Устройство для измерения температуры Советский патент 1985 года по МПК G01K7/16 

источника напряжения смещения, при. этом выход генератора опорной часто через блок управления подключен к дополнительному в5соду преобразовате напряжения в интервал времени. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что дифференциальный сумматор содержит четыре операционных усилителя с гальванически разделенными источниками пита ния, неинвертирующие входы которых соединены со средними точками своих источников питания, и три образцовы резистора, при этом инвертирующие входы первого,второго и третьего операционных усилителей соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами дифференциального 3 сумматора, четвертый вход ксэторого соединен с неинвертирующим входом четвертого операционного усилителя, выходом третьего операционного усилителя и через первый образцовый резистор подключен к неинвертирующему входу второго операционного усилителя, выход которого соединен с выходом первого операционного усилителя и неинвертирующим входом четвертого операционного усилителя, выход которого подключен к выходу дифференциального сумматора и через второй образцовый резистор соединен с неинвертирукядим входом операционного усилителя, причем третий образцовый резистор включен между неинвертирующими входами первого и третьего операционных усилителей.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ, содержащее термопреобразователь, сопротивления, соединенный .первым потенциальным приводом с первь1м неподвижным контактом первого переключателя, подвижный контакткоторого подключен к первому входу диАференциального сумматора, первый образцовый резистор, соединенный первым выводом с вторым токовым проводом термопреобразователя сопротивления, второй переключатель, источник тока, первый вывод которого соединен с первым токовым выводом второго образ.цового резистора, повторитель напряжения, вход которого соединен с потенциальными выводами второго образцового резистора, а выход подключен к опорному входу преобразователя напряжения в интервал времени, первый вход которого соединен с выходом источника напряжения смещения, а выход подключен к первому входу блока управления, второй вход которого соединен с выходом реверсивного счетчика, а выходы подключены к управляюще му входу схемы линеаризации, индикатору знака температуры и первым входам двух селекторов, вторые входы которых соединены с выходами генератора опорной частоты, а выходы соответственно подключены к входам реверсивного счетчика и входу схемы линеаризации, выход которой соединен с цифровым отсчетным устройством, отличающееся тем, что с целью повьшения точности измерения, (Л в него введен третий переключатель, управляющий вход которого соединен с выходом блока управления, входы соединены.соответственно с вторыми выводами источника тока и второго образцового резистора, а выходы соответственно подключены к первому токовому проводу термопреобразователя ел сопротивления, соединенному с вторьм 4 неподвижным контактом первого пересл :л ключателя, и второму входу дифференциального сумматора, соединенному с :х;} вторым выводом первого образцового резистора, первый вывод которого соединен с первым неподвижным контактом второго переключателя, выход которого подключен к земляной шине уст ройства, а второй неподвижный контакт соединен с вторым потенциальным проводом термопреобразователя сопротивления и третьим входом дифференци ального сумматора, четвертый вход которого соединен с земляной шиной устройства, а выход подключен к входу

Изобретение относится к температурным измерениям и может быть испол эовано при создании цифровых щитовых измерительных приборов, работающих в комплекте с термопреобразователями сопротивления, вкдюченными как по трех-, так и по четырехпроводной схеме,

Известно устройство для измерения температуры, содержащее термопреобразователь сопротивления, включенный по трехпроводной схеме, эталонный резистор, переключатель, источник тока, аналого-цифровой преобразователь, выход которого подключен к входу реверсивного счетчика, соединенного с блоком индикации fl .

Однако это устройство не обеспечивает высокой точности измерения температуры из-за низкой помехозащищенности, дрейфа напряжения смещения сравнивающего устройства аналого-цифрового преобразователя, влияния на результат измерения изменения сопротивления соединительных проводов.

