ИЗМЕРИТЕЛЬ СРЕДНЕЙ ТЕМПЕРАТУРЫ
MEDIUM TEMPERATURE METER

Изобретение относится к информационно-измерительной технике и может быть использовано для преобразования температуры в напряжение.
Известен измеритель средней температуры (см. Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. М., Додэка-XXI, 2005 г., «Датчики температуры с выходом по напряжению», стр. 488, рис. 10.8б), содержащий источник опорного напряжения, подключенный через резистор к выходу и к последовательно соединенным трем интегральным микросхемам термопреобразователей. К выходу измерителя средней температуры подключен измеритель напряжения или аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Напряжение на выходе измерителя средней температуры равно сумме напряжений на трех термопреобразователях, поэтому выходное напряжение и его чувствительность к изменению температуры увеличивается в три раза. Для определения средней температуры суммарное напряжение делится на число термопреобразователей.
Недостатками измерителя средней температуры являются:
- большое суммарное выходное напряжение при большом числе термопреобразователей, что требует сложного широкодиапазонного измерителя напряжения (например, для трех термопреобразователей 1019EM1 с начальным выходным напряжением 2730 мВ при 0°С выходное напряжение равно 3⋅2730 мВ=8190 мВ);
- невозможность идентифицирования местоположения соответствующего датчика;
- низкая точность преобразования за счет использования не стабильного источника тока, выполненного на резисторе, подключенном к источнику опорного напряжения;
большое время тепловой инерции крупногабаритного термопреобразователя 1019ЕМ1 (аналог LM235).
Известен измеритель средней (средневзвешенной) температуры (см. журнал «Измерительная техника» №7 1989 г., статья: «Определение средневзвешенной температуры тела при помощи транзисторных преобразователей», стр. 58, рис. 2), содержащий семь термопреобразователей, выполненных на диодах n-p-n биполярных транзисторов, аналоговый мультиплексор с шиной управления, стабилитрон, источник постоянного напряжения, семь первых постоянных резисторов, первые выводы которых подключены к первым выводам семи первых подстроечных резисторов соответственно, семь вторых постоянных резисторов, первые выводы которых подключены к первым выводам семи вторых подстроечных резисторов, соединенных с первыми выводами вторых постоянных резисторов, операционный усилитель (ОУ), дифференциальный ОУ, измеритель напряжения, третий, четвертый, пятый, шестой резисторы, вторые выводы семи первых постоянных резисторов объединены и подключены через третий резистор к источнику постоянного напряжения, через стабилитрон к общей шине, через последовательно соединенные четвертый и пятый постоянные резисторы и пятнадцать подстроечных резисторов к общей шине, точка соединения четвертого и пятого резисторов подключена к неинвертирующему входу ОУ, инвертирующий вход которого подключен к его выходу, подключенному к объединенным другим вторым выводам семи вторых постоянных резисторов. Первые выводы семи первых постоянных резисторов через подстроенные резисторы подключены к анодам диодов n-p-n транзисторов, катоды которых объединены и подключены к общей шине, точки соединения первых выводов семи первых постоянных резисторов с соответствующими первыми выводами подстроечных резисторов подключены ко вторым выводам вторых подстроечных резисторов, выводы которых подключены к соответствующим входам аналогового мультиплексора, выход которого подключен к неинвертирующему входу дифференциального ОУ, выход которого подключен к измерителю напряжения со встроенным АЦП. Инвертирующий вход дифференциального ОУ подключен к выходу ОУ, шина управления аналогового мультиплексора подключена к управляющей шине.
Данное устройство является наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению и выбрано в качестве прототипа.
Недостатками измерителя средней (средневзвешенной) температуры являются:
- сложность за счет большого числа резистивных задатчиков тока, большого числа технологических настроек термопреобразователей и избыточного дифференциального ОУ;
- низкая точность преобразования за счет использования не стабильного источника тока, выполненного на резисторе, подключенном к источнику опорного напряжения;
- низкая чувствительность из-за малого выходного напряжения отдельно включенного термопреобразователя;
- невозможность идентифицирования местоположения соответствующего датчика;
- отсутствие защиты ОУ и аналогового мультиплексора от помех в длинных линиях связи от термопреобразователей.
Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение является расширение функциональных возможностей, повышение точности измерения средней температуры и упрощение конструкции (улучшение технологичности).
