ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СОПРОТИВЛЕНИЯ И ТЕРМО-ЭДС В НАПРЯЖЕНИЕ
RESISTANCE TRANSDUCER AND THERMAL ELECTROMOTIVE FORCE IN TENSE

Изобретение относится к информационно-измерительной технике и может быть использовано для преобразования изменения сопротивления резистивного первичного преобразователя температуры или деформации в напряжение и преобразования термо-ЭДС в напряжение.
Известен преобразователь термо-ЭДС в напряжение (Войшвило Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. М.: Додека - XXI, 2005 г., стр. 150), выполненный по схеме термокомпенсации холодного спая, содержащий операционный усилитель (ОУ), неинвертирующий вход которого подключен к выходу интегрирующей RC-цепи, вход которой подключен к первому выводу термопары, второй вывод которой подключен к выходу резистивного делителя напряжения, первый вход которого подключен к общей шине, второй вход которого подключен к термозависимому выходу полупроводниковой микросхемы ТМР35, находящейся в тепловом контакте с холодным спаем термопары на едином изотермическом основании. Цепь питания ТМР35 подключена к источнику напряжения, подключенному через резистор к первому входу термопары.
Недостатками устройства являются:
- низкая помехозащищенность от синфазных, дифференциальных помех и электромагнитных наводок из-за несимметричного недифференциального включения термопары и ОУ, не совмещенного с активным фильтром нижних частот (ФНЧ) высокого порядка и недостаточных фильтрующих свойств интегрирующей RC-цепи;
- необходимость использования импортной, невоспроизводимой отечественной промышленностью, микросхемы ТМР35;
- устройство неработоспособно в качестве преобразователя сопротивления в напряжение из-за отсутствия встроенного источника тока и резистора с изменяемым сопротивлением;
- устройство не имеет ограничителя уровня выходного напряжения или регулируемого коэффициента усиления (ограничен динамический диапазон) из-за невведенного кусочно-линейного аппроксиматора;
- низкая точность преобразования в динамическом режиме или низкое быстродействие из-за различия тепловых постоянных времени быстрой малогабаритной микротермопары и громоздкой инерционной микросхемы ТМР35.
Известен преобразователь сопротивления в напряжение (патент РФ №2397500, приоритет от 20.07.2009 г. «Преобразователь сопротивления в напряжение», авторы: Гутников А.И. и др., МПК: G01R 27/00, опубл. 20.02.2008 г. Бюл. №23), содержащий источник опорного напряжения, первый, второй и третий операционные усилители, резистор с изменяемым сопротивлением, первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой, восьмой и девятый резисторы, первый и второй резистивные делители напряжения, первый и второй диоды, третий операционный усилитель. Выход первого операционного усилителя соединен через резистор с изменяемым сопротивлением со своим инвертирующим входом, первым выводом первого резистора, вторым выводом второго резистора и через девятый резистор - с точкой объединения первых выводов четвертого и пятого резисторов и неинвертирующим входом второго операционного усилителя. Инвертирующий вход второго операционного усилителя соединен с первыми выводами второго и третьего резисторов. Выход второго операционного усилителя соединен с анодом второго диода, катод которого соединен со вторым выводом третьего резистора и через восьмой резистор - с общей шиной. Второй вывод четвертого резистора соединен с анодом первого диода инвертирующим входом третьего операционного усилителя, выход которого через шестой резистор соединен с катодом первого диода и через седьмой резистор - с общей шиной. Неинвертирующий вход третьего операционного усилителя соединен с выходом второго резистивного делителя напряжения. Второй вход второго резистивного делителя напряжения соединен с общей шиной, а первый вход соединен с источником опорного напряжения, вторым входом первого делителя напряжения и положительным и выводами питания операционных усилителей. Первый вход первого резистивного делителя напряжения соединен с общей шиной и отрицательными выводами питания операционных усилителей, а выход соединен с неинвертирующим входом первого операционного усилителя. При этом второй вывод второго резистора подключен либо к инвертирующему, либо к неинвертирующему входу первого операционного усилителя.
Недостатками устройства являются:
- сложность за счет дополнительного операционного усилителя кусочно-линейного аппроксиматора;
- устройство имеет ограниченный температурный диапазон и не может быть использовано для построения преобразователя термо-ЭДС высокотемпературной термопары в напряжение из-за низкой чувствительности источника тока на первом операционном усилителе с его резисторами и низкой помехозащищенности;
- устройство имеет ограниченные функциональные возможности из-за невозможности работы с сигналами низкого уровня как от изменяемого сопротивления малой величины (например, тензорезистор или резистор датчика давления), так и от компенсируемой термопары из-за работы только в режиме преобразователя сопротивления большой величины в напряжение.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание устройства, обладающего возможностью преобразовывать и сопротивление, и термо-ЭДС в напряжение.
Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей при одновременном повышении помехозащищенности и чувствительности за счет преобразования изменения сопротивлений и преобразования термо-ЭДС в напряжение.
Данный технический результат достигается тем, что в преобразователе сопротивления и термо-ЭДС в напряжение, содержащем резистор с изменяемым сопротивлением, первый вывод источника постоянного напряжения соединен с первым выводом первого резистивного делителя напряжения, второй вывод которого соединен с общей шиной, а неинвертирующий вход первого операционного усилителя соединен с первыми выводами первого и второго резисторов, второй вывод первого резистора соединен с выходом второго операционного усилителя, инвертирующий вход которого соединен с первым выводом третьего резистора, а неинвертирующий вход соединен с выходом второго резистивного делителя напряжения, первый вывод которого соединен с общей шиной, с которой соединены второй вывод второго резистора и первый вывод четвертого резистора, второй вывод которого соединен с катодом диода и через пятый резистор с первым выводом шестого резистора и инвертирующим входом первого операционного усилителя, выход которого соединен с анодом диода, седьмой и восьмой резисторы, новым является то, что дополнительно введены термопара, девятый и десятый резисторы, первый и второй конденсаторы, стабилитрон, выход первого резистивного делителя напряжения соединен с первым выводом шестого резистора, второй вывод которого через стабилитрон соединен с катодом диода, а первые выводы седьмого и восьмого резисторов соединены с первым выводом источника постоянного напряжения, второй вывод которого через девятый резистор соединен со вторым выводом третьего резистора и с первым выводом резистора с изменяемым сопротивлением, второй вывод которого соединен со вторым выводом седьмого резистора и через термопару со вторым выводом восьмого резистора и вторым выводом второго резистивного делителя напряжения, выход которого соединен через первый конденсатор с общей шиной, к которой через второй конденсатор подключен второй вывод третьего резистора, первый вывод которого соединен через параллельно соединенные десятый резистор и третий конденсатор с выходом второго операционного усилителя, при этом второй вывод источника постоянного напряжения либо соединен с общей шиной, либо является минусовым его выводом.
Расширение функциональных возможностей при одновременном повышении помехозащищенности и чувствительности достигается путем работы в двух режимах преобразования:
- в первом режиме резистор с изменяемым сопротивлением используется как медный или платиновый термометр сопротивления или тензоризистор, резистивный датчик давления и т.д. При этом термопара находится вне нагреваемого объема - это режим преобразования сопротивления в напряжение;
- второй режим - преобразование термо-ЭДС с термопары в напряжение, при этом медный или платиновый термометр сопротивления находится в тепловом контакте на изотермическом основании с холодным спаем термопары и осуществляет термокомпенсацию холодного спая.