Известно устройство для измерения температуры, содержащее термопреобразователь сопротивления, первый вывод которого через первый соединительный провод подключен к первому вьгооду источника тока, а второй вывод через второй соединительный провод и

последовательно соединенные первьй и в горой образцовые резисторы подключен к второму выводу источника тока, повторитель напряжения, вход которого соединен с выводами второго образцового резистора, а выход подключен к преобразователю напряжения в интервал времени, источник напряжения смещения, два Селектора, реверсивный счетчик, генератор счетных импульсов, схему линеаризации, цифровое отсчетное устройство, два переключателя, два поляризованных реле и суммирующее устройство С2 ,

В этом устройстве выводы термопреобразователя сопротивления и первого образцового резистора подключены соответственно к контактам поляризованньЕХ реле, что позволяет в процессе работы устройства исключать термопреобразователь сопротивления и образцовьй резистор из измерительной цепи и тем самым формировать сигнал, пропорциональньй падению напряжения на соединительных проводах, который необходим для исключения влияния изменения сопротивления соединительных проводов на результат измерения.

Однако в этом устройстве не устраняется влияние на результат измерения термо-ЭДС, возникающих в местах контакта соединительных проводов. Кроме того, для его нормальной работы необходимо, чтобы одно поляризованное реле находилось в непосредственной близости от термопреобразователя сопротивления, что в ряде случаев невозможно. Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устрой ство для измерения температуры, содержащее термопреобразователь сопротивления, соединенный первым потенциальным проводом с первым неподвижным контактом первого переключателя, подвижной контакт которого подключен к первому входу дифференциального сумма тора, первый образцовый резистор, соединенный первым выводом с вторым токовым проводом термопреобразователя сопротивления, второй переключатель, источник тока, первый вывод которого соединен с первым токовым выводом второго образцового резистора, повторитель напряжения, вход которого соединен с потенциальными выводами второго образцового резистора, а выход подключен к опорному входу преобразователя напряжения в интервал времени, первый вход которого соединен с выходом источника напряжения смещеНИН, а выход подключен к первому входу блока управления, второй вход которого соединен с выходом реверсивного счетчика, а выходы подключены к управляющему входу схемы линеаризации, индикатору знака температуры и первым входам двух селекторов, вторые входы которых соединены с выходами генератора опорнойчастоты, а выходы соответственно подключены к входам реверсивного счетчика и входу схемы линеаризации, выход которой соединен с цифровым отсчетным устройством 3 . В известном устройстве преобразователь температуры в интервал времени выполнен на основе интегратора с нуль органом, преобразователь сопротивлени включен по трехпроводной схеме. В нем осуществляется коррекция аддитивной составляющей погрешности, обусловлен ной дрейфом эквивалентного напряжени .смещения преобразователя напряжения в интервал времени, коррекция мульти пликативной составляющей погрешности обусловленной изменением значения тока в измерительной цепи. Однако в нем не устраняется погрешность измерения, вызванная наличием паразитных термо-ЭЛС в- цепи термопреобразователя, кроме того, оно требует равенства сопротивлений соединительных проводов и не позволяет обеспечить высокой точности измерения при работе с термопреобразователями сопротивления, включаемыми по четырехпроводной схеме. Цель изобретения - повьпиение точности измерения температуры. Поставленная цель достигается тем, что для измерения температуры,, содер.жащее термопреобразователь сопротивления, соединенный первым потенциальным проводом с первым неподвижным контактом первого переключателя, подвижньй контакт которого подключен к первому входу дифференциального сумматора, первьй образцовый резистор, соединенный первым выводом с вторым токовьм проводом термопреобразователя сопротивления, второй переключатель, источник тока, первьй вьтод которого соединен с первым токовьм вьшодом второго образцового резистора, повторитель нарряжения, вход которого соединен с потенциальными выводами второго образцового резистора, а выход подключен к опорному входу преобразователя напряжения в интервал времени, первьй вход которого соединен с выходом источника напряжения смещения, а выход подключен к первому входу блока управления, второй вход которого соединен с выходом реверсивного счетчика, а выходы подключены к управляющему входу схемы линеаризации, индикатору знака температуры и первым входам двух селекторов, вторые входы которых соединены с выходами генератора опорной частоть1, а выходы соответственно подключены к входам реверсивного счетчика и входу схемы линеаризации, выход которой соединен с цифровым, отсчетным устройством, введен переключатель, управляющий вход которого соединен с выходом блока управления, входы соединены соответственно с вторыми выводами источника тока и второго образцового резистора, а выходы соответственно подключены к первому токовому проводу термопреобразователя сопротивления, соединенному с вторым неподвижным контактом первого переключателя, и второму входу дифференциального сумматора.

