УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ СРЕДЫ
MEDIUM TEMPERATURE MEASUREMENT DEVICE

Изобретение относится к температурным измерениям, а именно: к устройствам для измерения температуры термопреобразователями сопротивления и может быть использовано для измерения температуры окружающей среды.
При измерении температуры посредством термопреобразователя сопротивления, как правило, возникает проблема дополнительного нагрева термопреобразователя от тока опроса, протекающего через него при измерении сопротивления. Наличие дополнительного нагрева, обусловленного током опроса, снижает точность измерений, так как приводит к увеличению погрешности измерений температуры, значение которой трудно учесть в виду нестабильного характера. Для минимизации влияния величины тока опроса на точность измерений для термопреобразователей сопротивления, используемых при измерении температуры, допускаемое значение обтекающего их тока составляет единицы миллиампер. Однако при этом, соответственно падение напряжении на термопреобразователе, которое требуется измерять, также мало и составляет порядка 0,5 В. Возникает проблема обеспечения максимального уровня сигнала, снимаемого с термопреобразователя. Для согласования сигнала термопреобразователя сопротивления и последующих устройств, например аналого-цифрового преобразователя, используют усилители постоянного тока.
Известно устройство для измерения температуры, в котором при изменении сопротивления термопреобразователя вследствие изменения температуры контролируемой среды, добиваются максимального уровня сигнала с термопреобразователя при допустимой мощности рассеивания, автоматически регулируя величину тока опроса, а затем полученный сигнал усиливают. Для этого устройство содержит блок стабильных источников тока, в котором каждый источник тока настроен на генерацию заданного фиксированного тока опроса для конкретного диапазона значений сопротивлений термопреобразователя. Источники тока выполнены по схеме, обеспечивающей высокую стабильность тока и нагрузочную способность в широком диапазоне сопротивлений. Для усиления сигнала в составе измерительного блока входит усилитель с управляемым коэффициентом усиления (СССР, авт.свид. №1394062, G01K 7/00, 07.05.88).
Известное устройство позволяет формировать оптимальный режим работы термопреобразователя, получая с него максимально возможный сигнал при сохранении максимально допустимой мощности рассеивания. Однако сигнал с термопреобразователя по-прежнему остается мал (доли ватта) и для обеспечения работоспособности устройства требуется дополнительное усиление сигнала, что вносит дополнительную погрешность в результаты измерений температуры, так как выходные параметры усилителей зависят от многих факторов: стабильность источника питания, характеристики окружающей среды. При этом погрешность, обусловленную использованием усилителей сигналов, трудно учесть, так как она имеет нестабильный характер. Минимизация погрешности, вносимой усилителем, приводит к усложнению устройства. Кроме того, и схема регулирования величины тока опроса и известное устройство в целом сложны в реализации.
Наиболее близким к предлагаемому является устройство для измерения температуры, реализующее способ определения температуры (РФ, патент №2229692, G01K 7/18, 27.05.2004). Устройство содержит стабилизатор напряжения, резистор установки тока, источник тока, коммутатор тока, платиновые термопреобразователи сопротивления, дифференциальные коммутаторы сигналов термопреобразователей сопротивления, дифференциальный усилитель, аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), микроконтроллер, эталонный резистор.
Стабилизатор напряжения, резистор установки тока, источник тока, коммутатор тока образуют вместе стабилизированный коммутируемый источник тока для питания термопреобразователей сопротивления (ток опроса). Измерение температуры выполняется программно под управлением микроконтроллера. Микроконтроллер управляет работой стабилизированного коммутируемого источника тока опроса и коммутаторами. При измерении температуры источник тока опроса сигналом с выхода микроконтроллера поочередно подключают к эталонному резистору и термопреобразователям сопротивления. Цикл измерения начинают с измерения падения напряжения на эталонном резисторе, которое усиливают, преобразуют АЦП в цифровой код и запоминают в памяти контроллера. Аналогично поочередно измеряют падение напряжения на термопреобразователях сопротивления, при этом коммутаторы поочередно подключают термопреобразователи к источнику тока опроса и к усилителю. После поступления информации со всех термопреобразователей сопротивления в память микроконтроллера, микроконтроллер выключает стабилизатор напряжения и последовательно производит вычисление температуры каждой исследуемой среды по заданному ранее алгоритму.
