УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ РАЗНОСТИ ТЕМПЕРАТУРЫ C ТЕРМОРЕЗИСТИВНЫМИ ДАТЧИКАМИ Российский патент 2010 года по МПК G01K3/08 G01K7/16 

Описание патента на изобретение RU2405131C1

Изобретение относится к измерительной технике, может использоваться в системах сбора данных в технологических устройствах, а также в медицинской практике.

Известны устройства для измерения разности температуры, использующие электрический мост с двумя терморезистивными датчиками с управляющими электродами и схемой уравновешивания моста [Коробов P.M., Брусенцов Ю.А., Королев А.П., Фесенко А.И. Тамбовское высшее военное авиационное инженерное училище радиоэлектроники (военный институт). Устройство измерения разности температуры. Патент (11)2254559. Опубл. 20.06.2005; Фесенко А.И., Ищук И.Н., Чудинов Ю.В. Тамбовское высшее военное авиационное инженерное училище радиоэлектроники (военный институт). Устройство измерения разности температуры. Патент (11)2006106082. Опубл. 20.09.2007]. Недостатками устройств являются сложность используемых схем управления, использование дорогостоящих терморезистивных датчиков с управляющими электродами, ограничивающими точность измерения и быстродействие измерителя.

Известно устройство [АВТЭКС Санкт-Петербург, http://www.autexspb.da.ru, стр.7.13], [AnalogDevice], измеряющее температуру, содержащее последовательно соединенные терморезистивный датчик, дополнительный резистор и источник тока, выводы терморезистора подключены к измерительному входу аналого-цифрового преобразователя (АЦП), а выводы дополнительного резистора - ко входам внешнего опорного напряжения АЦП.

Недостатком устройства является то, что измеряется падение напряжения на полном сопротивлении датчика Rt=Rt(0)(1-α·t), а не на приращении ΔRt=a·t, вызываемом приращением измеряемой температуры, что приводит к неэффективному использованию диапазона преобразования АЦП. Последнее особенно важно при медицинских измерениях, где из-за относительно малых измеряемых температур приращение ΔRt невелико, и, соответственно, используется лишь малая часть диапазона преобразователя, что не позволяет обеспечить высокое разрешение измерения температуры.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является устройство [АВТЭКС Санкт-Петербург, http://www.autexspb.da.ru, стр.7.14], измеряющее разность температур, содержащее два источника тока, один из которых соединен с первым терморезистивным датчиком, а второй - с образцовым резистором, вместо которого может использоваться второй терморезистивный датчик, выводы этих резисторов подключены к дифференциальному входу АЦП. Устройство лишено соответствующего недостатка предыдущей схемы.

Недостатком данного устройства является наличие погрешности, вносимой отклонением токов от номинала.

Целью настоящего изобретения является обеспечение независимости результатов измерения от нестабильности токов питания.

Достижение цели достигается введением переключателей в токовые цепи последовательно с каждым терморезистивным датчиком и введением дополнительного резистора, включенного между точкой объединения терморезисторов и общей точкой схемы, выводы внешнего опорного напряжения АЦП подключены к выводам этого резистора.

Сущность изобретения поясняется функциональной схемой, представленной на чертеже.

Устройство содержит два источника тока 1 (I1) и 2 (I2), два переключателя 3, 4, коммутирующие элементы которых соединены с выводом первого терморезистивного датчика 5 (Rt1) и второго терморезистивного датчика 6 (Rt2), нормально замкнутый элемент первого переключателя соединен с нормально разомкнутым элементом второго переключателя и выходом источника тока 1, а нормально замкнутый элемент второго переключателя соединен с нормально разомкнутым элементом первого переключателя и выходом источника тока 2, точки соединения источников тока и терморезистивных датчиков 5, 6 соединены с дифференциальными входами аналого-цифрового преобразователя 8, вторые входы резисторов объединены и соединены с выводом дополнительного резистора 7 (RД) и с входом внешнего опорного напряжения аналого-цифрового преобразователя (REF+), второй вывод резистора подключен к общей точке и ко второму входу внешнего опорного напряжения аналого-цифрового преобразователя (REF-).

