Терморезистивный измеритель температуры с цифровым отсчетом Советский патент 1987 года по МПК G01K7/21 G01K7/42 

113

Изобретение относится к измерению температур и может быть использовано в автоматизированных система}с рения и контроля температуры окрул аю- щей среды.

Цель изобретения - повышение точности измерения.

На чертеже представлена блок-схема терморезистивного измерителя температуры с цифровым отсчетом.

Терморезистивный измеритель температуры с цифровым отсчетом содержит мостовую схему 1 с терморезистором R в одном из ее плеч, подключенную своим выходом к входу усилителя разбаланса мостовой схемы 2, генератор

3управляемой частоты, формирователь

4биполярных импульсов, аттенюатор 5 импульсного сигнала 5, регулируемый источник 6 напряжения постоянного тока, генератор 7 опорной частоты, вычитатель 8 импульсных последовательностей, измеритель 9 частоты.

. Терморезистивный измеритель температуры с цифровым отсчетом работает следующим образом.

Блоки 1-5 образуют самобалансирующуюся мостовую схемур обеспечивающую изотермический режим работы термо- 11езистора R (т.е. постоянство его температуры), при воздействии на него любых внешних возмущающих факторов. Напряжение разбаланса моста после усиления усилителем 2 увеличивает частоту генератора 3 до тех пор, пока под воздействием прямоугольных импульсов, поступающих на мост с формирователя 4, мост не сбалансируется

При этом при постоянстве амплитуды и и длительности Г питающих импульсов выходная частота Fg, генера- .тора 3 связана с мощностью Р разогрева терморезистора R линейной зависимостью

8ЫЛ

- JLML Sp

(1)

где R - сопротивление терморезисторов в выбранной рабочей точке, определяемое резис- торами плеч моста;

о Т

р ,т2 г- чувствительность мостовой

схемы по мощности. При воздействии на терморезистор изменяющейся температуры окружающей среды, адекватной дополнительной мощности его разогрева, равной йР, пер24052

воначально происходит разбаланс моста,. Однако возникающий сигнал разбаланса приводит к изменению частоты генератора 3, а следовательно, и к

5 изменению мощности разогрева терморезистора R импульсным сигналом также на величину &, благодаря чему мост возвращается в сбалансированное состояние .

fO При этом изменение частоты генератора 3 с учетом выражения (1) определяется соотношением

J5

uF.

Sp. ivP.

(2)

Поскольку терморезистор находится Б изотермическом режиме, т.е. работает в одной точке своей характеристики, функция преобразования мостовой

схемы по мощности теоретически абсолютно линейна при любой нелинейности характеристики терморезистора.

Известно, что изменение температуры окружающей среды на U.T эквивалентно подаче на терморезистор (или отбора от него) дополнительной мощности его разогрева ДР, определяемой соотношением

30

ЬР H.&(

(3)

где Н BT/°CJ - постоянная рассеяния

терморезистора.

Следовательно, изменение темпера- туры окружающей среды вызывает линейное изменение частоты генератора 3, которое, с учетом выражений (2 и 3), определяется соотношением

40

uF,, u0-H Sp.

(4)

Таким образом, текущее значение температуры окружающей среды 0 (t) связано линейной функциональной зависимостью -с выходной частотой генератора 3, т.е. Fg(,| (t) К9 (t). , Однако из соотношения (4) следует, что коэффициент К может принимать различные значения при замене терморезистора R- одного экземпляра на ругой, что обусловлено разбросом значения постоянной расстояния Н терорезистора в широких пределах даже, для терморезисторг одного и того же

типа.

Чтобы обеспечить постоянное, конкретное значение коэффициента передачи К для всех возможных экземпляров терморезисторов даьгного типа, между

формирователем А импульсов и входной диагональю моста 1 установлен аттенюатор 5, который обеспечивает регулировку амплитуды импульсов питания моста и, как следует из соотношения (1), изменение его чувствительности Sy.

Таким образом, меняя с помощью аттенюатора 5 амплитуду импульсов питания моста, можно обеспечить требуе мое значение коэффициента преобразования К мостовой схемы, а следовательно, и всего измерительного устройства в целом, при любых значениях постоянной рассеяния Н терморезисто- pa, т.е. исключить мультипликативную погрешность измерения.

