Устройство для измерения температуры

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК 739212 А 7/18 51)5 6 ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ ВИДЕТЕЛ ЬСТВУ ТОРСКО,Глушкоство СССР18, 1988. тном устройстве введен силитель с целью комсопротивления линии иться полной компенсаи связи на практике не можным, так как необхоменение параметров исдвух усилителей. В другом извес дополнительный у пенсации влияния связи. Однако доб ции влияния лини представляется воз димо учитывать из точника питания и ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР Изобретение относится к измерительной технике, может быть использовано для измерения малых отклонений от заданного значения сопротивления, а также для измерения других величин, которые с помощью резисторных преобразователей (терморезисторов, фоторезисторов, тензорезисторов и т.д.) преобразуются в сопротивление, и является усовершенствованием устройства по основному авт.св. М 1536219.Известно устройство для измерения температуры, содержащее термометр сопротивления, включенный в цепь измерительного источника тока, компенсирующий источник питания, один из зажимов которого через резистор и сопротивление линии связи соединен с первым потенциальным выводом термометра сопротивления, операционный усилитель (ОУ) с отрицательной обратной связью, к неинвертирующему входу которого через сопротивление линии связи включен второй потенциальныи вывод термометра сопротивления, к инвертирующему входу ОУ и резистору сравнения через резистор подключен третий источник напряжения, другие зажимы источников на(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ(57) Устройство для измерения температуры предназначено для измерения температуры, а также для измерения других величин, которые преобразуются в изменение сопротивления (фоторезисторы, тензорезисторы и т.д.), Датчики включены по четырехпроводной схеме. Исключение влияния сопротивления линии связи, а также схемы источника тока позволяют повысить точность измерения при одновременном упрощении устройства. 3 ил,пряжения и резистора сравнения соединены с общей шиной,Недостатком этого устройства является низкая точность измерения, так как ток третьего источника напряжения разветвляется на резисторы, что приводит к погрешности, источник тока и источники напряжения не взаимосвязаны и не обеспечивается одинаковая их зависимость от внешних воздействий (при изменении напряжения питания устройства, при изменении температуры), включение компенсирующего источника напряжения не обеспечивает компенсации влияния изменения сопротивления линии связи, компенсирующий ток изменяется с изменением сопротивления.5 10 15 20 ской сущности и достигаемому результату к Известно также устройство, содержащее схему двойного моста, источник тока, подключенный к диагонали моста через резистивн ый датчик тока. К измерительной диагонали моста подключен дифферен циал ьн ы й вол ьтметр.Недостатком этого устройства является введение дополнительного резистора, что приводит к дополнительной погрешности, связанной с изменением характеристик резистора, нелинейность выходного моста, что связано с изменением сопротивления термометра сопротивления при изменении температуры, а также применение дифференциального вольтметра с дополнительным входом для подключения выходов резистивного датчика тока, что существенно ограничивает возможность применения устройства,Из известных устройств для измерения температуры наиболее близким по техничепредлагаемому является у"тройство для измерения температуры, содержащее термометр сопротивления, первый токовый вывод которого через сопротивление линии связи подключен к первому зажиму источника тока, операционный усилитель с резистором обратной связи, резистор сравнения, второй вывод которого соединен с вторым зажимом источника тока, а первый вывод резистора сравнения соединен через третий резистор с неинвертирующим входом операционного усилителя и через сопротивление линии связи с вторым токовым выводом термометра сопротивления, первый потенциальный вывод термометра сопротивления через сопротивление линии связи и первый резистор соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, а второй потенциальный