Устройство работает следующим образом. При исходном положении (а1, а2) переключателей 1, 2 через резистор Rt1 протекает ток I1, создавая на нем падение напряжения I1·Rt1, через резистор Rt2 протекает ток I2, создавая на нем падение напряжения I2·Rt2. Через дополнительный резистор RД протекает суммарный ток I1+I2, создавая падение напряжения UД=(I1+I2)·RД. При этом к входу IN1 будет приложено напряжение UIN1=I1·Rt1+(I1+I2)·RД, а к входу IN2 UIN2=I2·Rt2+(I1+I2)·RД. Дифференциальное напряжение, приложенное между двумя входами АЦП:

Затем переключатели 1, 2 переводятся в положение (б1, б2). При этом положении переключателей через резистор Rt1 протекает ток (I2), создавая на нем падение напряжения I2·Rt1, через резистор Rt2 протекает ток (I1), создавая на нем падение напряжения I1·Rt2.

Дифференциальное напряжение, приложенное между двумя входами АЦП, в этом случае будет:

Среднеарифметическое значение результата двух измерений

Напряжение UД, прикладываемое к обоим входам АЦП, носит синфазный характер. Наличие положительного значения синфазного сигнала позволяет измерять с помощью АЦП как положительное, так и отрицательное значение сигналов ΔU.

В результате каждого аналого-цифрового преобразования сигналов ΔU мы получим:

где Nmax - максимальное значение кода АЦП, UREF - опорное напряжение АЦП, I1 - значение тока первого источника, I2 - значение тока второго источника, Rt1 - сопротивление терморезистивного датчика 5 при температуре t1, Rt2 - сопротивление терморезистивного датчика 6 при температуре t2,

Соответственно, среднеарифметическое значение двух преобразований:

Опорное напряжение в предлагаемом устройстве снимается с дополнительного резистора 7 (Rд):

Из выражений (5), (6) следует:

Или, учитывая зависимость сопротивления терморезисторов от температуры Rt=Rt(0)(1-α·T):

Полученное выражение показывает, что результат преобразования не зависит от стабильности источников токов 1 и 2.

Пример реализации заявляемого устройства. Работу устройства можно проиллюстрировать на примере построения разработанной и используемой экспериментальной установки для контроля неравномерности температуры различных участков кожного покрова пациентов при медицинских исследованиях.

Простейшая реализация устройства осуществлялась с использованием аналого-цифрового преобразователя (8) микроконтроллера Atmega 16A, двух источников тока (1, 2) на транзисторной сборке СА3086, сдвоенного интегрального переключателя ADG436 (3, 4), терморезистивных датчиков (5, 6) типа ТСП100П. Обработка полученных результатов производилась с помощью микроконтроллера, входящего в состав микросхемы. Величина токов обоих источников задана равной 5 мА, что не приводит к саморазогреву датчиков. Дополнительный резистор (7) выбран равным 2.4 кОм. При этом на нем сформируется опорное напряжение для АЦП, равное 2.4 В. Для исследования неоднородности температурного поля кожного покрова примем максимальную разность температур (t1-t2)=5°С. Программируемый коэффициент усиления встроенного предусилителя АЦП выберем равным 200, для платинового терморезистивного датчика α=0,00385 (°С)-1. В этом случае в соответствии с выражением (6) коэффициент использования диапазона измерения АЦП (N2+N1)/Nmax=0.83. При использовании АЦП микроконтроллера в дифференциальном включении Nmax=255 (8 разрядов), разрешающая способность измерителя будет 5°С/(0.83·255)=0.02°С.

Испытания схемы показали, что разброс токов по обоим каналам в пределах 20% (в пределах допустимого изменения опорного напряжения) на погрешность измерения не влияет.

