ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 2002 года по МПК G01R22/00 G01R19/32 

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

Известен преобразователь сигнала датчиков с токовым выходом, 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 этого точность преобразования сильно зависит от изменений температуры.

Известен преобразователь сигнала датчиков с токовым выходом - 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 неприемлемо.

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, n терморезисторов, операционный усилитель, мультиплексор, датчик температуры, многопороговое устройство на n - 1 порогов и шифратор, 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 соответствующие терморезисторы - к соответствующим n входам мультиплексора, выход датчика температуры соединен с входом многопорогового устройства, выходы которого соединены с соответствующими входами шифратора, а выходы последнего - с управляющими входами мультиплексора, выход которого соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, причем выбираются равными второй и четвертый резисторы, а также сопротивления R_ti-го и R_t(i+1)-го (i = 1, 2, ... , n-1) терморезисторов при соответствующей температуре ti, где t1, t2, ... , ti, .. . , t(n-1) - значение температуры, при которой происходит изменение температурного коэффициента источника входного сигнала.

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 - первый терморезистор, 8 - операционный усилитель, 9 - второй терморезистор, 10 - мультиплексор, 11 - датчик температуры, 12 - многопороговое устройство, 13 - шифратор, 14 - n-й терморезистор.

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 мультиплексора 10, через второй терморезистор 9 - к второму входу мультиплексора 10, через n-й терморезистор 14 - к n-му входу мультиплексора 10. Выход датчика температуры 11 соединен с входом многопорогового устройства 12, выходы которого соединены с соответствующими входами шифратора 12, а выходы последнего - с управляющими входами мультиплексора 10. Выход мультиплексора 10 соединен с инвертирующим входом операционного усилителя 8. Второй 4 и четвертый 6 резисторы имеют одинаковое сопротивление. R_ti-й и R_t(i+1)-й (i = 1, 2, ... , n-1) терморезисторы имеют одинаковое сопротивление при соответствующей температуре ti, где t1, t2, ... , ti, ... , t(n-1) - значение температуры, при которой происходит изменение температурного коэффициента источника входного сигнала. Все 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, границы которых определяются температурой ti (i = 1, 2, ... , n-1). При температуре ниже чем t1 на выходе датчика температуры 11 такой сигнал, что все компараторы многопорогового устройства 12 находятся в исходном состоянии. На всех входах шифратора 13 (служит для формирования сигналов на управляющие входы мультиплексора 10, и таким образом для логического согласования многопорогового устройства 12 и мультиплексора 10) низкий уровень, в результате чего на управляющих входах мультиплексора 10 нулевая комбинация - мультиплексор 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. При повышении температуры окружающей среды (источника сигнала) выше порога t1 (до уровня, лежащего между порогами от t1 до t2) на выходе датчика температуры 11 появляется такой сигнал, который вызывает срабатывание первого компаратора многопорогового устройства 12, на первом выходе последнего появляется высокий уровень. Этот высокий уровень, поступая на первый вход шифратора 13, разрешит ему сформировать такую кодовую комбинацию на управляющие входы мультиплексора 10 в результате чего у последнего будет соединен второй вход с выходом - в результате чего операционный усилитель 8 охвачен отрицательной обратной связью через второй терморезистор 9. При росте температуры и превышении величины t2 произойдет срабатывание второго компаратора и так далее - в каждом температурном диапазоне через соответствующий вход мультиплексора 10 будет подключаться свой терморезистор. Сопротивление открытого канала мультиплексора 10 во много раз меньше, чем сопротивление терморезисторов, т.е. сопротивление открытого канала мультиплексора 10 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 t1. 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 t1.

На вход интегратора 3 поступает ток i_o+_Δi_t, при этом _Δi_t= i₁₂-i_t, учитывая, что коэффициент усиления операционного усилителя определяется как R_t1/R₃ соответственно U_t = U_i•R_t1/R₃, а i_t = U_t/R₄ и U_i = i₀•R₁ выражение для _Δi_t примет вид
_Δi_t= i_o•R₁/R₂-i_o•R₁•R_t1/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
i_o+_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
i_o+i_o•R₁/R₂-i_o•R₁•/R_t1/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 KЗ и поэтому достаточно низкоомно, a 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
i_o•(1+R₁/R₂-R₁•R_t1/R₄•R₃) = i_o•(1∓μ₁•_Δt) (9)
или, что то же самое:
R₁/R_z-R₁•R_t1/R₄•R₃= ∓μ₁•_Δt. (10)
Сопротивление терморезистора связано с изменением температуры соотношением