соединенному с вторым вьгоодом первого образцового резистора, первьй вывод которого соединен с первым неподвижным контактом второго переключателя, вьпсод которого подключен к земляной шине устройства, а второй неподвижный контакт соединен с вторьм потенциальным проводом термопреобразователя сопротивления и третьим входом дифференциального сумматора, четвертый вход которого соединен с земляной шиной устройства, а выход подключен к входу источника напряжения смещения, при этом выход генератора опорной частоты через блок уп равления подключен к дополнительному входу преобразовате|тя напряжения в интервал времени.

Кроме того, дифференциальный сумматор содержит четыре операцион- ных усилителя с гальванически разделенными источниками питания, н еинвертирующие входы которых соединены со средними точками своих источников питания, и три образцовых резистора, при этом инвертирующие входа первого, второго и третьего операционных усилителей соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами дифференциального сумматора, четвертый вход которого соединен с неинвертирующим входом четвертого операционного усилителя, выходом третьего операционного усилителя и через первый образцовьй резистор подключен к неинвертирующему входу второго операционного усилителя, выход которого соединен с выходом первого операционного усилителя и инвертирующим входом четвертого операционного усилителя, выход которого подключен к выходу дифференциального сумматора и через второй образцовый резистор соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, причем третий образцовый резистор включен между неинвертирующими входами первого и третьего операционных усилителей.

На фиг. 1 изображена структурная схема устройства для измерения температуры; на фиг. 2 - схема дифференциального сумматора.

Устройство содержит термопреобразователь 1 сопротивления, первьй токовьй провод 2, первьй 3 и второй 4 потенциальные соединительные провода, второй токовьпЧ соединительньй провод 5, первьй 6 и второй 7 образцовые

резисторы, источник 8 тока, первьй 9 второй 10 и третий 11 переключатели, дифференциальный сумматор 12, источник 13 напряжения смещения, повторитель 14 напряжения, преобразователь напряжения в интервал времени, генератор 16 опорной частоты, селекторы 17 и 18, блок 19 управления, индикатор 20 знака температуры, схему 21 линеаризации, цифровое отсчетное устройство 22 и реверстивньй счетчик 23.

Дифференциальный сумматор содержит первый 24, второй 25, третий 26 и четвертьй 27 операционные усилители и три образцовых резистора 28-30 Первый 31, второй 32, третий 33 и четвертый 34 входы дифференциального cytoiaTopa соответственно соединены с инвертирующими входами первого, второго, третьего и неинвертирующим входом четвертого операционных усилителей, выход дифференциального сумматора 35 соединен с выходом четвертого операционного усилителя 27.

Устройство работает следующим образом.

При работе с термоПреобразователями сопротивления, имеющими трехпроводную линию связи, первьй потенциальный провод 3 отсутствует, а переключатели 9 и 10 переводятся в верхнее по схеме положение. Относительно общей точки устройства на первьй вход дифференциального сумматора поступает напряжение

и,;1р(,), (1) на второй вход

иг--1рСРоЧп4), (2) на третий вход где 1

- ток в измерительной

Р

цепи;

R- и RQ - соответственно сопротивления термопреобразователя сопротивления и первого образцового резистора 6;

If9i yszi- соответственно сопротивления первого и второго токовых проводов.

