Устройство для измерения температуры Советский патент 1992 года по МПК G01K7/18 

Изобретение относится к измерительной технике, может быть использовано для измерения малых отклонений от заданного значения сопротивления, а также для измерения других величин, которые с помощью резисторных преобразователей (терморезисторов, фоторезисторов, тензорезисто- ров и т.д.) преобразуются в сопротивление, и является усовершенствованием устройства по основному авт.св. № 1536219.

Известно устройство для измерения температуры, содержащее термометр сопротивления, включенный в цепь измерительного источника тока, компенсирующий источник питания, один из зажимов которого через резистор и сопротивление линии связи соединен с первым потенциальным выводом термометра сопротивления, операционный усилитель(ОУ) с отрицательной обратной связью, к неинвертирующему входу которого через сопротивление линии связи включен второй потенциальный вывод термометра сопротивления, к инвертирующему входу ОУ и резистору сравнения через резистор подключен третий источник напряжения, другие зажимы источников напряжения и резистора сравнения соединены с общей шиной.

Недостатком этого устройства является низкая точность измерения, так как ток третьего источника напряжения разветвляется на резисторы, что приводит к погрешности, источник тока и источники напряжения не взаимосвязаны и не обеспечивается одинаковая их зависимость от внешних воздействий (при изменении напряжения питания устройства, при изменении температуры), включение компенсирующего источника напряжения не обеспечивает компенсации влияния изменения сопротивления линии связи, компенсирующий ток изменяется с изменением сопротивления.

В другом известном устройстве введен дополнительный усилитель с целью компенсации влияния сопротивления линии связи. Однако добиться полной компенсации влияния линии связи на практике не представляется возможным, так как необходимо учитывать изменение параметров источника питания и двух усилителей.

сл

С

vj CJ Ю

ю

д

го

ю

Известно также устройство, содержащее схему двойного моста, источник тока, подключенный к диагонали моста через ре- зистивный датчик тока. К измерительной диагонали моста подключен дифференциальный вольтметр.

Недостатком этого устройства является введение дополнительного резистора, что приводит к дополнительной погрешности, связанной с изменением характеристик резистора, нелинейность выходного моста, что связано с изменением сопротивления термометра сопротивления при изменении температуры, а также применение дифференциального вольтметра с дополнитель- ным входом для подключения выходов резистивного датчика тока, что существенно ограничивает возможность применения устройства.

Из известных устройств для измерения температуры наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является устройство для измерения температуры, содержащее термометр сопротивления, первый токовый вывод которого через сопротивление линии связи подключен к первому зажиму источника тока, операционный усилитель с резистором обратной связи, резистор сравнения, второй вывод которого соединен с вторым за- жимом источника тока, а первый вывод резистора сравнения соединен через третий резистор с неинвер1ирующим входом операционного усилителя и через сопротивление линии связи с вторым токовым выво- дом термометра сопротивления, первый потенциальный вывод термометра сопротивления через сопротивление линии связи и первый резистор соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, а второй потенциальный вывод термометра сопротивления через сопротивление линии связи и второй резистор соединен с неинвертирующим входом операционного усилителя и общая точка источника тока и резистора сравнения соединена с общей шиной, причем отношение сопротивления резистора сравнения к сопротивлению термометра сопротивления, соответствующему началу измеряемого диапазона температур, и отношение сопротивления третьего резистора к сопротивлению второго резистора равны значению коэффициента усиления операционного усилителя по инвертирующему входу.

Недостатком этого устройства является необходимость высокоточной стабилизации тока источника тока, а также применение дополнительных элементов, необходимых

для создания высокоточного источника тока.

Цель изобретения - повышение точности измерения и упрощение устройства.

Поставленная цель достигается тем, что устройство содержит преобразователь напряжение - значение измеряемого параметра, первый вход которого соединен с выходом операционного усилителя, а второй вход подсоединен к третьему выводу резистора сравнения, общий вывод операционного усилителя подключен к второму выводу источника тока через другие входы преобразователя напряжение - значение измеряемого параметра.

