Устройство для измерения температуры Советский патент 1992 года по МПК G01K7/16 

fe

Цель: повышение точности измерения. Сущность изобретения: устройство содержит датчик температуры (1), преобразователь напряжения - ток (2), 6 резисторов (3, 4, 5, 11, 12, 13), стабилитрон (6), шунт (7), стабилизатор напряжения (8), инвертор (9), источник опорного напряжения (10). 8-10-7, 8-2-5-6-7, 8-13, 11-9, 1-2-3, 13-6-8-9, 2-4, 12,11-9,8-9. Положительный эффект: за счет линеаризации сигналов и уменьшения погрешности повышается точность измерения температуры в технологическом процессе, что приводит к экономии энергоресурсов, 3 ил.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к двухпроводным преобразователям, и используется для измерения температуры по двухпроводному методу.

- Известны устройства для измерения температуры, содержащие датчик температуры, подсоединенный первым выводом к неинвертирующему входу преобразователя напряжения - ток и соединенный вторым выводом через первый резистор с первым выводом второго резистора и с инвертирующим входом преобразователя напряжение- ток, подключенного первым выходом ко второму выводу второго резистора и к первому выводу третьего резистора, второй вывод которого подключен через шунт к отрицательной шине питания, и стабилизатор напряжения, подсоединенный входом к положительной шине питания, причем первый выход стабилизатора напряжения соединен со вторым выводом преобразователя напряжение-ток, а второй выход стабилизатора напряжения соединен со вторым выводом третьего резистора и вторым выводом датчика температуры 1, 2.

Однако в известных устройствах в качестве датчиков температуры используются термопары, нелинейность номинальных статических характеристик которых приводит к ошибкам в измерении изменяемой термопары, что повышает погрешность снимаемого с шунта сигнала.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранное в качестве прототипа устройство для измерения температуры, содержащее датчик температуры, подсоединенный первым выводом к неинвертирующему входу преобразователя напряжение-ток и соединенный вторым выводом через первый реXI

О

сл

XI 00

зистор с первым выводом второго резистора и с инвертирующим входом преобразователя напряжение-ток, подключенного первым выходом ко второму выводу второго резистора и к первому выводу третьего ре- зистора, второй вывод которого соединен с катодом стабилитрона, подключенного анодом через шунт к отрицательной шине пита- ния, и стабилизатор напряжения, подсоединенный входом к положительной шине питания, причем первый выход стабилизатора напряжения соединен со вторым выводом датчика температуры 3.

Недостатком известного устройства является отсутствие линеаризации номинальных статических характеристик термопар, используемых в качестве датчиков температуры, что приводит к высокой погрешности снимаемых с шунта сигналов и снижает точность измерения температуры.

Цель изобретения - повышение точно- сти измерения температуры.

Использование предлагаемого устройства позволяет повысить экономию энергоресурсов путем более точного измерения температуры в технологическом процессе за счет линеаризации сигналов и уменьшения погрешности.

Указанная цель достигается тем, что в устройство для измерения температуры, содержащее датчик температуры, подсоеди- ненный первым выводом к неинвертирующему входу преобразователя напряжение-ток и соединенный вторым выводом через первый резистор с первым выводом второго резистора и с инвертирующим входом преобразователя на- пряжение-ток, подключенного первым выходом ко второму выводу второго резистора и к первому выводу третьего резистора, второй вывод которого соединен с катодом стабилитрона, подключенного анодом через шунт к отрицательной шине питания, и стабилизатор напряжения, подсоединенный входом к положительной шине питания, причем первый выход стабилизатора напряжения соединен со вторым выводом датчика температуры, дополнительно введены источник опорного напряжения, подключенный первым выводом к аноду стабилитрона и соединенный вторым выводом с вторыми выходами преобразователя напряжение-ток и стабили- затора напряжения, инвертор, подсоединенный инвертирующим входом к катоду стабилитрона, и четвертый, пятый и шестой резисторы, причем источник опорного напряжения соединен с неинвертирующим входом инвертора, подключенного выходом к первому выводу четвертого резистора, второй вывод которого соединен через пятый резистор с инвертирующим входом преобразователя напряжение-ток и подсоединен через шестой резистор к вторым выходам преобразователя напряжение-ток и стабилизатора напряжения.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием новых дополнительных элементов: источника опорного напряжения, резисторов, инвертора и их связями с остальными элементами схемы.

Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию изобретения новизна.

Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что источник опорного напряжения, резисторы, инвертор широко известны 4.

Однако при их введении в указанной связи с основными элементами схемы в заявляемое устройство для измерения температуры указанные элементы проявляют новые свойства, что приводит к повышению точности измерения температуры. Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию существенные

ОТЛИЧИЯ.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства для измерения температуры; на фиг. 2 и 3 - графики, иллюстрирующие линеаризирующие свойства заявляемого устройства.

Устройство для измерения температуры (фиг. 1) содержит датчик 1 температуры, подсоединенный первым выводом к неинвертирующему входу преобразователя 2 напряжение-ток и соединенный вторым выводом через первый резистор 3 с первым выводом второго резистора 4 и с инвертирующим входом преобразователя 2 напряжение-ток, который подключен первым выходом ко второму выводу второго резистора 4 и к первому выводу третьего резистора 5. Второй вывод резистора 5 соединен с катодом стабилитрона 6, подключенного анодом через шунт 7 к отрицательной шине питания. Стабилизатор 8 напряжения подсоединен входом к положительной шине питания. Первый выход стабилизатора 8 напряжения соединен со вторым выводом датчика 1 температуры, с катодом стабилитрона бис инвертирующим входом инвертора 9, неинвертирующий вход которого соединен с источником 10 опорного напряжения. Вывод инвертора 9 подключен к первому выводу четвертого резистора 11, второй вывод которого соединен через пятый резистор 12с инвертирующим входом преобразователя 2 напряжение-ток и подсоединен через шестой резистор 13 к вторым выходам преобразователя 2

напряжение-ток, стабилизатора 8 напряжения и источника 10 опорного напряжения, первый вывод которого подключен к аноду стабилитрона 6.

Устройство работает следующим образом. Сигнал с датчика 1 температуры поступает на преобразователь 2 напряжение-ток, коэффициент передачи которого определяется соотношением резисторов 3, 12, 4, 5. Преобразователь 2 напряжение-ток преобразует входной сигнал в токовый сигнал уровня 4-20 мА, протекающий через шунт 7.

Ток данного уровня, протекая через стабилитрон б, изменяет его дифференциальное сопротивление. Известно, что зависимость дифференциального сопротивления стабилитрона 6 от тока стабилизации имеет нелинейную зависимость 5. Напря- ж ён ие, поступающее на инвертирующий вход инвертора 9, можно выразить в следующем виде:

AU Uon - I R,

д

(D

где Uon - опорное напряжение, вырабатываемое источником 10 опорного напряжения (Don равно напряжению стабилизации стабилитрона 6 при токе стабилизации 4 мА)1

I - ток через стабилитрон 6;

дифференциальное сопротивление стабилитрона 6.

На основании графических зависимостей формулы (1) можно определить величину нелинейности напряжения Аи.

Для каждого конкретного типа стабилитрона величина нелинейности имеет фик- сй рованн оё знчачение в диапазоне заданных токов, колеблется в пределах от 5 до 20%, а знак нелинейности противоположен знаку йелинейности семейства термопар с номинальными статическими характеристиками (НСХ) типа: ХК (L), ХК (Е), МК (Т), МК (М), МЖ (), ПР (В). Значения нелинейности НСХ термопар для конкретного диапазона измерения температуры рассчитываются поданным, приведенным в ГОСТ 3044-84 6.

Сигнал с выхода инвертора 9 (- AU) через делитель напряжения на резисторах 11, 13 поступает на инвертирующий вход преобразователя 2 напряжение-ток через резистор 12, в результате чего ток, вырабатываемый преобразователем 2 напряжение-ток, выражается в следующем виде:

UBX-K + (-AU-K )

Rs

(2)

0

г ек ё+1:к -те:

UBX f(t) - зависимость сигнала с датчика 1 (термопары) от измеряемой температуры t;

AU f (t) - зависимость сигнала на стабилитроне б от измеряемой температуры (протекающего тока).

Выражение выходного тока можно представить в виде:

1вых

..

(3)

При идентичности нелинейности функций f(t) и f (t) и с учетом противоположных знаков нелинейности, просуммировав слагаемые в формуле (3), получаем линейную зависимость выходного тока от измеряемой температуры.