При работе с термопреобразователями сопротивления, включенными по четырехпроводной схеме, подвижные контакты переключателей 9 и 10 переводятся в нижнее по схеме положение. Относительно общей точки на первый вход сумматора подается напряжение U, Ip(R,y,), на второй вход U2 -Io-Rr Lp , на третий вход з-1р-у„, . (5) Дифференциальный сумматор собран на операционных усилителях с гальванически развязанными цепями питания. Первый 24 и второй 25 операционные усилители представляют собой преобразователи напряжение-ток, третий операционньй усилитель 26 - повторитель напряжения, четвертый 27 преобразователь ток-напряжение. Сопротивления резисторов 29 и 30 равны между собой. Выходное напряжение дифференциального сумматора определяется выражением Ue,,,-(U,-U2-U,)-lf+u, (6) R. где К -р- - коэффициент усиления дифференциального сумматора; соответственно сопротивления резисторов 29 и 28. При трехпроводном включении на выходе дифференциального сумматора будет напряжение ивыхз 1о(Кт-1 оЧ51гЬ4Ий., (7 при четырехпроводном включении Uebix4 P T-o)+u, (8) где Л - приведенная к выходу дифференциального сумматора погрешность, обусловленна дрейфом эквивалентного на ряжения смещения дифферен циального сумматора, нали чием термо-ЭДС на переход ных контактах линии связи и входными токами диффере циального сумматора, протекающими через измерительную цепь. При изменении направления протек ния рабочего тока на выходе диффере циального сумматора получим напряже ние 1вм.(«т-1 о- ЬгУп4 +Л, (9) выхч р i T-RoVu . (10) Измерение производят в два цикла. В исходном состоянии реверсивный счетчик и цифровое отсчетное устрой- ство обращены в нуль, через термопреобразователь протекает ток 1р в прямом направлении. В первом цикле напряжение, поступающее на вход преобразователя 15 напряжения в интервал времени, преобразуется в интервал времени ,: (11) т Л ,,tUcM Чиггч-FO ((ol Uo I где - напряжение источника 13 напряжения смещения; о - опорное напряжение преобразователя 15 напряжения в интервал времени, формируемое на выходе повторите,ля 14. На протяжении времени. Т, на суммирующий вход реверсивного счетчика 23 поступают импульсы частотой i, с генератора 16 опорной частоты. По окончании первого цикла преобразования в реверсивном счетчике запишется число N, о и по команде, поступающей с блока 19 управления, переключатель 11 произведет реверс тока в измерительной цепи. Между концом первого и началом второго цикла преобразования вьщерживается некоторая пауза, достаточная для завершения переходных процессов, вызванных реверсом тока в измерительной цепи. Во.втором цикле производится преобразование в интервал времени нап-ряжения и gx результате преобразования формируется интервал времени () o с началом времени Tj на вычитающий вход реверсивного счетчика 23 проходят импульсы с генератора 16 опорной частоты. После прохождения на реверсивный счетчик N импульсов на его выходе сформируется сигнал обнуления, который поступит на блок 19 управления и прохождение импульсов через селектор 18 прекратится. В промежутке времени между окончанием интервала времени Т и обнулением реверсивного счетчика 23 через селектор 17 9,1 с генератора 16 опорной частоты поступит на схему линеаризации количество импульсов VI -с /т т г )( «чт N3UVTi) ), (13 а га цифровое отсчетное устройство пройдет количество импульсов N, F вЫК вЬ1Х (14) Если учесть, что U,, I- Нц образуется выходным напряжением повто рителя 14 и в выражение (14) подста вить значения U вьи i,4 1,4из выражений (7)-(11), то получим следующий результат: k(«т-VУ rУл.) Nn ЦЯт-«о1где ц - сопротивление второго обра цового резистора 7. Если F .-RoV N/loP .где ,l - измеряемая температура, то на цифровом отсчетном устройстве получают результат в единицах измеряемой температуры. Если RQ равно сопротивлению термопреобразователя при Ос, то на цифровом отсчетном устройстве получают результаты отно сительно . Значение измеряемой температуры, выше или ниже ОС, определяется индикатором 20 знака температуры, путем анализа очередности обнуления реверсивного счетчика и окончания интервала времени T,j. Если интервал времени Т окончится раньше обнуления реверсивного счетчика, т.