Известно измерение сопротивления с помощью неуравновешенных мостов. Выходное напряжение мостовой схемы нелинейно связано с изменением измеряемого сопротивления, кроме того, для исключения влияния сопротивления линии связи необходимо применять дополнительный OY, что вносит дополнительную погрешность и снижает надежность устройства.

Известно устройство для измерения сопротивления, включенного в цепь отрицательной обратной связи OY. Недостатком такой схемы является низкая точность измерения, так как не учитывается влияние сопротивления линии связи.

На фиг. 1-3 представлены схемы устройства для измерения температуры.

Устройство (фиг.1) содержит термометр 1 сопротивления, первый токовый вывод которого через сопротивление 2 линии связи соединен с первым зажимом источника 3 тока, первый потенциальный вывод термометра 1 сопротивления через сопротивление 4 линии связи и первый резистор 5 соединен с инвертирующим входом операционного усилителя бис резистором 7 отрицательной обратной связи, второй токовый вывод термометра 1 сопротивления через сопротивленние 8 линии связи соединен с первым выводом резистора 9 сравнения и через третий резистор 10 с неинвертирующим входом операционного усилителя 6, второй потенциальный вывод термометра 1 сопротивления через сопротивление 11 линии связи и второй резистор

12соединен с неинвертирующим входом операционного усилителя 6, выход операционного усилителя 6 соединен с первым входом преобразователя 13 напряжение - значение измеряемого параметра, второй вывод источника 3 тока и второй вывод резистора 9 сравнения соединены с общей шиной и третьим входом преобразователя

13напряжение-значение измеряемого параметра, второй вход преобразователя 13

напряжение - значение измеряемого параметра соединен с третьим выводом резистора 9 сравнения.

Устройство работает следующим образом.

Напряжение Ua на первом потенциальном выводе термометра сопротивления равно

(Rd + Rl4+Rn)(1)

где Rd - сопротивление термометра сопротивления;

Ri4 - сопротивление линии связи 8;

Rn - сопротивление резистора сравнения 9;

Ц-ток в термометре 1 сопротивления.

Учитывая, что

Rd Ro + AR,

где RO - сопротивление термометра сопротивления при температуре, соответствующей началу измеряемого диапазона температур;

AR - отклонение сопротивления термометра сопротивления от значения R0, выражение (1) имеет вид:

Ua t(Ro+ AR + Ri4 + Rn). (2) Напряжение Ub на неинвертирующем входе операционного усилителя, при условии, что R2 Ri3 и (R2 + Ra) Ri4, равно

Rs

Ub Ј Rn + Ј-Ri4

(3)

R2 + Rs

При условии, что Ri (Ri2 + Ri4 + Rd + +Rn), коэффициент усиления операционного усилителя 6 по инвертирующему входу равен

К(-) R4/(Ri + Ri2 + Rd + RU + Rn) R4/R1

(4) и по неинвертирующему входу равен

K(+)K(-)+1.(5)

Напряжение на выходе операционного усилителя 6 определяется из выражения

Uv Uy K(+) - Ua-K(-).(6)

После преобразований с учетом выражений (2) - (5) и, принимая R3/R2 К(-) и Rn/Ro K(-), окончательно получают

(- t-AR(7)

Преобразователь 13 выполняет функцию преобразования выходного напряжения Uv в показания п устройства с использованием падения напряжения на части резистора 9 сравнения в качестве опорного напряжения. Преобразователь 13 напряжение - значение измеряемого параметра выдает показания, когда

Uv U оп К2 JJ

(8)

где Uon &Rn/ki - опорное напряжение;

ki - число, определяющее часть сопро- тивления резистора Rn, принятую для образования опорного напряжения;

N - число, соответствующее конечному значению измеряемой величины;

п - число соответствующее части n/N опорного напряжения при выдаче показаний;

К2 - число, определяющее заданное отношение Uv к Uon (n/N), при котором устройство выдает результат измерения (состояние равновесия).

