Цифровой измеритель температуры

СО 1 ОЗ СОВЕ ТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК 876 11 с 0 01 К 7/ Ю ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТГ 10 ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗО АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(56) Авторское свидетельство СССРМ 1597602, кл. б 01 К 7/16, 1988,(54) ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ТЕМПЕРАТУРЫ(57) Изобретение относится к измерениямтемпературы и позволяет повысить точность измерения. Цифровой измерительтемпературы содержит источник тока, выполненный по схеме преобразователя напряжение - ток и подключенный выходом кдатчику 3, а входами - к выводам образцового резистора 2, На потенциометре 7формируется падение напряжения, компенсирующее сопротивление датчика в нулевой зона измерения, Операционный 8 обеспечивает независимость еобразовэния измерителя от сой линии связи. Аналоговые пеи 9 и 11 подключают один из резисторов 10 или 12 к входам напряжения аналого-цифрового ателя 5, нэ сигнальные входы коается разность падений напряатчике 3 и потенциометре 7. К м входам аналого-цифрового преля 5 подключены входы доого преобразователя 4 напряжеход которого соединен с вторым водом датчика 3, Управляющие оговых переключателей подключескому выходу аналого-цифробразователя 5, на котором ет информация о знаке измеряеатуры, 1 ил. точке диапаусилительфункции прпротивлениреключателэталонныхОПорНОГОпреобразовторого поджения на дсигнальныобразоватеполнительнние-ток, вытоковым вывходы аналчены к логивого преоприсутствумой темперИзобретение относится к измерению температуры, именно к цифровым измерителям температуры, работающим совместно с датчиками, имеющими нелинейные градуировочные характеристики (например, с платиновыми термометрами сопротивления) и является вспомогательным к основновному авт. св. М 1597602,Цель изобретения - повышение точности измерения,На чертеже приведена принципиальная схема цифрового измерителя температуры,Измеритель содержит преобразователь 1 напряжение-ток, входы которого подключены к выводам первого образцового резистора 2. Выход преобразователя 1 соединен с первым токовым выводом термометра 3 сопротивления, второй токовый вывод которого подключен к выходу дополнительного преобразователя 4 напряжение-ток, Первый вход преобразователя 4 соединен с первым сигнальным входом +Овх аналогоцифрового преобразователя (АЦП) 5 и первым потенциальным выводом термометра 3 сопротивления. Последовательно соединенные первый образцовый резистор 2, второй резистор 6 и потенциометр 7 включены между шинами питания +Еп и - Е, Общая точка соединения резистора 6 и делителя 7 подключена к второму входу преобразователя 4 и к второму сигнальному входу - Овх АЦП 5, Средняя точка делителя 7 напряжения соединена с неинвертирующим входом операционного усилителя (ОУ) 8, инвертирующий вход которого подключен к второму потенциальному выводу термометра 3 сопротивления, Выход ОУ 8 через нормально замкнутые контакты первого переключателя 9 соединен с первым выводом первого эталонного резистора 10, который через нормально замкнутый контакт второго переключателя 1 подключен ко второму входу опорного напряжения АЦП 5, Нормально ра, омкнутые контакты 9 и 11 соединены со вторым выводом второго эталонного резистора 12, Первые выводы последовательно- соединенных эталонных резисторов 10 и 12, образующих переменный резистор, подключены ко второму токовому выводу термометра 3 сопротивления и к второму входу опорного напряжения Ооп АЦП 5, Преобразователь 1 ток-напряжение выполнен на ОУ 13, неинвертирующий вход которого являетсл одним из входов преобразователя 1. Неинвертиррющий вход ОУ 13 соединен с истоком полевого транзистора 14 и первым выводом резистора 15, второй вывод которого является другим входом преобразователя 1. Потенциометр 7 имеет первый ивторой выводы 16 и 17, Дополнительный преобразователь 4 напряжение-ток содержит ОУ 18 и 19, между инвертирующими входами которых включен резистор 20. ОУ 18 и 19 подключены своими выходами к затворам, а инвертирующими входами - к истокам полевых транзисторов 21 и 22 . соответственно. Неинвертирующие входы ОУ 18 и 19 через нормально замкнутые кон 10 40 45 В 111= о 5055 15 20 25 30 35 такты аналоговых переключателей (АП) 23 и 24 соединены с первым и вторым сигнальными входами АЦП 5, нормально замкнутый контакт АП 23 