Устройство для измерения разности температур

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК Я 2 556 А 51)5 6 01 К 7/14, 7/32 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯНОСТИ ТЕМПЕРАТУР РЕ А(Л ОЧ 2 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯПРИ ГКНТ СССР(71) Ленинградское производственное обьединение "Электронприбор"(72) Е,З,Каган, С.Д.Лебедев и Д,А.Летюхин (56) Высокоточные измерители малых разностей температур на основе термисторов. Экспресс-информация. Контрольно-измерительная техника. М., 1986, М 21, рис, 3.Авторское свидетельство СССР М 857739, кл. 6 01 К 7/14, 1981.(57) 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 нуля. 1 з.п,ф-лы. 2 ил., 1 табл.Изобретение относится к измерительной технике, а именно к средствам измерения разности температур.Целью изобретения является повышение чувствительности и точности измеренийпри уменьшении габаритов чувствительнойчасти, а также повышение технологичностиза счет исключения подбора пар полупроводниковых термореэисторов,На фиг. 1 изображена принципиальнаяэлектрическая схема устройства; на фиг. 2 -принципиальная электрическая схема устройства с блоком температурной компенсации дрейфа нуля,Измеритель разности температур (фиг.1) содержит первую шину положительногопитания 1, общую шину 2, шины 3 и 4 положительного и отрицательного питания операционных усилителей, первый 5, второй 6операционные усилители, первый 7, второй8 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 усилителейподключены к соответствующим выводамоперационных усилителей 5 и 6. Термистор8 включен между шиной 1 питания и первымвыводом термистора 7, второй вывод которого подключен к выходу операционногоусилителя 5. Резистор 12 подключен междуобщей точкой термисторов 7 и 8, к которойподключен неинвертирующий вход операционного усилителя 6 и инвертирующимвходом операционного усилителя 5, резистор 13 подключен между инвертирующимвходом и выходом операционного усилителя 5, резистор 11 подключен между шиной1 питания и соединением второго выводатермистора 9 и первого вывода подстроечного резистора 10 подключенного вторымвыводом к общей шине. Первый вывод термистора 9 соединен со вторым выводом резистора 14, первый вывод которогоподключен к соединению инвертирующеговхода операционного усилителя 6 и первоговывода резистора 15, подключенного вторым выводом к выходу операционного усилителя 6 и выходной шине 16 устройства.Схема работает следующим образом.Термистор 8 нагрет до более высокогозначения из двух температур, разность которых измеряется, а термисторы 7 и 9 находятся при более низком значениитемпературы. Термисторы 7 и 8 составляютделитель, с которого на неинвертирующийвход операционного усилителя подано напряжение, величина которого определяетсяизмеряемой температурной разностью.55 Сопротивления К 12 и Я 1 з выбираютсятакими, чтобы обеспечить режим измеренияс минимальной нелинейностью и избежатьшунтирования термистора 7.Таким образом при помощи трансформатора сопротивления на операционном усилителе 5 осуществляется выбор оптимального соотношения сопротивлений в делителе на Операционный усилитель 5 совместно с делителем на резисторах 12 и 13 трансформирует сопротивление термистора 7, при этомсопротивление эквивалентного резистора,5 подключенного между точкой 17 соединения термисторов и общей шиной,определяется соотношением сопротивленийрезисторов 12 и 13 и вычисляется по формуле10 В 7 э = В 7 В 12/(В 13+ В 12) (1)где Я 7, В 12 и В 1 з - соответственно сопротивления резисторов 7, 12 и 13.Известно, что зависимость термосопротивления от температуры выражается сле 15 дующей формулой:В(Т) = В 1 оехрВ (1/Т - ТО), (2)где Вто - сопротивление термистора притемпературе ТО; В - константа материалатермореэистора.20 Для того, чтобы максимально линеаризовать зависимость напряжения, снимаемого с термистора, от температуры внекотором температурном диапазоне, необходимо создать последовательную цепь25 из термистора и резистора, сопротивлениекоторого определяется по формуле:Ву = Ятс(В - 2 Т)/(В + 2 Т), (3)где Втс - сопротивление термистора притемпературе ТС середины измеряемого30 температурного диапазона,В таблице приведены значения К == В 2 И 1 (сопротивление В 1 соответствуетзначениям сопротивления