Повышение чувствительности и помехозащищенности для двух режимов достигается:
- заменой активного источника тока с малым коэффициентом усиления на первом операционном усилителе с соответствующими резисторами наиболее близкого аналога на пассивный источник тока (источник постоянного напряжения и седьмой резистор) с большими сопротивлением седьмого резистора и напряжением источника постоянного напряжения. При этом сопротивление резистора с изменяемым сопротивлением пренебрежимо мало и не вносится погрешности в задаваемый ток, который не течет через термопару с нестабильным сопротивлением. При этом второй операционный усилитель включен с введенными RC-элементами (третий конденсатор, десятый резистор и другие цепи на входах) в режим дифференциального активного RC-фильтра нижних частот с большим усилением, который способен выделять медленно меняющиеся сигналы низкого уровня с вновь дифференциально подключенных термопары и резистора с изменяемым сопротивлением на фоне широкополосных синфазных помех, начиная с 0 Гц и быстроменяющихся дифференциальных помех в цепи термопары, ее линиях связи и общей шины;
- компенсацией влияния изменения напряжения источника постоянного напряжения на уровень нуля дифференциального каскада на первом операционном первым резистивным делителем напряжения, подключенным к тому же источнику постоянного напряжения, как и цепь термопары с седьмым и девятым резисторами и резистором с изменяемым сопротивлением. Повышение чувствительности и помехозащищенности позволяет работать с медным или платиновым резисторами с меньшим изменяемым сопротивлением (10 Ом вместо 100 Ом), что увеличивает быстродействие преобразователя. Чем меньше сопротивление резистора, тем меньше его объем и выше быстродействие по отклику на температуру.
Структурная схема преобразователя сопротивления и термо-ЭДС в напряжение изображена на фиг. 1. На фиг. 2 представлены диаграммы напряжений U15 на выходе (катод диода) преобразователя в зависимости от температуры t=(0-1300)°С.
Преобразователь сопротивления и термо-ЭДС в напряжение (фиг. 1) содержит источник постоянного напряжения 1, первый 2 и второй 3 операционные усилители (ОУ), резистор 4 с изменяемым сопротивлением, первый 5, второй 6, третий 7, четвертый 8, пятый 9, шестой 10, седьмой 11, восьмой 12, девятый 13, десятый 14 резисторы, диод 15, первый 16, второй 17 резистивные делители напряжения, термопару 18, первый 19, второй 20 и третий 21 конденсаторы, стабилитрон 22.
Первый вывод источника постоянного напряжения 1 соединен с первыми выводами первого 16 резистивного делителя напряжения, седьмого 11 и восьмого 12 резисторов. Второй вывод первого резистивного делителя напряжения 16, первый вывод второго резистивного делителя напряжения 17, второй вывод второго резистора 6 и первый вывод четвертого резистора 8 соединены с общей шиной. Выход первого резистивного делителя напряжения 16 соединен с инвертирующим входом первого ОУ 2. Неинвертирующий вход первого ОУ 2 соединен с первыми выводами первого 5 и второго 6 резисторов. Второй вывод первого резистора 5 соединен с выходом второго ОУ 3 и через параллельно соединенные десятый резистор 14 и третий конденсатор 21 с первым выводом третьего резистора 7 инвертирующим входом второго ОУ 3. Неинвертирующий вход второго ОУ 3 соединен с выходом второго резистивного делителя напряжения 17 и через первый конденсатор 19 с общей шиной. Второй вывод третьего резистора 7 соединен с первым выводом резистора 4 с изменяемым сопротивлением и через второй конденсатор 20 с общей шиной. Второй вывод резистора 4 с изменяемым сопротивлением соединен со вторым выводом седьмого резистора 11 и через термопару 18 со вторым выводом восьмого резистора 12 и вторым выводом второго резистивного делителя напряжения 17. Второй вывод источника постоянного напряжения 1 через девятый резистор 13 соединен с первым выводом резистора 4 с изменяемым сопротивлением. Выход первого резистивного делителя напряжения 16 соединен с первым выводом шестого резистора 10, инвертирующим входом первого ОУ 2 и через пятый резистор 9 со вторым выводом четвертого резистора 8 и катодом диода 15. Анод диода 15 соединен с выходом первого ОУ 2, а катод диода 15 подключен через стабилитрон 22 ко второму выводу шестого резистора 10.
