Устройство для измерения температуры

(19 5)5 6 01 К 7/16 ИСАН БРЕТЕН ЕТЕЛ ЬСТВУ АВТОРСКОМУ С Мкто родст 1 егйе ТУ 5 стен ОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯРИ ГКНТ СССР.; 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 напряжениеток, 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 сое 54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕН ПЕРАТУРЫ(57) Цель: повышение точности Сущность изобретения: устрой жит датчик температуры (1), п тель напряжения - ток 2), 6 ре 4, 5, 11, 12, 13), стабилитронстабилизатор напряжения 8), и источник опорного напряжения ( 8-2-5 - 6 - 7, 8 - 13, 11-9, 1-2 - 3, 13 12, 11-9, 8-9. Положительный эф линеаризации сигналов и умен грешности повышается точность температуры в технологическом и приводит к экономии энергоресур измерения, ство содер- реобразовазисторов 3, б), шунт Я, нвертор (9), 10). 8 - 10 - 7, -6-8-9, 2-4, фект: за счет ьшения поизмерения роцессе, что сов, 3 ил. динен са вторым выводом преобразователя напряжение-ток, а второй выход стабилизатора напряжения соединен со вторым выводом третьего резистора и вторым выводомдатчика температуры Щ Р 1Однако 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 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 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 31.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 точности 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, подсоединенный 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 напряжение-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 стабилизатора 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 и ре 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 образователя напряжение-ток и подсоединен через шестой резистор к вторым выходам преобразователя напряжение-ток истабилизатора напряжения.Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройствоотличается наличием новых дополнительных элементов: источника опорного напряжения, резисторов, инвертора и их связямис остальными элементами схемы.Таким образом, заявляемое устройствосоответствует 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 указаннойсвязи с основными элементами схемы в заявляемое устройство для измерения температуры указанные элементы проявляютновые свойства, что приводит к повышениюточности измерения температуры. Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию "существенныеотличия".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 вторымвыводом через первый резистор 3 с первымвыводом второго резистора 4 и с инвертирующим входом преобразователя 2 напряжение-ток, который подключен первымвыходом ко второму выводу второго резистора 4 и к первому выводу третьего резистора 5. Второй вывод резистора 5 соединенс катодом стабилитрона 6, подключенногоанодом через шунт 7 к отрицательной шинепитания. Стабилизатор 8 напряжения подсоединен входом к положительной шине питания. Первый выход стабилизатора 8напряжения соединен со вторым выводомдатчика 1 температуры, с катодом стабилитрона 6 и с инвертирующим входом инвертора 9, неинвертирующий вход которогосоединен с источником 10 опорного напряжения. Вывод инвертора 9 подключен к первому выводу четвертого резистора 11,второй вывод которого соединен через пятый резистор 12 с инвертирующим входомпреобразователя 2 напряжение-ток и подсоединен через шестой резистор 13 к вторым выходам преобразователя 2. ЛО=О- Вд (1) где О 0 п- опорное напряжение, вырабатываемое источником 10 опорного напряжения (Ооп равно напряжению стабилизации стабилитрона 6 при токе стабилизации 4 мА).1 - ток через стабилитрон 6;д - дифференциальное сопротивление стабилитрона 6.На основании графических зависимостейформулы (1) можно определить величину нелйнейности напряжения ЛО.Для каждого конкретного типа стабилитрона величйна нелинейности имеет фиксйрсванйое"значение в диапазоне заданныхтоков, колеблется в пределах от 5 до 20%, а знак нелинейности противоположен знакуйелинейности семейства термопар с номинальными статическими характерйстиками (НСХ) типа: ХК , 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.