Устройство для измерения температуры Советский патент 1987 года по МПК G01K7/21 G01K15/00 

Изобретение относится к термометрии, а именно к устройствам для дистанционного измерения температуры с использованием терморезисторов.

Цель изобретения - повышение точности измерения.

На фиг. 1 приведена структурная схема устройства; на фиг, 2-4 - схемы коммутаторов устройства.

Устройство содержит последователь- .но соединенные резисторы 1 - 3, терморезистор 4, образцовые резисторы - 5-1, линию 8 связи, содержащую четыре провода 9-12, резисторы 13 - 15, имитирующую сопротивления проводов- линии 8 связи, первый 16, второй 17, третий 18 коммутаторы, источник 19 постоянного напряжения, дифферан- .циальный усилитель 20, микроЭВМ 21, блок 22 управления, блок 23 индикации, шину 24 нулевого потенциаг а, Первые выводы образцовых резисторов 5- 7 объединены, вторые выводы соединены с первым, вторым и третьим входами коммутатора 16. Первые выводы резисторов 13 - 15 соединены между собой, второй вывод резистора 13 соединен с точкой соединения образцовых резисторов 5-7, второй вывод резистора 14 - с шиной 24 нулевого потенциала, второй вывод резистора 15 - с вторым входом коммутатора 17. Первый вывод терморезистора 4 соединен с четвертым входом коммутатора 16 проводом 9 линии 8 свйзи и с п€;рвым входом коммутатора 18 проводом 12 линии связи. Второй вывод терморезистора 4 соединен с пятым входом коммутатора 16 проводом 10 линии 8 связи и с вторым входом коммутатора 18 проводом 11 линии связи. Четвертый вход коммутатора 16 соединен с первым входом коммутатора 17, а пятый вход, коммутатора 16 - с третьим входом коммутатора 17. Выход коммутатора 16 соединен с первым выводом резистора 1, выход коммутатора 17 - с вторым выводом резистора 3, выход коммутатора 18 с шиной 24 нулевого потенциала. Первый выход источника 19 постоянного напряжения подключен к точке резисторов 1 и 2, а второй выход соединен с шиной 24 нулевого по- т нциала. Первый вход дифференциального усилителя 20 подключен к первому выводу резистора 1, а второй вход - к точке соединения резисторов 2 и 3. Выход дифференциального уси

5

0

5

0

5

0

5

лителя 20 подключен к микроЭВМ 21. Первые пять выходов блока 22 управления соединены соответственно с пятью управляющими входами коммутатора 16, шестой седьмой и восьмой выходы блока 22 управления соединены с первым, вторым и третьим управляющими входами коммутатора 17, девятый и десятый выходы блока управления соединены с первым и вторым управляющими входами коммутатора 18. Блок 22 управления и блок 23 индикации соединены с микроэвм 21. Последовательно соединенные резисторы 1 - 3 и подключаемые коммутаторами 16 - 18 терморезистор 4 или образцовые резисторы 5-7 образуют измерительный мост.

Работа устройства подразделяется на два этапа: первый - калибровка, второй - измерение температуры.

Целью калибровки является определение коэффициентов А,В,С функции преобразования измерительного моста

и AAR +BiJR + С,(1)

где и - выходное напряжение, дифференциального усилителя 20;

А - коэффициент, характеризующий нелинейность функции преобразования;

В - коэффициент линейного преобразования;

С - коэффициент, определяющий начальный сдвиг функции преобразования.

Процесс калибровки устройства состоит из трех тактов. В первом такте коммутаторы 16 и 17 по командам с блока 22 управления подключают в измерительный мост первый образцовый резистор 5. Напряжение на выходе дифференциального усилителя 20 равно

и , (2)

где ZlRj - разность сопротивлений резистора 5 и резистора 3 смежного плеча моста. Во втором такте в измерительный

мост подключен второй образцовый

резистор 6. На выходе усилителя 20

напряжение U,j равно

и,, AflR + ВлК., + С, (3)

где и R. разность сопротивлений резисторов 6 и 3.

В третьем такте в измерительный мост подключают третий образцовый

резистор лителя

и,

7 и получают + ВдК +

где лRj - разность сопротивлений резисторов 7 и 3.