После подстановки в (8) значения Uv из (7), а также учитывая, что Rn Ro-K(-) получают

35

R

Ro-k2

й-fcn

(9)

201V ki

где k Ro k2/(ki N) const, откуда видно, что значение AR не зависит от силы тока, поэтому могут быть снижены требования к стабильности источника тока,

25 выходному сопротивлению источника тока, а также исключается необходимость в отдельном источнике опорного напряжения. По этой же причине исключается появление нелинейности функции преобразования из30 за изменения тока источника тока при изме- нении AR. Для случая измерения температуры AR R0 A t, где А 0,00426 1/°С,

(10)

k2 п ki-A N

При условии, что k2/(ki A N) 1, отсчет температуры производится в единицах температуры (°С).

Вместо термометра сопротивления может быть включен любой резистивный чувствительный элемент, например тензорезистор, фоторезистор и т.д. При этом расчет схемы ведется по формуле (9), где вместо AR подставляется изменение сопротивления чувствительного элемента, оп- ределенное по его функции преобразования. При этом никаких изменений в схеме устройства не требуется.

В случае измерения отклонения AR сопротивления резистора от заданного значения при условии, что k 1, число п выражается в единицах сопротивления.

На фиг.2 показан пример реализации предлагаемого устройства для измерения

сопротивления в варианте ручного уравновешивания, в котором происходит сравнение выходного напряжения Uv операционного усилителя с опорным Uon n/N напряжением, получаемым на выходе

переключаемого делителя D. Преобразователь 13 напряжение - значение измеряемого параметра содержит инвертирующий операционный повторитель 14 с резистором 17 обратной связи Rs Re и вспомогательным резистором 18 R.

Число N ступеней делителя напряжения D, состоящего из N равных по сопротивлению резисторов 15, 16 и 19 Re.-.Rg, выбирается с учетом максимального значения отклонения сопротивления измеряемого резистора R0. Например, RO 10 Ом, ARmax 1 Ом. Для получения отсчета в сотые доли ома получают N 100. В качестве нуль-индикатора 20 может быть применен, например, любой магнитоэлектрический гальванометр.

Поскольку равновесие схемы достигается при Don n/N Uv, из (8) следует, что К2 1.

Из условия к 0,01 определяют значение коэффициента ki:

Ro-K2 ,n

k1 k.N 1U

Полученное устройство обеспечит измерение отклонения AR резистора R0 10 Ом. Число, равное порядковому номеру положения движка делителя D, определяет значение отклонения AR, выраженное в сотых долях ома. Дальнейшее повышение точности устройства может быть получено путем градуировки шкалы нуль-индикатора, например, в тысячных долях ома.

Результат измерения не зависит от сопротивления линий связи, соединяющей измеряемое сопротивление с устройством. Значение коэффициента К(-) и тока I выбирается с целью обеспечения чувствительности нуль-индикатора.

На фиг.З показан пример реализации предлаагемого устройства для измерения температуры с применением аналого-цифрового преобразователя 13 (АЦП), выполненного на микросхеме К572ПВ5 и с использованием цифрового индикатора 14 ИЖЦ5-4/8. В состав преобразователя 13 напряжение - значение измеряемого параметра кроме этого АЦП (стандартные навесные элементы на фиг.З не показаны) при необходимости может быть введен операционный усилитель 17 с резистором 16 обратной связи для согласования выходного напряжения Uv с требованиями микросхемы К572ПВ5для выбранного диапазона измерения. Микросхема К572ПВ5 выдает максимальное показание на индикаторе ИЖЦ5-4/8 1999 при Don 100 мВ и UBX 199,9 мВ. Следовательно, из выражения (8) получается К2 2, Для согласования полярности напряжения Uv применяется инвертирующий операционный повторитель с резистором 15 обратной связи R4 RS и вспомогательным резистором 18 Re. Принимая общее число ступенек N 1999 и задаваясь условием,чтобы показания были в десятых долях градуса, из выражения (10) получаютk2/(ki AN) 0,1 °С, откудаki 2,33. Значение тока I и коэффициента К(-) выбира0 ется из условия применения микросхемы К572ПВ5, чтобы Uon 100 мВ и ивых было не более 200 мВ.