Недостаток известного устройства прежде всего состоит в том, что в нем, как и в предыдущем аналоге, сигнал с термопреобразователя по-прежнему остается мал (доли ватта), что для обеспечения работоспособности устройства требует дополнительного усиления сигнала. Использование в измерительной цепи усилителя сигнала вносит дополнительную погрешность в результаты измерений температуры, так как выходные параметры усилителя зависят от многих факторов: стабильность источника питания, характеристики окружающей среды. При этом погрешность, обусловленную использованием усилителей сигналов трудно учесть, так как она имеет нестабильный характер. Минимизация погрешности, вносимой усилителем, приводит к усложнению устройства.
Кроме того, известное устройство требует стабилизированного источника тока опроса, что усложняет как само устройство, так и его реализацию.
Кроме того, известное устройство измеряет падения напряжения на эталонном резисторе и термопреобразователях сопротивления поочередным подключением к ним источника тока опроса, т.е. при измерении падения напряжения ток опроса протекает или только через эталонный резистор, или только через термопреобразователь сопротивления, т.е. в известном устройстве эти цепи электрически не связаны. При этом равенство величины тока опроса для эталонного резистора и для термопреобразователей обеспечивается специальными аппаратурными средствами. Это объясняет необходимость использования стабилизированного источника постоянного напряжения. Необходимость использования стабилизированного источника постоянного напряжения, формирующего ток опроса, усложняет реализацию устройства.
Предлагаемое изобретение решает задачу создания устройства для измерения температуры среды, осуществление которого позволяет достичь технического результата, заключающегося в возможности увеличения уровня сигнала, снимаемого с термопреобразователя сопротивления без превышения допустимого тока опроса, а также в повышении точности измерения и в упрощении устройства.
:
Сущность заявленного изобретения заключается в том, что в устройстве для измерения температуры, содержащем источник постоянного напряжения и соединенные входами-выходами аналого-цифровой преобразователь и контроллер, а также n термопреобразователей сопротивления, эталонный резистор, n-канальный коммутатор постоянного напряжения, где n=1, 2, 3, при этом источник постоянного напряжения подключен выходом к n-канальному коммутатору постоянного напряжения, первые выводы n термопреобразователей сопротивления подключены к соответствующим выходам n-канального коммутатора постоянного напряжения, кроме того, вход управления n канального коммутатора постоянного напряжения подключен к первому управляющему выходу контроллера, новым является то, что источник постоянного напряжения не стабилизирован, а n термопреобразователей сопротивления вторыми выводами соединены последовательно с эталонным резистором с образованием общей электрической цепи для протекания тока опроса, при этом вход управления коммутатора постоянного напряжения подключен к первому управляющему выходу контроллера с возможностью подачи напряжения от источника постоянного напряжения в виде импульсной последовательности, кроме того, введен (n+1)-канальный коммутатор, при этом первые выводы n термопреобразователей сопротивления подключены, кроме того, к n входам (n+1)-канального коммутатора, а вторые выводы n термопреобразователей сопротивления подключены, кроме того, к (n+1) входу канального коммутатора, вход управления которого подключен к второму управляющему выходу контроллера, а выход (n+1)-канального коммутатора подключен к входу аналого-цифрового преобразователя.
Технический результат достигается следующим образом. Существенные признаки формулы заявленного изобретения: «Устройство для измерения температуры, содержащее источник постоянного напряжения и соединенные входами-выходами аналого-цифровой преобразователь и контроллер, а также n термопреобразователей сопротивления, эталонный резистор, n-канальный коммутатор постоянного напряжения, где n=1, 2, 3, при этом источник постоянного напряжения подключен выходом к n-канальному коммутатору постоянного напряжения, первые выводы n термопреобразователей сопротивления подключены к соответствующим выходам n-канального коммутатора постоянного напряжения, кроме того, вход управления n-канального коммутатора постоянного напряжения подключен к первому управляющему выходу контроллера,…» являются неотъемлемой частью заявленного устройства и, в совокупности с оставшимися существенными признаками, обеспечивают его осуществление, а, следовательно, обеспечивают достижение заявленного технического результата.
