ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ТЕМПЕРАТУРЫ Российский патент 2003 года по МПК G01K7/16 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в устройстве для измерения температуры с непосредственным преобразованием ее в частоту электрического сигнала.

Известен [1] датчик температуры с частотным выходом, содержащий релаксационный генератор, выполненный на основе однопереходного транзистора, полевого транзистора с р-n переходом, конденсатора и полевого транзистора с изолированным затвором и встроенным каналом. Релаксационный генератор генерирует выходной сигнал с частотой, пропорциональной емкости конденсатора.

Достоинством датчика является возможность передачи сигнала на значительные расстояния, что обусловлено цифровой формой его выходного сигнала.

Датчик имеет следующий недостаток. В процессе эксплуатации под действием дестабилизирующих факторов величина емкости конденсатора изменяется относительно номинального значения, в результате чего появляется погрешность частоты выходного сигнала датчика.

За прототип заявляемого изобретения взят преобразователь температуры с частотным выходом [2] , содержащий генератор, выполненный на двух операционных усилителях и снабженный частотно-задающей цепочкой, включающей в себя соединенные электрически последовательно терморезистор и три резистора, а также трехканальный коммутатор, выполненный с возможностью изменения способа подключения частотно-задающей цепочки.

Достоинством прототипа является высокая точность измерения температуры, что достигается за счет использования нескольких каналов измерения и расчета на основе дополнительной информации калибровочных коэффициентов.

Недостатками прототипа являются использование внешнего устройства для управления коммутатором и наличие дополнительных проводов для подачи управляющего сигнала от такого внешнего устройства. Так, в случае задания номера канала коммутатора двоичным кодом, для переключения канала к коммутатору необходимо подвести два провода. При использовании коммутатора, в котором для включения каждого канала используется свой отдельный сигнал, потребуется три провода. Таким образом, если для передачи информации о температуре используется один провод, то для переключения каналов коммутатора нужно 2-3 провода.

Задачей изобретения является создание преобразователя температуры с автоматическим коммутированием каналов измерения.

Указанная задача решается в преобразователе температуры, включающем в себя генератор с частотно-задающей цепочкой, в состав которой входят включенные электрически последовательно терморезистор и несколько резисторов, а также трехканальный коммутатор с возможностью изменения способа подключения частотно-задающей цепочки. Задача решается тем, что преобразователь снабжен устройством управления коммутатором. При этом устройство управления коммутатором может быть выполнено в виде последовательно соединенных первого счетчика и второго счетчика по модулю три, причем вход первого счетчика подключен к выходу преобразователя, а выходы счетчика по модулю три подключены к управляющим входам коммутатора.

Для использования заявляемого преобразователя не требуется подключение внешнего устройства переключения каналов коммутатора.

Изобретение поясняется следующими чертежами.

На фиг.1 представлена электрическая схема преобразователя.

На фиг. 2 изображены эпюры напряжения, иллюстрирующие работу преобразователя.

Изобретение может быть реализовано в преобразователе температуры (см. фиг. 1), включающем в себя операционные усилители A1 и А2, резистор R1, соединяющий выход операционного усилителя А1 с инвертирующим входом операционного усилителя А2, конденсатор С1, включенный в цепь отрицательной обратной связи операционного усилителя А2, коммутатор D1, терморезистор R3 и резисторы R2, R4 и R5, включенные последовательно в цепь положительной обратной связи операционного усилителя А1, точки А, В, С соединений которых поочередно подключаются с помощью коммутатора D1 к неинвертирующему входу усилителя А1.

Для реализации изобретения в схему преобразователя включены последовательно соединенные счетчик D2 и счетчик D3 по модулю три. Вход счетчика D2 подключен к выходу первого операционного усилителя А1, являющемуся выходом преобразователя температуры, а выходы счетчика D3 по модулю три подключены к управляющим входам коммутатора D1. При этом счетчик D3 осуществляет переключение коммутатора D1, а счетчик D2 задает скорость переключения.

Номер включенного канала в коммутаторе D1 может определяться как в виде двоичного кода (например, при использовании в качестве коммутатора микросхемы 590 КН 3), так и в виде позиционного кода, когда у каждого канала есть отдельный управляющий вход (например, при использовании микросхемы 561 КТ 3). В зависимости от этого, в качестве счетчика по модулю три, следует использовать счетчик [3] с двоичным кодом на выходе или счетчик с тремя выходами [4].

Устройство работает следующим образом.

В положении, когда в коммутаторе D1 включен первый канал, преобразователь генерирует сигнал, частота которого равна [2, 5]:
F0=a1•(R2/(R5+R4+R3))+a0, (1)
где а0 - коэффициент, учитывающий неидеальность операционных усилителей, в частности, временные задержки;
a1=1/(4•R1•C1) - коэффициент чувствительности.

