Измерительный преобразователь температуры с частотным выходом Советский патент 1986 года по МПК G01K7/22 

Изобретение относится к электрическому измерению неэлектрических величин, а именно температуры через промежуточное преобразование в частоту импульсного сигнала.

Цель изобретения - упрощение настройки преобразователя.

На чертеже представлена блок-схем преобразователя температуры.

Преобразователь содержит источник 1 опорного напряжения, выход которого соединен с входом аналогового ключа 2, первьш выход аналогового ключа 2 подключен к одному из выводо терморезистора 3, а второй - к одному из выводов дополнительного резистора А, другие выводы терморезистора 3 и рез истора 4 соединены между собо и с инвертирующим входом усилителя 5 постоянного тока (УПТ), охваченного через резистор 6 отрицательной обратной связью (неинвертирз ющий вход. УПТ 5 подключен к шине нулевого потенциала) , формирователь 7 экспоненциально изменяющегося напряжения, первый вхо которого соединен с выходом источник 1 опорного напряжения, компаратор 8, один из входов которого подключен к выходу УПТ 5, другой - к выходу формирователя 7, а выход - к второму управляющему -входу формирователя, счетчик 9 импульсов, счетный вход которого соединен с выходом компаратора 8, логический элемент И 10, один из входов которого подключен к вькоду компаратора 8, а выход - к входу установки в нуль всех разрядов счетчика 9, инверторы 11 и второй логический элемент И 12, выход которого соединен с управляющим входом аналогового ключа 2 и другим входом логического элемента И 10. При этом выходы счетчика, имеющие единичное значение при отображении в рабочем коде счетчика ближайшего целого чис А

портная постоянная используемого в преобразователе терморезистора; R - величина сопротивления резистора 6 в обратной связи УПТ 5, соединены с входами логического элемента И 12 непосредственно, а имеющие нулевое значение - через инверторы 11.

ла к выражению In

где А - пас-

Формирователь 7 экспоненциально изменяющегося напряжения может быть вьшолнен, например, в виде последовательно соединенных конденсатора 13

10

15

20

25

278623

и резистора 14, причем точка соединения одной из обкладок конденсатора . 13 и одного из выводов резистора 14 является вькодом формирователя, дру- 5 гая обкладка конденсатора - первым входом формирователя 7, а другой вывод резистора 14 подключен к шине нулевого потенциала. Кроме этого, формирователь может содержать аналоговый ключ 15, подключенный параллельно обкладкам конденсатора 13, а управляющий вход аналогового ключа 15 является вторым управляющим входом формирователя.

Компаратор 8 может быть выполнен, например, в виде операционного усилителя 16, неинвертирующий вход которого соединен с шиной нулевого потенциала, а к инвертирующему одними из контактов подключены резисторы 17 и 18, другие контакты которых являются двумя входами компаратора, а выход усилителя 16 - его выходом.

Устройство работает следующим образом.

В момент изменения выходного сиг- нала элемента И 12 с нулевого уровня на единичный он поступает на управляющий вход аналогового ключа 2,устанав-. ливает его в такое положение, при котором от выхода источника 1 опорного напряжения отключается дополнительный резистор 4 и подключается терморезистор 3. При этом напряжение на

30

25

35

выходе УПТ 5 U изменяется скачком от значения

и.

RO

R

ДО

и

U1

-а

RO

5

5

Г

R,. -

0

5

где - величина выходного напряжения опорного источника 1; величина сопротивления дополнительного резистора 4; величина сопротивления терморезистора 3.

Величина сопротивления терморезистора 3 изменяется при изменении изме- 1)яемой температуры Т по закону Rif - А;е-В/Т,где А. и В - постоянные терморезистора 3. При этом выходное напряжение УПТ 5, соответствующее уровIT С1

ню измеряемой температуры иа„г о- дается на один из входов компаратора 8, одновременно на другой его вход поступает экспоненциально изменяющееся напряжение Ug с выхода формирователя 7:

9

Uo

где t - текущее время, прошедшее от

начала формирования экспоненциальной функции;

С - постоянная, определяемая величиной сопротивлений резисторов 14 и 18 и емкостью конденсатора 13.

В момент вьшолнения равенства 1.,+ Ug О на выходе операционного усилителя 16 компаратора 8 за счет высокого коэффициента усиления в разомкнутом состоянии появляется скачок положительного напряжения, который поступает на управляющий вход аналогового ключа 15 формирователя 7, и ключ 15 закорачивает обкладки конденсатора 13, разряжая его. При этом выходное напряжение формирователя 7 скачком устанавливается в исходное состояние

U

и„

д, в результате чего положительный сигнал на выходе компаратора

8 скачком уменьшается до нуля, размы-25 редной и последующие импульсы на выкается аналоговый ключ 15 и начинается новый цикл формирования экспоненты. При этом на выходе компаратора 8 в момент каждого его срабатывания формируется импульс.

