен к входу схемы управления, другой вход которой связан с выходом источника эталонной частоты и входом делителя частоты, а выход схемы управления соединен с управляющим входом коммутатора.

На чертеже представлена принципиальная электрическая схема датчика температуры с частотным выходом.

Датчик содержит компаратор на ОУ 1, конденсатор 2, термозависимый делитель 3 напряжения, состоящий из последовательно соединенных термозависимого резистора 4 и резистора 5, другой резистор 6, источник 7 опорного напряжения, коммутатор 8 напряжения, фильтр 9 нижних частот, генератор 10, управляемый напряжением (ГУН), источник 11 эталонной частоты, схему 12 управления, состоящую из делителя 13 частоты, D-триггера 14, N-разрядного регистра 15 сдвига и другого D-триггера 16, выходную шину 17, шину логической "1" 18, шину логического "0" 19 и общую шину 20.

Датчик работает следующим образом.

С термозависимого делителя 3 напряжения опорное напряжение, поделенное в соответствии со значением величины термозависимого резистора 4, поступает на неинвертирующий вход компаратора 1 на ОУ. Так как компаратор 1 на ОУ выполняет функцию сравнения напряжения на своем неинвертирующем входе с величиной постоянной составляющей, выделенной фильтром 9 нижних частот и поступающей на инвертирующий вход, то на его выходе появляется управляющее ГУН 10 напряжение, соответствующее дифференциальной разности между входами. Выходная частота ГУН 10, соответствующая значению управляющего напряжения, поступает на первый вход схемы 12 управления, где осуществляется формирование импульсного сигнала управления работой коммутатора 8 напряжения. Принцип формирования заключается в привязке импульса на выходе схемы 12 управления длительностью, равной N периодов температурной частоты, к фронту, поделенной в К раз делителем 13 эталонной частоты, поступающей на вход схемы 12 управления с источника 11 эталонной частоты. При поступлении на тактовый С-вход D-триггера 14 фронта поделенной эталонной частоты на его выходе, соединенном с D-входом N-разрядного регистра 15 сдвига, появляется уровень логической "1", который при появлении фронта первого импульса температурной частоты на тактовом С-входе N-разрядного регистра 15 сдвига переписывается на его первый выход. Одновременно происходит сброс D-триггера 14 в нулевое состояние и установка на выходе другого D-триггера 16 уровня логической "1". Под действием второго импульса температурной частоты произойдет сдвиг логической "1" с первого на второй выход регистра 15 сдвига и установка нулевого потенциала на его первом выходе. Под действием следующих импульсов температурной частоты уровень логической "1" будет последовательно сдвигаться в сторону старшего разряда, пока не достигнет выхода N-го разряда, при этом на выходе D-триггера 16 установится нулевой потенциал. Сформированный по указанному принципу импульсный сигнал с выхода схемы 12 управления поступает на управляющий вход коммутатора 8 напряжения, который в соответствии с уровнем управляющей импульсной последовательности подключается к источнику 7 опорного напряжения или общей шине 20. С выхода коммутатора 8 выделенная фильтром 9 нижних частот постоянная составляющая, обратно пропорциональная скважности управляющей импульсной последовательности, через резистор 6 подается на инвертирующий вход компаратора 1 на ОУ. Величина постоянной составляющей равна U_o/KT_э - NT_т/KT_э, где U_o - опорное напряжение; Т_э - период эталонной частоты; Т_т - период температурной частоты; К - коэффициент деления делителя 12 частоты; N - разрядность регистра 15 сдвига.

Благодаря соответствующим образом выбранной характеристике управления ГУН 10 любое отклонение значения постоянной составляющей на инвертирующем входе компаратора 1 на ОУ от величины напряжения на неинвертирующем входе компаратора 1, равного U_oxR(R + R_т), где R - сопротивление резистора 5; R_т - сопротивления термозависимого резистора 4, вызовет такое изменение выходной частоты ГУЕ 10, которое приведет к выравниванию напряжений на входах компаратора 1. При этом значение выходной частоты ГУН 10 вследствие наличия в петле автоподстройки ОУ с большим коэффициентом усиления точно соответствует величине термозависимого резистора 4 и, следовательно, температуре.

