УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ И КОНТРОЛЯ ТЕМПЕРАТУРЫ Российский патент 2004 года по МПК G01K7/16 

Описание патента на изобретение RU2231760C1

Предлагаемое изобретение относится к устройствам для измерения и контроля температуры, выполненным на основе термопреобразователя сопротивления с трехпроводной линией связи, и может применяться в различных областях техники.

Известны устройства для измерения температуры, содержащие термопреобразователь сопротивления с трехпроводной линией связи, формирователь тока, резистор установки нуля и измерительный усилитель (см., например, Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах. Л.: Энергоатомиздат, 1988, стр. 85, а также "Устройство для измерения температуры" по авт. св. № 815523, МПК G 01 K 7/20, "Устройство для измерения температуры" по авт. св. № 1654679, МПК G 01 K 7/16, "Устройство для измерения температуры" по авт. св. № 1682828, МПК G 01 K 7/16 и др.).

Такие устройства обеспечивают формирование напряжения, пропорционального изменению сопротивления термопреобразователя, вызванному изменением температуры среды, в которой он находится.

Однако подобные устройства не содержат цепей для сигнализации об отклонении температуры относительно определенного уровня (уставки) из диапазона измеряемых температур, что ограничивает возможности их применения. С целью расширения функциональных возможностей таких устройств в них обычно вводится компаратор с цепью задания уставки срабатывания. При этом компаратор, который может иметь самые различные схемотехнические решения в зависимости от принципов построения всего устройства в целом, формирует дискретный сигнал о превышении температурой уровня уставки, а также обеспечивает необходимую ширину петли гистерезиса (см., например, "Устройство для выработки предупреждающего сигнала при отклонении температуры" по патенту Японии JP 02757518 [В2] 25.05.98, МПК G 01 K 7/32). Применение в таких устройствах в цепях сигнализации об уровне температуры разнообразных аналого-цифровых блоков усложняет устройство и снижает его надежность.

Прототипом заявленного устройства является устройство для измерения температуры по патенту РФ № 2190198, МПК G 01 K 7/24, содержащее термопреобразователь сопротивления с тремя линиями связи, формирователь тока на операционном усилителе, выход которого подключен к первой линии связи, а инвертирующий вход через токозадающий резистор к источнику питания, измерительный усилитель, подключенный по входам к первой и второй линиям связи, резистор установки нуля, первый вывод которого подключен к третьей линии связи, а второй вывод - к инвертирующему входу операционного усилителя в формирователе тока, последовательно включенные задатчик кода, цифроаналоговый преобразователь и сумматор, другой вход которого соединен с выходом измерительного усилителя.

В этом устройстве контроль отклонения температуры от задаваемого (программируемого) кодом уставки уровня может быть обеспечен применением простой схемы, в которую входят компаратор и последовательно включенные задатчик кода, цифроаналоговый преобразователь и сумматор, выход которого соединен с входом компаратора. Недостаток такого устройства для измерения и контроля температуры заключается в следующем. Напряжение (Uвых) на выходе измерительного усилителя зависит не только от температуры (изменения сопротивления термодатчика Rt), но и от тока (I), протекающего через термопреобразователь сопротивления (Uвых=К·I·Rt, где К - масштабный коэффициент).

При сравнении на входах сумматора этого напряжения с напряжением уставки, формируемым задатчиком кода и цифроаналоговым преобразователем, возникают погрешности контроля заданного уровня температуры и ширины петли гистерезиса, обусловленные зависимостью выходного напряжения измерительного усилителя от тока через термопреобразователь, в результате чего снижается точность контроля температуры и формирования петли гистерезиса. Кроме того, необходимо отметить следующее. В реальных системах управления и контроля с использованием в качестве первичного датчика температуры термопреобразователей сопротивления уровень переменной составляющей на выходе измерительного усилителя обычно увеличивается с ростом температуры (из-за увеличения выходного сопротивления первичного датчика), что требует для устойчивой работы системы расширения петли гистерезиса при увеличении сигнала от первичного датчика. Это требование характерно и для двухпозиционных регуляторов температуры (с точки зрения сохранения их точности при любой уставке температуры из диапазона ее возможных значений). В рассматриваемых устройствах ширина петли гистерезиса имеет постоянное значение, что сужает функциональные возможности таких устройств.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение точности контроля температуры и расширение функциональных возможностей устройства для измерения и контроля температуры с программируемой уставкой срабатывания.

