УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

Устройство для измерения температуры
Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для измерения температуры преимущественно на удаленном обьекте с использованием в качестве термочувствительного элемента термистора, включенного по трехпроводной схеме.
Известны устройства для измерения температуры, в которых в одно из плеч сбалансированного резистивного моста включен термистор,- сопротивление которого зависит от температуры 1,2. В этих устройствах напряжение с диагонали моста усиливается дифференциальным масштабир)тощим усилителем, а затем кодируется аналогопифровым преобразователем.
Недостатком устройств 1,2 сложность балансировки резистивного моста из-за неизвестности значений сопротивлений проводников, с помощью которых термистор подключается к мосту.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является вольтметр универсальный цифровой В7-39 3, используемый в режиме измерения сопротивления. Примененная в вольтметре схема измерения сопротивления 1, стр. 72 содержит операционный усилитель, к инвертирующему входу которого.через, образцовый резистор подключен источник опорного напряжения, а неинвертирующий вход соединен с шиной нулевого потенциала. В цепь обратной связи операционного усилителя через подводящие провода подключен резистор, сопротивление которого измеряется. В состав устройства входит также аналого-цифровой преобразователь со своим автономным источником опорного напряжения и четыре релейных ключа, обесG 01 К 7/00
- 2
печивающие коммутацию к входу аналого-цифрового преобразователя различных точек схемы. Устройство работает по четырехпроводной схеме.
Недостатками устройства-прототипа, являются его сложность, обусловленная необходимостью коммутации измеряемых напряжений и вьшолнением расчетов измеряемого сопротивления, а также недостаточная точность измерения, обусловленная неполной компенсацией нестабильности источника опорного напряжения, влиянием входных токов операционного усилителя и погрешностями вычислений.
Задачей, решаемой полезной моделью, является создание простого устройства для измерения с необходимой точностью температуры на удаленном объекте, связанном с измерительной схемой посредством соединительных проводов, образующих трехпроводную схему.
Сущность полезной модели заключается в том, что устройство для измерения температуры содержит преобразователь напряжение-ток с вьтодами для подключения первого и второго выводов термистора, источник опорного напряжения, первый, второй и третий повторители напряжения, весовой сумматор-вычитатель, инвертирующий масштабный уси;штель и аналого-цифровой преобразователь, при этом преобразователь напряжение-ток выполнен на операционном усилителе, неинвертирующий вход которого соединен с шиной нулевого потенциала, выход через первый развязьшающий резистор соединен с выводом для подключения первого вывода термистора, входом первого повторителя напряжения и через корректирующий конденсатор связан со своим инвертирующим входом, к которому подключен второй развязьгоающий резистор, соединенный с выводом для подключения второго вывода термистора, соединенным с последовательно включенными первым токозадающим резистором и вторым токозадающим резистором, соединенным с источником опорного напряжения, вход второго повторителя напряжения соединен с дополнительным выводом для соединения со вторым выводом термистора, вход третьего повторителя напряжения соединен с точкой соединения первого и второго токозадающих резисторов, выходы первого, второго и третьего повторителей напряжения соединены соответственно с первым суммирующим входом, входом вычитания и вторым суммирующим входом весового сумматоравычитателя, выход которого соединен с входом инвертирующего масштабного усилителя, выход которого соединен с информационным входом аналого-цифрового преобразователя, вход опорного напряжения которого соединен с источником опорного напряжения, а выход является выходом устройства.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором обозначены:
1- преобразователь напряжение-ток,
2- термистор,
3- вывод для подключения первого вывода термистора 2,
4- вывод для подключения второго вьшода термистора 2,
5- источник опорного напряжения (ИОН),
6, 7 и 8 - соответственно первый, второй и третий повторители напряжения,
9- весовой сумматор-вычитатель,
10- инвертирующий маспггабный усилитель,
11- аналого-цифровой преобразователь (АЦП),
12- операционный усилитель (ОУ),
13- первый развязывающий резистор,
14- корректирующий конденсатор,
15- второй развязывающий резистор,
16, 17 -- соответственно первый и второй токозадаюпще резисторы,
18- дополнительный вывод,
19- операционный усилитель весового сумматора-вычитателя 9, 20, ..., 24 - резисторы весового сумматора-вычитателя 9,
пр.1 - сопротивление проводника, соединяющего первый вывод термистора 2 с
выводом 3, ,омЗ,
пр.2 - сопротивление проводника, соединяющего второй вывод термистора 2 с вьгоодом 4,
пр.з - сопротивление проводника, соединяющего второй вывод термистора 2 с вьюодом 18.
Предлагаемое устройство для измерения температуры содержит преобразователь 1 напряжение-ток с выводами 3 и 4 для подключения соответственно первого и второго вьшодов термистора 2, источник 5 опорного напряжения, первый, второй и третий повторители 6,7 и 8 напряжения, весовой сумматор-вычитатель 9, инвертирующий масщтабный усилитель 10 и аналого-цифровой преобразователь 11.
Преобразователь напряжение-ток вьщолнен на операционном усилителе 12, неинвертирующий вход которого соединен с щиной нулевого потенциала. Выход операционного усилителя 12 через первый развязывающий резистор 13 соединен с вьгоодом 3 для подключения первого вывода термистора 2, входом первого повторителя 6 надл: //;г 35
- 3 пряжения и через корректирующий конденсатор 14 связан со своим инвертирующим входом, к которому подключен второй развязывающий резистор 15. Второй вывод резистора 15 соединен с выводом 4 для подключения второго вывода термистора 2, соединенным с последовательно включенными первым токозадающим резистором 16 и вторым токозадающим резистором 17, соединенным с источником 5 опорного напряжения, второй вывод которого соединен с шиной нулевого потенциала.