Похожие патенты RU2405131C1

название год авторы номер документа
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ КОНТРОЛИРУЕМОГО ОБЪЕКТА 2023
  • Евдокимов Сергей Викторович
  • Бадеха Александр Иванович
  • Щербаков Андрей Александрович
  • Петров Леонид Юрьевич
  • Жектаров Марат Рафаэлевич
RU2796191C1
ИЗМЕРИТЕЛЬ МАЛЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ 2000
  • Глико В.Л.
  • Дзекцер Н.Н.
  • Николаев А.Б.
  • Шмелев А.Д.
  • Авраменко Г.Ю.
RU2173858C1
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОВОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ДВУХПОЛЮСНИКОВ 2002
  • Сергеев В.А.
RU2206900C1
Цифровой измеритель температуры 1990
  • Щелканов Александр Иванович
SU1728678A1
Устройство для измерения малых разностей температур 2020
  • Лубков Анатолий Александрович
  • Попов Юрий Александрович
RU2760923C1
АВТОМАТИЧЕСКИЙ КАЛИБРАТОР МЕР ИЗМЕРИТЕЛЬНО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА 2007
  • Бодров Владимир Евсеевич
  • Краячич Александр Валерьевич
  • Галактионова Алла Анатольевна
  • Подборонов Борис Петрович
  • Свирский Юрий Анатольевич
RU2345377C1
СИСТЕМА С МНОЖЕСТВЕННЫМИ ТЕМПЕРАТУРНЫМИ ДАТЧИКАМИ 2010
  • Хейс, Пол Дж.
  • Маканалли, Крейг Б.
  • Кравитц, Эндрю С.
RU2535637C1
ТЕПЛОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ВАКУУММЕТР 2010
  • Поветкин Роман Александрович
  • Дрейзин Валерий Элезарович
  • Поляков Валентин Геннадьевич
  • Пиккиев Валерьян Алексеевич
RU2427812C1
Электрометрический преобразователь заряда 1986
  • Есаулов Александр Васильевич
SU1448292A1
СПОСОБ КОРРЕКТИРОВКИ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН 2006
  • Петренас Владимир Юрьевич
RU2329515C1

Реферат патента 2010 года УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ РАЗНОСТИ ТЕМПЕРАТУРЫ C ТЕРМОРЕЗИСТИВНЫМИ ДАТЧИКАМИ

Для измерения разности температур технологических объектов и в медицинской технике предложено устройство, которое включает в себя два терморезистивных датчика, два источника тока и аналого-цифровой преобразователь с внешним источником опорного напряжения. Замкнутый элемент первого переключателя соединен с нормально разомкнутым элементом второго переключателя и выходом первого источника тока, а нормально замкнутый элемент второго переключателя соединен с нормально разомкнутым элементом первого переключателя и выходом второго источника тока, что обеспечивает возможность последовательного подключения источников тока к терморезистивным датчикам. К точке объединения этих датчиков веден дополнительный резистор, через который протекает суммарный ток обоих источников. Падение напряжения на этом резисторе используется в качестве опорного напряжения АЦП, за счет чего результат суммы двух последовательных измерений разности температур не зависит от нестабильности источников тока. Технический результат - повышение точности измерения. 1 ил.

Формула изобретения RU 2 405 131 C1

Устройство измерения разности температур, включающее два терморезистивных датчика, к каждому из которых подключен свой источник тока, аналого-цифровой преобразователь, дифференциальные входы которого подключены к точкам соединения источников тока и терморезистивных датчиков, отличающееся тем, что введены два переключателя, нормально замкнутый элемент первого переключателя соединен с нормально разомкнутым элементом второго переключателя и выходом первого источника тока, а нормально замкнутый элемент второго переключателя соединен с нормально разомкнутым элементом первого переключателя и выходом второго источника тока, вторые выводы терморезистивных датчиков объединены и соединены с выводом дополнительного резистора и с входом внешнего опорного напряжения, второй вывод дополнительного резистора подключен к общей точке и ко второму входу внешнего опорного напряжения.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2010 года RU2405131C1

СПОСОБ ТЕРМОРЕЗИСТИВНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ 2004
  • Шахов Эдуард Константинович
  • Писарев Аркадий Петрович
RU2269750C2
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАЗНОСТИ ТЕМПЕРАТУР 1991
  • Елизаров И.С.
  • Тарасиков А.А.
  • Маркин В.П.
RU2030717C1
Устройство для измерения температуры 1991
  • Леонов Александр Александрович
  • Москалев Владимир Семенович
SU1818549A1
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАЗНОСТИ ТЕМПЕРАТУР 2003
  • Коробов Р.М.
  • Брусенцов Ю.А.
  • Королев А.П.
  • Фесенко А.И.
RU2254559C1
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАЗНОСТИ ТЕМПЕРАТУР 2006
  • Фесенко Александр Иванович
  • Ищук Игорь Николаевич
  • Чудинов Юрий Васильевич
RU2317531C2

RU 2 405 131 C1

Авторы

Леонов Сергей Дмитриевич

Максимчук Александр Алексеевич

Троицкий Юрий Валентинович

Даты

2010-11-27Публикация

2009-11-20Подача