МОСТ С ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМ ТЕРМОРЕЗИСТОРОМ Российский патент 1996 года по МПК G01K7/24 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерению температуры с помощью полупроводниковых терморезисторов, сопротивление R_т которых:
R_т= Re R в заданном интервале измерения температуры Т: T₁ ≅ T ≅ T₂, где R_то=R_тпри Т=Т_о=293,15К; R_т1=R_т при Т=Т₁, R_то и В характеристики полупроводниковых терморезисторов.

Известные термочувствительные мосты с источником питания, содержащие один полупроводниковый терморезистор и три подгоночных термонезависимых резистора, обеспечивающих соответственно перемещения, поворот и искривление (отклонение от прямой линии) зависимости выходного сигнала Р (например, напряжения) моста от температуры Т и, соответственно, приближение к заранее заданной зависимости Р от Т (как линейной, так и к нелинейной) при замене полупроводниковых терморезисторов, имеющих различные значения R_o и В в заданных техническими документами пределах [1]
Отклонение выходного сигнала Р от линейной зависимости определяется только одним параметром R_a входным сопротивлением моста со стороны R_т:
R_a=K_aR_тd, где
K_a A
R_тd=R_т при Т=Т_d
T_d температура, в которой 0.

Наилучшее приближение выходного сигнала Р к линейной зависимости обеспечивается при выборе Т_d:
T_d Δ где Δ ,
K_x коэффициент расположения точки Т_d относительно границ заданного интервала температур Т₁ ≅Т ≅Т₂, K_x= определяемый графоаналитическим методом из уравнений наилучшего приближения выходного сигнала Р к линейной зависимости Р^ δP₁=+ δP_m= δP_n=+ δP₂=(P-P^)т-т_m (фиг.1) Например, при Т₁=300,15K, Т₂= 350,15К, В= 3250К, К_х=1,085 и соответственно, Δ1,96, Δ/=7,8% Если пренебречь величиной К_х=1, т.е. Δ ≈ 0, то значение Т_d выбирается равным Т₁+
Значение R_a также может быть выбрано из условий совмещения выходного сигнала Р с линейной зависимостью в точках Т_1.1, Т_к, Т_1.2(фиг.1), которые могут быть выбраны:

Недостатками известных мостов с полупроводниковыми терморезисторами являются:
дополнительные погрешности измерения температуры, которые вызываются разницей между сопротивлениями подбираемых подгоночных резисторов моста и их расчетными значениями, так как подбор резисторов без их подрегулировки не позволяет точно получить заданные значения их сопротивлений;
дополнительная погрешность и снижения надежности измерения температуры при введении переменного резистора R_дп в токовую цепь схемы за счет переходного сопротивления между перемещающимся контактом и витками переменного резистора;
получение только линейного выходного сигнала (фиг.3,а), а не сигнала, числовое значение которого (например, число милливольт) точно равно числу измеряемой температуры в ^оС (фиг.3, в), что позволяет исключить дальнейшее преобразование выходного сигнала, упрощает и удешевляет схему измерения температуры электронным цифровым индикатором.

В термочувствительном мосту [2] (прототип) с одним полупроводниковым терморезистором и дополнительными нетермочувствительными резисторами в качестве трех регулируемых резисторов введены два последовательно соединенных нетермочувствительные резистора R₄ и R₅, включенных в диагональ моста, и переменный резистор R_п, подвижный контакт которого является вершиной моста и подключен к источнику питания. Он обеспечивает приближение (неоптимальное) к линейной зависимости выходного сигнала моста путем регулировки величины входного сопротивления моста R_a (со стороны полупроводникового терморезистора) до величины, равной e R. При Т_d= и ( Δ ≈0) за счет подбора суммы подгоночных сопротивлений R₄ и R₅, включаемых в диагональ моста (фиг.2). Выходной сигнал (напряжение) снимается с точки диагонали моста и точки соединения подгоночных резисторов R₄ и R₅. Перемещение и поворот линеаризованной выходной характеристики (для ее стандартизации) соответственно обеспечивается переменным резистором R_пр, подвижной контакт которого является вершиной моста, подключенного к источнику питания, и подбором резисторов R₄ и R₅ (подбором величины ).