Точка объединения катода диода 15 и второго вывода четвертого резистора 8 является выходом преобразователя сопротивления и термо-ЭДС в напряжение.
Возможно два варианта питания операционных усилителей 2 и 3. Для однополярного питания первого 2 и второго 3 операционных усилителей второй вывод источника постоянного напряжения 1 подключают к общей шине (см. фиг. 1 с замкнутым условным ключом 23). Для двуполярного питания, при требовании большего допустимого синфазного напряжения на второй ОУ 3, второй вывод источника постоянного напряжения 1 является минусовым и не соединен с общей шиной (см. фиг. 1, условный ключ 23 разомкнут).
Преобразователь сопротивления и термо-ЭДС в напряжение работает следующим образом.
0
вых
Питание операционных усилителей 2, 3 однополярное, т.е. условный ключ 23 замкнут на общую шину. Оба каскада на втором 3 и первом 2 операционных усилителях выполнены симметричными и дифференциальными. Вновь введенный дифференциальный каскад на втором ОУ 3 с соответствующими фильтрующими элементами (конденсатор 21 с резистором 14, резистивный делитель напряжения 17 с конденсатором 19, резистор 13 с конденсатором 20) обеспечивает высокий коэффициент подавления синфазных и дифференциальных широкополосных помех по цепи сигнала за счет дифференциально-включенных резистора 4 и термопары 18 и совмещения функций дифференциальных усилителя и активного фильтра нижних частот (ФНЧ) 2-порядка (конденсаторы 19, 20, 21 и резисторы к ним 17, 13, 14). Дифференциальный каскад на первом ОУ 2 с соответствующими элементами обеспечивает достаточный коэффициент подавления изменения напряжения источника постоянного напряжения 1 на синхронно зависимые от него начальные напряжения на входе и выходе второго ОУ 3 и ток на выходе первого резистивного делителя 16, втекающий в инвертирующий вход первого ОУ 2. Функция источника тока для резистора 4 с изменяемым сопротивлением возложена на источник постоянного напряжения 1 и резистор 11 с большим сопротивлением, величина сопротивления которого на три порядка больше сопротивления резистора 4 с изменяемым сопротивлением. Величина сопротивления резистора 12 много больше сопротивления резистора 11 (близка к сопротивлению резистивного делителя напряжения 17) для уверенной сигнализации обрыва термопары 18. Величина напряжения источника постоянного напряжения 1 равна 14 В (при необходимости не отличается от величины напряжения источника питания стандартных операционных усилителей 2 и 3). Начальный ток 1 мА, задаваемый резисторами 11 и 13 при двуполярном питании или в основном резистором 11 при однополярном питании и протекающий по резистору 4 с сопротивлением 10 Ом при 0°С, создает на нем начальное смещение 10 мВ. Второй ОУ 3 усиливает эту величину в 10 раз до 100 мВ (на выходе ОУ 3). Резистивный делитель напряжения 16 на своем выходе задает ток, компенсируя дифференциальным усилителем на первом ОУ 2 до нуля выходное напряжение первого ОУ 2 (см. на фиг. 2 U=0). Заданное начальное напряжение на выходе второго ОУ 3 (100 мВ) за счет тока 1 мА по резистору 4 и коэффициента 10 усиления на втором ОУ 3 должны превышать напряжение насыщения выхода второго ОУ 3 при однополярном напряжении питания. Диод 15 на выходе первого ОУ 2 обеспечивает компенсацию напряжения насыщения нуля выхода первого ОУ 2 при однополярном питании, за счет чего на катоде диода 15 (выход U15 см. фиг. 2) нулевое напряжение или небольшое заданное (напряжение при начальной температуре, например, 0°С или отрицательной температуре).
