ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 2001 года по МПК H03M1/60 G01K7/16 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, описанные которого приведено в [1].

Недостатком его является наличие погрешности, обусловленной конечной величиной постоянной времени разряда конденсатора. Кроме этого 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 этого 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, первый, второй терморезисторы, операционный усилитель, электронный ключ и датчик температуры с релейным переключением при температуре t_n, при которой происходит изменение температурного коэффициента источника входного сигнала, при этом второй резистор подсоединен параллельно первому резистору, входная шина подсоединена через третий резистор к инвертирующему входу операционного усилителя, выход которого через четвертый резистор подключен к входу интегратора, через первый терморезистор - к первому входу электронного ключа и через второй терморезистор - ко второму входу электронного ключа, выход датчика температуры соединен с управляющим входом электронного ключа, выход которого соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, причем выбираются равными второй и четвертый резисторы, а также сопротивления первого и второго терморезисторов при температуре t_n.

На чертеже представлена блок-схема интегрального преобразователя. Где 1 - входная шина, 2 - первый резистор, 3 - интегратор, 4 - второй резистор, 5 - третий резистор, 6 - четвертый резистор, 7 - первый терморезистор, 8 - перационный усилитель, 9 - второй терморезистор, 10 - электронный ключ, 11 - датчик температуры.

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 третий резистор 5 к инвертирующему входу операционного усилителя 8, выход которого через четвертый резистор 6 подключен к входу интегратора 3, через первый терморезистор 7 - к первому входу электронного ключа 10 и через второй терморезистор 9 - ко второму входу электронного ключа 10. Выход датчика температуры 11 соединен с управляющим входом электронного ключа 10, выход которого соединен с инвертирующим входом операционного усилителя 8. Второй 4 и четвертый 6 резисторы имеют одинаковое сопротивление. Первый 7 и второй 9 терморезисторы имеют одинаковое сопротивление при температуре t_n, при которой происходит изменение температурного коэффициента источника входного сигнала. Первый 7, второй 9 терморезисторы и датчик температуры 11 располагаются рядом с источником сигнала и имеют одинаковую с ними температуру.

Интегральный преобразователь работает следующим образом. Пусть источник входного сигнала, поступающего на входную шину 1, имеет разные коэффициенты температурной погрешности на разных диапазонах температуры, граница которых определяется температурой t_n. При температуре ниже, чем t_n на выходе датчика температуры 11 и, соответственно, на управляющем входе электронного ключа 10 отсутствует сигнал (низкий уровень), в результате чего электронный ключ 10 находится в исходном состоянии и его первый вход подсоединен к выходу, т.е. операционный усилитель 8 охвачен отрицательной обратной связью через первый терморезистор 7. А по достижении температуры t_n на выходе датчика температуры 11 появляется сигнал (высокий уровень), который поступая на управляющий вход электронного ключа 10 вызывает его переключение: первый вход отсоединяется от выхода, а к последнему подсоединяется второй вход, в результате чего операционный усилитель 8 охвачен отрицательной обратной связью через второй терморезистор 9. Сопротивление открытого канала ключа во много раз меньше чем сопротивление первого 7 и второго 9 терморезисторов, т.е. сопротивление открытого канала ключа можно не учитывать. Ток i от датчика тока (источника сигнала) 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)
Рассмотрим работу интегрального преобразователя при температуре ниже, чем t_n. Ток от датчика (источника сигнала) i можно также представить как:
i = i_н±i_н·μ₁·Δt, (5)
где i_н·μ₁·Δt - температурная составляющая, обусловленная изменением номинального тока i_н от температуры, Δt - изменение температуры от номинального значения, μ₁ - коэффициент температурного изменения передаточной характеристики источника сигнала при температуре ниже, чем t_n.

На вход интегратора 3 поступает ток i₀+Δi_t, при этом: Δi_t = i₁₂+i_t, учитывая, что коэффициент усиления операционного усилителя определяется как Rt1/R3 и соответственно U_t = U_i·Rt1/R3, a i_t = U_t/R4 и U_i = i_i·R1 выражение для Δi_t примет вид:
Δi_t = i₀R1/R2-i₀·R1·Rt1/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·Rt1/R4·R3 = i±i_н·μ₁·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≈i_o≈i_н, учитывая которое выражение (8) примет вид:
i₀·(1+R1/R2-R1·Rt1/R4·R3) = i₀·(1±μ₁·Δt) (9)
или, что то же самое:
R1/R2-R1·Rt1/R4·R3 = ±μ₁·Δt (10)
Сопротивление терморезистора связано с изменением температуры соотношением:
Rt1 = Rt1₀±Rt1₀·k_t1·Δt, (11)
где Δt - изменение температуры от номинального значения, k_t1 - коэффициент температурного изменения первого терморезистора 7, Rt1₀ - сопротивление первого терморезистора 7 при номинальной (исходной) температуре. Подставляя выражение (11) в (10) получим:
R1/R2-R1·(Rt1₀±Rt1₀·k_t1·Δt)/R4·R3 = ±μ₁·Δt (12)
Из (12) для нормальных условий, когда Δt = 0 получим соотношение между сопротивлениями для резисторов схемы:
R1/R2 = R1·Rt1₀/R4·R3 (13)
Сокращая и учитывая, что R2 = R4 получим:
R3 = Rt1₀ (14)
Учитывая последнее выражение (14) соотношение (12) примет вид:
±R1·Rt1₀·k_t1·Δt/R4·R3 = ±μ₁·Δt, (15)
или, что то же самое:
±R1·Rt1₀·k_t1/R4·R3 = ±μ₁, (16)
Аналогичным образом можно получить соотношение для работы интегрального преобразователя при температуре выше, чем t_n:
±R1·Rt2₀·k_t2/R4·R3 = ±μ₂, (16a)
где k_t2 - коэффициент температурного изменения второго терморезистора 9, μ₂ - коэффициент температурного изменения передаточной характеристики источника сигнала при температуре выше, чем t_n, Rt2₀ - сопротивление второго терморезистора 9 при номинальной (исходной) температуре.