Источник постоянного напряжения обеспечивает возможность формирования тока опроса через измерительную цепь «термопреобразователь сопротивления, эталонный резистор». Коммутатор постоянного напряжения выполнен n-канальным и обеспечивает поочередное подключение измерительных цепей к источнику тока опроса. Наличие в устройстве n термопреобразователей сопротивления, которые вторыми выводами соединены последовательно с эталонным резистором, образует многоканальное устройство для измерения температуры среды с широким диапазоном измеряемых температур. Аналого-цифровой преобразователь преобразует в цифровой код измеренное падение напряжения на термопреобразователях и на эталонном резисторе, обеспечивая возможность использования для обработки полученной информации контроллером, программно.
В заявленном устройстве n термопреобразователей сопротивления вторыми выводами соединены последовательно с эталонным резистором с образованием общей электрической цепи для протекания тока опроса, в отличие от прототипа, где эти цепи электрически не связаны. Для этого источник постоянного напряжения подключен выходом к n-канальному коммутатору постоянного напряжения, первые выводы n термопреобразователей сопротивления подключены к соответствующим выходам n-канального коммутатора постоянного напряжения и к соответствующим n входам канального коммутатора, а вторые выводы подключены к эталонному резистору и к (n+1) - входу канального коммутатора.
В результате в измерительной цепи термопреобразователь и эталонное сопротивление обтекаются одним током, параметры которого и для эталонного резистора и для термопреобразователя сопротивления не отличаются, что исключает необходимость использования стабилизированного источника постоянного напряжения.
Кроме того, управляемый вход коммутатора постоянного напряжения подключен к первому управляющему выходу контроллера с возможностью подачи напряжения от источника постоянного напряжения на термопреобразователи сопротивления и эталонный резистор в виде импульсной последовательности. В результате, на термопреобразователь сопротивления и на эталонный резистор на короткий промежуток времени подают напряжение, при котором значение обтекающего их тока позволяет повысить контролируемое падение напряжения на термопреобразователе и эталонном резисторе до величины, не требующей дополнительного усиления. Кроме того, при управляющих импульсах прямоугольной формы значение снимаемого падения напряжения будет постоянным в течение длительности импульса. При этом подбором величины скважности импульсов можно установить средний ток через термопреобразователь сопротивления, не превышающий допустимой величины тока опроса для данного термопреобразователя. В совокупности это позволяет исключить из схемы устройства усилители электрического сигнала, снимаемого с термопреобразователя и эталонного резистора.
В результате возможность подачи напряжения источника постоянного напряжения на термопреобразователи сопротивления и эталонный резистор в виде импульсной последовательности позволяет увеличить уровень сигнала, снимаемого с термопреобразователя, без дополнительного разогрева термопреобразователя, обусловленного протеканием через него тока опроса, и в пределах допустимого электрического режима использования термопреобразователя.
Обтекание током опроса одновременно термопреобразователя и эталонного резистора позволяет отказаться от стабилизированного источника постоянного напряжения для формирования тока опроса.
Возможность подбора скважности управляющих импульсов позволяет формировать от одного источника постоянного напряжения ток опроса для отличных друг от друга термопреобразователей с учетом допустимого для каждого из них режима применения, а также позволяет формировать многоканальные устройства для измерения температуры с широким диапазоном измеряемых температур.
Как было показано выше, параметры усилителей электрических сигналов зависят от многих факторов: стабильность источника питания, характеристики окружающей среды, что вносит в результаты измерений погрешность, которую трудно учесть, так как она имеет нестабильный характер. Минимизация аппаратными средствами погрешности, вносимой усилителем, приводит к усложнению как устройства, реализующего способ, так и усложняет сам способ измерения температуры среды.