Для решения указанной задачи в устройство для измерения и контроля температуры, содержащее термопреобразователь сопротивления с тремя линиями связи, формирователь тока на операционном усилителе, выход которого подключен к первой линии связи, а инвертирующий вход через токозадающий резистор к источнику питания, измерительный усилитель, подключенный по входам к первой и второй линиям связи, резистор установки нуля, первый вывод которого подключен к третьей линии связи, а второй вывод - к инвертирующему входу операционного усилителя в формирователе тока, последовательно включенные задатчик кода, цифроаналоговый преобразователь и первый сумматор, другой вход которого соединен с выходом измерительного усилителя, введены компаратор, неинвертирующий усилитель, второй сумматор, инвертирующий усилитель и ключ, а цифроаналоговый преобразователь снабжен аналоговым умножающим входом, подключенным к первому входу второго сумматора и через неинвертирующий усилитель к первому выводу резистора установки нуля, второй вход второго сумматора подключен к выходу цифроаналогового преобразователя, выход второго сумматора подключен к дополнительному входу первого сумматора через последовательно соединенные инвертирующий усилитель и ключ, управляющий вход которого подключен к выходу компаратора, вход которого соединен с выходом первого сумматора.

Функциональная схема предлагаемого устройства для измерения и контроля температуры приведена на чертеже.

Устройство содержит термопреобразователь сопротивления 1 с тремя 2, 3, 4 линиями связи, формирователь тока 5 на операционном усилителе 6, инвертирующий вход которого через токозадающий резистор 7 подключен к источнику питания 8 и через конденсатор 9 к выходу операционного усилителя 6 и первой линии связи 2, измерительный усилитель 10, входы которого подключены к первой 2 и второй 3 линиям связи, а выход 11 является аналоговым выходом устройства, резистор 12 установки нуля, первый вывод которого подключен к третьей линии связи 4, а второй вывод - к инвертирующему входу операционного усилителя 6, первый сумматор 13, один вход которого соединен с выходом измерительного усилителя 10, другой вход - через цифроаналоговый преобразователь 14 с задатчиком 15 кода (уставки), а выход - со входом компаратора 16, выход которого является дискретным выходом 17 устройства. Устройство содержит также неинвертирующий усилитель 18, второй сумматор 19, инвертирующий усилитель 20 и ключ 21, причем цифроаналоговый преобразователь 14 снабжен аналоговым умножающим входом 22, подключенным к первому входу сумматора 19 и через неинвертирующий усилитель 18 к первому выводу резистора 12 установки нуля. Второй вход сумматора 19 подключен к выходу цифроаналогового преобразователя 14, а выход сумматора 19 подключен к дополнительному входу 23 сумматора 13 через последовательно соединенные инвертирующий усилитель 20 и ключ 21, управляющий вход которого подключен к выходу компаратора 16.

На чертеже в качестве примера показана возможная реализация измерительного усилителя 10, в который входят операционный усилитель 24, резисторы 25, 26 и масштабный усилитель 27, и сумматора 13, содержащего операционный усилитель 28 с входными резисторами 29, 30, 31 и резистором 32 в цепи обратной связи.

Устройство работает следующим образом.