е. Т, Т, или , то на индикаторе знака будет +. R противном случае, Т, Tj, RT - RO будет показан знак -. Для нормальной работы устройства должно соблюдаться условие l ebuLax c, (17) ч-го ПОЗВОЛИТ обойфись одним однополярным источником опорного напряжения и значительно упростит структур преобразователя напряжения в интервал времени. При работе в комплекте с термопреобразователями сопротивления, включенным по трехпроводной (15 схеме, необходимо обеспечить равенство сопротивлений токовых проводов, ifll Гп4 . Из выражений (15) и (16) видно, что результат измерения не зависит от значения тока в измерительной цепи (достаточно обеспечить его стабильность на время одного измерения), от дрейфа эквивалентного напряжения смещения дифференциального сумматора и преобразователя напряжения в интервал времени, от наличия паразитных термо-ЭДС на переходных контактах линий связи и от значений входных токов дифференциального сумматора. Это позволяет не применять специальных мер для стабилизации 1р, использовать в дифференциальном сумматоре операционные усилители без канала МДМ-преобразования и полностью исключить необходимость периодической уста новки нуля устройства, что особо важно при использовании предлагаемого (устройства в качестве щитового измерителя температуры. Предложенный дифференциальный сумматор имеет большое входное сопротивление по всем входам и практически исключает методическую йогрешность, обусловленную шунтированием измерительной цепи входным сопротивлением вторичного прибора, имеет высокий коэффициент подавления синфазной составлякяцей входного сигнала - неинвертирующий вход всех операционных усилителей соединен со средней точкой источника питания и его коэффициент передачи задается всего лишь тремя резисторами. Кроме того, применение дифференциального сумматора позволяет совместить преимущества мостовойи потенциометрической схем включения термопреобразователя. Это высокая чувствительность схемы к изменению сопротивления термопреобразователя под воздействием измеряемой температуры, зависимость полярности выходного напряжения дифференциального сумматора от значения измеряемой температуры (вьше или ниже ) и полная компенсация влияния на результат соединительных проводов при четырехпроводной схеме включения термопреобразователя. Из выражений (15) и (16) видно, что источниками погрешности устройства являются: а) нестабильность частоты -io генератора опорной частот

тм; б) несгабильность коэффициента усиления дифференциального сумматора; в) нестабильность коэффициента преобразователя напряжения в интервал времени F. ; г) нестабильность резисторов; д) дрейф эквивалентного напряжения смещения повторителя напряжения ё) нестабильность коэффициента усиления повторителя напряжения.

Если применить преобразователь напряжения в интервал времени двухтактового интегрирования и длительность первого такта преобразования задавать частотой i , то погрешности от нестабильности не возникнет. Составляющие погрешности, отмеченные в пунктах б, в, г, е, определяются характеристиками применяемых в устройстве резисторов и при использовании манганиновых резисторов Me превысят всумме 0,01%. Если падение напряжения в резисторе йц U|}n to 5 В, то при использовании в повторителе напряжения операционного усилителя гаирокого применения, для которого температурный дрейф напряжения смещения обычно составляет 20 мкВ/°С, а временной не пр.евыпает 200 мкВ/1000 ч, погрешность, обусловленная дрейфом эквивалентного напряжения смещения, в температурном диапазоне 0-(+АО)С за несколько тысяч часов не превысит уровня 0,02.

Высокая стабильность характеристик предлагаемого устройства позволяет увеличить время работы без подстроек до нескольких тысяч часов

фиг. г