Устройство для измерения температуры

 

Цель: повышение точности измерения. Сущность изобретения: устройство содержит датчик температуры (1), преобразователь напряжения - ток (2), 6 резисторов (3, 4, 5, 11, 12, 13), стабилитрон (6), шунт (7), стабилизатор напряжения (8), инвертор (9), источник опорного напряжения (10). 8-10-7, 8-2-5-6-7, 8-13, 11-9, 1-2-3, 13-6-8-9, 2-4, 12,11-9,8-9. Положительный эффект: за счет линеаризации сигналов и уменьшения погрешности повышается точность измерения температуры в технологическом процессе, что приводит к экономии энергоресурсов, 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (Il) (s>)s G 01 К 7/16

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 4

0к (Л

CO (21) 4848972/10 (22) 09.07.90 (46) 30.09.92. Бюл, М 36 (71) Северодонецкое опытно-конструкторское бюро автоматики Научно-производственного обьединения "Химавтоматика" (72) Е.В,Почтарев, Ю,А.Киберев;

B.Н.Кучугура, И.В.Михайлов и В.Н.Посошко (56) Прос е МеЬ((пi1огп)ег TEU702, TEU702-Åõ" 11 — 4 — 15, 1984, ФРГ, -.;. .::. Проспект "Measurement converter

СМТ" PF/5691(=60-1554, 01/08, GOTE TY51, ;:=. ЭИ "Испытательные приборы и стенды,"- М., ВИНИТИ, 1975, М 28, с.1.

:; 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 ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ (57) Цель: повышение точности измерения.

Сущность изобретения: устройство содержит датчик температуры (1), преобразователь напряжения — ток (2), 6 резисторов (3, 4, 5, 11, 12, 13), стабилитрон (6), шунт (7), стабилизатор напряжения (8), инвертор (9), источник опорного напряжения (10). 8 — 10 — 7, 8-2-5 — 6 — 7, 8 — 13, 11-9, 1-2 — 3, 13 — 6-8-9, 2 — 4, 12, 11-9, 8-9. Положительный эффект: за счет линеаризации сигналов и уменьшения погрешности повышается точность измерения температуры в технологическом процессе, что приводит к экономии энергоресурсов, 3 ил. динен са вторым выводом преобразователя напряжение-ток, а второй выход стабилизатора напряжения соединен со вторым выводом третьего резистора и вторым выводом датчика температуры (11, (2).

Однако 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 сушности 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 ре1765718 зистор 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 (3).

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 ре5

55 образователя напряжение-ток и подсоединен через шестой резистор к вторым выходам преобразователя напряжение-ток и стабилизатора напряжения.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием новых дополнительных элементов: источника опорного напряжения, резисторов, инвертора и их связями с остальными элементами схемы.

Таким образом, заявляемое устройство соответствует 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 указанной связи с основными элементами схемы в заявляемое устройство для измерения температуры указанные элементы проявляют новые свойства, что приводит к повышению точности измерения температуры. Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию "существенные отличия".

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 вторым выводом через первый резистор 3 с первым выводом второго резистора 4 и с инвертирующим входом преобразователя 2 напряжение-ток, который подключен первым выходом ко второму выводу второго резистора 4 и к первому выводу третьего резистора 5. Второй вывод резистора 5 соединен с катодом стабилитрона 6, подключенного анодом через шунт 7 к отрицательной шине питания. Стабилизатор 8 напряжения подсоединен входом к положительной шине питания. Первый выход стабилизатора 8 напряжения соединен со вторым выводом датчика 1 температуры, с катодом стабилитрона 6 и с инвертирующим входом инвертора 9, неинвертирующий вход которого соединен 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 входом преобразователя 2 напряжение-ток и подсоединен через шестой резистор 13 к вторым выходам преобразователя 2

1765718

AU = Uon- I"Rp> (1) гдеОоп — опорное напряжение, вырабатываемое источником 10 опорного напряжения (U» равно напряжению стабилизации стабилитрона 6 при токе стабилизации 4 мА).

I — ток через стабилитрон 6;

Ёд — дифференциальное сопротивление стабилитрона 6.

На основании графических зависимостей формулы (1) можно определить величину нелйнейности напряжения Л0.