Технический результат, достигаемый при использовании заявляемого изобретения, заключается в расширении функциональных возможностей за счет реализации идентификации местоположения термопреобразователей и защиты ОУ с аналоговым мультиплексором от помех в длинных линиях связи термопреобразователей, повышении точности за счет использования единого стабильного источника тока, упрощении конструкции (улучшении технологичности) за счет исключения резисторов, ОУ, операций настройки.
Для достижения технического результата в заявляемом измерителе средней температуры, содержащем не менее двух термопреобразователей, аналоговый мультиплексор с шиной управления, стабилитрон, источник постоянного напряжения, первый и второй резисторы, ОУ, новым является то, что термопреобразователи соединены между собой последовательно, дополнительно введены: конденсатор, первый и второй диоды, соединенные встречно-параллельно, при этом катод второго диода соединен с инвертирующим входом ОУ и через первый резистор соединен с источником постоянного напряжения, а анод соединен с общей шиной и с неинвертирующим входом ОУ, выход которого соединен через второй резистор с входом первого термопреобразователя, выход последнего термопреобразователя соединен с инвертирующим входом ОУ, через стабилитрон соединен со вторым выводом второго резистора и через конденсатор с выходом ОУ, входы аналогового мультиплексора соединены непосредственно или через дополнительные резисторы с входом каждого термопреобразователя соответственно, а выход аналогового мультиплексора является выходом устройства.
В измерителе средней температуры в качестве термопреобразователей могут быть использованы диоды, диоды биполярных n-p-n или p-n-p транзисторов, или термосопротивления.
Новая совокупность существенных признаков в заявляемом измерителе средней температуры позволяет расширить его функциональные возможности, повысить точность, упростить конструкцию (улучшить технологичность). Расширение функциональных возможностей обеспечивается наличием идентификации номера термопреобразователя, что реализуется за счет формирования на выходе аналогового мультиплексора напряжения ступенчатой формы, каждая ступень которого содержит информацию, как о температуре, так и о местоположении опрашиваемого термопреобразователя. Расширение функциональных возможностей также обеспечивается помехозащищенностью измерителя при работе с длинными линиями связи с термопреобразователями, что осуществляется за счет введения первого и второго диодов, конденсатора, второго резистора, стабилитрона и дополнительных резисторов в цепях защиты ОУ и аналогового мультиплексора. Повышение точности преобразования обеспечивается за счет соединения термопреобразователей в последовательную цепь с более высоким выходным напряжением и чувствительностью, запитанную общим стабильным током. Упрощение конструкции (улучшение технологичности) обеспечивается исключением дифференциального ОУ, не менее 20 резисторов, не менее 14 операций настройки.
Изобретение поясняется функциональной схемой, представленной на фиг. 1. На фиг. 2 представлены диаграммы работы измерителя средней температуры.
Измеритель средней температуры содержит восемь термопреобразователей с 1 по 8, аналоговый мультиплексор 9 с шиной управления 10, стабилитрон 11, источник постоянного напряжения 12, первый 13 и второй 14 резисторы, ОУ 15. Термопреобразователи с 1 по 8 соединены между собой последовательно, конденсатор 16, первый 17 и второй 18 диоды, соединены встречно-параллельно, при этом катод второго диода 18 соединен с инвертирующим входом ОУ 15 и через первый резистор 13 соединен источником постоянного напряжения 12, а анод соединен с общей шиной и с неинвертирующим входом ОУ 15, выход которого соединен через второй резистор 14 с входом первого термопреобразователя 1, выход последнего термопреобразователя 8 соединен с инвертирующим входом ОУ 15, через стабилитрон 11 соединен со вторым выводом второго резистора 14 и через конденсатор 16 с выходом ОУ 15, входы аналогового мультиплексора 9 соединены непосредственно или через дополнительные резисторы с 19 по 26 с входом каждого термопреобразователя с 1 по 8 соответственно, а выход аналогового мультиплексора 27 является выходом устройства.
В измерителе средней температуры в качестве термопреобразователей 1-8 могут быть использованы диоды, диоды биполярных n-p-n или p-n-p транзисторов, или платиновые термосопротивления Pt500 (500 Ом при 0°С).
Устройство работает следующим образом.
Рассмотрим случай измерения средней температуры объекта, на который установлены термопреобразователи 1-8, в качестве которых использованы диоды с известной нормированной статической характеристикой.
