Устройство для измерения температуры Советский патент 1991 года по МПК G01K7/16 

Изобретение относится к области измерения температуры с использованием платиновых термопреобразователей сопротивления.

Цель изобретения - повышение точности измерения.

На чертеже приведена электрическая схема устройства.

Устройство для измерения температуры содержит платиновый термопреобразователь 1 сопротивления, подключенный с помощью первого, второго, третьего проводов 2, 3 и 4 линии связи, эталонный резистор 5 (при этом элементы 1-5 образуют термочувствительный полумост 6), источник 7 тока, резистивный делитель, состоящий из первого и второго резисторов 8 и 9, неинвертирующий усилитель 10 с входом 11 и выходом 12, измерительный усилитель 13 с инвертирующим входом 14. неинвертирующим входом 15 и выходом 16, совпадающим с выходом устройства.

Неинвертирующий усилитель 10 состоит из операционного усилителя 17 и рези- стивного делителя на резисторах 18 и 19. Измерительный усилитель 13 состоит из операционного усилителя 20. резистивного делителя на четырех резисторах 21-24 и двух резисторах 25 и 26.

На входе 11 неинвертирующего усилителя 10 действует напряжение U1, равное сумме падений напряжения на элементах 1 и 2, на выходе (и на входе 14) измерительного усилителя 13 - напряжение U2, на входе 15 измерительного усилителя 13-напряжение U3, на выходе 16 измерительного усилителя 13 - напряжение U4, которое подается на выход устройства.

Устройство работает следующим образом.

Источник 7 тока вырабатывает стабильный ток, который последовательно протекает по эталонному резистору 5, второму проводу 3 линии связи, термопреобразователю 1 сопротивления, первому проводу 2 линии связи. На основании правил эквивалентных преобразований источник напряжения U2 и резистивный делитель 8. 9 можно преобразовать в эквивалентную сумму с напряжением:

где R8IIR9 - сопротивление R8.9. равное сопротивлению параллельно соединенных резисторов 8 и 9.

Целесообразно принять R8 - R9, тогда из формул (1) и (2)

U2 0.5112; R8,9- 0.5 R8.

Далее можно записать следующие равенства:

U1-0 + I8-I9XR1+R2);(3)

U3 (I + I8 - I9XR1 + R2 + R3)-HR5; (4)

(-Щ- + 1):

(5)

20

n(l+IS-l9)(R1 + R2+R3) . fm УRg. W

18U2 - (I +18 -19 ) ( R1 + R2 + R3 ) R8

.(7)

где I - ток источника тока.

Подставив выражение (3) в .равенство (5), а результирующее равенство в равенство (7), получают

18

35

R18

(I+I8-I9)(R1+R2)

R8

(8)

Вычитают равенство (6) из равенства (8) с учетом R8 - R9, при этом

18 -19

45

R18

(R1 +R2)- |--R3-(R1 + R2+R3)

R8

50 х (I+ «8-19)

Изобретение относится к области измерения температур и позволяет повысить точность измерения за счет увеличения помехоустойчивости при использовании платиновых термопреобразователей сопротивления. Источник 7 тока вырабатывает стабильный ток, который протекает последовательно по эталонному резистору 5, второму проводу 3 линии связи, термопреобразователю сопротивления (ТС) 1, первому проводу 2 линии связи. Сигнал поступает через неинвертирующий усилитель 10 на вход измерительного усилителя 13. Коэффициенты усиления по входам измерительного усилителя 13 подбираются расчетным путем, что обеспечивает линеаризацию выходного сигнала измерительного усилителя, пропорционального температуре. 1 ил. ё а 00 NJ 00 hO оо

U2- R9

U2

R8-I-R9 и выходным сопротивлением

R8 R9

R 8. 9 R8IIR9 R8 Ч- R9

(1)

R18

(R1+R2)()-2R3

R8

55

х (l+ I8-19).

Из выражения (9)

(9)

(R1 + R2)(-|||- -1)-2R3 КИ

П DO trpi I ROW R18ГТ 7 . С учетом выражения (16) формулу (15)

R8-UR1 -4-к 1 )-2Ы5 можно переписать к виду

(10)

U4 2K14lx

В выражении (10) сопротивления первого и второго проводов линии связи равны,,„,. 0. 0.5 R8 Л,1TV T.e.. 10 x( 0.5R8-R1 (17)

Анализ выражения (10) показывает, чтоКак известно, номинальная статичедля исключения влияния R2, R3 на результи- екая характеристика преобразования рующий ток линеаризации 18 - 19 необходи- платинового термопреобразователя со- мо выполнить соотношение15 противления является нелинейной.