Для каждого конкретного типа стабилитрона вел*ичйна нелинейности имеет фикс йр ованйое "значение в диапазоне заданных токов, колеблется в пределах от 5 до 20%, а знак нелинейности противоположен знаку йелинейности семейства термопар с номинальными статическими характерйстиками (НСХ) типа: ХК (L), ХК (E), 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 (- hU) 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;

О„К+(— Л0 K) 5 (2) напряжение-ток, стабилизатора 8 напряжения и источника IO 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 соп ротивление. 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; K = —;

R4 . i R4

Ra г

Uax = f(t) — зависимость сигнала с датчика 1 (термопары) от измеряемой температуры 1;

5 Л0 = 1(т) — зависимость сигнала на ста-! . билитроне 6 от измеряемой температуры (протекающего тока).

Выражение выходного тока можно представить в виде:

Kft K f t (3) При идентичности нелинейности функций 1(1) и t(t) 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 диапазонах измереййй различную величину нелинейности, то необходимо регулировать значение f(t) при помощи коэффициента К, Зная нелинейность термопары (ТП) j u нелинейность стабилитрона 6®,вычисляем значение R.z

Ликь

R5 U„K+hU K ) (4) R12

B качестве стабилитрона 6 использован стабилитрон типа КС191; Л0 при изменении тока через стабилитрон от 4 до 20 мА

45 составляет 160 мВ. Нелинейность Л0 при изменении тока через стабилитрон 6 составляет 167

В качестве примера рассмотрим погрешность линеаризации характеристики

50 термопары типа ТХК с Н СХ 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) О+ 0 = 0 мВ

1765718

0,012 х 100 0,012

Х0ых 6.86

Таблица 1

2) -0,096+ 0,126 = 003 мВ

3) -0,124+ 0,124 = 0 м В

4) -0,09 + 0,079 = -0,012 мВ

5) 0+0=0 мВ

Максимальная погрешность в положительную область составляет

0,03 х 100 0,03 д — — — — о оо 0,44 %

Максимальная погрешность в отрицательную область составляет:

Суммарная максимальная погрешность составляет: + i = 0,44 + 0,17 = 0,61 о.

Изменяя нелинейность j, можно пол1 учить погрешность з = +. 0,3057. 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 температур ры типа ТХС с HCX XK(L), диапазон измерения температуры 0 — 600 С, нелинейность

3,5 Как видно из графика, результирующая погрешность составляет + 0,14o/. Погрешность в результате линеаризации уменьшена в 25 раз.

В качестве инвертора 9 можно применить операционный усилитель КР 140

УД1208 по схеме инвертирующего усилителя, а в качестве источника 10 опорного напряжения — резистивный делитель на резисторах типа С2-29В.

По сравнению с прототипом в заявляемом устройстве за счет линеаризации

5 сигналов и уменьшения погрешности повышается точность измерения температуры.

Формула изобретения

Устройство для измерения температуры, содержащее датчик температуры, под10 соединенный первым выводом к неинвертирующему входу преобразователя напряжение-ток и соединенный вторым выводом через первый резистор с первым выводом второго резистора и с инвертирующим

15 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, подклю20 ченного анодом через шунт к отрицательной шине питания, и стабилизатор напряжения, подсоединенный входом к положительной шине питания, причем первый выход стабилизатора напряжения соединен с вторым вы25 водом датчика температуры, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что, с целью повышения точности измерения температуры, в него введены источник опорного напряжения, подключенный первым выводом к аноду стабилитрона и сое30 диненный вторым выводом с вторыми выходами преобразователя напряжение-ток и стабилизатора напряжения, инвертор, подсоединенный инвертирующим входом к катоду стабилитрона, и четвертый, пятый и шестой

35 резисторы, причем источник опорного напряжения соединен с неинвертирующим входом инвертора, подключенного выходом к первому выводу четвертого резистора, второй вывод которого соединен через пятый

40 резистор с инвертирующим входом преобразователя напряжение-ток и подсоединен через шестой резистор к вторым выходам преобразователя напряжение-ток и стабилизатора напряжения.

1765718

Таблица 2

1765718

Ч,РвЬ

УигЗ

50

Составитель С.Байцур

Техред М.Моргентал Корректор

Редактор Т,Орловская

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 3380 Тираж . Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5