Устройство измерения разности температуры c терморезистивными датчиками

Для измерения разности температур технологических объектов и в медицинской технике предложено устройство, которое включает в себя два терморезистивных датчика, два источника тока и аналого-цифровой преобразователь с внешним источником опорного напряжения. Замкнутый элемент первого переключателя соединен с нормально разомкнутым элементом второго переключателя и выходом первого источника тока, а нормально замкнутый элемент второго переключателя соединен с нормально разомкнутым элементом первого переключателя и выходом второго источника тока, что обеспечивает возможность последовательного подключения источников тока к терморезистивным датчикам. К точке объединения этих датчиков веден дополнительный резистор, через который протекает суммарный ток обоих источников. Падение напряжения на этом резисторе используется в качестве опорного напряжения АЦП, за счет чего результат суммы двух последовательных измерений разности температур не зависит от нестабильности источников тока. Технический результат - повышение точности измерения. 1 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике, может использоваться в системах сбора данных в технологических устройствах, а также в медицинской практике.

Известны устройства для измерения разности температуры, использующие электрический мост с двумя терморезистивными датчиками с управляющими электродами и схемой уравновешивания моста [Коробов P.M., Брусенцов Ю.А., Королев А.П., Фесенко А.И. Тамбовское высшее военное авиационное инженерное училище радиоэлектроники (военный институт). Устройство измерения разности температуры. Патент (11)2254559. Опубл. 20.06.2005; Фесенко А.И., Ищук И.Н., Чудинов Ю.В. Тамбовское высшее военное авиационное инженерное училище радиоэлектроники (военный институт). Устройство измерения разности температуры. Патент (11)2006106082. Опубл. 20.09.2007]. Недостатками устройств являются сложность используемых схем управления, использование дорогостоящих терморезистивных датчиков с управляющими электродами, ограничивающими точность измерения и быстродействие измерителя.

Известно устройство [АВТЭКС Санкт-Петербург, http://www.autexspb.da.ru, стр.7.13], [AnalogDevice], измеряющее температуру, содержащее последовательно соединенные терморезистивный датчик, дополнительный резистор и источник тока, выводы терморезистора подключены к измерительному входу аналого-цифрового преобразователя (АЦП), а выводы дополнительного резистора - ко входам внешнего опорного напряжения АЦП.

Недостатком устройства является то, что измеряется падение напряжения на полном сопротивлении датчика Rt=Rt(0)(1-α·t), а не на приращении ΔRt=a·t, вызываемом приращением измеряемой температуры, что приводит к неэффективному использованию диапазона преобразования АЦП. Последнее особенно важно при медицинских измерениях, где из-за относительно малых измеряемых температур приращение ΔRt невелико, и, соответственно, используется лишь малая часть диапазона преобразователя, что не позволяет обеспечить высокое разрешение измерения температуры.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является устройство [АВТЭКС Санкт-Петербург, http://www.autexspb.da.ru, стр.7.14], измеряющее разность температур, содержащее два источника тока, один из которых соединен с первым терморезистивным датчиком, а второй - с образцовым резистором, вместо которого может использоваться второй терморезистивный датчик, выводы этих резисторов подключены к дифференциальному входу АЦП. Устройство лишено соответствующего недостатка предыдущей схемы.

Недостатком данного устройства является наличие погрешности, вносимой отклонением токов от номинала.

Целью настоящего изобретения является обеспечение независимости результатов измерения от нестабильности токов питания.

Достижение цели достигается введением переключателей в токовые цепи последовательно с каждым терморезистивным датчиком и введением дополнительного резистора, включенного между точкой объединения терморезисторов и общей точкой схемы, выводы внешнего опорного напряжения АЦП подключены к выводам этого резистора.

Сущность изобретения поясняется функциональной схемой, представленной на чертеже.

Устройство содержит два источника тока 1 (I₁) и 2 (I₂), два переключателя 3, 4, коммутирующие элементы которых соединены с выводом первого терморезистивного датчика 5 (Rt1) и второго терморезистивного датчика 6 (Rt2), нормально замкнутый элемент первого переключателя соединен с нормально разомкнутым элементом второго переключателя и выходом источника тока 1, а нормально замкнутый элемент второго переключателя соединен с нормально разомкнутым элементом первого переключателя и выходом источника тока 2, точки соединения источников тока и терморезистивных датчиков 5, 6 соединены с дифференциальными входами аналого-цифрового преобразователя 8, вторые входы резисторов объединены и соединены с выводом дополнительного резистора 7 (R_Д) и с входом внешнего опорного напряжения аналого-цифрового преобразователя (REF+), второй вывод резистора подключен к общей точке и ко второму входу внешнего опорного напряжения аналого-цифрового преобразователя (REF-).