Так как напряжения на входах ОУ равны, то справедливо выражение:
U_o = U (1)
Равенство (1) теоретически выполняется при любом отклонении опорного напряжения U_o, а при постоянстве периода эталонной частоты f_эзначение температурной частоты f_т=1/Tт зависит только от величины термозависимого сопротивления R_т.

Значение выходной частоты ГУН, как следует из (1), описывается выражением
f_т =f _э ˙ N (R_т + R):R_т ˙ К (2)
Точность преобразования температура-частота гарантируется использованием в составе датчика температуры источника эталонной частоты, имеющего высокую долговременную температурную стабильность, независимостью выходной частоты от изменения опорного напряжения и параметров схемы ГУН 10. Кроме того, введение в датчик температуры, являющийся системой частотной автоподстройки частоты, компаратора-интегратора на ОУ ведет к дополнительному уменьшению ошибки в установившемся режиме за счет увеличения астатизма системы. Устойчивость датчика обеспечивается правильным выбором постоянной времени компаратора-интегратора на ОУ, номиналами конденсатора 2 и резистора 6 и номиналами элементов фильтра 8 нижних частот, определяющих, кроме того, и качество фильтрации управляющего напряжения ГУН 10.

Датчик температуры с частотным выходом обеспечивает точность преобразования порядка 0,005 градуса при эксплуатации в широком температурном интервале (-60^оС. . . + + 90^оС). Диапазон измеряемых температур может быть практически любым и определяется типом используемого термозависимого резистора 4.

Датчик может быть полностью выполнен в интегральном исполнении.

Использование: термометрия, прецизионные измерения температуры. Сущность изобретения: устройство содержит компаратор, конденсатор, термозависимый делитель напряжения, термочувствительный резистор, два резистора, источник опорного напряжения, коммутатор, фильтр нижних частот, управляемый напряжением генератор, источник эталонной частоты, схему управления, делитель частоты, два D-триггера, N - разрядный регистр сдвига, выходную шину, шину логической "1", шину логического "0", общую шину. 1 ил.

ДАТЧИК ТЕМПЕРАТУРЫ С ЧАСТОТНЫМ ВЫХОДОМ, содержащий компаратор в виде операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с объединенными выводами последовательно соединенных термозависимого резистора и резистора, другой вывод которого подключен к общей шине, коммутатор, выход которого связан с входом фильтра нижних частот, один вход - с общей шиной, а другой вход - с выходом источника опорного напряжения, а также выходную шину и схему управления, связанную входом с выходом компаратора, отличающийся тем, что, с целью повышения точности преобразования температуры в частоту, в него введены источник эталонной частоты, управляемый напряжением генератор, через который выход компаратора связан с входом схемы управления, а также конденсатор и другой резистор, включенный между выходом фильтра нижних частот и инвертирующим входом компаратора, который связан с выходом компаратора через конденсатор, выход источника опорного напряжения подключен к другому выводу термозависимого резистора, а выход управляемого напряжением генератора соединен с выходной шиной, при этом схема управления выполнена из двух D-триггеров N-разрядного регистра сдвига, шин логических "0" и "1" и делителя частоты, выход которого подсоединен к тактовому C-входу D-триггера, соединенного выходом с D-входом N-разрядного регистра сдвига, первый и N-ый выходы которого связаны соответственно с S и с тактовым C-входами другого D-триггера, подключенного выходом к выходу схемы управления, шина логической "1" соединена с D-входом D-триггера, шина логического "0" - с D-входом другого D-триггера, R-вход триггера подключен к первому выходу N-разрядного регистра сдвига, тактовый C-вход которого подключен к входу схемы управления, другой вход которой связан с выходом источника эталонной частоты и входом делителя частоты, а выход схемы управления соединен с управляющим входом коммутатора.