Регулируемый источник 6 напряжения обеспечивает дополнительную мощность разогрева терморезистора. Это позволяет значительно уменьшить мощность разогрева терморезистора импульсным напряжением и тем самым.значительно повысить чувствительность мостовой схемы. Это объясняется тем что основная тепловая энергия, необходимая для балансировки мостовой схемы, поступает на терморезистор с регулируемого источника напряжения постоянного тока. И только часть .энергии .u0, определяемая диапазоном измеряемых температур u9 и значением постоянной рассеяния Н терморезистора, обеспечивается импульсным сигналом, который несет в себе информацию о текущем значении температуры окружающей среды. А поскольку значение лР, как правило, во много раз меньше суммарной энергии Р необходимой для балансировки мосто- вой схемы, то чувствительность устройства повышается также во много

у РЕ л раз п - раз).

Кроме того, регулируемьш источник напряжения 6 обеспечивает компенсацию разброса начальной мощности разогрева терморезистора в рабочей точке, т.е. исключает аддитивную погрешность измерения.

Настройка измерителя происходит следующим образом.

С помощью аттенюатора 5 обеспечивается требуемое значение коэффициен

та преобразования К мостойУ

вой схемы, т.е. обеспечивается требуемое значение ЛР изменения выходно

частоты мостоврй схемы при вполне конкретном значении изменения температуры окружающей среды А9 .

Затем, меняя дополнительную мощность разогрева терморезистора с помощью регулируемого источника 6 напряжения, добиваются такого значения выходной частоты Fg,,, мостовой схемы при котором разностная частота на выходе вычитателя 8 импульсных последовательностей соответствует текущему значению температуры окружающей среды 9 (t).

После данных настроек измеритель готов к работе и его показания, т.е. результаты измерения выходного сигнала вычитателя 8 импульсных исследо- вательностей с помощью измерителя 9 частоты однозначно определяют текущее значение температуры окружающей среды 9 (t).

Поскольку разогрев терморезистора происходит постоянным и импульсным напряжением для исключения корреляционной связи между этими напряжениями (т.е. исключения влияния на коэффициент преобразования К мостовой схемы напряжения постоянного тока регулируемого источника 6 напряжения) , импульсные сигналы, формируемые формирователем импульсов, должны быть биполярны и не содержать постоянной составляющей.

Поскольку повышение температуры окружающей среды вызывает уменьшение выходной частоты мостовой схемы (и наоборот), выходная частота генератора 7 опорной частоты должна быть больше максимально возможной частоты вых диапазоне измеряемых температур.

, Достоинством предлагаемого устройства является также его высокое быстродействие, за счет того, что терморезистор находится в изотермическом режиме, т.е. его температура практически постоянна за счет охвата терморезистора отрицательной обратной связью по мощности. В этом случае экви- валентная постоянная времени мостовой схемы Т,ц в Kgj. раз меньше тепловой постоянной времени терморезистора С (K,,j. - коэффициент отрицательной обратной связи мостовой схемы), т.е. практически сотни раз меньше значения Г . Это позволяет использовать предлагаемое устройство для контроля быстроменяющихся температур.

5ГЗ

Формула изобретения

Терморезистивный измеритель температуры с цифровым отсчетом, содер- жащий мостовую схему с терморезистором в одном из ее плеч, подключенную измерительной диагональю к входу усилителя разбаланса мостовой схемы, источник напряжения, соединенный с диагональю питания моста,.о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что, с целью повышения точности измерения з.а счет компенсации нелинейности характеристики термочувствительного элемента, в него введены генератор опорной частоты, последовательно соединенные генератор управляемой частоты, вычи56

татель импулЕэсньгх последовательностей и измеритель частоты, последовательно соединенные формирователь биполярных импульсов и аттенюатор импульсного сигнала, причем выход усилителя разбаланса мостовой схемы соединен с входом генератора управляемой частоты, выход которого соединен с входом формирователя биполярных импульсов, выход генератора опорной частоты подключен к второму входу вычитателя импульсных последовательностей, выход аттенюатора импульсного сигнала подсоединен к диагонали питания моста, а источник напряжения вьтолнен регулируемым.

Изобретение относится к измерению температуры и может быть использовано в автоматизированных системах измерения и контроля температуры окружающей среды. Цель изобретения - повышение точности измерения. Устройство содержит мостовую схему 1, усилитель 2 разбаланса мостовой схемы 1 с термочувствительным элементом R, генератор 3 управляемой частоты, формирователь 4 биполярных импульсов, аттенюатор 5 импульсного сигнала, регулируемый источник 6 напряжения постоянного тока, генератор 7 опорной частоты, Бычитатель 8 импульсных последовательностей и измеритель 9 частоты. Введение новых элементов и образование новых связей между элементами устройства позволяет компенсировать нелинейность характеристики термочувствительного элементе R-p и . позволяет использовать устройство для контроля быстроменяющихся температур. 1 ил. с б (/) Ll.J