Сопротивления резисторов 13-15 равны между собой и приблизительно равны сопротивлениям проводов 9 - 11 линии 8 связи. На основе решения системы из трех уравнений (2), (3) и (4) составляют алгоритм функционирования микроэвм 21 для определения значений коэффициентов А,В и С.

На втором этапе измеряют температуру по изменению сопротивления терморезистора. Процесс измерения сопротивления терморезистора состоит из двух тактов, В первом такте коммутатор 16 подключает терморезйстор 4 и провод 9 линии связи с резистору 1 измерительного моста, коммутатор 17 подключает терморезистор 4 и про10

15

Из последнего выражения следует, что среднее арифметическое двух напряжений, полученных соответственно в пер вом и втором тактах, не зависит от изменения сопрс5тивлений проводов линии связи, так как в результате коммутации они оказываются включенными поочередно в смежные плечи моста. Та как коэффициент К преобразования мое та зависит в небольшой степени от uR, необходимо для уменьшения линейности от этого влияния определять значение &R как решение квадратного трехчлена (1)

лр В - J/B.i 2А у4А А

(8)

20 Из анализа выражения (8) с учетом (7) следует, что изменение сопротивления ДК терморезистора 4 не зависит от стабильности источника 19 напряжения, резисторов 1,2 и 3, коэффициЛЧСЕТпЛ, у V Л. л, fl 1

ВОД 10 линии связи к резистору 3 мое- 25 ента усиления дифференциального уси- та, проводом 11 линии связи терморезистор через .коммутатор 18 соединен с шиной 24 нулевого потенциала. При

1

нулевого потенциала, выполнении условия, что сопротивления резисторов 1 и 2 много больше сопротивлений терморезистора и резистора 3, напряжение на выходе усилителя 20 равно

и Kir(R,+r, )-(К„+г, ) , (5)

где К - коэффициент преобразования

моста;

RO - сопротивление резистора 3; , - сопротивления проводов 9 и

10 линии 8 связи; I - ток в плечах моста. Во втором такте коммутатор 16 соединяет терморезистор 4 через провод 10 линии связи с резистором 1 моста, коммутатор 17 подключает терморезистор с проводом 9 линии связи к резистору 3 моста, провод 12 линии связи подключен через коммутатор 18 к шине 24 нулевого потенциала, Напряжение на выходе дифференциального усилителя 20 равно

(6)

лителя 20, скомпенсирована нелинейность несбалансированного измеритель- . ного моста путем выполнения математических операций в (8) с помощью

30 микроэвм 21, Точность измерения AR. определяется в основном точностью нахождения коэффициентов А,В,С с помощью подключения образцовых резисторов 5,6 и 7, значения сопротивле35 НИИ которых могут быть известны с погрешностью не хуже 0,01%,

Значение сопротивления терморезистора 4 составляет

40

R 4R +

R.

(9)

Сопротивление R терморезистора 4 связано с измеряемой температурой соотношением

45

R. где R.

Rt (+. t c).

(10)

50

и .-Kir(R,+r)-(Ro+r, )J .

сопротивление терморезисто

ра при О С;

коэффициент преобразования температуры в электрическое сопротивление; температура в градусах Цельсия,

cL t°C По результатам двух измерений (5) и (6) микроэвм 21 вычисляет среднее значение напряжения на выходе усилителя

и Hliy KilBb.±Ii-iB iT i.lRi-rb.-R°- t l-i 2 - 2- .

KI(R,-R,) KdR.(7)

Из последнего выражения следует, что среднее арифметическое двух напряжений, полученных соответственно в пер вом и втором тактах, не зависит от изменения сопрс5тивлений проводов линии связи, так как в результате коммутации они оказываются включенными поочередно в смежные плечи моста. Так как коэффициент К преобразования мое- та зависит в небольшой степени от uR, необходимо для уменьшения линейности от этого влияния определять значение &R как решение квадратного трехчлена (1)

лр В - J/B.i 2А у4А А

(8)

20 Из анализа выражения (8) с учетом (7) следует, что изменение сопротивления ДК терморезистора 4 не зависит от стабильности источника 19 напряжения, резисторов 1,2 и 3, коэффициЛЧСЕТпЛ, у V Л. л, fl 1

25 ента усиления дифференциального уси-

25 ента усиления дифференциального уси-

лителя 20, скомпенсирована нелинейность несбалансированного измеритель- . ного моста путем выполнения математических операций в (8) с помощью

30 микроэвм 21, Точность измерения AR. определяется в основном точностью нахождения коэффициентов А,В,С с помощью подключения образцовых резисторов 5,6 и 7, значения сопротивле35 НИИ которых могут быть известны с погрешностью не хуже 0,01%,

Значение сопротивления терморезистора 4 составляет

40

R 4R +

R.