(2Т

Время t,, прошедшее от начала генерирования экспоненциальной функции до момента срабатывания компаратора 8, определяется из равенства U и составляет

(г) 1 R о

f - С In - Т А

Сформированный на выходе компаратора 8 в момент его срабатывания импульс поступает на один из входов элемента И 10 и вследствие того, что на другом его входе в это время присутствует разрешающий сигнал логической единицы с выхода элемента И 12, он проходит на выход и далее на вход установки нуля счетчика 9. При этом сигнал на выходе логического элемента И 12 меняется с единичного на нулевой, поступает на управляющий вход аналогового ключа 2 и устанавливает его в такое состояние, при котором от выхода источника 1 опорного напряжения отключается терморезистор 3 и подключается дополнительный резистор 4, что, в свою очередь, приводит к скачкообразному изменению напряжения на выходе УПТ 5 от величины

-и

УПТ Uo j ,

ражением

t f In

Так продолходе компаратора 8 формируются через временной интервал, определяемый выRJ

30 жается до формирования п-го после

момента обнуления счетчика 9 импульса.

При постуйлении на счетный вход п импульсов, где п - ближайшее целое 35 число, полученное при вычислении вы1 RO

ражения п In - , на все входы логического элемента И 12 поступают единичные сигналы, часть которых 40 непосредственно с разрядов счетчика 9 имеющих единичное значение, а другая - через инверторы 11 с разрядов счетчика, имеющих нулевое значение, что приводит к появлению единичного

45 сигнала на выходе логического элемента И 12, который, поступая на вход элемента И 10, подготавливает цепь прохождения следующего импульса с выхода компаратора 8 на вход нулево50 то сброса счетчика 9, а поступая на управляющий вход аналогового ключа 2, отключает дополнительный резистор 4 и от выхода источника 1 опорного напряжения и подключает его выход к

55 инвертирующему входу УПТ 5 через

терморезистор. Далее работа устройства аналогична описанному выше.

Таким образом, на выходе логического элемента И 12, являющегося выдо

и

СО УПТ

0)

-Ц

R

1

Время ty прошедшее от момента начала формирования экспоненциальной функции, определяемого предьщущим срабатыванием компаратора 8 до момента его

определяемое из О, и составляет

нового срабатывания, равенства + U

С

rnfi

Лп

Сформированньш на выходе компаратора 8 импульс вследствие блокировки входа элемента И 10, соединенного с элементом И 12, присутствующим на нем сигналом нулевого уровня, не проходит на вход установки счетчика 9 в нуль, а, поступая на его счетный вход, изменяет по своему заднему фронту .соответствующим образом его состояние. Так как при этом сигнал на выходе.логического элемента И 12 не

редной и последующие импульсы на выражением

t f In

Так продолходе компаратора 8 формируются через временной интервал, определяемый выRJ

жается до формирования п-го после

момента обнуления счетчика 9 импульса.

При постуйлении на счетный вход п импульсов, где п - ближайшее целое число, полученное при вычислении вы1 RO

ражения п In - , на все входы логического элемента И 12 поступают единичные сигналы, часть которых непосредственно с разрядов счетчика 9 имеющих единичное значение, а другая - через инверторы 11 с разрядов счетчика, имеющих нулевое значение, что приводит к появлению единичного

сигнала на выходе логического элемента И 12, который, поступая на вход элемента И 10, подготавливает цепь прохождения следующего импульса с выхода компаратора 8 на вход нулевото сброса счетчика 9, а поступая на управляющий вход аналогового ключа 2, отключает дополнительный резистор 4 и от выхода источника 1 опорного напряжения и подключает его выход к

инвертирующему входу УПТ 5 через

терморезистор. Далее работа устройства аналогична описанному выше.

Таким образом, на выходе логического элемента И 12, являющегося выходом преобразователя, формируется импульсная последовательность с периодом t, величину которого можно определить по формуле

t

tb

Т

-1„ RO

tin -7+ пТ In

ii

зависит от постоянной б и каждое ее изменение для приближения к заданному значению коэффициента преобразования приводит к необходимости новой регулировки для выполнения условия прямой пропорциональности преобразо- гвания, которая, в свою очередь, необ- ходима для определения фактического коэффициента преобразования, т.е. путем подбора соответствующего значе- Ш настройка возможна только методом ния сопротивления дополнительного резистора 4, то период импульсной последовательности на выходе элемента

Если выполнить соотношение

/КдчК- RO

RO А

последовательных приближений, что делает ее чрезвычайно сложной и трудоем кой. При этом точность преобразования в предлагаемом устройстве не ниже, чем в известном.

