Устройство для измерения разности температур Советский патент 1992 года по МПК G01K7/14 G01K7/32 

(Dual

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к средствам измерения разности температур.

Целью изобретения является повышение чувствительности и точности измерений при уменьшении габаритов чувствительной части, а также повышение технологичности за счет исключения подбора пар полупроводниковых терморезисторов.

На фиг. 1 изображена принципиальная электрическая схема устройства; на фиг. 2 - принципиальная электрическая схема устройства с блоком температурной компенсации дрейфа нуля.

Измеритель разности температур (фиг. 1) содержит первую шину положительного питания 1, общую шину 2, шины 3 и 4 положительного и отрицательного питания операционных усилителей, первый 5, второй 6 операционные усилители, первый 7, второй 8 и третий 9 термисторы, подстроечный резистор 10, первый 11, второй 12, третий 13, четвертый 14 и пятый 15 резисторы, выходную шину 16.

Шины положительного 3 и отрицательного 4 питания операционных усилителей подключены к соответствующим выводам операционных усилителей 5 и 6. Термистор 8 включен между шиной 1 питания и первым выводом термистора 7, второй вывод которого подключен к выходу операционного усилителя 5. Резистор 12 подключен между общей точкой термисторов 7 и 8, к которой подключен неинвертирующий вход операционного усилителя 6 и инвертирующим входом операционного усилителя 5, резистор 13 подключен между инвертирующим входом и выходом операционного усилителя 5, резистор 11 подключен между шиной 1 питания и соединением второго вывода термистора 9 и первого вывода подстроеч- ного резистора 10 подключенного вторым выводом к общей шине. Первый вывод термистора 9 соединен со вторым выводом резистора 14, первый вывод которого подключен к соединению инвертирующего входа операционного усилителя 6 и первого вывода резистора 15, подключенного вторым выводом к выходу операционного усилителя б и выходной шине 16 устройства. Схема работает следующим образом. Термистор 8 нагрет до более высокого значения из двух температур, разность которых измеряется, а термисторы 7 и 9 находятся при более низком значении температуры. Термисторы 7 и 8 составляют делитель, с которого на неинвертирующий вход операционного усилителя подано напряжение, величина которого определяется измеряемой температурной разностью.

Операционный усилитель 5 совместно с делителем на резисторах 12 и 13 трансформирует сопротивление термистора 7, при этом сопротивление эквивалентного резистора,

подключенного между точкой 17 соединения термисторов и общей шиной.определя- ется соотношением сопротивлений резисторов 12 и 13 и вычисляется по формуле

R7Ri2/(Ri3 + Ri2).(1)

где R, Ri2 и Ria - соответственно сопротивления резисторов 7, 12 и 13.

Известно, что зависимость термосопротивления от температуры выражается следующей формулой:

R(T)RioexpB (1/T-TO),(2)

где RTO - сопротивление термистора при температуре ТО; В - константа материала терморезистора.

Для того, чтобы максимально линеаризовать зависимость напряжения, снимаемого с термистора, от температуры в некотором температурном диапазоне, необходимо создать последовательную цепь

из термистора и резистора, сопротивление которого определяется по формуле;

RZ - Rlc(B - 2Т)/(В + 2Т),(3)

где RTC - сопротивление термистора при температуре ТС середины измеряемого

температурного диапазона.

В таблице приведены значения К Rz/Ri (сопротивление RI соответствует значениям сопротивления термистора для нижней границы диапазона) для термистора

с параметрами RTO 33 кОм (ТО 25 град.С) В 3500 для диапазона разности температур 20 град., при изменении нижней границы диапазона от 10 до 60 град. С. Из таблицы видно, что величина К меняется

незначительно и ее можно выбрать постоянной, равной средней величине двух крайних значений. Очевидно, что для удовлетворения условий минимальной нелинейности необходимо точное выполнение соотношений

номиналов термисторов в схеме, что практически неосуществимо из-за ограниченности выпускаемых номиналов термисторов, выбор же термисторов одного номинала не обеспечивает условия минимальной нелинейности в измеряемом диапазоне температур.

Сопротивления Кт2 и Ri3 выбираются такими, чтобы обеспечить режим измерения с минимальной нелинейностью и избежать шунтирования термистора 7.

Таким образом при помощи трансформатора сопротивления на операционном усилителе 5 осуществляется выбор оптимального соотношения сопротивлений в делителе на

термисторах 7 и 8, обеспечивающего минимальную нелинейность преобразования.

Делитель на резисторах 11 и 10 обеспечивает задание нуля на выходе устройства, при этом резистором 10 осуществляется подстройка нуля. Операционный усилитель 6 выполняет роль масштабирующего усилителя, усиливающего сигнал, снимаемый с точки 17 и одновременно осуществляющего коррекцию по изменению температуры нижней границы измеряемого температурного диапазона. При изменении этой температуры меняется сопротивление тер- мистора 9, а следовательно, и коэффициент усиления масштабирующего усилителя, при этом нужные соотношения задаются выбором номиналов резисторов 14 и 15.

В случае, если оба термистора имеют одинаковый ТКС:

TKCi TKC2 -B/T2(4)

При этом чувствительность схемы по разности температур (при небольших значениях разности) пропорциональна В/Т . Если существенно изменяются температуры обоих термисторов, то изменяется и чувствительность схемы. Так при изменении абсолютной температуры обоих резисторов на 60 градусов (при Т 283 К) приводит к изменению чувствительности на 45%, что соответствует температурной погрешности преобразования 0,8% град, и сужает диапазон изменения абсолютных температур нижней границы измеряемой разности.

