Цифровой измеритель температуры

(53)5 6 01 К 7/1 ИСАНИЕ ИЗОБРЕТ ИЯ АВТОР ние напряжения, компенсирующее сопро-. тивление 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.2 ил 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 К 572 ПВ 5 и К 572 ПВ 5, так как в последних нет выходов управляющих сигналов первогои второгоинтегрирования, необходимых ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР У СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Омское научно-производственное объединение микрокриогенной техники (72) А.И,Щелканов(56) Авторское свидетельство СССР М 1191754, кл. 6 01 К 7/16, 1983.Авторское свидетельство СССР М 1597602, кл. 6 01 К 7/16, 1988.(54) ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ТЕМПЕРАТУРЫ(57) Изобретение относится к измерению температуры и давления и позволяет повысить точность измерения за счет линеариэации градуировочной характеристики датчика. Цифровой измеритель температу.- ры 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 падеИзобретение 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 ния структуры "кремний-сапфир").Известен цифровой измеритель температуры, содержащий термометр сопротивления, токовые переключатели, два0 следовательно включенных нормально замкнутых и нормально разомкнутых кондля функционирования устройства, Построение схемы АЦП из дискретных функциональных узлов вызовет неизбежноеухудшение технико-экономических характеристик измерителя, 5Известен цифровой измеритель температуры, содержащий аналого-цифровойпреобразователь (АЦП), первый сигнальныйвход которого соединен с первым потенциальным выводом термометра сопротивления, второй потенциальный выводтермометра подключен к точке соединенияпеременного резистора и образцового резистора, связанного с источником напряжения через потенциометр. Второй вывод 15источника напряжения соединен с переменным резистором, а движок потенциометра подключен к входу опорногонапряжения АЦП. Источник тока подключенк токовым выводам термометра сопротивления, благодаря чему реализуется четырехпроводная измерительная схема и,следовательно, обеспечивается независимость показаний цифрового измерителятемпературы от сопротивления линии связи,Недостатком схемы измерителя является ее низкая точность и сложность конструктивного исполнения, Показания прибора 30линейно зависят от параметров источниковтока и напряжения, что предъявляет высокие требования к схемной реализации этихисточников, в частности к их точности и стабильности. Кроме того, схема требует применения дополнительных, гальваническиразвязанных от цепей питания АЦП, источников питания, что ведет к усложнению схемы прибора в целом.Наиболее близким к предлагаемому по 40технической сущности и достигаемому положительному эффекту является цифровойизмеритель температуры, содержащий источник тока, выполненный по схеме преобразователя "напряжение-ток", датчик, 45включенный по четырехпроводной схема,аналого-цифровой преобразователь, операционный усилитель, переменный резистори включенные между шинами питания последовательно соединенные потенциально 50и два образцовых резистора. Управляющиевходы источника тока подключены параллельно выводам второго образцового резистора, выход источника тока через токовыевыводы датчика и переменный резистор 55подключен к выходу операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с движком потенциометра.Потенциальные выводы датчика включенымежду первым сигнальным входом аналого- бцифрового преобразователя и инвертирующим 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 путемлинеаризации нелинейной градуировочной характеристики в процессе аналого-цифроваго преобразован 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 перному 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 потактов 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,На фиг,1 приведена функциональная схема предлагаемого цифрового измерителя температуры; на фиг,2 - зависимости абсолютной 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 токовый вывод которого подключен к выходу первого операционного усилителя 4. Последовательно срединенные первый образцовый резистор 2, резистор 5 и первый делитель напряжения б, состоящий из резисторов 7 и 8, включены между положительной и отрицательной шинами источника питания. Неинвертирующий вход первого операционного усилителя 4 подсоединен к средней точке первого делителя напряжения 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 б подключена к. первому сигнальному входу - О 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 -Еп. Входы опорного напряжения +Но и -Чоп аналого-цифрового преобразователя 10 подключены к выводам второго образцового резистора 12. Неинвертирующий вход второго операционного усилителя 9 соединен со вторым и третьим делителями напряжения 14 и 15 соответственно через нормально замкнутый и нормально разомкнутый контакты аналогового переключателя 16. Выход второго операционного5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 усилителя через аналоговые переключатели 17 и 18, соединенными один с другим нормально замкнутыми и нормально разомкнутыми контактами, подключен к второму сигнальному входу +Чвх 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 1618 обьединены 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 схеме 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 сплайнфункции 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 воэ5 10 15 20 25 можность применения проводов линии связи с большим сопротивлением; что актуально при дистанционных измерениях температуры и при измерениях температуры поверхностей, находящихся в вакууме в криостатируемых обьемах (при этом для снижения теплопритоков по проводам иэ 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 релителя напряжения 6, начинает протекать ток 11. При этом на выходе преобразователя 1 напряжение-ток 1 о, равныйо =1 -Яг(1) где Я 1 - сопротивление образцового резистора 2;Вг - сопротивление резистора 23.Напряжение на сигнальных входах+Чв, и -Чвх аналого-цифрового преобразователя 10 примет значениеЧвх =(ой(О) - 1 ВЗЗВ (2) где Яз - сопротивление резистора 7;Я( О) -сопротивление термометра 3 при температуре О;В 4, В 5 - сопротивление резисторов 19, 20.С учетом выражения (1) для напряжения на сигнальных входах аналого-цифрового преобразователя 10 будет иметь место ра- венство которое при выполнении условия Вз " - В(О,) можно будет перепиВ 1Вгсать в следующем виде:ч:)1 фг 5 в(0) - й(0)(4)Яг В 5где В(Оо) - сопротивление термометра 3 при температуре О, =0 С. 30 35 40 45 50 55 Напряжение на входах опорного напряжения +Чоп и -Чоп будет определяться равенством: ч 11 я (О) в(Оо вв,ЙЗ+Й 6 Й 15)где В 6 - сопротивление резистора 8;Вв, Я 7 - 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 0199,9 С и аналого-цифрового преобразователя К 572 ПВ 2), С учетом изложенного, выражение для функции преобразования можно представить е виде отношений выражений (4) и (5);дФ Й 4я 5(О):(оо)2 " б р, - )в(0 - в(Оо) К 1 Й 7(йАнализ данного выражения показывает, что результат измерения не зависит от тока 1, а ЗНаЧИт. И От НаПРЯжЕНИй ПИтаНИЯ+Еп И -ЕпПриведенные выкладки справедливы е том случае, если замкнутому состоянию нормально замкнутых контактов аналоговых переключателей соответствуют положительные значения измеряемых температур, а замкнутому состоянию нормально разомкнутых контактов - отрицательные значения измеряемых температур. в последнем случае необходима замена сопротивлений Я 4, В 5 в выражениях (2)-(б) на значения сопротивлений резисторов делителя напряжения 15.Формула изобретения 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 напряже10 1728678 иг 1 ставитель И.Власовахред М.Моргентал Соедактор Н. Козлова Те Корректор М. Кучерява каэ 1400 Тираж 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,Гагарин ния, первый вывод которого подключвн к первому сигнальному входу аналого-цифрового преобразователя, подключенного входами опорного напряжения к выводам второго образцового резистора, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены первый, второй и,третий аналоговые переключатели, второй и третий делители напряжения, третий образцовый резистор и 10 второй и третий операционные усилители, подключенные неинвертирующими входами ко второму потег, иальному выводу термодатчика и первому сигнальному входу аналого-цифрового преобразователя, соот ветственно, инвертирующий вход третьего операционного усилителя соединен с его выходом через второй образцовый резистор, а с отрицательной шиной источника питания - через третий образцовый рези стор. 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 ко 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 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.