Термочувствительный мост Япония (прототип) также имеет недостатки: практически неизбежная неточность подбора резисторов R₄ и R₅ и, соответственно, отличие полученного значения от ее расчетной величины вызывает дополнительную погрешность измерения температуры при Т≠Т_к, где Т_к температура, при которой выходной сигнал равен нулю (регулировкой переменного резистора), например, при погрешности линеаризации выходного сигнала моста в диапазоне от 15 до 45^оС при В=2750К ± 0,06^оС неточность подбора резистора R₅ до ± 2% вызовет дополнительную погрешность до 0,6^оС, т.е. увеличение в 10 раз;
переменный резистор R_пр находится в токовой цепи и переходное сопротивление R_дп вызывает дополнительную погрешность и снижает надежность измерения температуры.

Введение в диагональ моста подгоночных резисторов (подгонка нагрузкой моста) для pегулировки величины входного сопротивления моста со стороны полупpоводникового терморезистора ограничивает возможности его регулировки, приводит к сопротивлению между точками съема выходного сигнала моста, приближающегося к сопротивлению цифрового индикатора температуры, что вызывает дополнительную погрешность и уменьшает чувствительность выходного сигнала.

Изобретение решает задачи создания систем автоматики, сигнализации и измерения температуры полупроводниковым терморезистором и электронной цифровой вторичной аппаратурой повышенной точности и надежности при высокой чувствительности выходного сигнала, поступающего во вторичную аппаратуру при упрощении ее схемы.

Задача решается тем, что в мосту с полупроводниковым терморезистором, содержащим первый, второй и третий подгоночные резисторы схемы взаимозаменяемости, в плече с полупроводниковым терморезистором второй подгоночный резистор выполнен в виде первого переменного сопротивления, включенного по схеме делителя напряжения, а первый подгоночный резистор в виде первого переменного сопротивления, включенного по схеме делителя напряжения и последовательно соединенного с первым корректирующим резистором, при этом он зашунтирован полупроводниковым терморезистором, а в противоположном плече моста, включающем общую точку с плечом моста с полупроводниковым терморезистором, третий подгоночный резистор выполнен в виде второго переменного сопротивления, включенного по схеме делителя напряжения и последовательно соединенного с ним второго корректирующего резистора, причем точки съема выходного сигнала совмещены с точками подвижных контактов переменных сопротивлений.

При съеме выходного сигнала моста с подвижных контактов делителей напряжения введение в цепь подгоночного резистора, шунтирующего полупроводниковый терморезистор, обеспечивает (с регулировкой подбором величины суммарного сопротивления шунта) независимое проведение двух различных функциональных регулировок выходного сигнала моста: его нелинейности и поворота.

При этом второй делитель напряжения обеспечивает регулировку перемещения выходного сигнала моста.

Схема предлагаемого моста показана на фиг.4.

Она содержит источник питания моста, содержащий полевой транзистор VT, переменный резистор-делитель напряжения R₅", резистор R₅' для увеличения плавности регулировки тока I (питания мота);
R_т полупроводниковый терморезистор;
R₁ резистор плеча моста (расчетное значение сопротивления одно для всех ПТР);
R_ш', R_ш", R_ш"'- подгоночные (подбираемые) резисторы, сумма которых определяет параметр нелинейности R_a (расчетное значение R_a зависит от R_oи В), а величина
K₁ (R_ш1 сопротивление между точками 1 и 4) регулирует поворот выходной характеристики моста,
R_ш= R_ш'+R_ш"+R_ш"' R_ш" переменный резистор, включенный как делитель напряжения и точно обеспечивающий расчетное значение K₁.

R₂₃', R₂₃", R₂₃"' подгоночные (подбираемые) резисторы, сумма которых R₂₃ (R₂₃<<R_т) ограничивает ток через R_т, а величина K₂, равная отношению сопротивления R_2.4 (между точками 2 и 4) к суммарному сопротивлению R_2.3, регулирует перемещение выходной характеристики моста (напряжения e_т, снимаемого с точек 1 и 2);
R_2.3" переменный резистор, включенный как делитель напряжения и точно обеспечивающий перемещением подвижного контакта 2 расчетное значение K₂(R₂₃"<<R₂₃');
A цифровой электронный индикатор.