Как показано выше, результат измерения приведенных на фиг.2 и 3 устройств не

5 зависит от изменений тока I. Значение тока I должно лишь обеспечивать требования чувствительности применяемого в этих преобразователях нуль-индикатора (нуль-органа). Стабилизация напряжения питания

0 устройства должна быть обеспечена лишь в пределах нормальных условий функционирования применяемых элементов (например ±5% для К572ПВ5).

Источник тока может быть образован

5 путем подачи на сопротивление Ri2 напряжения питания через непрецизионный резистор.

При подключении АЦП К572ПВ4 на выходе преобразователя (АЦП) будет пред0 ставлен восьмиразрядный двоичный код, который можно использовать для дальнейшей обработки.

Испытания устройства показали, что при измерении температуры от минус 50 до

5 плюс 50°С погрешность измерения не превышает 0,05%. При испытаниях вместо медного термометра сопротивления был применен магазин сопротивлений Р4831 кл. 0,02/2 . Изменение показаний, вызыва0 емое увеличением сопротивления линии связи до 100 Ом, не превысило 0,02%.

Повышение точности в предлагаемом устройстве обеспечивается за счет применения одного и того же тока I для обрэзова5 ния измеряемого электрического сигнала (I ДК) и опорного напряжения (I Rn/k1). Высокая точность преобразования величины AR в выходное напряжение Uv операционного усилителя обеспечивается за счет ис0

5

пользования одних и тех же элементов схемы (Ri, Ri2, Rd, RH. Rn) в образовании коэффициентов усиления К(-) и К(+). Как видно из выражения (10), результат измерения не зависит от значений К(-) и К(+). Однако это справедливо при сохранении условия R4/Ri R3/R2 Rn/Ro.

Повышение точности в предлагаемом устройстве обеспечиваается за счет принципиального исключения значения тока из

формул расчета погрешности, что создает возможность существенно снизить требования к источнику тока в части его выходного сопротивления и стабильности, снижение требований к стабильности на- пряжения питания устройства, исключает необходимость в отдельном источнике опорного напряжения. Благодаря перечисленным условиям существенно (в несколько раз) снижается потребляемая им энергия от источника питания (главным образом за счет исключения цепей стабилизации). Сокращение количества элементов схемы обеспечивает повышение его надежности, снижение себестоимости, повышение его технологичности.

По данному принципу могут быть выполнены также устройства для сигнализации об отклонении измеряемого параметра от заданного значения; регулирования тех- нологических процессов по отклонению измеряемых параметров от заданного значения; сортировки прецизионных резисторов по отклонению их сопротивления от номинального значения; измерения электрического сопротивления взамен сложных измерительных мостов.

Формула изобретения Устройство для измерения температуры по авт.св. № 1536219, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введен преобразователь напряжение - значение измеряемого параметра, первый вход которого соединен с выходом операционного усилителя, а второй вход подсоединен к третьему выводу резистора сравнения, общий выход операционного усилителя подключен к второму выходу источника тока через другие входы преобразователя напряжение - значение измеряемого параметра.

Устройство для измерения температуры предназначено для измерения температуры, а также для измерения других величин, которые преобразуются в изменение сопротивления (фоторезисторы, тензорезисторы и т.д.). Датчики включены по четырехпро- водной схеме. Исключение влияния сопротивления линии связи, а также схемы источника тока позволяют повысить точность измерения при одновременном упрощении устройства. 3 ил.

«

N-1

U U

Преобразователь напряжение -значение, измеряемого параметра

16

-о

О

Риг.2

Преобразователь напряжение-значение измеряемого параметра

Фиг.З