вывод термометра сопротивления через сопротивление линии связи и второй резистор соединен с неинвертирующим входом операционного усилителя и общая точка источника тока и резистора сравнения соединена с общей шиной, причем отношение сопротивления резистора сравнения к сопротивлению термометра сопротивления, соответствующему началу измеряемого диапазона температур, и отношение сопротивления третьего резистора к сопротивлению второго резистора равны значению коэффициента усиления операционного усилителя по инвертирующему входу,Недостатком этого устройства является необходимость высокоточной стабилизации тока источника тока, а также применение дополнительных элементов, необходимых 25 30 35 40 45 50 55 для создания высокоточного источника тока,Цель изобретения - повышение точности измерения и упрощение устройства.Поставленная цель достигается тем, чтоустройство содержит преобразователь напряжение - значение измеряемого параметра, первый вход которого соединен свыходом операционного усилителя, а второй вход подсоединен к третьему выводурезистора сравнения, общий вывод операционного усилителя подключен к второмувыводу источника тока через другие входыпреобразователя напряжение - значениеизмеряемого параметра.Известно измерение сопротивления спомощью неуравновешенных мостов. Выходное напряжение мостовой схемы нелинейно связано с изменением измеряемогосопротивления, кроме того, для исключениявлияния сопротивления линии связи необходимо применять дополнительный ОУ, чтовносит дополнительную погрешность и снижает надежность устройства,Известно устройство для измерения сопротивления, включенного в цепь отрицательной обратной связи ОУ. Недостаткомтакой схемы является низкая точность измерения, так как не учитывается влияние сопротивления линии связи.На фиг. 1 - 3 представлены схемы устройства для измерения температуры,Устройство (фиг,1) содержит термометр1 сопротивления, первый токовый вывод которого через сопротивление 2 линии связисоединен с первым зажимом источника 3тока, первый потенциальный вывод термометра 1 сопротивления через сопротивление 4 линии связи и первый резистор 5соединен с инвертирующим входом операционного усилителя 6 и с резистором 7 отрицательной обратной связи, второйтоковый вывод термометра 1 сопротивления через сопротивленние 8 линии связисоединен с первым выводом резистора 9сравнения и через третий резистор 10 снеинвертирующим входом операционногоусилителя 6, второй потенциальный выводтермометра 1 сопротивления через сопротивление 11 линии связи и второй резистор12 соединен с неинвертирующим входомоперационного усилителя 6, выход операционного усилителя 6 соединен с первым входом преобразователя 13 напряжение -значение измеряемого параметра, второйвывод источника 3 тока и второй вывод резистора 9 сравнения соединены с общейшиной и третьим входом преобразователя13 напряжение - значение измеряемого параметра, второй вход преобразователя 13напряжение - значение измеряемого параметра соединен с третьим выводом резистора 9 сравнения.,Устройство работает следующим образом.Напряжение Оа на первом потенциальном выводе термометра сопротивления равноОа= КВс 1+ В 14+ Вп) (1) где Вд - сопротивление термометра сопротивления;В 14 - сопротивление линии связи 8;Вп - сопротивление резистора сравнения 9;3 - ток в термометре 1 сопротивления.Учитывая, чтоВд= Во+ М,где Во - сопротивление термометра сопротивления при температуре, соответствующей началу измеряемого диапазона температур;ЬВ - отклонение сопротивления термометра сопротивления от значения Во, выражение (1) имеет вид:Оа = (Во+ ЬВ+ В 14+ Вп), (2)Напряжение ОЬ на неинвертирующем входе операционного усилителя, при усло- вии, что В 2)В 13 и (В 2 + Вз) ) )В 14, равноОь = Вп + В 14 (3)ВзВг+ ВзПри условии 1 что В 1(В 12 + В 14 + В 1 + +Вп), коэффициент усиления операционного усилителя 6 по инвертирующему входу равенК(-) = Й 4/(В 1 + В 12 + Вд + В 14 + Вп) = В 4/В 1(4)и по неинвертирующему входу равенК(+) = К(-) + 1, (5)Напряжение на выходе операционногоусилителя 6 определяется из выраженияОч = Оь К(+) - ОафК(-). (6) После преобразований с учетом выражений (2) - (5) и, принимая Вз/В 2,= К(-) и Вп/Во = К(-), окончательно получают0= К(-) 3 ЬВ (7) Преобразователь 13 выполняет функцию преобразования выходного напряжения О в показания и устройства с использованием падения напряжения на части резистора 9 сравнения в качестве опорного напряжения. Преобразователь 13 напряжение - значение измеряемого параметра выдает показания, когда Оч =Ооп кгпви(8)ГдЕ Ооп = ЬВп/К 1 - ОПОРНОЕ НаПряжЕНИЕ;к 1 - число, определяющее часть сопро тивления резистора Вп, принятую для образования опорного напряжения;1 ч - число, соответствующее конечномузначению измеряемой величины;и - число соответствующее части и/М 10 опорного напряжения при выдаче показаний;кг - число, определяющее заданное отношение О к Ооп (и/й), при котором устройство выдает результат измерения 15 (состояние равновесия),После подстановки в (8) значения О из(7), а также учитывая, что Вп = Во К(-) получаютВо 2 и20 1 Й (9)гДе= Во Ы(11 й) = сопи,откуда видно, что значение Ь В не зависитот силы тока, поэтому могут быть сниженытребования к стабильности источника тока,25 выходному сопротивлению источника тока,а также исключается необходимость в отдельном источнике опорного напряжения.По этой же причине исключается появлениенелинейности функции преобразования из 30 за изменения тока источника тока при изменении ЛВ. Для случая измерениятемпературы М = Во А т, где А = 0,004261/С,2 и(10) 35 )с 1. АЙПри условии, что Кг/(К 1 А 1 ч) = 1, отсчеттемпературы производится в единицах температуры (С).Вместо термометра сопротивления мо жет быть включен любой резистивный чувствительный элемент, например тензорезистор, фоторезистор и т.д. При этом расчет схемы ведется по формуле (9), где вместо М подставляется изменение со противления чувствительного элемента, определенное по его функции преобразования. При этом никаких изменений в схеме устройства не требуется.В случае измерения отклонения ЬВ сопротивления резистора от заданного значения при условии, что к = 1, число и выражается в единицах сопротивления.На фиг.2 показан пример реализациипредлагаемого устройства для измерения сопротивления в варианте "ручного уравновешивания", в котором происходит сравнение выходного напряжения О операционного усилителя с опорным О,п и/Й напряжением, получаемым на выходепереключаем дого елителя О. Прео разоваб - ности напряжения О применяется инвертиющий операционный повторитель с резитель 13 напряжение -- значение измеряемо- рующ15 обратной связи В 4 = В 5 иго параметра д рт а со е жит инвертирующий сторомомогательным резистором 18 Вб. Приниоперационны рй повто итель 14 с резисто- вспом г5 б ее число "ступенек" М = 1999 и авром 17 обратнтной связи Р 5 = В 6 и вспомога- мая о щедаваясь условием, чтобы показания были втеля нап яжения десятых долях градуса, из выражения (10)Число й ступеней делителя напряжения десятго из й авных по сопротивле- получают М 2 ( 1б - Значениетока и коэффициента КЯвыбирамакс 10 ется из условия применения микросхемызисто ов 15, 16 и 19 ВвР 9, выбирается с учетом максмаксимального значенияго К 572 ПВ 5, чтобы Ооп=100 мВ и Овых было неотклонения сопротивления измеряемогоНап име, Во = 10 Ом, более 200 мВ.резистора Ро. апример, о =Как показано выше, результат измере= 1 Ом. Для получения отсчета в со- актг.мчпах =Д- . В ния приведенных на фиг.2 и 3 устроиств нетые доли ом уа пол чают й = 100. В качестве15 висит от изменений тока , Значение токануль-индикат рто а 20 может быть применен, зави иолжно лишь обеспечивать требованиянапример, любой магнитоэлектрический должнчувствительности применяемого в этих прегальванометр,б азователях нуль-индикатора (нуль-оргаПоскольку р авновесие схемы достигает- о р). Стабилизация напряжения питанияся при Ооп / - ч,и/М = Оуу, из (8) следует, что 12 = на).20 устройства должна быть обеспечена лишь вИз словия К = 0,01 определяют зна- пределах нормальных условии функциониИз условия =, опрования применяемых элементов (напричение коэффициента К 1;длаа мер йдляй 50 К 572 ПВ 5)а 1 =Источник тока может быть. образована Й25 путем подачи на сопротивление Яа напра.