ТЕРМОРЕЗИСТОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ТЕМПЕРАТУРЫ В НАПРЯЖЕНИЕ
THERMISTOR CONVERTER OF TEMPERATURE INTO VOLTAGE

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для различных систем регулирования и измерения.
В преобразователях температуры в напряжение в диапазоне температур 0-100°С чаще всего используют либо терморезисторные датчики, либо датчики на биполярных транзисторах [Справочник «Датчики теплофизических и механических параметров под ред. Ю.Н.Коптева. М.: Изд. Предприятие редакции журнала «Радиотехника», 1998. Г.И.Волович. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. М.: Изд. Дом «Додека-XXI, 2007]. К достоинствам преобразователей на основе терморезисторов относятся их высокая чувствительность при относительно невысокой стоимости и широкий набор номиналов сопротивления. Однако для обеспечения определенной точности в заданном диапазоне температур помимо усиления выходного сигнала требуется компенсация нелинейности выходной характеристики, что не обеспечивается при обычном включении термочувствительного элемента, когда в качестве выходного сигнала используется падение напряжения на сопротивлении терморезистора.
Известен преобразователь температуры в напряжение, состоящий из измерительной и усилительной частей, что дает возможность их независимой подстройки и дистанционного размещения [Г.И.Волович. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. М.: Изд. Дом «Додека-XXI, 2007, с.490, рис.10.9]. В этой схеме разность напряжения стабилитрона после резистивного делителя и напряжения термочувствительного элемента определяет заряд, накопленный на конденсаторе, и сигналы на входах компаратора, выходной сигнал которого управляет термостататом. Схема преобразователя температуры в напряжение содержит: стабилитрон с токозадающим резистором, делитель напряжения с подстроечным резистором, термочувствительный элемент со своим токозадающим резистором, накопительный конденсатор, компаратор.
Недостатком этой схемы является то, что она не позволяет производить измерения в диапазоне температур, а используемый термочувствительный элемент обладает недостаточной температурной чувствительностью. Кроме того, непосредственная связь измерительной и усилительной частей ухудшает помехоустойчивость и усложняет калибровку устройства.
Задачей настоящего изобретения является расширение арсенала технических средств.
Технический результат изобретения заключается в создании устройства, обеспечивающего прямую пропорциональную зависимость выходного напряжения от изменений температуры в диапазоне 0-100°C с высокой точностью и высокой помехоустойчивостью.
Технический результат достигается тем, что терморезисторный преобразователь температуры в напряжение содержит стабилитрон, термочувствительный элемент, устройство накопления и переноса заряда, усилитель и делители напряжения, при этом термочувствительный элемент выполнен в виде двух одинаковых терморезисторов, находящихся в общей теплопроводящей среде, причем один из них через токозадающий резистор подключен к стабилитрону, образуя делитель напряжения, к выходу которого через подстроечный резистор подсоединены второй терморезистор и вход устройства накопления и переноса заряда, причем второй вход этого устройства подключен к выходу калибровочного делителя опорного напряжения, а выход устройства накопления и переноса заряда соединен с входом усилителя, включенного по схеме неинвертирующего усилителя, выход которого является выходом преобразователя температуры в напряжение.
На чертеже представлена принципиальная схема устройства.
Схема содержит: термочувствительный элемент 1 из двух плеч-терморезисторов 2 и 3, находящихся в общей теплопроводящей среде, резистора 4 и подстроечного резистора 5; стабилитрона 6 с токозадающим резистором 7; калибровочный делитель напряжения 8 из последовательно соединенных резистора 9, подстроечного резистора 10, резистора 11; устройство накопления и переноса заряда 12, состоящее из микросхемы 13, конденсаторов 14, 15 и 16; операционный усилитель 17; делитель напряжения 18 из резистора 19, подстроечного резистора 20 и резистора 21.
