ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 2000 года по МПК H03M1/60 G01R19/252 G12B7/00 

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано для компенсации температурной нестабильности датчиков с токовым выходом.

Известен преобразователь напряжения в частоту, содержащий интегрирующий конденсатор, шунтированный ключом, и пороговое устройство, вход которого подключен к выходу интегратора, а выход - к управляющему входу ключа, описание которого приведено в [1].

Недостатком его является наличие погрешности, обусловленной конечной величиной постоянной времени разряда конденсатора. Кроме того, точность преобразования сильно зависит от изменений температуры.

Известен преобразователь напряжения в частоту - прототип, описание которого приведено в [2], содержащий последовательно соединенные входную шину, первый резистор и интегратор. Ток при работе схемы поступает с выхода датчика на входную шину и далее через первый резистор на вход интегратора.

Данный преобразователь обладает хорошей точностью преобразования, однако его передаточная характеристика сильно зависит от температуры, кроме того, он не может проводить компенсацию температурного ухода выходного сигнала датчика тока, что также во многих случаях может быть не приемлемо.

Задача изобретения - повышение точности за счет снижения влияния температурного ухода как самого преобразователя, так и источника сигнала.

Эта задача достигается тем, что в интегральный преобразователь, содержащий последовательно соединенные входную шину, первый резистор и интегратор, дополнительно введены второй, третий, четвертый резисторы, терморезистор и операционный усилитель, при этом второй резистор подсоединен параллельно первому резистору, входная шина подсоединена через последовательно соединенные третий резистор, терморезистор и четвертый резистор ко входу интегратора, а выход операционного усилителя через терморезистор подсоединен к инвертирующему входу операционного усилителя, причем второй и четвертый резисторы выбираются равными.

На фиг. 1 представлена блок-схема интегрального преобразователя, где 1 - входная шина, 2 - первый резистор, 3 - интегратор, 4 - второй резистор, 5 - третий резистор, 6 - четвертый резистор, 7 - терморезистор, 8 - операционный усилитель.

В интегральном преобразователе последовательно соединены: входная шина 1, первый резистор 2 и интегратор 3. Второй резистор 4 подсоединен параллельно первому резистору 2. Входная шина 1 подсоединена через последовательно соединенные третий резистор 5, терморезистор 7 и четвертый резистор 6 ко входу интегратора. Выход операционного усилителя 8 через терморезистор 7 подсоединен к инвертирующему входу операционного усилителя 8. Второй 4 и четвертый 6 резисторы имеют одинаковое сопротивление.

Интегральный преобразователь работает следующим образом. Ток i от источника тока, например датчика тока, поступает на входную шину 1, течет далее через первый резистор 2, второй резистор 4 и третий резистор 5 и соответственно равен:
i = i₀ + i₁₁ + i₁₂. (1)
При этом, учитывая, что на входной шине 1 напряжение равно U_i (т.к. на инвертирующем входе интегратора 3 и на инвертирующем входе операционного усилителя 8 нулевое напряжение) и оно определяется как:
U_i = i₀ • R1, (2)
выражение (1) можно записать как:
i = U_i/R1 + U_i/R3 + U_i/R2. (3)
Подставляя выражение (2) в (3), получим:
i = i₀ + i₀ • R1/R3 + i₀ • R1/R2. (4)
Вместе с тем ток от датчика i можно представить как:

где i_н•μ•Δt - температурная составляющая, обусловленная изменением номинального тока i_н от температуры, Δt - изменение температуры от номинального значения, μ - коэффициент температурного изменения передаточной характеристики датчика.

На вход интегратора 3 поступает ток i₀+Δi_t, при этом: Δi_t = i₁₂-i_t, учитывая, что коэффициент усиления операционного усилителя определяется как Rt/R3 и, соответственно, U_t = U_i • Rt/R3, а i_t = U_t/R4 и U_i = i₀ • R1, выражение для Δi_t примет вид:
Δi_t = i₀•R1/R2-i₀•R1•Rt/R4•R3. (6)
Принимая во внимание то, что устройство компенсирует температурный уход датчика и на вход интегратора 3 должен поступать номинальный ток i_н, можно написать равенство:
i₀+Δi_t = i_н. (7)
Подставляя в данное выражение Δi_t из (6) и приравнивая его к i_н, полученному из выражения (5), в результате получим:
i₀+i₀•R1/R2-i₀•R1•Rt/R4•R3 = i±i_н•μ•Δt. (8)
При практической реализации i >> i₁, т.к. R1 выбирается из условия создания необходимой нагрузки для генератора тока в датчике, защиты от токов K3 и поэтому достаточно низкоомно, а R2 и R3, учитывая высокоомное сопротивление входов операционного усилителя, может быть выбрано очень большим. Поэтому можно принять приближение: i ≈ i₀ ≈ i_н, учитывая которое выражение (8) примет вид:
i₀•(1+R1/R2-R1•Rt/R4•R3) = i₀•(1±μ•Δt). (9)
или, что то же самое:
R1/R2-R1•Rt/R4•R3 = ±μ•Δt. (10)
Сопротивление терморезистора связано с изменением температуры соотношением:
Rt = Rt₀±Rt₀•k_t•Δt,(11)
где Δt - изменение температуры от номинального значения, k_t - коэффициент температурного изменения терморезистора. Подставляя выражение (11) в (10), получим:
R1/R2-R1•(Rt₀±Rt₀•k_t•Δt)/R4•R3 = ±μ•Δt. (12)
Из (12) для нормальных условий, когда Δt = 0, получим соотношение между сопротивлениями для резисторов схемы:
R1/R2 = R1 • Rt₀/R₄ • R3. (13)
Сокращая и учитывая, что R2 = R4, получим:
R3 = Rt₀. (14)
Учитывая последнее выражение (14), соотношение (12) примет вид:
±R1•Rt₀•k_t•Δt/R4•R3 = ±μ•Δt, (15)
или, что то же самое:
±R1•Rt₀•k_t/R4•R3 = ±μ. (16)
Схема, реализованная с учетом выражения (16), будет компенсировать температурную нестабильность. Так, пусть, например, ток i, поступающий из датчика, при росте температуры превышает на некоторую величину номинальное значение. В результате этого U_i будет, соответственно, выше, чем при номинальном токе, кроме этого изменится (возрастет) коэффициент усиления операционного усилителя 8 в связи с изменением сопротивления терморезистора 7 и как следствие увеличится по модулю U_t, а так как U_t имеет обратный знак относительно U_i (инверсное включение операционного усилителя 8), то в результате этого увеличится ток, текущий от входа интегратора 3 к выходу операционного усилителя 8. Это приращение с выхода операционного усилителя 8 и скомпенсирует температурное приращение тока датчика. Аналогичным образом схема работает и при уменьшении входного тока.

