Цифровой измеритель температуры Советский патент 1992 года по МПК G01K7/16 

Изобретение относится к измерению температуры и давления, в частности к цифровым измерителям температуры и давления, работающим совместно с термометрами сопротивления и мостовыми тензометрическими преобразователями (например, с платиновыми термометрами сопротивления и преобразователями давле-1 ния структуры кремний-сапфир).

Известен цифровой измеритель температуры, содержащий термометр сопротивления, токовые переключатели, два

генератора тока, операционный усилитель, эталонный резистор и элементы схемы аналого-цифрового преобразователя двухтактного интегрирования (интегратор, нуль-орган и блок управления).

К недостаткам такой схемы следует отнести невозможность ее реализации с применением современных микросхем аналого-цифровых преобразователей, например типов К572ПВ5 и К572ПВ5, так как в последних нет выходов управляющих сигналов первогои второго интегрирования, необходимых

для функционирования устройства. Построение схемы АЦП из дискретных функциональных узлов вызовет неизбежное ухудшение технико-экономических характеристик измерителя.

Известен цифровой измеритель температуры, содержащий аналого-цифровой преобразователь (АЦП), первый сигнальный вход которого соединен с первым потенциальным выводом термометра сопротивления, второй потенциальный вывод термометра подключен к точке соединения переменного резистора и образцового резистора, связанного с источником напряжения через потенциометр. Второй вывод источника напряжения соединен с переменным резистором, а движок потенциометра подключен к входу опорного напряжения АЦП. Источник тока подключен к токовым выводам термометра сопротивления, благодаря чему реализуется четырех- проводная измерительная схема и, следовательно, обеспечивается независимость показаний цифрового измерителя температуры от сопротивления линии связи.

Недостатком схемы измерителя является ее низкая точность и сложность конструктивного исполнения. Показания прибора линейно зависят от параметров источников тока и напряжения, что предъявляет высокие требования к схемной реализации этих источников, в частности к их точности и стабильности. Кроме того, схема требует применения дополнительных, гальванически развязанных от цепей питания АЦП, источников питания, что ведет к усложнению схемы прибора в целом.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому положительному эффекту является цифровой измеритель температуры, содержащий источник тока, выполненный по схеме преобразователя напряжение-ток, датчик, включенный по четырехпроводной схема, аналого-цифровой преобразователь, операционный усилитель, переменный резистор и включенные между шинами питания последовательно соединенные потенциально и два образцовых резистора. Управляющие входы источника тока подключены параллельно выводам второго образцового резистора, выход источника тока через токовые выводы датчика и переменный резистор подключен к выходу операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с движком потенциометра. Потенциальные выводы датчика включены между первым сигнальным входом аналого- цифрового преобразователя и инвертирую

щим входом операционного усилителя, второй сигнальный вход аналого-цифрового преобразователя подключен к общей точке соединения первого образцового резистора

и потенциометра. Входы опорного напряжения аналого-цифрового преобразователя соединены с выводами переменного резистора.

Цель изобретения - повышение точности измерения.

Поставленная цель достигается путем линеаризации нелинейной градуировочной характеристики в процессе аналого-цифрового преобразовав-я.

Для этого в известный цифровой измеритель температуры, содержащий последовательно соединенные первый образцовый резистор, резистор и первый делитель напряжения, включенные между положительной и отрицательной шинами источника питания, преобразователь напряжение-ток, подключенный входами к выводам первого образцового резистора, а выходом - к первому токовому выводу термодатчика, подключенного первым потенциальным выводом к инвертирующему входу первого операционного усилителя, соединенного неинвертирующим входом со средней точкой первого делителя напряжения, первый вывод которого подключен к первому сигнальному входу аналого-цифрового преобразователя, подключенного входами опорного напряжения к выводам второго

образцового резистора, введены первый, второй и третий аналоговые переключатели, второй и третий делители напряжения, третий образцовый резистор и второй и третий операционные усилители, подключенные

неинвертирующими входами к второму потенциальному выводу термодатчика и первому сигнальному входу аналого-цифрового преобразователя соответственно, инвертирующий вход третьего операционного усилителя соединен с его выходом через второй образцовый резистор, а с отрицательной шиной источника питания - через третий образцовый резистор, инвертирующий вход второго операционного усилителя через

нормально-замкнутый и нормально разомкнутый контакты первого аналогового переключателя соединен соответственно со средними точками второго и третьего делителей напряжения, а его выход подключен

через последовательно соединенные нормально замкнутые контакты второго и третьего аналоговых переключателей к второму сигнальному входу аналого-цифрового преобразователя, общие точки соединения последовательно включенных нормально замкнутых и нормально разомкнутых контактов второго и третьего аналоговых переключателей соответственно подключены к первым выводам второго и третьего делителей напряжения, вторые выводы которых объединены и подключены к инвертирую- щему входу третьего операционного усилителя, второй токовый вывод термодатчика подключен к выходу первого операционного усилителя, управляющие входы первого, второго и третьего аналоговых переключа- телей подключены к знаковому выходу аналого-цифрового преобразователя.