Полученное устройство обеспечит измерение отклонения Ь Р резистора В = 10 Ом, жения питания через непрецизионный реЧисло, равное порядковому номеру положе ш,ния движка делителя О, определяет значение При подключении на вотклонения Ю, выраженное в сотых долях ходе преобразователя (АЦП) будет пред, Д овышение точности уст ставлен восьмиразрядный двоичный код,ома, Дальнейшее повышвать ля альнейройства может ыть получб ено путем градуи- который можно использов д довки шкалы нуль-индикатора, например, в шей обработки.ровки шкИспытания устройства показали, чтоРезультат измерения не зависит от со- при измерении температуры о у дтмин с 50 оп отивления линий связи, соединясоединяющей из плюс 50 С погрешность измерения не преРством, вышает 0,05 , При испытаниях вместо медме яемое сопротивление с устройствЗначение коэффициента К(-) и токавыбираРного те мометра сопротивления былРтивлений Р 4831 кл,т я с елью обеспечения чувствительности применен магазин сопротивленийется с целью о еспеч н0,02/2 10, Изменение показаний, вызывануль-индикатора.На фиг,З показан пример реализации 40 емое увеличением рсоп отивления линиитройства для измерения связи до 100 Ом, не превысило 0,02%.и редлаагемого устройв п е лагаемомтемпературы с применениемением аналого-циф- Повышение точности р дР ового преобразователя (, вь13 (АЦП) выпол- устройстве обеспечивается за счет примеК 572 П В 5 и с нения одного и того же токадля образованенного на микросхемесигналаиспользованием цифрового индикиндикатора 14 45 ния измеряемого электрическогого нап яженияВпВ 1). ВыЖЦ 5-4/8. В состав преобразователя 13 ( ЬВ) и опорного напряжения ( иИ - . ооб азования величинынапряжение -- значение:измеряемого пара- сокая точность пре рО опе а ионметра кроме этого АЦП(стандартные навес- ЬВ в выходное напряжение Оу р цфиг,З не показаны) при ного усилителя обеспечивается засчет исные элементы на фиг,тех же элементовб 1 и может быть введен опера пользования одних и тех жционный усилитель 17 с резистором 16 об- схемы (В 1, В 2, д, 4, и)В Р, В,) в образованииратной связи для согласования выходного коэффициентов усиления К(-) и К(+). Как виднапряжения О у с требованиями микросхе- но из выражения (10), результат измерениямы К 572 ПВ 5 для выбранного диапазона из- не зависит от значений К(-) и К(+) . Однакомерения, Микросхема К 572 ПВ 5 выдает 55 это справедливо при сохранении условияМаКСИМаЛЬНОЕ ПОКаэаНИЕ На ИНдИКатОРЕ Р 4/В 1=ВЗ/В 2=Вп/ВоИЖЦ 5 - 4/8 1999 при Ооп = 100 мВ и Овх = Повышение точности в предлагаемом=199,9 мВ. Следовательно, из выражения(8) устройстве обеспечиваается за счет принполучается г =К = 2, Для согласования поляр- ципиального исключения значения тока изформул расчета погрешности, что создает возможность существенно снизить требования к источнику тока в части его выходного сопротивления и стабильности, снижение требований к стабильности на пряжения питания устройства, исключает необходимость в отдельном источнике опорного напряжения. Благодаря перечисленным условиям существенно (в несколько раз) снижается потребляемая им энергия от 10 источника питания (главным образом за счет исключения цепей стабилизации). Сокращение количества элементов схемы обеспечивает повышение его надежности, снижение себестоимости, повышение его 15 технологичности.По данному принципу могут быть выполнены также устройства для сигнализации об отклонении измеряемого параметра от заданного значения; регулирования тех нологических процессов по отклонению измеряемых параметров от заданного значения; сортировки прецизионных резисторов по отклонению их сопротивления от номинального значения; измерения электрического сопротивления взамен сложных измерительных мостов. Формула изобретения Устройство для измерения температуры по авт.св. В 1536219, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введен преобразователь напряжение - значение измеряемого параметра, первый вход которого соединен с выходом операционного усилителя, а второй вход подсоединен к третьему выводу резистора сравнения, общий выход операционного усилителя подключен к второму выходу источника тока через другие входы преобразователя напряжение - значение измеряемого параметра.1739212 ставитель Г.Лобачевский Редактор Е.Папп Техред М.Моргентал Корректор роши Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина аказ 1996 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС 113035, Москва, Ж-ЗБ, Раушская наб 4/5