Формирователь тока 5 создает в линии связи 2 ток I, который протекает по линии связи 2, термопреобразователю сопротивления 1, линии связи 4 и резистору 12 установки нуля, второй вывод которого имеет практически нулевой потенциал, так как он подключен к инвертирующему входу операционного усилителя 6 в формирователе тока 5. При этом величина тока I определяется напряжением источника питания 8 и сопротивлением токозадающего резистора 7, а за счет конденсатора 9 в цепи отрицательной обратной связи операционного усилителя 6 обеспечивается отсутствие статической погрешности тока I. В результате на входах измерительного усилителя 10 формируются напряжения (в случае пренебрежимо малого влияния сопротивлений линий связи и входного тока неинвертирующего усилителя 18)

где R0 - сопротивление термопреобразователя сопротивления 1 при начальной температуре t0 (например, t0=0° C);

Rt - изменение сопротивления термопреобразователя сопротивления 1, вызванное отклонением температуры от начальной на величину t;

R12 - сопротивление резистора 12 установки нуля.

Напряжение U11 на выходе измерительного усилителя 10 связано с напряжениями на его входах (при равенстве сопротивлений резисторов 25 и 26) выражением

где К27 - коэффициент усиления масштабного усилителя 27.

Для создания нулевого уровня напряжения U11 при начальной температуре t0 резистор 12 установки нуля выбирается из условия R12=R0. При этом, как следует из выражений (1), (2) (3), на аналоговом выходе 11 устройства формируется напряжение, пропорциональное изменению сопротивления термопреобразователя сопротивления 1, вызванному отклонением температуры от начального значения t0

Напряжение U11 с выхода измерительного усилителя 10 поступает на один вход сумматора 13, на другой вход которого от цифроаналогового преобразователя 14 подается напряжение уставки Uуст, величина которого определяется выражением

где N - значение кода, формируемого задатчиком 15 кода уставки;

K18 - коэффициент передачи неинвертирующего усилителя 18;

Nm - максимальное значение кода N.

Когда температура меньше заданного порога срабатывания, выполняется условие |U11|<|Uуст|, и при равенстве сопротивлений резисторов 29, 30 сигнал на выходе компаратора 16 и на дискретном выходе 17 устройства имеет нулевое значение, при этом ключ 21 разомкнут и выход инвертирующего усилителя 20 отключен от дополнительного входа 23 сумматора 13.

Срабатывание компаратора 16 происходит при условии |U11|<|Uуст|, т.е. когда напряжение U13 на выходе сумматора 13 имеет нулевое значение

или (при R12=R0) сопротивление срабатывания составляет

При срабатывании компаратора 16 сигнал на дискретном выходе 17 устройства принимает единичное значение, по которому открывается ключ 21, и на дополнительный вход 23 сумматора 13 с выхода инвертирующего усилителя 20 поступает напряжение

где K1, К2 - коэффициенты передачи сумматора 19 по входам для напряжений U18 и Uуст;

или с учетом выражений (2) и (5) и условия R12=R0

Отпускание компаратора 16 происходит (в случае пренебрежимо малого влияния ширины петли гистерезиса самого компаратора 16 или/и при большом коэффициенте передачи сумматора 13) при условии |U11|<|Uуст|-K3·|U20|, где К3 - коэффициент, характеризующий отношение сопротивлений резисторов R30 и R31 в сумматоре 13 (К3=R30/R31), из которого после ряда преобразований могут быть получены следующие выражения для сопротивления Rt.отп отпускания и ширины петли гистерезиса Δ г устройства

Ширина петли гистерезиса устройства и ее зависимость от уровня уставки (кода N) может изменяться в широких пределах за счет соответствующего выбора значений коэффициентов K1, K2 сумматора 19 и К3 сумматора 13.

Как видно из выражения (7), сопротивление термопреобразователя R, при котором происходит срабатывание компаратора 16, практически не зависит от тока, протекающего через термопреобразователь сопротивления, в результате чего достигается повышение точности контроля температуры (формирования единичного значения при достижении температурой заданного уровня уставки) при любом значении кода уставки N, который может изменяться в широких пределах (от 0 до Nm) и соответствовать одному из уровней внутри рабочего диапазона температур, измеряемых устройством.