Так как термопары имеют при различных диапазонах измерений различную величину нелинейности, то необходимо регулировать значение f (t) при помощи коэффициента К1.

Зная нелинейность термопары (ТП) j и нелинейность стабилитрона 6 (j), вычисляем значение Ria

AU-tC FS

,i Цвх-K + AU-K1 j1 Rs

AU-K -Rs j

Rs-Uex-K + AU-K1 j1

R AU-jAU) K12 j-Ux-K

(4)

В качестве стабилитрона 6 использован стабилитрон типа КС191; AU при изменении тока через стабилитрон от 4 до 20 мА составляет 160 мВ. Нелинейность AU при изменении тока через стабилитрон 6 составляет 16%.

В качестве примера рассмотрим погрешность линеаризации характеристики термопары типа ТХК с НСХ ХК (L), диапазон измерения температуры 0-100°С.

Исходные данные приведены в табл. 1.

В табл. 2 приведены данные стабилитрона.

Рассчитаем погрешность линеаризации в пяти точках, просуммировав соответственно значения, приведенные в графах 3 и 6 табл.1, 2.

1)0 + 0 0 мВ

I

2)-0,096+ 0,126 0,03 мВ 3) -0,124 + 0,124 0 мВ 4)-0,09+ 0,079 -0,012 мВ 5) 0 + 0 0 мВ

Максимальная погрешность тельную область составляет

0.03 х 100 0,03 Диых 6,86

0,44 %

Максимальная погрешность в отрицательную область составляет:

0.012x100 0. 1 о/ ЯЛп„ fiftfi Ull/

АУвых

Суммарная максимальная погрешность составляет:

rj+rj 0,44 + 0,17 0,61%.

Изменяя нелинейность j, можно получить погрешность ip, ± 0,305%. Погрешность в результате линеаризации уменьшена в 6 раз.

На фиг, 2 представлено графическое изображение отклонения от линейности зависимости выходного сигнала ТП от температуры; компенсирующая нелинейность стабилитрона 6 и результирующая характеристика погрешности (заштрихованная область).

На фиг. 3 представлено графическое изображение погрешности для температуры типа ТХС с Н СХ ХК (L), диапазон измерения температуры 0-600°С, нелинейность 3,5%. Как видно из графика, результирующая погрешность составляет t 0,14%. Погрешность в результате линеаризации уменьшена в 25 раз.

В качестве инвертора 9 можно приме- .нить операционный усилитель КР 140 УД1208 по схеме инвертирующего усилителя, а в качестве источника 10 опорного на

пряжения - резистивный делитель на резисторах типа С2-29В.

По сравнению с прототипом в заявляемом устройстве за счет линеаризации 5 сигналов и уменьшения погрешности повышается точность измерения температуры. Формула изобретения Устройство для измерения температуры, содержащее датчик температуры, под10 соединенный первым выводом к неинвертирующему входу преобразователя напряжение-ток и соединенный вторым выводом через первый резистор с первым выводом второго резистора и с инвертирующим

15 входом преобразователя напряжение-ток, подключенного первым выходом ко второму выводу второго резистора и к первому выводу третьего резистора, второй вывод которого соединен с катодом стабилитрона, подклю20 ченного анодом через шунт к отрицательной шине питания, и стабилизатор напряжения, подсоединенный входом к положительной шине питания, причем первый выход стабилизатора напряжения соединен с вторым вы25 водом датчика температуры, отличающее- с я тем, что, с целью повышения точности измерения температуры, в него введены источник опорного напряжения, подключенный первым выводом к аноду стабилитрона и сое30 диненный вторым выводом с вторыми выходами преобразователя напряжение-ток и стабилизатора напряжения, инвертор, подсоединенный инвертирующим входом к катоду стабилитрона, и четвертый, пятый и шестой

35 резисторы, причем источник опорного напряжения соединен с неинвертирующим входом инвертора, подключенного выходом к первому выводу четвертого резистора, второй вывод которого соединен через пятый

40 резистор с инвертирующим входом преобразователя напряжение-ток и подсоединен через шестой резистор к вторым выходам преобразователя напряжение-ток и стабилизатора напряжения.

45

Таблица 1

Таблица 2

ГС

/,

Wb

15

-0,W

Фиг.З

i

40

i