В случае, если коэффициент μ выбрать с учетом температурного ухода датчика тока и всех элементов интегрального преобразователя, т.е.:
μ = μ_{датчика}+μ_{интегральногопреобразователя},
то данная схема будет компенсировать температурную нестабильность как самого датчика, так и интегрального преобразователя.

Эффект от использования предлагаемого интегрального преобразователя заключается в том, что он позволяет проводить температурную компенсацию, что позволяет значительно повысить точность преобразования. Например, при использовании датчика с коэффициентом температурного изменения передаточной характеристики μ = 0,0001 на один градус и изменении температуры от номинального значения на 30^o (Δt = 30^°), погрешность составит i_н•μ•Δt или 0,003i_н.
Оценим температурную погрешность интегрального преобразователя с термокомпенсацией. Подставим в температурную составляющую W = i_н•μ•Δt коэффициент μ, выраженный из (16), получим:.

W = i_н•k_t•Δt•R1•Rt₀/R4•R3. (17)
Выразим погрешность ΔW через погрешности всех составляющих правой части выражения (17). Погрешность (приращение) ΔW функции W можно определить как полный дифференциал последней, т.е.:
.

Подставляя в данную оценку выражение для W из (17), находя частные производные и беря их абсолютные (по модулю) значения, получим:
.

Исходя из соотношения (16) и исходного значения μ = 0,0001 выберем параметры остальных элементов схемы, например, k_t•Δt = 0,5, R1 = 1 к, Rt₀ = 100 к, R3 = 100 к, R4 = 500 к. Погрешности данных элементов, обусловленные температурной нестабильностью, могут быть следующего порядка: Δ(k_t•Δt) = 0,02, ΔR1 = 0,01к,ΔRt₀ = 2к,ΔR3 = 1к,ΔR4 = 5к. Подставляя выбранные значения в выражение для погрешности ΔW, получим: ΔW = 0,00009i_н, что в десятки раз лучше, чем без температурной компенсации.

Учитывая, что устройство, компенсирующее температурную нестабильность, практически вставляется в разрыв токовой цепи и имеет малые размеры (содержит небольшое количество элементов), его можно использовать в нескольких местах схемы, например, одно располагается рядом с датчиком (температура его терморезистора равна температуре датчика), а другое - рядом с интегратором преобразователя (температура его терморезистора равна температуре элементов интегратора). В таком случае точность преобразования может быть увеличена. Данный интегральный преобразователь может быть использован для работы с любыми датчиками токов, например датчиками влажности, акселерометрами и т.д., в системах, где требуется высокая надежность.

Предлагаемая совокупность признаков в рассмотренных авторами решениях не встречалась для решения поставленной задачи и не следует явным образом из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критериям "новизна" и "изобретательский уровень". В качестве элементов для реализации интегрального преобразователя можно использовать любые резисторы, терморезисторы, например С2-33H, ММТ-1, и операционные усилители любых серий, например 544-й.

Литература
[1] - Заявка ФРГ N 2057856, М. кл. H 03 K 13/00, от 27.03.75. Устройство для преобразования электрического напряжения в пропорциональную напряжению частоту.

[2] - Авторское свидетельство СССР N 921080, кл. H 03 K 13/20, от 24.07.80. Преобразователь напряжения в частоту.

Использование: в области электронной техники, для преобразования тока в частоту в устройствах с высокими требованиями к надежности и точности преобразования. Технический результат заключается в повышении точности за счет снижения влияния температурного ухода преобразователя и источника сигнала. Интегральный преобразователь позволяет производить компенсацию температурной погрешности сигналов датчика и компенсацию изменения параметров деталей самого преобразователя от температуры. Данный интегральный преобразователь используется для работы с любыми датчиками токов и в системах, где требуется высокая надежность. Интегральный преобразователь реализуется с использованием небольшого числа элементов. Он имеет высокую надежность. Благодаря малым размерам (малому числу элементов) он легко размещается вместе с датчиком. 1 ил.

Интегральный преобразователь содержащий, последовательно соединенные входную шину, первый резистор и интегратор, отличающийся тем, что в него дополнительно введены второй, третий, четвертый резисторы, терморезистор и операционный усилитель, при этом второй резистор подсоединен параллельно первому резистору, входная шина подсоединена через последовательно соединенные третий резистор, терморезистор и четвертый резистор ко входу интегратора, а выход операционного усилителя через терморезистор подсоединен к инвертирующему входу операционного усилителя, причем второй и четвертый резисторы выбираются равными.