Источник напряжения +5 в подключен к выводам питания 22 усилителя 17, 23 микросхемы 13, вторые выводы питания которых 24 и 25 соединены с общей шиной. Источник напряжения +5 в также через резистор 7 подключен к общей точке 26 резистора 4, делителя 8 и стабилитрона 6, второй вывод которого 27 соединен с общей шиной. Калибровочный делитель напряжения 8 подключен параллельно стабилитрону 6. Выход делителя 28 соединен с входом 29 микросхемы 13; ее второй вход 30 соединен с выходом 31 термочувствительного элемента 1. К выходу 32 микросхемы 13 подсоединены запоминающий конденсатор 15 и вход «+» операционного усилителя 17. К тактовому входу 33 микросхемы 13 подсоединен конденсатор 16. Вторые выводы конденсаторов 15 и 16 подключены к общей шине. К выводам 34 и 35 микросхемы 13 подключен накопительный конденсатор 14. Вход «-» операционного усилителя 17 соединен с общей точкой 36 потенциометра 20 и резистора 21, второй вывод 37 которого соединен с общей шиной. Выход 38 операционного усилителя 17 соединен с входом делителя напряжения 18 и является выходом преобразователя.
Устройство работает следующим образом.
Опорное напряжение от параметрического стабилизатора на стабилитроне 6 поступает на термочувствительный элемент 1, где через токозадающий резистор 4 передается на левое плечо - терморезистор 2, и через резистор 5 на правое плечо - терморезистор 3, и с выхода 31 термочувствительного элемента поступает на вход 30 микросхемы 13. На второй вход 29 этой же микросхемы подается опорное напряжение через калибровочный делитель 8. Поскольку сопротивления терморезисторов имеют отрицательный температурный коэффициент, с ростом температуры разность потенциалов между выводами 29 и 30 будет увеличиваться. Питание правого плеча 3 термочувствительного элемента 1 осуществляется через резистор 5 от источника с напряжением, уменьшающимся с температурой (что обусловлено делителем из резистора 4 и терморезистора 2). Это обеспечивает линеаризацию зависимости напряжения на выходе 31 от температуры. Устройство накопления и переноса заряда 12 осуществляет развязку измерительной и усилительной частей схемы преобразователя. Она содержит коммутационные ключи для передачи пропорциональной температуре разности потенциалов между выводами 29 и 30 в измерительную часть схемы. Передача происходит с тактовой частотой, задаваемой конденсатором 16. В первом такте первая пара внутренних ключей микросхемы 13 одновременно соединяет выводы 29 и 30 с выводами 34 и 35 соответственно, при этом на конденсаторе 14 накапливается заряд, пропорциональный разности потенциалов между выводами 29 и 30. В следующем такте вторая пара внутренних ключей соединяет выводы 34, 35 с выводами 32 и 25, при этом происходит передача заряда с конденсатора 14 на конденсатор 15, который определяет потенциал на входе «+» усилителя 17, включенного по схеме неинвертирующего усилителя, коэффициент усиления которого определяется делителем 18 в цепи обратной связи.
Развязка измерительной и усилительной частей схемы упрощает калибровку устройства, позволяя развязать регулировки показаний в конечных точках шкалы и цену деления. Для калибровки вначале помещают терморезисторы 2 и 3 в среду с температурой 0°C и подстроенным резистором 10 устанавливают нулевое напряжение на выходе усилителя 17. Затем при температуре 100°C подстроечным резистором 20 устанавливают выходное напряжение 1,00 В. После этого проверяется линейность в промежуточных точках шкалы через 10°C и при необходимости производится подстройка резистором 5. При тщательной настройке линейность преобразователя получается не хуже ±0,25°C.
Таким образом, предложенный преобразователь отличается от других возможностью получения прямой пропорциональной зависимости выходного напряжения от температуры в диапазоне от 0 до 100°C, которая обеспечивается линеаризацией зависимости путем питания правого плеча термочувствительного элемента от напряжения, уменьшающегося с температурой, и увеличением эффективности калибровки за счет развязки измерительной и усилительной частей схемы.