Схема, реализованная с учетом выражений (16) и (16a), 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 (ростом) сопротивления первого 7 (или второго 9) терморезистора 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 от температуры.

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, причем не только для датчиков (источников сигнала) с линейной зависимостью параметра от температуры, но и для сигналов, у которых происходит изменение температурного коэффициента при некоторой температуре t_n, что позволяет значительно повысить точность некоторой температуре t_n, что позволяет значительно повысить точность преобразования. Сравним точность прототипа и предлагаемого интегрального преобразователя. Для упрощения сравнения рассмотрим работу на одном температурном участке - температура меньше чем t_n. Например, при использовании датчика с коэффициентом температурного изменения передаточной характеристики μ₁ = 0,0001 на один градус и изменении температуры от номинального значения на 30^o (Δt = 30^°), погрешность составит i_н·μ₁·Δt или 0,003i_н.

Оценим температурную погрешность интегрального преобразователя с термокомпенсацией. Подставим в температурную составляющую W = i_н·μ₁·Δt коэффициент μ₁, выраженный из (16), получим:
W = i_н·k_t1·Δt·R1·Rt1₀/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 μ₁ = 0,0001 выберем параметры остальных элементов схемы, например, k_t1·Δt = 0,5, R1 = 1 к, Rt1₀ = 100 к, R3 = 100 к, R4 = 500 к. Погрешности данных элементов, обусловленные температурной нестабильностью, могут быть следующего порядка:
Подставляя выбранные значения в выражение для погрешности ΔW получим: ΔW = 0,00009i_н, что в десятки раз лучше, чем без температурной компенсации.

Аналогичным образом можно получить оценку и на другом температурном интервале. Общая оценка составит сумму двух погрешностей.

Учитывая что устройство, компенсирующее температурную нестабильность, практически вставляется в разрыв токовой цепи и имеет малые размеры (содержит небольшое количество элементов), его можно повторять - 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., имеющими температурный коэффициент с точкой перегиба в системах, где требуется высокая надежность. Причем источник сигнала может иметь как положительный, так и отрицательный коэффициент температурного изменения передаточной характеристики в обоих температурных диапазонах работы.

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, С2-33Н, ММТ-1, операционные усилители и электронные ключи любых серий, например, 544-й и 590-й.

Литература
[1] - Заявка ФРГ N 2057856 от 27.03.75. Устройство для преобразования электрического напряжения в пропорциональную напряжению частоту.

[2] - Авторское свидетельство СССР N 921080 от 18.04.82. Преобразователь напряжения в частоту.

Изобретение относится к электронной технике и может использоваться для преобразования тока в частоту в устройствах с высокими требованиями к надежности и точности преобразования. Интегральный преобразователь (ИП) содержит первый, второй, третий, четвертый резисторы (Р) (2, 4, 5, 6), интегратор (3), операционный усилитель (ОУ) (8), между его выходом и инвертирующим входом включены первый и второй терморезисторы (ТР) (7, 9) и ключ (К) (10) с двумя входами, соединенными с ТР (7, 9). Выход датчика температуры (ДТ) (11) с релейным переключением при температуре tn, при которой происходит изменение температурного коэффициента источника входного сигнала, соединен с управляющим входом К (10). При появлении на выходе ДТ (11) сигнала, при достижении температуры tn, К10 переключается и ОУ (8) становится охваченным отрицательной обратной связью через второй ТР (9). Приращение тока с выхода ОУ (8) скомпенсирует температурное приращение тока ДТ (11). Технический результат: ИП позволяет проводить компенсацию температурной погрешности сигналов датчика, а также компенсацию изменения параметров деталей самого преобразователя от температуры. ИП имеет высокую надежность, а благодаря малым размерам (малому числу элементов), он может быть легко размещен 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, первый, второй терморезисторы, операционный усилитель, электронный ключ и датчик температуры с релейным переключением при температуре t_n, при которой происходит изменение температурного коэффициента источника входного сигнала, при этом второй резистор подсоединен параллельно первому резистору, входная шина подсоединена через третий резистор к инвертирующему входу операционного усилителя, выход которого через четвертый резистор подключен к входу интегратора, через первый терморезистор - к первому входу электронного ключа и через второй терморезистор - ко второму входу электронного ключа, выход датчика температуры соединен с управляющим входом электронного ключа, выход которого соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, причем выбираются равными второй и четвертый резисторы, а также сопротивления первого и второго терморезисторов при температуре t_n.