ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ТЕМПЕРАТУРЫ Российский патент 1998 года по МПК G01K7/16 

Изобретение относится к устройствам для измерения температуры с непосредственным преобразованием ее в частоту электрического сигнала.

Известен датчик температуры с частотным выходом, содержащий релаксационный генератор, выполненный на основе однопереходного транзистора, полевого транзистора с p-n переходом, конденсатора и полевого транзистора с изолированным затвором и встроенным каналом. Релаксационный генератор генерирует выходной сигнал с частотой, пропорциональной емкости конденсатора.

Недостатком устройства является следующее. В результате воздействия дестабилизирующих факторов на датчик, таких как, например, повышенные или пониженные температуры, влажность и время, наступает релаксация в материале диэлектрика конденсатора, возникают различные деградационные процессы, что приводит к изменению величины емкости конденсатора относительно номинального значения. В результате возникает погрешность частоты выходного сигнала датчика.

Известен датчик температуры с частотным выходом, содержащий конденсатор, тиристор, два термочувствительных элемента, сопротивление нагрузки и источник питания.

Недостатком устройства является следующее. Частота на выходе устройства зависит от паразитного изменения емкости под действием таких дестабилизирующих факторов, как влажность, температура, старение. Кроме того, изменение временных параметров тиристора с течением времени также сказывается на уходе выходной частоты преобразователя.

Наиболее близким по технической сущности является преобразователь температуры с время-импульсным выходом. Преобразователь содержит операционный усилитель с цепями положительной и отрицательной обратной связи, состоящими из резисторов, первого терморезистора, конденсатора, дополнительных термозависимых конденсаторов и дополнительных терморезисторов, причем температурные коэффициенты резисторов и конденсаторов имеют один знак.

Недостатком устройства является следующее. Выходная частота преобразователя температуры зависит от задержки сигнала в операционном усилителе, от ухода значения емкости конденсатора от номинала в результате воздействия дестабилизирующих факторов на датчик. Кроме того, подбор компенсирующих элементов, использующихся, в частности, для компенсации паразитного ухода частоты, достаточно трудоемок и малоэффективен, поскольку чрезвычайно сложно сформировать простым подбором конденсаторов требуемую зависимость температурного коэффициента емкости от температуры.

Сущность изобретения заключается в том, что для повышения точности измерений в преобразователь введены трехвходовый коммутатор, выходом соединенный с неинвертирующим входом операционного усилителя, а первым входом - с вторым выводом первого резистора, четвертый резистор и второй операционный усилитель, при этом третий резистор первым выводом соединен с вторым выводом терморезистора и с вторым входом коммутатора, а вторым выводом - с первым выводом четвертого резистора, соединенным с третьим входом коммутатора, конденсатор включен в цепь обратной связи с выхода второго операционного усилителя на его инвертирующий вход, соединенный с вторым выводом второго резистора, неинвертирующий вход второго операционного усилителя соединен с общей шиной, а его выход, являющийся выходом преобразователя - с вторым выводом четвертого резистора.

Совокупность введенных элементов и указанных связей позволяет повысить точность измерений преобразователя за счет исключения влияния на результат измерений мешающих факторов и времени, приводящих к изменению величины емкости конденсатора относительно номинального значения, а также изменению параметров операционных усилителей.

На фиг.1 представлена электрическая схема преобразователя. Преобразователь содержит операционные усилители 1 и 2, конденсатор 3, включенный в цепь отрицательной обратной связи операционного усилителя 2, терморезистор 4 и дополнительные резисторы 5, 6 и 7, включенные последовательно в цепь положительной обратной связи операционного усилителя 1, с помощью коммутатора 8 поочередно подключаемые к неинвертирующему входу операционного усилителя 1 и резистор 9, соединяющий выход операционного усилителя 1 с инвертирующим входом операционного усилителя 2, выход которого является выходом преобразователя температуры в частоту.