На фиг.1 приведена функциональная схема предлагаемого цифрового измерителя температуры; на фиг,2 - зависимости аб- солютной погрешности преобразования от текущих значений измеряемой температуры при работе измерителя с платиновым термометром сопротивления.

Измеритель содержит преобразователь напряжение-ток 1, входы которого подключены к выводам первого образцового резистора 2, Выход преобразователя 1 напряжение-ток соединен с первым токовым выводом термодатчика 3, второй токо- вый вывод которого подключен к выходу первого операционного усилителя 4. Последовательно соединенные первый образцовый резистор 2, резистор 5 и первый делитель напряжения 6, состоящий из рези- сторов 7 и 8, включены между положительной и отрицательной шинами источника питания. Неинвертирующий вход первого операционного усилителя 4 подсоединен к средней точке первого делителя напряже- ния 6, а инвертирующий вход первого операционного усилителя подключен к первому потенциальному выводу термодатчика 3, второй потенциальный вывод которого соединен с неинвертирующим входом второго операционного усилителя. Точка соединения резистора 5 и первого вывода делителя напряжения 6 подключена к первому сигнальному входу - DBX аналого-цифрового преобразователя 10 и к неинвертирующему входу третьего операционного усилителя 11, инвертирующий вход которого через второй образцовый резистор 12 соединен со своим выходом, а через третий образцовый резистор 13 - с шиной питания -En. Входы опорного напряжения +V0n и -V0n аналого-цифрового преобразователя 10 подключены к выводам второго образцового резистора 12. Неинвертирующий вход второго операционного усилителя 9 соеди- нен со вторым и третьим делителями напряжения 14 и 15 соответственно через нормально замкнутый и нормально разомкнутый контакты аналогового переключателя 16. Выход второго операционного

усилителя через аналоговые переключатели 17 и 18, соединенными один с другим нормально замкнутыми и нормально разомкнутыми контактами, подключен к второму сигнальному входу +VBx аналого-цифрового преобразователя 10. Первые входы делителей напряжения 14, 15 соединены один с другим и подключены к инвертирующему входу третьего операционного усилителя. Второй вход второго делителя напряжения 14 соединен с общей точкой соединения нормально замкнутых контактов аналоговых переключателей 17 и 18, а второй вход третьего делителя напряжения - с общей точков соединения нормально разомкнутых контактов аналоговых переключателей 17 и

18.Входы управления аналоговых переключателей 16...18 объединены и подключены к знаковому выходу аналого-цифрового преобразователя 10, Каждый из делителей напряжения 14 и 15 состоит из двух последовательно соединенных резисторов

19,20 и 21,22. Преобразователь 1 выполнен по известной схеие и состоит из резистора 23, операционного усилителя 24 и полевого транзистора 25, сток которого является выходом преобразователя.

Введение второго операционного усилителя, второго и третьего делителей напряжения в сочетании с подключением второго потенциального вывода датчика к неинвертирующему входу второго операционного усилителя позволило усилить сигнал датчика путем реализации схемы неинвертирующего усилителя и, следовательно, повысить точность преобразования за счет снижения требований к аналого-цифровому преобразователю в части его чувствительности,

Введение трех аналоговых переключателей и образование новых связей с их участием позволило обеспечить режим линеаризации градуировочной характеристики датчика, как для положительных, так и для отрицательных значений измеряемой температуры.

Введение третьего образцового резистора и третьего операционного усилителя в сочетании с образованием новых связей позволило сформировать знаменатель функции преобразования, представляющей собой сплайн-функцию. Разнесение во времени процесса формирования сплайн- функции позволило повысить устойчивость преобразования и, следовательно, расширить ряд типов датчиков, с которыми может функционировать измеритель с заданной точностью.

Непосредственное соединение второго токового вывода датчика с выходом первого операционного усилителя обеспечило возможность применения проводов линии связи с большим сопротивлением, что актуально при дистанционных измерениях температуры и при измерениях температуры поверхностей, находящихся в вакууме в криостатируемых объемах (при этом для снижения теплопритоков по проводам из окружающей среды провода могут выполняться из сплавов с низким значением теплопроводности и высоким значением удельного электрического сопротивления, например из манганина).

Соединение неинвертирующего входа третьего операционного усилителя с первым сигнальным входом аналого-цифрового преобразователя позволило исключить влияние изменений напряжений питающих шин на функцию преобразования измерителя,.

Цифровой измеритель температуры работает следующим образом.

При подаче напряжений питания на шины +Еп и -Еп через последовательную цепь, состоящую из образцового резистора 2, резистора 5 и целителя напряжения 6, начинает протекать ток И. При этом на выходе преобразователя 1 напряжение-ток I0. равный

RI

R2

0)

где RI - сопротивление образцового резистора 2;

R2 - сопротивление резистора 23.

Напряжение на сигнальных входах +VBx и -Vax аналого-цифрового преобразователя 10 примет значение

Vex lo-R(g)-h-R3 - (2)

где Яз - сопротивление резистора 7;

R( 9)-сопротивление термометра 3 при температуре в:

R4, RS - сопротивление резисторов 19, 20.