Таким образом применение масштабирующего усилителя на операционном усилителе б, помимо осуществления функции усиления, позволяет скомпенсировать изменение чувствительности, вызванное изменением температуры нижней границы измеряемого температурного диапазона.

Реально применяемые термисторы имеют разбросы по величинам Rio и В, это приводит к появлению погрешности измерения, в частности к дрейфу нулевой точки и увеличению погрешности за счет отличия соотношения сопротивлений термисторов в делителе при заданных номиналах резисторов 12 и 13 от оптимального. Разбросы термисторов компенсируются, если выполнить резистор 13 подстроечным и включить междуточками 18 и 19 блок температурной компенсации дрейфа с нуля 20. как изображено на фиг. 2.

В этой схеме резистор 13 сделан подстроечным. Генератор тока 21 включен между шиной отрицательного питания 4 и соединением первых выводов четвертого термистора 22, потенциометра 23 и шестого резистора 24, вторые выводы потенциометра 23 и резистора 22 подключены к шине

земли, а движок потенциометра 23 - к неинвертирующему входу операционного усилителя 25. к инвертирующему входу которого подключены первый вывод седьмого рези- стора 26, второй вывод резистора 24 и первый вывод восьмого резистора 27. второй вывод которого подключен к точке 18, а второй вывод резистора 26 - к выходу операционного усилителя 25, подключенному к

точке 19. К соответствующим выводам питания операционного усилителя 25 подключены шины 3 и 4.

Замена постоянного резистора 13 на подстроечный позволяет подбирать оптимальное соотношение результирующих сопротивлений в плечах делителя на термисторах 7 и 8 путем изменения коэффициента трансформации сопротивления термистора 7. Для исключения дрейфа нулевой

точки разности от значений абсолютной температуры в устройство введен компенсатор дрейфа 20 на операционном усилителе 25, термисторе 22. резисторах 24, 26 и 27, потенциометре 23 и генераторе тока 21. При

отключенном резисторе 27, если движок по- тенциометра находится в крайнем верхнем положении, операционный усилитель 25 повторяет напряжение в точке 28 соединения термистора 22 и потенциометра 23, при

этом ТК этого напряжения отрицателен. В случае, если движок потенциометра находится в крайнем нижнем положении, операционный усилитель 25 ведет себя как инвертирующий усилитель, соответственно

ТК выходного напряжения положителен. Таким образом, меняя положение движка потенциометра, мы можем установить необходимый температурный дрейф выходного напряжения операционного усилителя

25. Таким образом подстройка резистора 10 мы можем задавать необходимый нулевой уровень на выходе масштабирующего усилителя на операционном усилителе 6, а регулировкой потенциометра 23 - его

температурный дрейф.

Все перечисленные регулировки позволяют избавиться от подбора термисторов по величинам Rio и В. Таким образом, использование данного устройства дает положительный эффект, связанный с улучшением технологичности за счет исключения операции начальной разбраковки и подбора пар термисторов с идентичными параметрами.

Формула изобретения

1. Устройство для измерения разности температур, содержащее последовательно соединенные первый и второй терморезисторы, шину положительного питания, под- ключенную к одному выводу первого

терморезистора и одному выводу первого резистора, первый и второй операционные усилители, выходы которых соединены с инвертирующими входами соответственно через второй и третий резисторы, а инвертирующие входы подключены к одним выводам соответственно четвертого и пятого резисторов, общую шину, подключенную к одному выводу шестого резистора, и выходную шину, подключенную к выходу вто- рого операционного усилителя, отличающееся тем, что, с целью повышения чувствительности и точности измерений при уменьшении габаритов чувствительной части, первый и второй терморезисторы выполнены в виде полупроводниковых терморезисторов и введен третий полупроводниковый терморезистор, одним выводом подключенный к другим выводам первого и шестого резисторов, другим выво- дом - к другому выводу пятого резистора, при этом неинвертирующие входы первого и второго операционных усилителей соединены соответственно с общей шиной и объединенными выводами первого и второго полупроводниковых терморезисторов, подключенными к другому выводу четвертого резистора, а другой вывод второго полупроводникового терморезистора соединен с выходом первого операционного усилителя. 2. Устройство по п. 1,отличающее- с я тем, что, с целью повышения технологичности за счет исключения начального подбора пар полупроводниковых терморезисторов, в него введен блок компенсации дрейфа нуля, через который третий полупроводниковый терморезистор одним выводом подключен к другим выводам первого и шестого резисторов, при этом блок компенсации дрейфа нуля выполнен в виде генератора отрицательного тока, параллельно включенных между его выходом и общей шиной четвертого полупроводникового терморезистора и потенциометра, седьмого, восьмого и девятого резисторов и третьего операционного усилителя, неинвертирующий вход которого подключен к среднему выводу потенциометра, а инвертирующий вход соединен через седьмой резистор с выходом генератора отрицательного тока, через восьмой резистор - с выходом третьего операционного усилителя, являющимся выходом блока компенсации дрейфа нуля, и с одним выводом девятого резистора, другой вывод которого является входом блока компенсации дрейфа нуля.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к средствам измерения разности температур. Целью изобретения является повышение чувствительности и точности измерений при уменьшении габаритов чувствительной части, а также повышение технологичности за счет исключения подбора пар полупроводниковых терморезисторов. Сущность изобретения: устройство содержит терморезисторы 7-9, шину 1 положительного питания, операционные усилители 5, 6, резисторы 11-15, общую шину, выходную шину 16 и блок компенсации дрейфа чуля. 1 з.п.ф-лы. 2 ил.. 1 табл.

Зависимость оптимального отношения К резисторов в делителе от температуры нижней границы измеряемого диапазона (для термистора с Ro 33 кОм, В 3500, Ti - Т2 20 град.С).

со

ю

П