Устройство для измерения температуры

 

Изобретение относится к устройствам для измерения температуры и может применяться в различных областях техники. Устройство содержит термопреобразователь сопротивления с тремя линиями связи, измерительный усилитель, формирователь тока, включающий операционный усилитель с токозадающим резистором и источником питания, резистор установки нуля. В устройство введены последовательно включенные задатчик кода, цифроаналоговый преобразователь и сумматор, другой вход которого подключен к выходу измерительного усилителя. Резистор установки нуля включен между одной из линий связи и инвертирующим входом операционного усилителя в формирователе тока. В устройстве устраняется влияние сопротивлений линий связи путем ввода компенсирующего кода. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей устройства, повышении технологичности и эксплуатационных свойств. 1 ил.

Изобретение относится к устройствам для измерения температуры, выполненным на основе термопреобразователя сопротивления с трехпроводной линией связи, и может применяться в различных областях техники.

Известны устройства для измерения температуры, содержащие термопреобразователь сопротивления с трехпроводной линией связи, формирователь тока, резистор установки нуля и измерительный усилитель (см., например, Гутников В. С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. Л.: Энергоатомиздат, 1988, стр. 85, а также "Устройство для измерения температуры" по авт. св. 815523, МПК G 01 К 7/20, "Устройство для измерения температуры" по авт. св. 1654679, МПК G 01 К 7/16, "Устройство для измерения температуры" по авт. св. 1682828, МПК G 01 К 7/16 и др.).

Такие устройства обеспечивают формирование напряжения, пропорционального изменению сопротивления термопреобразователя, вызванному изменением температуры среды, в которой он находится. Однако в таких устройствах погрешность измерения температуры существенно зависит от сопротивлений линий связи, по которым протекает ток, необходимый для термопреобразователя сопротивления.

Известны различные схемные решения, применяемые в таких устройствах для уменьшения указанной составляющей их погрешности (см., например, "Измеритель температуры" по авт. св. 1351365, МПК G 01 К 7/16, "Температурный датчик" по заявке Японии 55-46690, МПК G 01 К 7/20 и др.).

Так, в измерительных преобразователях типа Ш79, серийно выпускавшихся Львовским ПО "Микроприбор" (см. "Приборы и системы управления", 1986, 1l, стр. 18-19), для устранения влияния на параметры устройства сопротивлений проводов трехпроводной линии связи предусматривались специальные низкоомные катушки. Необходимые значения сопротивлений этих катушек должны определяться при установке преобразователей на объекте с учетом конкретных значений сопротивлений проводов линий связи между электронным блоком и термопреобразователем сопротивления. По результатам измерений этих сопротивлений (в условиях объекта) должны изготавливаться катушки с определенными сопротивлениями (или выбираться из большого набора катушек с различными номинальными значениями сопротивлений) для каждого экземпляра преобразователя температуры. Такое схемотехническое решение приводит к ухудшению технологичности и эксплуатационных свойств подобного рода устройств вследствие сложной процедуры наладки их на объекте.

Прототипом заявленного устройства является устройство для измерения температуры по авт. св. 1351365, МПК G 01 К 7/24, содержащее термопреобразователь сопротивления с трехпроводной линией связи, дифференциальный (измерительный) усилитель, подключенный по входам к первой и второй линиям связи, источник питания с токозадающим резистором для задания тока через термопреобразователь сопротивления (формирователь тока) и резистор установки нуля. В этом устройстве уменьшение влияния на результат измерения температуры сопротивлений линий связи обеспечивается с помощью включенного между выходом усилителя и резистором установки нуля дополнительного резистора.

Недостаток данного устройства связан с необходимостью применения в нем сменного резистора, сопротивление которого подбирается исходя из конкретных величин сопротивлений линий связи.

Наличие в устройстве (в его электронном блоке) такого "индивидуального" подгоночного резистора приводит к отсутствию взаимозаменяемости устройств и увеличению количества типономиналов запасных блоков (ЗИП-а) в случае многоканальных систем измерения температуры с одинаковыми электронными блоками. Это приводит к уменьшению функциональных возможностей устройства. Кроме того, необходимость применения в данном устройстве точного сменного резистора, сопротивление которого зависит от параметров линий связи и определяется лишь на стадии монтажа устройства на объекте, снижает технологичность устройства и его эксплуатационные свойства.