Устройство работает следующим образом. При исходном положении (а1, а2) переключателей 1, 2 через резистор Rt1 протекает ток I₁, создавая на нем падение напряжения I₁·Rt1, через резистор Rt2 протекает ток I₂, создавая на нем падение напряжения I₂·Rt2. Через дополнительный резистор R_Д протекает суммарный ток I₁+I₂, создавая падение напряжения U_Д=(I₁+I₂)·R_Д. При этом к входу IN1 будет приложено напряжение U_IN1=I₁·Rt1+(I₁+I₂)·R_Д, а к входу IN₂ U_IN2=I₂·Rt2+(I₁+I₂)·R_Д. Дифференциальное напряжение, приложенное между двумя входами АЦП:

Затем переключатели 1, 2 переводятся в положение (б1, б2). При этом положении переключателей через резистор Rt1 протекает ток (I₂), создавая на нем падение напряжения I₂·Rt1, через резистор Rt2 протекает ток (I₁), создавая на нем падение напряжения I₁·Rt2.

Дифференциальное напряжение, приложенное между двумя входами АЦП, в этом случае будет:

Среднеарифметическое значение результата двух измерений

Напряжение U_Д, прикладываемое к обоим входам АЦП, носит синфазный характер. Наличие положительного значения синфазного сигнала позволяет измерять с помощью АЦП как положительное, так и отрицательное значение сигналов ΔU.

В результате каждого аналого-цифрового преобразования сигналов ΔU мы получим:

где N_max - максимальное значение кода АЦП, U_REF - опорное напряжение АЦП, I₁ - значение тока первого источника, I₂ - значение тока второго источника, Rt₁ - сопротивление терморезистивного датчика 5 при температуре t₁, Rt₂ - сопротивление терморезистивного датчика 6 при температуре t₂,

Соответственно, среднеарифметическое значение двух преобразований:

Опорное напряжение в предлагаемом устройстве снимается с дополнительного резистора 7 (R_д):

Из выражений (5), (6) следует:

Или, учитывая зависимость сопротивления терморезисторов от температуры Rt=Rt(0)(1-α·T):

Полученное выражение показывает, что результат преобразования не зависит от стабильности источников токов 1 и 2.

Пример реализации заявляемого устройства. Работу устройства можно проиллюстрировать на примере построения разработанной и используемой экспериментальной установки для контроля неравномерности температуры различных участков кожного покрова пациентов при медицинских исследованиях.

Простейшая реализация устройства осуществлялась с использованием аналого-цифрового преобразователя (8) микроконтроллера Atmega 16A, двух источников тока (1, 2) на транзисторной сборке СА3086, сдвоенного интегрального переключателя ADG436 (3, 4), терморезистивных датчиков (5, 6) типа ТСП100П. Обработка полученных результатов производилась с помощью микроконтроллера, входящего в состав микросхемы. Величина токов обоих источников задана равной 5 мА, что не приводит к саморазогреву датчиков. Дополнительный резистор (7) выбран равным 2.4 кОм. При этом на нем сформируется опорное напряжение для АЦП, равное 2.4 В. Для исследования неоднородности температурного поля кожного покрова примем максимальную разность температур (t₁-t₂)=5°С. Программируемый коэффициент усиления встроенного предусилителя АЦП выберем равным 200, для платинового терморезистивного датчика α=0,00385 (°С)^-1. В этом случае в соответствии с выражением (6) коэффициент использования диапазона измерения АЦП (N2+N1)/N_max=0.83. При использовании АЦП микроконтроллера в дифференциальном включении N_max=255 (8 разрядов), разрешающая способность измерителя будет 5°С/(0.83·255)=0.02°С.

Испытания схемы показали, что разброс токов по обоим каналам в пределах 20% (в пределах допустимого изменения опорного напряжения) на погрешность измерения не влияет.

Устройство измерения разности температур, включающее два терморезистивных датчика, к каждому из которых подключен свой источник тока, аналого-цифровой преобразователь, дифференциальные входы которого подключены к точкам соединения источников тока и терморезистивных датчиков, отличающееся тем, что введены два переключателя, нормально замкнутый элемент первого переключателя соединен с нормально разомкнутым элементом второго переключателя и выходом первого источника тока, а нормально замкнутый элемент второго переключателя соединен с нормально разомкнутым элементом первого переключателя и выходом второго источника тока, вторые выводы терморезистивных датчиков объединены и соединены с выводом дополнительного резистора и с входом внешнего опорного напряжения, второй вывод дополнительного резистора подключен к общей точке и ко второму входу внешнего опорного напряжения.