Получение заданной температурной зависимости выходного сигнала е_т=f(T) предлагаемой схемой осуществляется следующим образом:
Производится расчет значений R_a, K₁, K₂ в зависимости от В и R_o(используемых в схеме полупроводниковых терморезисторов) из условий наименьшего отклонения выходного сигнала е_т от заданной температурной зависимости, например, из условия точного их совмещения в точках Т_1.1, Т_к, Т_1.2 (которые, например, могут быть выбраны:
T_1.1 T_к- (T₂-T₁), T_1.2 T_к+ (T₂-T₁), T_к При этом R₁>>R_т, R₂₃<<R₁, I_т<I₂ (I₂ ток через R_2.3).

Рассчитываются и подбираются резисторы схемы (на основании расчетов R_a, K₁, K₂).

Регулировкой переменных резисторов R_ш" и R₂₃" компенсируются неточности подбора подгоночных резисторов и обеспечивается наибольшая точность получения заданной температурной зависимости.

Согласно схеме фиг.4:
зависимость от температуры выходного сигнала е_т между точками 1 и 2 равна:
е_т=K₂U-K₁U_ш, где U напряжение между точками 3 и 4,
U_ш напряжение между точками 5 и 4 (снимаемое с терморезистора R_т),
U=I_т2(R_т2+R_a1)1 + +I_т2(R_т-R_т2)
U_ш=I_т2T_т2+I_т2(R_т-R_т2)
R_a , R_a1
I_т2 ток через R_т при Т=Т₂
R_т2= R_т при Т=Т₂. Так как по условию I_т<<I, R₂₃<<R₁, R₁>R_т, R_a-R_a1<<R_a, то l K₂ Δ Ul < l K₁ ΔU_ш l где l Δ Ul (U)_т=т2 (U)_т=т1 l, l ΔU_ш l=l (U_ш)_т=т2 (U_ш)_т=т1 l и для оценки чувствительности выходного сигнала можно принять
Δ е_т=(е_т)_т2-(е_т)_т1 ≈ К₁Δ U_ш. При R_o=R_omin и В=В_min, K₁=1
Δe_т ≈ I_т2ΔR_т
Следовательно, предлагаемая схема с тремя подгоночными резисторами (тремя функциональными параметрами: нелинейность, перемещение, поворот), обеспечивая высокую точность совмещения выходного сигнала е_т= f(T) с заданной температурной зависимостью (например, ) имеет такую же высокую чувствительность, как и схема с одним подгоночным резистором R_ш=R_a.
В предлагаемом термочувствительном мосте с электронным индикатором температуры (или системой сигнализации, автоматики), с подгоночными переменными резисторами, включенными как делители напряжения, отсутствуют токовые нагрузки на подвижных контактах переменных резисторов и, следовательно, отсутствует влияние дополнительного сопротивления между подвижными контактом и резистором на точность выходного сигнала моста е_т=f(T).

Изменение R_ш обеспечивает практически неограниченное изменение величины R_a (от 0 до R₁>>R_т), регулировкой К₁ и К₂ обеспечивается совмещение числового значения выходного сигнала моста с числовым значением измеряемой температуры в ^оС.

Использование: измерители температуры с помощью полупроводниковых терморезисторов. Сущность изобретения: в мост введены переменные резисторы, включенные по схеме делителей напряжения. Обеспечивается точная регулировка температурной зависимости выходного сигнала моста при отсутствии токовой нагрузки на подвижные контакты переменных резисторов и при минимальном снижении чувствительности выходного сигнала моста. 4 ил.

МОСТ С ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМ ТЕРМОРЕЗИСТОРОМ, содержащий первый, второй и третий подгоночные резисторы схемы взаимозаменяемости, отличающийся тем, что в плече моста с полупроводниковым терморезистором второй подгоночный резистор выполнен в виде первого переменного сопротивления, включенного по схеме делителя напряжения, а первый подгоночный резистор - в виде первого переменного сопротивления, включенного по схеме делителя напряжения и последовательно соединенного с первым корректирующим резистором, при этом он зашунтирован полупроводниковым терморезистором, а в противоположном плече моста, включающем общую точку с плечом моста с полупроводниковым терморезистором, третий подгоночный резистор выполнен в виде второго переменного сопротивления, включенного по схеме делителя напряжения и последовательно соединенного по схеме делителя напряжения и последовательно соединенного с ним второго корректирующего резистора, причем точки съема выходного сигнала совмещены с точками подвижных контактов переменных сопротивлений.