Задачей предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей устройства для измерения температуры и повышение его технологичности и эксплуатационных свойств за счет уменьшения количества типономиналов запасных блоков, упрощения процесса наладки при монтаже устройства на объекте и настройки при его замене.

Для решения указанной задачи в устройство измерения температуры, содержащее термопреобразователь сопротивления с тремя линиями связи, измерительный усилитель, подключенный по входам к первой и второй линиям связи, формирователь тока, включающий токозадающий резистор, подключенный одним выводом к источнику питания, резистор установки нуля, первый вывод которого подключен к третьей линии связи, введены последовательно включенные задатчик кода, цифроаналоговый преобразователь и сумматор, другой вход которого соединен с выходом измерительного усилителя, а выход сумматора является выходом устройства, в формирователь тока введен операционный усилитель, инвертирующий вход которого подключен к другому выводу токозадающего резистора и второму выводу резистора установки нуля, а выход операционного усилителя соединен с первой линией связи.

Функциональная схема предлагаемого устройства для измерения температуры приведена на чертеже.

Устройство содержит термопреобразователь сопротивления 1 с тремя 2, 3, 4 линиями связи, формирователь тока 5 на операционном усилителе 6, инвертирующий вход которого через токозадающий резистор 7 подключен к источнику питания 8, измерительный усилитель 9, входы которого подключены к первой 2 и второй 3 линиям связи, резистор 10 установки нуля, первый вывод которого подключен к третьей линии связи 4. Устройство содержит также последовательно включенные задатчик кода 11, цифроаналоговый преобразователь 12 и сумматор 13, другой вход которого соединен с выходом измерительного усилителя 9. Выход 14 сумматора 13 является информационным выходом устройства. Второй вывод резистора 10 установки нуля подключен к инвертирующему входу операционного усилителя 6, выход которого подключен к первой линии связи 2.

На чертеже в качестве примера показана возможная реализация измерительного усилителя 9, в который входят операционный усилитель 15 и резисторы 16, 17, и сумматора 13, содержащего операционный усилитель 18 и резисторы 19, 20, 21.

Устройство работает следующим образом.

Формирователь тока 5 создает в линии связи 2 ток I, который протекает по линии связи 2, термопреобразователю сопротивления 1, линии связи 4 и резистору 10 установки нуля, второй вывод которого имеет нулевой потенциал, так как он подключен к инвертирующему входу операционного усилителя 6 в формирователе тока 5. При этом величина тока I определяется напряжением источника питания 8 и сопротивлением токозадающего резистора 7. В результате на входах измерительного усилителя 9 формируются напряжения U₂ = I•(r₂ + R₀ + Rt + r₄ + R₁₀), (1) U₃ = I•(r₄+R₁₀), (2) где R₀ - сопротивление термопреобразователя сопротивления 1 при начальной температуре t₀ (например, t₀=0^oС); R_t - изменение сопротивления термопреобразователя сопротивления 1, вызванное отклонением температуры от начальной на величину t; r₂, r₄ - сопротивления линий связи 2 и 4 соответственно; R₁₀ - сопротивление резистора 10 установки нуля.

Напряжение U₉ на выходе измерительного усилителя 9 связано с напряжениями на его входах (при равенстве сопротивлений резисторов 16 и 17) следующим выражением U₉ = -(U₂ - 2•U₃). (3) Для создания нулевого уровня напряжения U₉ при начальной температуре t₀ резистор 10 установки нуля выбирается из условия R₁₀=R₀.

При этом U₉ = -I•(R_t + (r₂ - r₄)). (4)
Из последнего выражения следует, что в напряжении U₉ наряду с полезной составляющей, пропорциональной величине Rt, присутствует паразитная составляющая, обусловленная разностью сопротивлений линий связи 2, 4 (Δr = r₂ - r₄), которая приводит к погрешности устройства, увеличивающейся с ростом отношения Δr/Rt.
В предлагаемом устройстве напряжение U₉, снимаемое с выхода измерительного усилителя 9, на входе сумматора 13 суммируется с компенсирующим напряжением U₁₂, формируемым цифроаналоговым преобразователем 12 и задатчиком кода 11 в соответствии с выражением

де К - коэффициент преобразования цифро-аналогового преобразователя 12;
N - код компенсации, вводимый с помощью задатчика кода 11;
N_m - максимальное значение кода N.