Вход второго повторителя 7 напряжения соединен с дополнительным выводом для соединения со вторым выводом термистора 2. Вход третьего повторителя 8 напряжения соединен с точкой соединения первого и второго токозадающих резисторов 16 и 17.
Выходы первого, второго и третьего повторителей напряжения 6, 7 и 8 соединены соответственно с первым суммирующим входом, входом вычитания и вторым суммирующим входом весового сумматора-вьгчитателя 9. Выход весового сумматоравычитателя 9 соединен с входом инвертирующего масштабного усилителя 10, выход которого соединен с информационным входом аналого-цифрового преобразователя 11, вход опорного напряжения которого соединен с источником 5 опорного напряжения, а выход является выходом устройства.
Развязывающие резисторы 13 и 15 обеспечивают развязку операционного усилителя 12 от значительных емкостей, вносимых длинными проводниками, подключающими термистор 2 к устройству, а корректирующий конденсатор 14 корректирует частотную характеристику операционного усилителя 12, обеспечивая его устойчивость. Сопротивления резисторов 13 и 15 состав.пяют обычно от единиц Ом до нескольких кОм, а емкость конденсатора составляет обычно десятки-сотни пФ.
Сопротивление резистора 16 выбирают равным сопротивлению термистора 2 при окружающей температуре, равной 0°С, а сопротивление резистора 17 выбирают таким образом, чтобы ток, протекающий через термистор 2, определяемый значением напряжения источника 5 опорного напряжения и суммарным сопротивлением резисторов 16 и 17 был равен рабочему току термистора 2.
Повторители 6, 7 и 8 напряжения выполнены на операционных усилителях, охваченных стопроцентной последовательной обратной связью по напряжению.
Весовой сумматор-вычитатель 9 вьшолнен на операционном усилителе 19 охваченном отрицательной обратной связью с помощью делителя на резисторах 21 и 20, включенного между вЬхходом операционного усилителя и входом вычитания весового
сумматора-вычитателя 9. Точка соединения резисторов 21 и 20 соединена с инвертирующим входом операционного усилителя 19. Первые выводы резисторов 22 и 23 образуют входы суммирования сумматора-вычитателя 9, а их вторые выводы соединены с включенным между неинвертирующим входом операционного усилителя 19 и щиной нулевого потенциала резистором 24.
В качестве аналого-цифрового преобразователя 11 может быть использован, например, аналого-цифровой преобразователь AD 7842 фирмы Analog Devices.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
При измерении температуры термистор 2 подключают к выводам 3,4 и 18 посредством проводников с сопротивлениями Rnp.i, Rnp.2 и пр.з- Величина тока, протекающего через термистор 2, резисторы 16 и 17 благодаря преобразователю 1 напряжение ток не зависит от сопротивления термистора 2 и соединительных проводников. Величину этого тока можно рассчитать по формуле:
/.
где / - величина тока, протекающего через термистор 2, А;
Е - величина напряжения на выходе источника 5 опорного напряжения. В; -R,g, jR,7  величины сопротивлений резисторов 16, 17, соответственно. Ом.
Ток /, протекая через термистор 2, резисторы 16 и 17 создает на входах повторителей 6, 7 и 8 следующие напряжения:
и, -I (R,+2R,},
t/2
,
где U, С/2, Uj,- величины напряжений на входах первого, второго и третьего повторителей 6, 7, 8 напряжения, соответственно. В;
- 5
измерительную цепь от сопротивления нагрузки, поступают на входы весового сумматора-вычитателя 9, в котором напряжения U и {/з суммируются с весовым коэффициентом 1, а напряжение t/2 вычитается с весовым коэффициентом 2. В этом случае напряжение на выходе весового сумматора-вьгчитателя 9 равно:
,-2U2+ (Ri-Ri6),
Учитывая, что при 0°С величины сопротивлений термистора 2 и резистора 13 выбирают равными, величина напряжения на выходе сумматора-вычитателя 9, пропорциональна величине сопротивления термистора 2. Инвертирующий усилитель 10 умножает выходное напряжение сумматора-вычитателя 9 на постоянный коэффициент К, приводя его к напряжению полной шкалы аналого-цифрового преобразователя 11, код на выходе которого пропорционален приращению термистора 2, а следовательно, измеряемой температ)фе.
Поскольку на вход опорного напряжения аналого-цифрового преобразователя 11 поступает напряжение с источника 5, выходной код устройства не зависит от напряжения источника 5 и определяется стабильностью резисторов 16 и 17.
Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает измерение температуры на удаленном объекте независимо от сопротивления соединительных проводников и стабильности источника опорного напряжения, без дополнительных вычислений, что позволяет повысить точность измерения температуры и упростить аппаратуру.
Промьппленная применимость полезной модели определяется тем, что устройство на его основе может быть изготовлено на основании приведенного описания и чертежей и использовано для измерения температуры преимущественно на удаленном объекте с использованием в качестве термочувствительного элемента термистора, включенного по трехпроводной схеме.
Источники информации
1.Сопряжение датчиков и устройств ввода данных с компьютерами IBM PC Под ред. У Томпкинса Дж. Уэбстера, М.: Мир, 1992.
2.Шило В.Л. Линейные интегральные схемы в радиоэлектронной аппаратуре. М.: Советское радио, 1979.
- б Формула