(9)

Сопротивление R терморезистора 4 связано с измеряемой температурой соотношением

5

R. где R.

Rt (+. t c).

(10)

0

5

сопротивление терморезисто

ра при О С;

коэффициент преобразования температуры в электрическое сопротивление; температура в градусах Цельсия,

Тогда из (10) и с учетом (9) получают

температуру

°- . .

cL t°C

которая определяется с помощью мик- роЭВМ в зависимости от типа используемых терморезисторон. Значение измерений температуры отображается блоком 23 индикации.

Формула изобретения

Устройство для измерения температуры, содержащее три резистора, причем второй вывод первого резистора соединен с первым выводом второго резистора, второй вывод которого соединен с первым выводом третьего резистора, источник постоянного напряжения, первый выход которого подключен к точке соединения первого и второго резисторов, а второй - к шине нулевого потенциала, терморезистор, д:ифференциапьный усилитель, первый и: второй входы которого соединены с первым выводом первого резистора и точкой соединения второго и третьего резисторов соответственно, блок управления, блок индикации и микро- ЭВМ, которая соединена с выходом дифференциального усилителя, блоком управления и блоком индикации, о т - личающееся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены три образцовых резистора, четвертый, пятый, шестой резисторы, три коммутатора, причем первые выводы образцовых резисторов соединены с вторым выводом четвертого резистора, а вторые выводы образцовы резисторов подключены к первому, второму, третьему входам первого коммутатора соответственно, первые выводы

четвертого, пятого, шестого резисторов соединены между собой, второй вывод пятого резистора соединен с шиной нулевого потенциала, четвертый вход первого коммутатора соединен с первым входом второго коммутатора и через первый провод линии связи - с первым выводом терморезистора, второй вход второго коммутатора соединен с вторьм выводом шестого резистора, пятый вход первого коммутатора соединен с третьим входом второго коммутатора и через второй провод линии

связи - с вторым выводом терморезистора, первый и второй входы третьего коммутатора соединены с первым и вторым выводами терморезистора через четвертый и третий провода линий связи соответственно, выходы первого и второго коммутаторов соединены с первым выводом первого резистора и вторым выводом третьего резистора соответственно, выход третьего коммутатора подключен к шине нулевого -потенци- ала, первые пять выходов блока управления соединены с пятью управляющими входами первого коммутатора соответственно, шестой, седьмой, вось-

мой выходы блока управления соединены с первым, вторым, третьим управляющими входами второго коммутатора соответственно, девятый, десятый вы- лоды блока управления соединены с первым и вторым управляющими входами третьего коммутатора соответствен-, но.

Bwdl

Упр. 6з(од5

дход1

Упр.&ход1

Упр. вмдг

Упр. ffaodd

Vnp.Bnodl

Упабкодг

Изобретение относится к устр-вам для дистанционного измерения температуры с использованием терморезисторов. Цель изобретения - повышение точности измерения. Первый этап работы устр-ва - калибровка - состоит из трех тактов, в которых по команде с блока 22 управления подключается в измерительный мост соответственно резистор 5, 6 и 7 и получается на выходе усилителя 20 разность сопротивлений соответственно резисторов 5 и 3,6 и 3, 7 и 3. На втором этапе измеряют температуру по изменению сопротивления терморезистора 4. Изменение сопротивления последнего не зависит от стабильности источника 19 напряжения, резисторов 1, 2 и 3, коэффициента усиления дифференциального усилителя 20. В устр-в-е скомпенсирована нелинейность несбалансированного измерительного моста путем выполнения математических операций с помощью микроэвм 21. Значение измерений температуры отображается блоком 23 индикации. 4 ил. & , / /3 5 И 1-гсЬ-гС1ьН