Сйгйал с выхода инвертора 9 - ЬО) через делитель напряжения на резисторах 11, 13 поступает на инвертирующий вход преобразователя 2"най ряжение-ток через резистор 12, в результате чего ток, вырабатываемый преобразователем 2 напряжение-ток, выражается в следуюЩем виде; 4 О К+( - ЛО К) Й 52) 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 6, изменяет его дифференциальное сопротивление. Известно, что завйсимость дифференциального соп ротивления стабилитрона 6 от тока стабилизации ймеет "нелинейную зависимость 51, Напряжение, йоступающее на инвертирующий вход "инвертора 9, можно выразить в следующем виде:где К= - +1; К = - ; В 4 ,Й 4 ЯзЙгОвх = Т(т) - зависимость сигнала с датчика 1 (термопары) от измеряемой температуры 1; 5 ЛО = т(т) - зависимость сигнала на ста . билитроне 6 от измеряемой температуры (протекающего тока).Выражение выходного тока можнопредставить в виде: 10 К 1 т К Ф(3)При идентичности нелинейности функций ф) и 1(1) 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 диагазонах измереййй различную величину нелинейности, то необходимо регулироватьзначение 1(т) при помощи коэффициента К",Зная нелинейность термопары (ТП) ) и нелинейность стабилитрона 60), вычисляем значение Вг ЬО К(4) й 5 Овх К+ЛО КВ качестве стабилитрона 6 использован стабилитрон типа КС 191; ЬО при изменении тока: через стабилитрон от 4 до 20 мА 45 составляет 160 мВ, Нелинейность ЛО при изменении тока через стабилитрон 6 составляет 16%,В качестве примера рассмотрим погрешность линеаризации характеристики 50 термопары типа ТХК с НСХ ХК(1 ), диапазон измерения температуры 0-100 С. Исходные данные приведены в табл, 1, В табл. 2 приведены данные стабилитрона. 55 Рассчитаем погрешность линеаризации в пяти точках, просуммйровав соответственно значения, приведенные в графах 3 и 6 табл. 1, 2.1)0+0=0 мВТаблица 1 2) -0,096+ 0,126 = 0,03 мВ3) -0,124+ 0,124 = 0 мВ4) -0,09+ 0,079 = -0,012 мВ5) О+ 0= 0 мВМаксимальная погрешность в положительную область составляет 0,03 х 100 0,03ту -- д ---- 0,44 % Максимальная погрешность в отрицательную область составляет: Суммарная максимальная погрешностьсоставляет: у+у 3 = 0,44 + 0,17 = 0,61 о. Изменяя нелинейность ), можно пол 1учить погрешность з = + 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 НСХ ХК( ), диапазон измерения температуры 0 - 600 С, нелинейность 3,5 ф , Как видно из графика, результирующая погрешность составляет + 0,14,4. Погрешность в результате линеаризации уменьшена в 25 раз,В качестве инвертора 9 можно применить операционный усилитель КР 140 УД 1208 по схеме инвертирующего усилителя, а в качестве источника 10 опорного напряжения - резистивный делитель на резисторах типа С 2-29 В.По сравнению с прототипом в заявляемом устройстве за счет линеаризации5 сигналов и уменьшения погрешности повышается точность измерения температуры.Формула изобретенияУстройство для измерения температуры, содержащее датчик температуры, под 10 соединенный первым выводом кнеинвертирующему входу преобразователянапряжение-ток и соединенный вторым выводом через первый резистор с первым выводом второго резистора и с инвертирующим15 входом преобразователя напряжение-ток,подключенного первым выходом ко второмувыводу второго резистора и к первому выводутретьего резистора, второй вывод которогосоединен с катодом стабилитрона, подклю 20 ченного анодом через шунт к отрицательнойшине питания, и стабилизатор напряжения,подсоединенный входом к положительнойшине питания, причем первый выход стабилизатора напряжения соединен с вторым вы 25 водом датчика температуры, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что, с целью повышения точностиизмерения температуры, в него введены источник опорного напряжения, подключенныйпервым выводом к аноду стабилитрона и сое 30 диненный вторым выводом с вторыми выходами преобразователя напряжение-ток истабилизатора напряжения, инвертор, подсоединенный инвертирующим входом к катодустабилитрона, и четвертый, пятый и шестой35 резисторы, причем источник опорного напряжения соединен с неинвертирующим входоминвертора, подключенного выходом к первому выводу четвертого резистора, второй вывод которого соединен через пятый40 резистор с инвертирующим входом преобразователя напряжение-ток и подсоединенчерез шестой резистор к вторым выходампреобразователя напряжение-ток и стабилизатора напряжения,451765718 е,Рв игЗ акт ловская Т ССС роизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 1 Составитель С.Байцур ехред М.Моргентал Корректор каз 3380 Тираж . ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5