подключен к нормально разомкнутому контакту АП 24, нормально замкнутый контакт которого подключен к нормально разомкнутому контакту АП 23. Сток полевого транзистора 21 соединен с неинвертирующим входом ОУ 25 и через резистор 26 - с шиной питания + Еп, к которой через резистор 27 подключена точка соединения истока полевого транзистора 28 с инвертирующим входом ОУ 25. Затвор полевого транзистора 28 соединен с выходом ОУ 25, а сток через нормально замкнутый контакт аналогового преобразователя 29 - с выходом преобразователя 4, Нормально разомкнутый контакт АП 29 подключен к стоку полевого транзистора 30, сток которого соединен с инвертирующим входом ОУ 31 и через резистор 32 - с шиной питания - Еп. Выход ОУ 31 подключен к затвору полевого транзистора 22 и через резистор 33 - к шине питания -Еп Входы управления АП подключены к выходу полярности АЦП 5. Цифровой измеритель температуры работает следующим образом.При подаче напряжения питания на клеммы +Еп и -Е, через последовательную цепь, состоящую из образцового резистора 2, резистора 6 и потенциометра 7 будет протекать ток 1 О. На выходе преобразователя напряжение-ток появится ток 11, значение которого определяется по формуле где В 1 - сопротивление образцового резистора 2;В 2 - сопротивление резистора 15 преобразователя 1,Напряжение Овх на сигнальных входах ЛЦП 5 будет равно Овх=11 1 В(0) - 1 оВЗ (2) где В 0- сопротивление термометра 3 при температуре 0;(10) 40 где В(й) В 3 В(0) КЗ 45 ВЗ - сопротивление потенциометра 7. С учетом формулы (1) выражение (2)можно переписать в виде Овх = 1 и (дреееО) - ее 3) еЗ) В 1 Аналого-цифровой преобразователь 5 реализует выполнение операции деления значения напряжения на сигнальных входах на значение напряжения на входах опорного напряжения, которое определяется формулой Ооп = (е 1 ег)Вэт (4) где 2 - ток на выходе дополнительного преобразователя напряжение-ток 4;Вэт - сопротивление эталонного резистора 10,С учетом коэффициента преобразования К 1 дополнительного преобразователя 4 выражение (4) примет вид В 1 Ооп - ео В 2 Вэт 1 -Результат измерения определяетсяформулой где К 2 - коэффициент преобразования АЦП 5.Для вычисления Вэт и К 1 на основе выражения (б) составим систему уравнений- в(0,)-взВ 2К 2- Вэт (1- К 1 Е В (6, ) - - В З Е )в 1 .в 1В 2 вг(7)- в(О) взвгКг- , в. (1-ке)в(О) - -взв 1, ,ве где Й - результат измерения в конечнойточке диапазона изелерения 0; 6 е - результат измерения в некоторой промежуточной точке диапазона измеренияОчевидно, что для выполнения условия гипотетического равенства нулю погрешности в начальной точке диапазона измерения Оо необходимо выполнение равенства откуда находится значение сопротивления ВЗ при заданном значении В 1 и определенном иэ выражения (1) значении сопротивлеееия В 2.Предположим, что имеет место гипотетическое равенство нулю поереиености в точках Й и Ят, чему соответствует 6" Я 20 и бп = (,. Выразив первое уравнение системы (7), получим следующую формулу:- 0 п(т-к т е в(0 п)- - взе)В 2 Вг 30 Подставив полученное выражение во второе уравнение системы (7) и осуществив ряд алгебраических преобразований можно представить расчетную формулу для вычис ления значения К 1 в следующем виде:35 х - э --(1) 1" 2 В (%)- В 31 50 Значение Вэт определяется после расчета К 1 по формуле(9),Переключение диапазонов осуществляется автоматически по сигналу с логического выхода АЦП 5, На схеме предложенного55 устройства аналоговые переключатели 23,24, 29, 9 и 11 показаны в положении, соответствующем положительным значениямизмеряемых температур. При отрицательных значениях измеряемых температур посигналу с логического выхода АЦП 5 анало 1673876говые переключатели изменяат свое состояние н противоположное, причем переключатели 23 и 24 обеспечивают неизменность знака напряжения на неинвертирующих входах операционных усили телей 18 и 19, переключатель 29 изменяет значение коэффициента преобразования К 1, а переключатели 9 и 11 производят переключение эталонных резисторов.