С учетом выражения (1) для напряжения на сигнальных входах аналого-цифрового преобразователя 10 будет иметь место равенство

у„ ((3)

которое при выполнении условия

Ri

R3 (00) можно будет переписать в следующем виде: vex ()-R(),(4)

где R( U0) - сопротивление термометра 3 при температуре 00 0°С.

Напряжение на входах опорного напряжения +Von и -Von будет определяться равенством:

0

5

0

R3 + R6 R7

(tf)-R(&) R8Von Hi (5)

где Re - сопротивление резистора 8;

Re. R - сопротивления образцовых резисторов 12, 13.

Аналого-цифровой преобразователь 10 реализует алгоритм двухтактного интегрирующего преобразования, поэтому результат измерения будет представлять собой отношение напряжения на сигнальных входах к напряжению на входах опорного напряжения, умноженное на масштабный коэффициент К (равный, например 100 для диапазона измеряемых температур 0...199.9°С и аналого-цифрового преобразователя К572ПВ2). С учетом изложенного, выражение для функции преобразования можно представить в виде отношений выражений (4) и (5):

5

0 i

R4 + R5

R8

R2 R1

R3 +R6

R7

L(#llLRJ0oJ

(0)-R(&)

0

5

0

5

0

5

(6)

Анализ данного выражения показывает, что результат измерения не зависит от тока И. а значит, и от напряжений питания +ЕП и -Еп.

Приведенные выкладки справедливы в том случае, если замкнутому состоянию нормально замкнутых контактов аналоговых пе- реключателейсоответствуют

положительные значения измеряемых температур, а замкнутому состоянию нормально разомкнутых контактов - отрицательные значения измеряемых температур, в последнем случае необходима замена сопротивлений R/i, RS в выражениях (2)-(6) на значения сопротивлений резисторов делителя напряжения 15.

Формула.изо-б ретения

Цифровой измеритель температуры, содержащий последовательно соединенные первый образцовый резистор, резистор и первый делитель напряжения, включенные между положительной и отрицательной шинами источника питания, преобразователь напряжение-ток, подключенный входами к выводам первого образцового резистора, а выходом - к первому токовому выводу термодатчика, подключенного первым потенциальным выводом к инвертирующему входу первого операционного усилителя, соединенного неинвертирующим входом со средней точкой первого делителя напряжения, первый вывод которого подключен к первому сигнальному входу аналого-цифрового преобразователя, подключенного входами опорного напряжения к выводам второго образцового резистора, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены первый, второй и/гретий аналоговые переключатели, второй и третий делители напряжения, третий образцовый резистор и второй и третий операционные усилители, подключенные неинвертирующими входами ко второму потек иальному выводу термодатчика и первому сигнальному входу аналого-цифрового преобразователя, соответственно, инвертирующий вход третьего операционного усилителя соединен с его выходом через второй образцовый резистор, а с отрицательной шиной источника питания - через третий образцовый резистор, инвертирующий вход второго операционного усилителя через нормально замкнутый и нормально разомкнутый контакты первого аналогового переключателя соединен, соответственно, со средними точками второго и третьего делителей напряже- ния, а его выход подключен через

последовательно соединенные нормально замкнутые контакты второго и третьего аналоговых переключателей ко второму сигнальному входу аналого-цифрового преобразователя, общие точки соединения

последовательно включенных нормально0 замкнутых и нормально разомкнутых контактов второго и третьего аналоговых переключателей, соответственно, подключены к первым выводам второго и третьего делителей напряжения, вторые выводы которых объединены и подключены к инвертирующему входу третьего операционного усилителя, второй токовый вывод термодатчика подключен к выходу первого операционного усилителя, управляющие входы первого, второго и третьего аналоговых переключателей подключены к знаковому выходу аналого-цифрового преобразователя.

Изобретение относится к измерению температуры и давления и позволяет повысить точность измерения за счет линеаризации градуировочной характеристики датчика. Цифровой измеритель температуры содержит преобразователь 1 напряжение-ток, подключенный своими входами к первому образцовому резистору 2, а выходом - к первому токовому выводу термометра сопротивления 3. На резисторе 7 делителя 6 напряжения формируется падение напряжения, компенсирующее сопротивление датчика в нулевой точке диапазона измерения. Операционный усилитель 4 обеспечивает независимость функции преобразования измерителя от сопротивлений линии связи. Аналоговые переключатели 16 и 17 подключают один из делителей напряжения 14 или 15 к операционному усилителю 9, обеспечивая изменение глубины отрицательной обратной связи. Аналоговый переключатель 18 обеспечивает подключение сигнального входа аналого-цифрового преобразователя 10 двухтактного интегрирования к одному из делителей напряжения 14 или 15, соответствующему положительным или отрицательным значениям измеряемой температуры. На образцовом резисторе 12, являющимся суммирующим резистором сумматора, образованного образцовым резистором 13 и резисторами 20 и 22 делителей напряжения 14 и 15, формируется опорное напряжение, обеспечивающее требуемую линейность измерительного канала .2 ил. С/У С vi ю 00 Os vl 00

Vufl

Фиг. 2