Из выражений (10) и (11) следует, что уровень отпускания устройства (Rt. отп) и ширина петли гистерезиса (Δ г) также не зависят от протекающего через термопреобразователь тока, что обеспечивает повышение точности формирования ширины петли гистерезиса с возможностью ее изменения в широких пределах. При этом за счет предложенного построения устройства обеспечивается возможность задания ширины петли гистерезиса в зависимости от уставки, определяющей уровень срабатывания устройства.

Эффективность повышения точности контроля температуры можно показать на конкретном примере. Пусть, например, в качестве термопреобразователя сопротивления 1 применяется платиновый термометр с R0=50 Oм и диапазон измеряемых температур составляет 0-100° С (чему соответствует Rt≈20 Oм), задатчик 15 кода уставки обеспечивает возможность изменения кода N от 0 до 1023 (т.е. задатчик кода имеет 10 двоичных разрядов и позволяет устанавливать уровень срабатывания устройства через 0,1° С), а погрешность задания тока через термопреобразователь 1, определяемая резистором 7 и источником питания 8, характеризуется величиной ± 2% (что практически имеет место при использовании в качестве источника 8 стабилизатора напряжения для питания микросхем, на которых реализуется устройство). Как видно из выражений (7) и (11), уровень срабатывания и ширина петли гистерезиса устройства не зависят от тока, протекающего через термопреобразователь сопротивления, но, с другой стороны, их значения определяются также и масштабными коэффициентами K18, К27, K1, K2, К3, нестабильность которых может вызвать дополнительные составляющие погрешности указанных параметров устройства. Однако практически при применении для задания этих масштабных коэффициентов резистивных матриц (например, серий 301 и 313) эти составляющие могут быть уменьшены до пренебрежимо малых значений, поскольку определяются (в случае использования прецизионных операционных усилителей) изменением отношения сопротивлений, которое не превышает 0,035%. В то время как стабильность тока через термопреобразователь сопротивления определяется абсолютными значениями сопротивления токозадающего резистора 7 и напряжения источника питания 8. При этом зависимость ширины петли гистерезиса от уровня уставки может варьироваться в широких пределах за счет соответствующего выбора коэффициентов K1, К2, K3. Так, например, при конкретном применении устройства обеспечивается линейная зависимость ширины петли гистерезиса Δ г от 1° С при t=0° С до 3° С при t=100° C, в результате чего достигается устойчивое функционирование системы контроля температуры с такими устройствами в условиях воздействия помех из линий связи с первичными датчиками температуры.

Таким образом, в предложенном устройстве для измерения и контроля температуры с дискретным заданием уровня контролируемой температуры в пределах всего диапазона измеряемой температуры за счет формирования уровней срабатывания и отпускания устройства, пропорциональных протекающему через термопреобразователь сопротивления току, и формирования уровня отпускания устройства с учетом значения задаваемой уставки обеспечивается малое влияние на уровни срабатывания и отпускания устройства тока, протекающего через термопреобразователь сопротивления, и необходимая зависимость ширины петли гистерезиса от величины уставки, в результате чего достигается повышение точности контроля температуры и расширение функциональных возможностей устройства.

Похожие патенты RU2231760C1

название год авторы номер документа
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ 2001
  • Никулин Э.С.
  • Пахоменков Ю.М.
RU2190198C1
Устройство для измерения температуры 1983
  • Логинова Лидия Павловна
  • Дворников Вячеслав Сергеевич
SU1143996A1
Устройство для измерения температуры 1983
  • Гулька Мирослав Михайлович
  • Здеб Владимир Богданович
  • Огирко Роман Николаевич
  • Яцук Василий Александрович
  • Шморгун Евгений Иванович
  • Ляпко Георгий Васильевич
SU1154553A1
Устройство для измерения температуры 1988
  • Мотузко Виктор Семенович
SU1589080A1
Цифровой измеритель температуры 1984
  • Огирко Роман Николаевич
  • Яцук Василий Александрович
  • Здеб Владимир Богданович
SU1232962A1
ИЗМЕРИТЕЛЬ ПОТЕРЬ МОЩНОСТИ (ВАРИАНТЫ) 2011
  • Балыкин Евгений Сергеевич
  • Воротницкий Валерий Эдуардович
  • Ермаков Владимир Филиппович
  • Ермакова Елена Владимировна
  • Зайцева Ирина Владимировна
  • Коваленко Алексей Николаевич
RU2467337C2
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ 2002
  • Попов В.С.
RU2231797C1
Устройство для измерения электрических параметров операционных усилителей и компараторов напряжения 2016
  • Нуров Юрий Львович
  • Долгов Роман Сергеевич
  • Шустов Юрий Иванович
RU2612872C1
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РЫХЛОСТИ ЭПИТЕЛИАЛЬНОЙ ТКАНИ КИШЕЧНО-ЖЕЛУДОЧНОГО ТРАКТА 1991
  • Петляков Сергей Иванович
RU2026004C1
ИЗМЕРИТЕЛЬ СРЕДНЕЙ ТЕМПЕРАТУРЫ 2018
  • Гутников Анатолий Иванович
  • Анашкин Андрей Сергеевич
RU2674558C1