Преобразователь температуры работает следующим образом. Частота на выходе операционного усилителя 2 при замкнутом контакте 1 коммутатора определяется выражением:

где

Здесь R₅, R₆, R₇, R₉ и R_t - сопротивления резисторов 5, 6, 7, 9 и терморезистора 4 соответственно, C₃ - емкость конденсатора 3, a₀ - коэффициент, учитывающий влияние на частоту f временных параметров операционных усилителей.

Как видно из данного выражения, частота на выходе преобразователя температуры в частоту (на выходе V2) зависит от значений резистора R₉ и конденсатора C₃, а также от временных параметров операционных усилителей (коэффициент a₀), которые могут изменяться со временем и под действием дестабилизирующих факторов.

При замкнутом контакте 2 коммутатора 8 частота на выходе операционного усилителя 2 составит

а при замкнутом контакте 3 коммутатора

Сигналы с частотами f₀, f₁ и f₂ поступают на вход вычислительного устройства (на чертеже не показано), в котором осуществляется вычисление искомой величины сопротивления терморезистора по формуле:

где

Действительно, подставив вместо f₀, f₁ и f₂ выражения (1), (2) и (3), получим

После подстановки в (5) выражения (6) формула примет вид

Отсюда

т.е. выражение для R_t справедливо.

Как видно из формулы (4), значение сопротивления R_t терморезистора не зависит ни от величины емкости конденсатора в цепи обратной связи операционного усилителя 2, ни от сопротивлений резисторов 3 и 9, а также не зависит от параметров операционных усилителей. В качестве сопротивлений R₅ и R₆ должны использоваться прецизионные высокостабильные элементы, к остальным же элементам схемы требований по высокой стабильности не предъявляется. В качестве терморезистора могут быть использованы как металлические, так и полупроводниковые термометры. Зависимости измеряемой температуры от сопротивления терморезистора определяется широко известными зависимостями. Например, в случае использования металлических термометров сопротивления зависимость температуры от сопротивления описывается известным уравнением:

где
R₀ - сопротивление проводника при 0^oC, α - линейный температурный коэффициент сопротивления, R_t - значение сопротивления терморезистора, измеряемое преобразователем.

Таким образом, измеренное значение температуры зависит только от величин сопротивлений R₅ и R₆, которые следует выбирать прецизионными, в отличие от других элементов схемы, к которым особых требований по точности не предъявляется для достижения высокой точности измерений, так как вычисленная по формулам (4) и (5) величина R_t не зависит от параметров операционных усилителей, значений емкости C₃ и сопротивлений R₉ и R₇, а также от их изменений со временем и под действием дестабилизирующих факторов.

Преобразователь температуры в частоту электрического сигнала содержит два операционных усилителя - ОУ (1,2), три резистора (5,6,7) и терморезистор (4) в цепи обратной связи ОУ (1), трехвходовый коммутатор (8), конденсатор (3), включенный в цепь обратной связи с выхода ОУ (2) на его инвертирующий вход, резистор (9). Выход ОУ (2) является выходом устройства. Измерение температуры проводится в три такта. Сигналы с частотами f₀, f₁, f₂ поступают в вычислительное устройство. Изобретение обеспечивает повышение точности измерения за счет исключения влияния на результат измерения изменений с течением времени емкости конденсатора и параметров ОУ. 1 ил.

Преобразователь температуры в частоту, содержащий операционный усилитель, выход которого соединен с одним выводом первого резистора и с одним выводом второго резистора, а инвертирующий вход - с общей шиной, терморезистор, соединенный с вторым выводом первого резистора, третий резистор и конденсатор, отличающийся тем, что в него введены трехвходовый коммутатор, выходом соединенный с неинвертирующим входом операционного усилителя, а первым входом - с вторым выводом первого резистора, четвертый резистор и второй операционный усилитель, при этом третий резистор первым выводом соединен с вторым выводом терморезистора и с вторым входом коммутатора, а вторым выводом - с первым выводом четвертого резистора, соединены с третьим входом коммутатора, конденсатор включен в цепь обратной связи с выхода второго операционного усилителя на его инвертирующий вход, соединенный с вторым выводом второго резистора, неинвертирующий вход второго операционного усилителя соединен с общей шиной, а его выход, являющийся выходом преобразователя - с вторым выводом четвертого резистора.