Работа дополнительного преобразова теля напряжение-ток 4 аналогична работе преобразователя 1 в прототипе. Выражение для расчета К 1 имеет вид В 5 В 4 Вб(12) В(0) = ВО (1+ А О+ В Ф (13)30 для диапазона температур О +200 С и В(0) =ВО 1+АО++В Ф 4 С (О - 100) Ф)35 для диапазона температур О - 200 С, где ВО - сопротивление термометра при температуре 0 С(например, ВО =100 Ом);40А = 3.96847 10В =. - 5.847 10С = - 4.3558 10 Тогда путем несложных вычислений на 45 ЭВМ можно найти такие значения Й, при которых погрешность равна нулю в трех точках диапазона измерения, изменяет знак при переходе через точку Й и имеет равные модули максимальных значений, Для вычис 50 ленных значений Я, для каждого диапазона измерения по формулам (10) и (9) рассчитываются значения коэффициента К 1 и сопротивления эталонных резисторов 10 и 12.В предложенном техническом решении при использовании платинового термометра сопротивления благодаря введению дополнительного преобразователя напряжение-ток и органиэации новых свягде В 4 - сопротивление резистора 20;В 5 - сопротивление резистора 33 для диапазона 8, , +200 С) или 26 (для диапа зона О, , -200 С);Вб - сопротивление резистора 32 или 27 (в зависимости от диапазона),Пусть в качестве датчика 3 используется платиновый термометр сопротивления с 25 градуировочной характеристикой, имеющей аналитические зависимости видов эей с его участием погрешность измерения, обусловленная нелинейностью градуировочной характеристики не превышает по абсолютной величине 0,009 С в диапазоне О +200 С и 0,18 С в диапазоне О,- 200 С.Формула изобретения 1. Цифровой измеритель температуры по авт. св. М 1597602, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены дополнительный преобразователь напряжение-ток, первый и второй входы которого подключены к сигнальным входам аналого-цифрового преобразователя, а выход соединен с вторым токовым выводом термометра сопротивления, и первый и второй переключатели, при этом выход операционного усилителя подключен к второму выводу переменного резистора через нормально замкнутые контакты первого переключателя, а один иэ входов опорного напряжения аналого-цифрового преобразователя подключен к соответствующему выводу переменного резистора через нормально замкнутые контакты второго переключателя,2, Измеритель по п.1,отл ич а ю щийс я тем, что дополнительный преобразователь напряжение-ток содержит первый, второй, третий и четвертый операционные усилители, первый, второй, третий и четвертый полевые транзисторы, первый, второй и третий аналоговые переключатели и с первого по шестой резисторы, причем к выходу каждого операционного усилителя подключен затвор соответствующего полевого транзистора, неинвертирующие входы первого и второго операционных усилителей соединены соответственно, с выходами первого и второго аналоговых переключателей, первые входы которых объединены и подключены к первому входу дополнительного преобразователя напряжение-ток, к второму входу которого подключены вторые входы первого и второго аналоговых переключателей, между точкой соединения инвертирующего входа первого операционного усилителя с истоком первого полевого транзистора и точкой соединения ин вертирующего входа второго операционного усилителя с истоком второго полевого транзистора включен первый резистор, сток первого полевого транзистора подключен к неинвертирующему входу третьего операционного усилителя непосредственно, а к инвертирующему входу - через последовательно соединенные второй и третий резисторы, общая точка которых подключена к первой шине питания, сток второго полевого транзистора подклю10 1673876 Составитель В,ЯрычРедактор А.Долинич Техред М.Моргентал Корректор М.Максимишинец Заказ 2910 Тираж 375 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород. ул.Гагарина, 101 чен к неинвертирующему входу четвертого операционного усилителя непосредственно, а к инвертирующему входу - через последовательно соединенные пятый и шестой резисторы. общая точка которых подключена к второй шине источника питания, истоки третьего и четвертого полевых транзисторов подключены соответственно к инвертирующим входам третьего и четвертого операционных усилителей, а стоки соединены соответственно с первым и вторым входами третьего аналогового переключателя, выход которого соединен с выходом дополнительного преобразовэте.ля напряжение-ток.3. Измеритель по п.1, от л и ч а ю щ и йс я тем, что переменный резистор содержит 5 последовательно соединенные первый ивторой эталонные резисторы, общая точка которых является его первым выводом, а вторым выводом переменного резистора является первый вывод первого эталонного 10 резистора, при этом второй вывод второгоэталонного резистора соединен с нормально разомкнутыми контактами первого и второго переключателей.