Исключение из устройства усилителей измеряемого сигнала с термопреобразователя и эталонного резистора позволяет упростить устройство, а также повысить точность измерения температуры, полностью исключив аналоговую обработку измеряемого сигнала и исключив погрешность, вносимую усилителем сигнала.
Кроме того, возможность исключения из заявленного способа усилителей измеряемого сигнала позволяет непосредственно преобразовывать измеряемый сигнал в цифровой код. Для этого первые выводы n термопреобразователей сопротивления подключены к соответствующим n входам канального коммутатора, а вторые выводы подключены к эталонному резистору и к (n+1) - входу канального коммутатора, выход которого подключен к входу аналого-цифрового преобразователя. При этом введение (n+1)-канального коммутатора и связи с его (n+1) входом вторых выводов термопреобразователей обеспечивает возможность измерения падения напряжения на эталонном резисторе, сформированного током опроса, протекающим одновременно через соответствующий термопреобразователь сопротивления и эталонный резистор.
В настоящее время элементная база позволяет реализовать в одной микросхеме и контролер, и аналого-цифровой преобразователь, что еще более упрощает реализацию устройства.
Таким образом, из вышеизложенного следует, что заявленное устройство для измерения температуры среды при осуществлении обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в возможности увеличения уровня сигнала, снимаемого с термопреобразователя сопротивления без превышения допустимого тока опроса, а также в повышении точности измерения и в упрощении устройства.
1
n
1
n
На фиг.1 изображено заявленное устройство для измерения температуры среды. Устройство содержит источник постоянного напряжения 1, аналого-цифровой преобразователь 2 и контроллер 3, соединенные входами-выходами, n термопреобразователей сопротивления 4-4, эталонный резистор 5, n-канальный коммутатор постоянного напряжения 6, (n+1)-канальный коммутатор 7 (далее- канальный коммутатор), где n=1, 2, 3,… Источник постоянного напряжения 1 подключен выходом к n-канальному коммутатору постоянного напряжения 6, первые выводы n термопреобразователей сопротивления 4-4 подключены к соответствующим выходам n-канального коммутатора постоянного напряжения 6 и к соответствующим n входам канального коммутатора 7, а вторые выводы подключены к эталонному резистору 5 и к (n+1) - входу канального коммутатора 7. Выход канального коммутатора 7 подключен к входу аналого-цифрового преобразователя 2. Входы управления соответственно 8, 9 коммутатора постоянного напряжения 6 и канального коммутатора 7 подключены соответственно к первому 10 и второму 11 управляющим выходам контроллера 3.
Особых требований к реализации контроллера и АЦП, а также к другим элементам схемы, не предъявляется. Коммутатор постоянного напряжения n-канальный может быть выполнен, например, на биполярных транзисторах; (n+1)-канальный коммутатор может быть выполнен, например, на микросхеме типа 4051; термопреобразователь сопротивления, например, ТПТ-3-1; эталонный резистор - прецизионный резистор, например, С2-29Н.
1
n
1
Устройство работает следующим образом. Управление работой устройства выполняют программно с помощью контроллера 3. Снятие информации с датчиков температуры - термопреобразователей сопротивления 4-4 и эталонного резистора 5 выполняют поочередно под управлением контроллера 3. После включения напряжения питания на вход управления 8n-канального коммутатора постоянного напряжения 6 поступает управляющий код с управляющего выхода 10 контроллера 3, который подключает к источнику постоянного напряжения 1 конкретную измерительную цепь «термопреобразователь сопротивления, эталонный резистор», например, 4b 5. Одновременно на вход управления 9 канального коммутатора 7 поступает код управления с управляющего выхода 11 контроллера 3 и подключает к входу аналого-цифрового преобразователя 2 сигнал с эталонного резистора 5. Управляющий код присутствует на входе управления 9 канального коммутатора 7 в течение времени измерения падения напряжения на эталонном резисторе 5. Падение напряжения на эталонном резисторе 5 измеряют для каждого термопреобразователя сопротивления. После измерения падения напряжения на эталонном резисторе 5 код на входе управления 9 канального коммутатора 7 изменяют таким образом, что на вход аналого-цифрового преобразователя 2 поступает сигнал с контролируемого термопреобразователя сопротивления 4. По окончании измерения коды с входа управления 8 коммутатора постоянного напряжения 6 и входа управления 9 канального коммутатора 7 снимают.