(1-8)cp
В исходном статическом состоянии (см. момент времени t1 на фиг. 2), обеспеченном нулевым кодом 00 0 на трехразрядной шине управления 10 аналогового мультиплексора 9, на выходе 27 установлена суммарная величина напряжения, состоящая из напряжений на восьми последовательно соединенных диодах с 1 по 8 (см. фиг. 1). За счет суммирования напряжений на диодах чувствительность увеличивается в восемь раз и позволяет использовать на выходе 27 аналогового мультиплексора 9 в качестве внешнего измерителя напряжения АЦП (на фиг. 1 не показан) с большей допустимой величиной кванта младшего разряда. За счет суммарного напряжения (момента t1), поделенного на количество диодов, среднее значение напряжения на восьми диодах (U27(T)) и среднее значение температуры объекта определяется наиболее точно:
Суммирование напряжений обеспечивается подключением последнего диода 8 последовательно включенных диодов к инвертирующему входу ОУ 15 и питанием диодов от единого стабильного источника тока, который построен за счет подключения инвертирующего входа ОУ через резистор 13 к отрицательному выводу источнику постоянного напряжения 12. Реализация общего стабильного тока по сравнению с резистивным режимом задания тока прототипа повышает точность преобразования температуры в напряжение втрое. Также за счет подключения термопреобразвоателей в цепь отрицательной обратной связи ОУ 15 обеспечивается малое выходное сопротивление на выходе 27 аналогового мультиплексора 9. Для помехозащиты и устойчивости в целом при подключении длинной линии связи с термопреобразователями между инвертирующим входом и выходом ОУ 15 включен интегрирующий конденсатор 16. Для исключения повреждения ОУ 15 возможным выбросом напряжения или мощной помехой по длинной линии связи между инвертирующим и неинвертирующим входами ОУ 15 включены встречно-параллельные диоды 17 и 18, величина напряжения на которых не превышает 0,6 В (что в десятки раз меньше допустимого синфазного и дифференциального напряжения ОУ 15). Для защиты ОУ 15 и аналогового мультиплексора 9 от короткого замыкания по выходу включен резистор 14. Для защиты входов аналогового мультиплексора, не имеющего встроенных цепей защиты, включены дополнительные резисторы с 19 по 26. Стабилитрон 11 предназначен для ограничения выходного напряжения ОУ 15 в случае обрыва связи с термопреобразователями, что в свою очередь обеспечивает сигнализацию обрыва.
При изменении двоичного кода на шине управления 10 аналогового мультиплексора 9 от 000 до 111, на выходе 27 аналогового мультиплексора 9 изменяется число последовательно включенных (опрашиваемых) термопреобразователей от восьми до одного и формируется выходное ступенчатое напряжение (см. моменты времени от t1 до t8 на фиг. 2). При изменении температуры изотермического объекта (с равными температурами во всех точках), от -40°С до 120°С величина каждой ступени, представленной на фиг. 2, возрастает от ΔU27 до 8ΔU27.
В случае неизотермичности объекта, когда температуры точек измерения различны, температура термопреобразователей с 1 по 7 определяется по напряжению, равному разности напряжений момента времени, соответствующего номеру термопреобразователя и следующего момента времени цикла измерения:
где tn - момент времени цикла измерения, соответствующее номеру термопреобразователя n (n=1…7).
8
Термозависимое напряжение на термопреобразователе 8 (U27(Т)) равно напряжению момента времени t8:
Испытания макета измерителя средней температуры, выполненного на прецизионном ОУ 15 типа 544УД12У3, аналоговом мультиплексоре 9 с шиной управления 10 типа 590КН6, внешнем измерителе напряжения (бортовом девятиразрядном АЦП, на фиг. 1 не показан), диодных термопреобразователях с 1 по 8 2Д707АС9 в микрокорпусе КТ-46 (обладающем малым временем тепловой инерции), диодах 17 и 18 типа 2Д522Б, прецизионном стабилитроне 11 типа 2С198Б, резисторах 13 и 14 типа С2-29В (с точностью изготовления 0,1%) и моделирование в САПР Micro-Cap, подтвердили его работоспособность и заявленные преимущества. Также в качестве термопреобразователей с 1 по 8 были исследованы восемь платиновых термопреобразователей сопротивления Pt500, при этом выявлено равенство температурных коэффициентов (≈2,1 мВ/°С) диодов и платиновых термосопротивлений Pt500 (500 Ом при 0°С). При испытаниях макета подтверждено, что суммарное выходное напряжение и чувствительность увеличены в 8 раз (чувствительность равна 8⋅2,1 мВ/°С=16 мВ/°С), точность измерения увеличена в трое, выходное ступенчатое напряжение определяет местоположение термопреобразователя в объекте.