Реферат патента 2004 года УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ И КОНТРОЛЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

Изобретение относится к устройствам для измерения и контроля температуры. Устройство содержит термопреобразователь сопротивления с трехпроводной линией связи, измерительный усилитель, формирователь тока, резистор установки нуля, цепь уставки из последовательно соединенных задатчика кода, цифроаналогового преобразователя и первого сумматора, компаратор, неинвертирующий и инвертирующий усилители, второй сумматор и ключ. При этом аналоговый умножающий вход цифроаналогового преобразователя подключен к первому входу второго сумматора и через неинвертирующий усилитель к выводу резистора установки нуля. Второй вход второго сумматора подключен к выходу цифроаналогового преобразователя, выход второго сумматора подключен к дополнительному входу первого сумматора через последовательно соединенные инвертирующий усилитель и ключ, управляющий вход которого подключен к выходу компаратора, вход которого соединен с выходом первого сумматора. Изобретение позволяет повысить точность контроля температуры и расширить функциональные возможности устройства. 1 ил.

Формула изобретения RU 2 231 760 C1

Устройство для измерения и контроля температуры, содержащее термопреобразователь сопротивления с тремя линиями связи, формирователь тока на операционном усилителе, выход которого подключен к первой линии связи, а инвертирующий вход через токозадающий резистор - к источнику питания, измерительный усилитель, подключенный по входам к первой и второй линиям связи, резистор установки нуля, первый вывод которого подключен к третьей линии связи, а второй вывод - к инвертирующему входу операционного усилителя в формирователе тока, последовательно включенные задатчик кода, цифроаналоговый преобразователь и первый сумматор, другой вход которого соединен с выходом измерительного усилителя, отличающееся тем, что в него введены компаратор, неинвертирующий усилитель, второй сумматор, инвертирующий усилитель и ключ, а цифроаналоговый преобразователь снабжен аналоговым умножающим входом, подключенным к первому входу второго сумматора и через неинвертирующий усилитель к первому выводу резистора установки нуля, второй вход второго сумматора подключен к выходу цифроаналогового преобразователя, выход второго сумматора подключен к дополнительному входу первого сумматора через последовательно соединенные инвертирующий усилитель и ключ, управляющий вход которого подключен к выходу компаратора, вход которого соединен с выходом первого сумматора.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2004 года RU2231760C1

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ 2001
  • Никулин Э.С.
  • Пахоменков Ю.М.
RU2190198C1
Способ преобразования температуры в напряжение и устройство для его осуществления 1989
  • Степанюк Василий Антонович
SU1818548A1
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ТЕМПЕРАТУРЫ В ЦИФРОВОЙ КОД 1999
  • Попов В.Д.
  • Осипов Н.А.
  • Попов Д.В.
RU2163007C2
US 4060715 А, 29.11.1977
US 4117722 А, 03.10.1978.

RU 2 231 760 C1

Авторы

Никулин Э.С.

Пахоменков Ю.М.

Петухов М.В.

Даты

2004-06-27Публикация

2003-02-17Подача