<mrow><mi>Q</mi><mo>></mo><mfrac><mrow><mi>U</mi><mi>и</mi></mrow><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>R</mi><mi>t</mi><mo>+</mo><mi>R</mi><mi>э</mi><mi>т</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>×</mo><mi>I</mi><mi>д</mi><mi>о</mi><mi>п</mi></mrow></mfrac></mrow>
, где
Управляющий сигнал (код) с выходов 10 и 11 контроллера 3 представляет собой периодическую последовательность прямоугольных импульсов с заданной скважностью.
Для каждого термопреобразователя сопротивления скважность импульсов заранее определяют по формуле:
<mrow><mi>Q</mi><mo>></mo><mfrac><mrow><mi>U</mi><mi>и</mi></mrow><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>R</mi><mi>t</mi><mo>+</mo><mi>R</mi><mi>э</mi><mi>т</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>×</mo><mi>I</mi><mi>д</mi><mi>о</mi><mi>п</mi></mrow></mfrac></mrow>
, где
Q - требуемая скважность последовательности импульсов, Ци - значение постоянного напряжения источника питания, формирующего ток опроса термопреобразователя сопротивления и эталонного резистора, Rt - значение сопротивления термопреобразователя при минимальной измеряемой температуре, Rэт - номинал сопротивления эталонного резистора, Iдоп - максимально-допустимый ток опроса термопреобразователя.
Скважность управляющих импульсов рассчитывают таким образом, чтобы при подключении источника питания средний ток через термопреобразователь сопротивления не превышал допустимой величины.
Ниже приведен пример расчета величины скважности для терморезистора типа ТПТ-3-1 с величиной сопротивления Rt=80 Ом при минимальной измеряемой температуре (-50°C), при Iдоп=I мА.
Для Uи=5 В, Rэт=100 Ом имеем:
<mrow><mi>Q</mi><mo>></mo><mfrac><mrow><mi>U</mi><mi>и</mi></mrow><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>R</mi><mi>t</mi><mo>+</mo><mi>R</mi><mi>э</mi><mi>т</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>×</mo><mi>I</mi><mi>д</mi><mi>о</mi><mi>п</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>5</mn><mo>/</mo><mo stretchy="false">(</mo><mn>80</mn><mo>+</mo><mn>100</mn><mo stretchy="false">)</mo><mo>×</mo><mn>1</mn><mo>×</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>3</mn></mrow></msup><mo>≈</mo><mn>28</mn></mrow>
Измерение падения напряжения на термопреобразователе и эталонном резисторе выполняют в течение времени, равном длительности управляющего импульса. Например, для скважности Q=28 и периоде следования импульсов Т=2,8 с, длительность импульса τ составит 0,1 с (Q=Т/τ).
-3
При этом через измерительную цепь «термопреобразователь сопротивления, эталонный резистор» протекает импульсный ток опроса, который в короткий промежуток времени, равный длительности импульса, превышает рекомендованное значение тока опроса. Для упрощения расчета допустим Iср=Iдоп=1×10 А;
-3
Iимп=Iср×Q=1×10×28=28 мА.
В результате повышается падение напряжения на термопреобразователе сопротивления и эталонном резисторе до величины, не требующей дополнительного усиления. При этом среднее значение тока опроса через термопреобразователи не превышает допустимого.
После поступления в память контроллера информации с термопреобразователя сопротивления и с эталонного резистора, производят вычисление температуры каждой исследуемой среды по заранее заданному алгоритму. Например, перевод сопротивления в градусы выполняют одновременно с линеаризацией характеристики термопреобразователя сопротивления по таблице, заложенной в память контроллера.