термистора длянижней границы диапазона) для термистора35 с параметрами Вто = 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. Изтаблицы видно, что величина К меняется40 незначительно и ее можно выбрать постоянной, равной средней величине двух крайнихзначений, Очевидно, что для удовлетворения условий минимальной нелинейности необходимо точное выполнение соотношений45 номиналов термисторов в схеме, что практически неосуществимо из-за ограниченности выпускаемых номиналов термисторов,выбор же термисторов одного номинала необеспечивает условия минимальной нели 50 нейности в измеряемом диапазоне температур.1778556 30 35 40 45 50 55 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 5 подстройка нуля. Операционный усилитель 6 выполняет роль масштабирующего усилителя, усиливающего сигнал, снимаемый с точки 17 и одновременно осуществляющего коррекцию по изменению температуры 10 нижней границы измеряемого температурного диапазона, При изменении этой температурй меняется сопротивление термистора 9, а следовательно, и коэффициент усиления масштабирующего усилителя, при 15 . этом нужные соотношения задаются выбором номиналов резисторов 14 и 15.В случае, если оба термистора имеют одинаковый ТКС:ТКС 1 = ТКС 2 = -В/Т (4) 20При этом чувствительность схемы по разности температур(при небольших значениях разности) пропорциональна В/Т, Если существенно изменяются температуры обоих термисторов, то изменяется и чувст вительность схемы. Так при изменении абсолютной температуры обоих резисторов на 60 градусов (при Т = 283 К) приводит к изменению чувствительности на 45 О, что соответствует температурной погрешности преобразования 0,8 О град, и сужает диапазон изменения абсолютных температур нижней границы измеряемой разности.Таким образом применение масштабирующего усилителя на операционном усилителе 6, помимо осуществления функции усиления, позволяет скомпенсировать изменение чувствительности, вызванное изменением температуры нижней границы измеряемого температурного диапазона.Реально применяемые термисторы имеют разбросы по величинам В 1 о 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 между точками 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 резистора 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 потенциометра 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 й 1 о 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 изобретения1, Устройство для измерения разности температур, содержащее последовательно соединенные первый и второй терморезисторы, шину положительного питания, подключенную к одному выводу первого177 В 556 Зависимость оптимального отношения К резисторов в делителе от температуры нижней границы измеряемого диапазона (для термистора с йо = 33 кОм,Б = 3500, Т 1 - Т 2 = 20 град. С). 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 второго операционного усилителя, о т л и ч а ющ е е с я 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 выводом - 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,отл ича ю щеес я тем, что, с целью повышения техноло гичности за счет исключения начальногоподбора пар полупроводниковых терморезисторов, в него введен блок компенсации дрейфа нуля, через который третий полупроводниковый терморезистор одним выво дом подключен к другим выводам первого ишестого резисторов, при этом блок компенсации дрейфа нуля выполнен в виде генератора отрицательного тока, параллельно включенных между его выходом и общей 15 шиной четвертого полупроводникового терморезистора и потенциометра, седьмого, .восьмого и девятого резисторов и третьего операционного усилителя, неинвертирующий вход которого подключен к среднему 20 выводу потенциометра, а инвертирующийвход соединен через седьмой резистор с выходом генератора отрицательного тока, через восьмой резистор - с выходом третьего операционного усилителя, являющимся 25 выходом блока компенсации дрейфа нуля, ис одним выводом девятого резистора, другой вывод которого является входом блока компенсации дрейфа нуля.177855 б тавитель. Д.Летюхиред М,Моргентал Сосндактор Н.Коляда Тех Корректор Е.Пап ГКНТ СССР каз 4184 Тираж ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытия113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101