определится вьфажением t , т.е. на выходе преобразоватеИ 12

Т

ля сформируется последовательность импульсов частотой f, прямо пропорциональной измеряемой температуре

этом в предлагаемом устройстве условие прямой пропорциональности преобразования не заврюит от постоянной Г . Поэтому установка требуемого коэффициента преобразования, возможная после выполнения условия прямой пропорциональности преобразования и только за счет соответствующего изменения постоянной Т , так как В - постоянная терморезистора 3, изменить которую для конкретного терморезистора не представляется воз можным, не нарушает условия прямой пропорциональности Преобразования. Следовательно, после регулировки для выполнения условия прямой пропорциональности преобразования в преобразователе, заключающейся в установке такого значения сопротивления Ко. дополнительного резистора, при котором становится справедливым соотношение

li - iL Та fi

чения выходной частоты преобразователя соответственно при минимальной Т, и максимальной T,j, температурах заданного диапазона измерения, и. одновременном вьтолнении равенства

rR ii

где ,2 измеренные знадостаточно осуществить ре(-)

RO

гулировку для установки заданного коэффициента преобразования, на этом настройка заканчивается. Таким образом, настройка в предлагаемом преобразователе существенно пррще и менее трудоемка, чем в известном, где условие прямой пропорциональности

зависит от постоянной б и каждое ее изменение для приближения к заданному значению коэффициента преобразования приводит к необходимости новой регулировки для выполнения условия прямой пропорциональности преобразо- гвания, которая, в свою очередь, необ- ходима для определения фактического коэффициента преобразования, т.е. настройка возможна только методом

5

последовательных приближений, что де: лает ее чрезвычайно сложной и трудоемкой. При этом точность преобразования в предлагаемом устройстве не ниже, чем в известном.

Величина сопротивления резистора 6 обратной связи УПТ 5 определяется по зависимости

j ,, ,

RTJIHH

е

при

е,

R- R

т при

макс

масс

5

0

5

0

5

где RT-.

Ri

мин Moiicc величины сопротивления терморезистора 3 соответственно при минимальном и максимальном значениях температуры заданного диапазона измеряемых температур;

е - основание натурального логарифма .

Определбшие величины сопротивления резистора 6 указаннь-м образом позволяет получить минимальную погрешность преобразования во всем диапазоне измеряемых температур.

Формула изобретения

Измерительный преобразователь температуры с частотным выходом, содержащий терморезистор, источник опорного напряжения, подключенный к входу аналогового клк)ча и формирователю экспоненциально изменяющегося напряжения, инвертирующий усилитель с ре- зистивной отрицательной обратной - связью, вход которого через терморезистор соединен с выходом аналогового

0 ключа, компаратор, один вход которого подключен к выкоду усилителя, а другой - к выходу формирователя экспоненциально изменяющегося напряжения, управляющий вход которого соединен с

5 выходом компаратора, отличающийся тем, что, с целью сокращения трудозатрат на процесс преобразования температуры за счет упрощения настройки преобразователя при сохра7 1278623S

нении точности преобразования, в не-ничное значение при отображении в

го введены счетчик импульсов, допел-рабочем коде счетчика ближайшего ценительный реэ.истор, инверторы и два выражению In , где .

логических элемента И, а аналоговыйА

ключ выполнен двухпозиционным, А - паспортная постоянная терморезисэтом его второй выход через дополнитора; RJ, - величина сопротивления

резистора отрицательной обратной свя- тельный резистор соединен с входом

зи инвертирующего усилителя, соедине- инвертирующего усштителя, а вькод , входами второго логического

компаратора подключен к счетному вхо- элемента И непосредственно, а имеюду счетчика и к одному из двух вхо-щ х нулевое значение - через инвердов первого логического элемента И,торы, а выход второго логического

выход.которого соединен с входом ну-элемента И подключен к управляющему,

левого сброса счетчика, причем вы-входу аналогового ключа и другому

ходы разрядов счетчика, имеющих еди-; J5входугрервого логического элемента И.

А - паспортная постоянная терморез

тора; RJ, - величина сопротивления

Изобретение может быть использовано при измерении температуры с помощью нелинейного полупроводникового терморезистора. Цель изобретения - упрощение настройки преобразователя. Устройство содержит источник 1 опорного напряжения, аналоговый ключ 2, терморезистор 3, резисторы 4 и 6, усилитель 5 постоянного тока, формирователь 7 экспоненциально изменяющегося напряжения, компаратор 8, счетчик 9 импульсов, элемент И 10 и 12 и инверторы 11. Введение новых элементов и образование новых связей между элементами устройства позволяет для вьтолнения условия прямой пропорциональности преобразования осуществить регулировку для установки заданного коэффициента преобразования. Определение величины сопротивления резистора 6 с помощью математических зависимостей позволяет получить минимальную погрешность преобразования во всем диапазоне измеряемых температур. 1 ил. с (Л ...5I ьо сх Од IN С U