Платиновый термопреобразователь соR18 .о/..лпротивления R1 Rt может быть представR19 . лен с погрешностью не более 0.1°С в

диапазоне температур 400°С идеализироС учетом равенства (11) можно перепи- 20 ванным (линейным) термопреобразовате- сать формулу (10) в виделем RI, зашунтированным шунтирующим

резистором RUI в соответствии с равенст1Я - IQ - |М2)вом

1В 1Э 0.5R8-R1 {™

25R „ D1 „ Rt RUJt a

Подставив равенства (11) и (12) в выра- ITt + Рш

жения (3-5), можно получить

Подставив равенство (18) в зависимость

U2-4 --O/RB RI (R1+R2)- ; 03) 30 (17) получают

U14

из г 0-5 R8 .5R8-R1 .2K14.(R5- ,/, ). (19)

x(R1+R2+R3) + .(14) 35ТЈ + RUI 0,5 R8

Обозначим коэффициенты усиления из-Для полной линеаризации сопротивлемерительного усилителя 13 по входу 14 че-иие R8. как следует из зависимости (19),нерез К14, а по входу 15 - через К15, тогдаобходимо принять равным

.40

U4-K14 (-Ј}|-U3-U2)R8-2Ru,, (20)

где RUJ - шунтирующий резистор, известный

Ј14 .if 0.5 R8 t K15 д р заранее для того или иного диапазона изме0,5 R8 - Rt K14 45 ряемых температур, среднее значение которого ориентировочно равно 2.6 кОм.

, К15 рс 1 , . 0.5 R8Подставив равенство (20) в выражение

К14 Q.5R8-R1 Х(19), получают

X(2|||.4)R2,(15) 50U4-2R14KR5--RO.(21)

где Rt - сопротивление линейного (идеалигде К14/К15 - модулыкоэффициента усиле- эированного) термопреобразователя сопро- ния.,тивления, определяемое на основании

В выражении (15) второй член являет- 55 формулы (18) следующим образом: ся паразитным, зависящим от сопротивления провода линии связи. Для исключения- Bt ,у. этого члена необходимо выполнить соот- - t ношение

К15

КИ

где Rt - реальная зависимость платинового термопреобразователя.

Как известно, для линеаризованного термопреобразователя сопротивления имеет место соотношение

Rt- 0-T,

(23)

где Т - абсолютная температура;

/ - коэффициент, равный ориентировочно 0,44 Ом СГ1.

С учетом выражения (23) равенство (21) можно записать в виде

U4 -2K14-I -/ЗАТ,

(24) 15

где ДТ - температура, °С.

Сформированные требования к измерительному усилителю 13 реализует изображенная на чертеже схема. В ней необходимо выполнить соотношения R21 R22; R23 R24,

Анализ показывает, что для этого измерительного усилителя справедливо соотношение

U4 K14(2U3-U2) -К14 U3-(U2-U3)

( Р2бЛ°55К2з +1И2Ш-Ш). (25,

.... R25 +0.5R21 t „,,-.

ГдеК14 R26+0.5R23 +1 (26)

Целесообразно принять R21 R23. . С учетом этого выражение (25) примет

вид

U4°(R26ta5R2 + 1)PU3-U2).(27)

Коэффициенты усиления измерительного усилителя 13 по входам 14 и 15 регулиру0

5

0

5

0

5

0

5

ются синхронно одним из резисторов: R25 - в сторону увеличения, R26 - в сторону уменьшения. В практических схемах один из резисторов может отсутствовать (закорочен перемычкой). В других вариантах оба резистора R25, R26 могут быть заменены одним переменным резистором, включенным по схеме потенциометра. Полную передаточную характеристику устройства можно получить путем подстановки выражения (26) в равенство (24), что дает

114 -2в ДТ( R25 +0 5R21 +1 l (28) ич piai (, R26+0,5R23 )Л

Формула изобретения Устройство для измерения температуры, содержащее источник тока, термопреобразователь сопротивления, подключенный первым выводом к первому провоДу линии связи, вторым выводом - к второму и третьему проводам линии связи, эталонный резистор, первым выводом подключенный к второму проводу линии связи, а вторым выводом - к выходу источника тока, резистивный делитель напряжения, первым выводом соединенный с общей шиной устройства, и измерительный усилитель, выход которого является выходом устройства, отлича.ющееся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введен усилитель, первым входом подключенный к третьему проводу линии связи, при этом измеритель- ный усилитель первым входом подключен к выходу источника тока, вторым входом - к выходу усилителя, подключенному к резистивному делителю напряжения, средняя точка которого соединена с вторым проводом линии связи, своим третьим входом соединен с вторым входом усилителя и общей шиной устройства и подключен к первому проводу линии связи.