Через каждые N импульсов, поступающих с выхода операционного усилителя A1 на вход счетчика D2, на выходе счетчика D2 генерируется импульс, переключающий положение счетчика D3 и, следовательно, положение коммутатора D1, где N - коэффициент деления счетчика D2.

При включении второго и третьего канала в коммутаторе D1 преобразователь генерирует сигнал, частота которого соответственно будет равна:
F1=a1•((R2+R3)/(R5+R4))+a0, (2)
F2=a1•((R2+R3+R4)/R5)+a0. (3)
Таким образом, преобразователь температуры генерирует последовательно три пачки импульсов с частотами F0, F1, F2, причем в каждой пачке количество импульсов строго равно N.

Нестабильность данного датчика можно определить как изменения коэффициентов а0, а1 под действием дестабилизирующих факторов, в качестве которых может выступать долговременная (в течение нескольких лет) нестабильность параметров электрических элементов, влияние изменения напряжения питания, изменение C1 под действием температуры и т.д.

Таким образом, контролируя и учитывая изменения а0, а1 точность измерения температуры можно повысить.

Используя выражения (1), (2), (3) находят коэффициенты а0, а1, с учетом которых выражение для определения R3 имеет вид [2]
R3=(R5+R4)/(K0-1), (4)
где K0=((F2-Fl)R5)/((F1-F0)R4).

Таким образом, необходимо обеспечить стабильность только двух прецизионных резисторов R5 и R4, а к стабильности других элементов, в частности к наименее стабильному элементу С1, нет жестких требований. По значению сопротивления R3 определяют температуру Т по формуле:
T=(R3-R0)/αR0, (5)
где R0 - сопротивление терморезистора при нулевой температуре,
α - температурный коэффициент терморезистора.

Значение N выбирается, исходя из необходимой точности измерения частот F0, F1, F2. Чем точнее необходимо измерять частоты (температуру), тем больше времени необходимо тратить на измерения частоты и тем большим должно быть N. Конкретное значение N зависит от метода измерения частоты (измерение периода или измерение частоты) и частоты кварцевого резонатора, используемого при измерении.

Из анализа выражений (1), (2), (3) видно, что при любых R3 справедливо соотношение F0<F1<F2. Таким образом, в том месте, где производится обработка информации с датчика, необходимо определять момент, когда текущая частота скачкообразно уменьшиться, и после этого можно измерить N импульсов с частотой F0, N импульсов с частотой F1, N импульсов с частотой F2, и определить температуру в соответствии с выражениями (4), (5).

Источники информации
1. А. с. 1201690 СССР, МКИ G 01 К 7/14. Датчик температуры с частотным выходом / Викулин И.М., Викулина Л.Ф. и др. - Опубл. 13.12.85, БИ 48.

2. А. с. 2115896 RU, МКИ G 01 К 7/16. Преобразователь температуры / Лиманова Н.И., Козырев Ю.Г. - Опубл. 20.07.98, БИ 20.

3. Справочник по интегральным микросхемам /Б.В.Тарабрин, С.В.Якубовский и др. ; Под ред. Б.В.Тарабрина. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергия, 1981, с.707.

4. В. Л.Шило. Популярные цифровые микросхемы. Справочник. М.: Металлургия, 1988, с.239.

5. У. Титце К. Шенк. Полупроводниковая схемотехника. М.: Мир, 1982, с. 307.4

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в устройстве для измерения температуры с непосредственным преобразованием ее в частоту электрического сигнала. Преобразователь температуры включает в себя генератор с частотно-задающей цепочкой, в состав которой входят включенные электрически последовательно терморезистор и несколько резисторов, а также коммутатор с возможностью изменения способа подключения частотно-задающей цепочки, за счет оснащения преобразователя устройством управления коммутатором, выполненным в виде последовательно соединенных первого счетчика и второго счетчика по модулю три, причем вход первого счетчика подключен к выходу преобразователя, а выходы счетчика по модулю три подключены к управляющим входам коммутатора. Технический результат изобретения заключается в упрощении схемы преобразователя и обеспечения автоматического коммутирования каналов измерения. 2 ил.

Преобразователь температуры, включающий в себя генератор с частотно-задающей цепочкой, в состав которой входят включенные электрически последовательно терморезистор и несколько резисторов, а также коммутатор с возможностью изменения способа подключения частотно-задающей цепочки, отличающийся тем, что преобразователь снабжен устройством управления коммутатором, выполненным в виде последовательно соединенных первого счетчика и второго счетчика по модулю три, причем вход первого счетчика подключен к выходу преобразователя, а выходы счетчика по модулю три подключены к управляющим входам коммутатора.