При равенстве сопротивлений резисторов 19, 20, 21 в сумматоре 13 за счет задания соответствующего кода компенсации Nк обеспечивается выполнение условия

В результате чего в выходном напряжении U_вых, снимаемом с информационного выхода устройства 14, отсутствует составляющая, обусловленная разностью сопротивлений линий связи, и выходное напряжение устройства оказывается пропорциональным только величине Rt
U_вых = I•Rt (7)
Определение компенсирующего кода выполняется с учетом формулы (6) из выражения

При этом сопротивления линий связи r₂, r₄ определяются по разностям сопротивлений линий связи, измеренным попарно со стороны электронной части устройства при замкнутых (всех трех) выводах термопреобразователя сопротивления 1.

Вычисленное по формуле (8) значение компенсирующего кода Nк вводится в цифроаналоговый преобразователь 12 с помощью задатчика кода 11, представляющего собой либо набор переключателей (при ручном вводе), либо регистр (при вводе кода Nк от управляющей машины). Эффективность компенсации сопротивлений линий связи в предложенном устройстве можно оценить на конкретном примере.

Так, если в качестве термопреобразователя сопротивления 1 применяется платиновый терморезистор с R₀=50 Ом и диапазон измеряемых температур составляет 0-l00^oC, чему соответствует Rt≈20 Ом, и сопротивление линий связи характеризуется значением r = (2,5 ± 0,25) Ом, то, как следует из формулы (4), приведенная погрешность устройства, вызванная влиянием сопротивлений связи, составляет δ_лс = ±2,5%.
Применение предлагаемой схемы компенсации, в которой задатчик кода 11 обеспечивает возможность изменения компенсирующего кода от 0 до 63 (т.е. задатчик кода имеет всего лишь 6 двоичных разрядов), позволяет уменьшить погрешность δ_лс до ±0,04%. При этом требования к точности цифроаналогового преобразователя 12 оказываются довольно низкими (например, погрешность его коэффициента преобразования ±0,5% приводит к изменению величины δ_лс на ±0,013%), что позволяет практически выполнять цифроаналоговый преобразователь на резисторах с относительно невысокой точностью и стандартными номинальными значениями.

В результате того, что в предложенном устройстве отсутствуют "индивидуальные" резисторы; подбираемые и устанавливаемые в него при монтаже устройства на объекте по результатам измерения фактических значений сопротивлений линий связи, а компенсация их влияния обеспечивается путем ввода соответствующего цифрового кода, повышается технологичность устройства и упрощается процесс его наладки на объекте при вводе в эксплуатацию.

Применение предлагаемого устройства в многоканальных системах измерения температуры позволяет обеспечить все каналы общим запасным электронным блоком (ЗИП-ом) одного типономинала, так как компенсация конкретных сопротивлений линий связи осуществляется не за счет "индивидуального" сменного резистора, а путем задания соответствующего кода в запасном электронном блоке при его установке в конкретный канал измерения температуры.

Таким образом, в предложенном устройстве для измерения температуры обеспечивается малое влияние на точность измерения температуры сопротивлений линий связи без применения индивидуальных сменных резисторов, в результате чего достигается расширение функциональных возможностей устройства и повышение его технологичности и эксплуатационных свойств за счет уменьшения количества типономиналов запасных блоков, упрощения процесса наладки при монтаже устройства на объекте и настройки его при замене.

Формула изобретения

Устройство для измерения температуры, содержащее термопреобразователь сопротивления с тремя линиями связи, измерительный усилитель, подключенный по входам к первой и второй линиям связи, формирователь тока, включающий токозадающий резистор, подключенный одним выводом к источнику питания, резистор установки нуля, первый вывод которого подключен к третьей линии связи, отличающееся тем, что в него введены последовательно включенные задатчик кода, цифроаналоговый преобразователь и сумматор, другой вход которого соединен с выходом измерительного усилителя, а выход сумматора является выходом устройства, в формирователь тока введен операционный усилитель, инвертирующий вход которого подключен к другому выводу токозадающего резистора и второму выводу резистора установки нуля, а выход операционного усилителя соединен с первой линией связи.

РИСУНКИ

Рисунок 1