где _Δt- изменение температуры от номинального значения, k_t1 - коэффициент температурного изменения первого терморезистора 7, сопротивление первого терморезистора 7 при номинальной (исходной) температуре. Подставляя выражение (11) в (10) получим

Из (12) для нормальных условий, когда _Δt = 0 получим соотношение между сопротивлениями для резисторов схемы

Сокращая и учитывая, что R2 = R4 получим

Учитывая последнее выражение (14) соотношение (12) примет вид

или, что то же самое

Аналогичным образом можно получить соотношение для работы интегрального преобразователя в любом температурном диапазоне, например при температуре выше чем t(n-1)

где k_tn - коэффициент температурного изменения n-го терморезистора 14, μ_n - коэффициент температурного изменения передаточной характеристики источника сигнала при температуре выше чем t(n-1), сопротивление n-го терморезистора 14 при номинальной (исходной) температуре.

Схема, реализованная с учетом выражений (16) - (16а), 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 соответствующего 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_д+μ_инт. где μ_д- коэффициент температурного ухода датчика тока, а μ_инт- коэффициент температурного ухода всех элементов интегрального преобразователя, 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 изменение температурного коэффициента происходит по разному внутри различных температурных диапазонов, 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 t1. Например, при использовании датчика с коэффициентом температурного изменения передаточной характеристики μ₁ = 0,0001 на один градус и при изменении температуры от номинального значения на 30^o (_Δt = 30^°), погрешность составит i_н•μ₁•_Δt или 0,0031i_н.

Оценим температурную погрешность интегрального преобразователя с термокомпенсацией. Подставим в температурную составляющую W = i_н•μ₁•_Δt коэффициент μ_1/ выраженный из (16), получим

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, Rt₀ = 100 к, R₃ = 100 к, R₄ = 500 к. Погрешности данных элементов, обусловленные температурной нестабильностью, могут быть следующего порядка:
_Δ(k_t1•_Δt) = 0,02,
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 других температурных интервалах.

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 несколькими точками перегиба в системах где требуется высокая надежность. К таким датчикам относятся датчики со сложным устройством (большим числом элементов), при этом разные элементы датчика изменяют свои характеристики от температуры по разным законам (в том числе имеют нелинейные характеристики), и суммарное влияние элементов датчика на измеряемый параметр при изменении температуры может выражаться сложной кривой, с отрезками передаточной характеристики, имеющими как положительный так и отрицательный наклоны.

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-ЗЗН, ММТ-1, операционные усилители и логические микросхемы любых серий, например 544-й и 564-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 24.07.81. Преобразователь напряжения в частоту.

Предлагаемое изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано для преобразования тока в частоту в устройствах с высокими требованиями к надежности и точности преобразования. Интегральный преобразователь позволяет проводить компенсацию температурной погрешности сигналов датчика, а также компенсацию изменения параметров деталей самого преобразователя от температуры. Данный интегральный преобразователь может быть использован для работы с любыми датчиками токов, например датчиками влажности, акселерометрами и т.д., имеющими нелинейный температурный коэффициент с несколькими точками перегиба в системах, где требуется высокая надежность. Интегральный преобразователь может быть реализован с использованием небольшого числа элементов и, как следствие, имеет высокую надежность, а благодаря малым размерам (малому числу элементов) он может быть легко размещен вместе с датчиком. Технический результат - повышение надежности. 1 ил.

Преобразователь для компенсации температурной нестабильности датчиков с токовым выходом, содержащий последовательно соединенные входную шину, первый резистор и интегратор, отличающийся тем, что в него дополнительно введены второй, третий и четвертый резисторы, n терморезисторов, операционный усилитель, мультиплексор, датчик температуры, многопороговое устройство на n - 1 порогов и шифратор, 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 соответствующие терморезисторы - к соответствующим n входам мультиплексора, выход датчика температуры соединен с входом многопорогового устройства, выходы которого соединены с соответствующими входами шифратора, а выходы последнего - с управляющими входами мультиплексора, выход которого соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, причем выбираются равными второй и четвертый резисторы, а также сопротивления R_ti-го и R_t(i+1)-го (i = 1, 2, . . . , n - 1) терморезисторов при соответствующей температуре ti, где t1, t2, . . . , ti, t(n - 1) значение температуры, при которой происходит изменение температурного коэффициента источника входного сигнала.