Сопротивление резистора 5 и эквивалентное выходное сопротивление резистивного делителя напряжения 16 дифференциального усилителя на первом ОУ 2 равны. Сопротивления резисторов 6, 9 первого дифференциального усилителя на ОУ 2 при запертом стабилитроне 22 тоже равны, также как и резистор 7 с соответствующим ему сопротивлением резистивного делителя напряжения 17. Ток 1 мА течет по сопротивлению резистора 13 и обеспечивает практически равные синфазные напряжения на инвертирующем, неинвертирующем входах дифференциального усилителя на втором ОУ 3, необходимые для нового дифференциального включения термопары 18 с резистором 4 и работы третьего звена ФНЧ (на резисторе 13 и конденсаторе 20). В исходном состоянии при нулевом или малом сигнале термопары 18 выходное напряжение U15 мало, а значит, стабилитрон 22 заперт. При большом сигнале термопары 18 стабилитрон 22 отпирается из-за большего сигнала с ОУ 3 и 2, что обеспечивает отключение и подключение соответственно в цепь усиления первого ОУ 2, шунтирующего резистор 9, меньшего по сопротивлению резистора 10 для уменьшения коэффициента усиления при сигнале с второго ОУ 3, большем заданного уровня напряжения в точке объединения резисторов 5, 6 и, значит, на инвертирующем входе дифференциального первого ОУ 2, подключенного к выходу резистивного делителя напряжения 16.
Для ослабления и подавления электромагнитных помех желательно провода термопары 18 и длинные линии связи (при наличии) выполнять в виде витой пары. Это эффективно только для симметричного, обеспеченного вновь введенными элементами и связями дифференциального включения термопары 18 с резистором 4 и второго ОУ 3, совмещенного с ФНЧ.
Если термопару 18 закоротить или не вносить в нагреваемый объем, то обеспечена работа в качестве помехозащищенного чувствительного преобразователя изменений малого сопротивления резистора 4 с изменяемым сопротивлением в напряжение, причем воздействующим фактором на сопротивление резистора 4 с изменяемым сопротивлением является температура, давление, деформация или другой физический параметр. Это обеспечивает унификацию устройства и расширение функциональных возможностей.
Если термопара 18 внесена в нагреваемый объем совместно с резистором 4 с изменяемым сопротивлением, то преобразователь работает в качестве преобразователя термо-ЭДС термопары 18 в напряжение, а при термозависимом резисторе 4 обеспечивается температурная компенсация холодного спая термопары, находящего с ним на едином изотермическом основании (на фиг. 1 не показано).
Питание операционных усилителей 2, 3 может быть однополярным, при этом вывод источника постоянного напряжения 1 (питания), соединенный с резистором 13 подключен к общей шине (см. фиг.1 с замкнутым условным ключом 23), либо двуполярным при требовании большего допустимого синфазного напряжения на второй ОУ 3, при этом второй вывод источника постоянного напряжения 1, соединенный с резистором 13, является минусовым и не соединен с общей шиной (условный ключ 23 разомкнут). Регулируя ток через термозависимый резистор 4 резистором 11 (или резисторами 11, 13 при двуполярном питании) можно компенсировать любую по чувствительности термопару по холодному спаю.
Например, сопротивление резистора 4 с изменяемым сопротивлением от температуры представляет собой медный или платиновый термометр сопротивления, известный температурный коэффициент которого 0,04 Ом/°С от начального сопротивления 10 Ом. У термопары 18 типа хромель-алюмель температурная чувствительность 40 мкВ/°С. При токе 1 мА и изменении начального сопротивления 0,04 Ом/°С, термокомпенсирующие потери температуры на холодном спае, чувствительность резистора 4 также равна 40 мкВ/°С, что обеспечивает компенсацию холодного спая термопары 18 хромель-алюмель в широком диапазоне температур холодного спая. Малая величина сопротивления резистора 4 предполагает его малые габариты и малую инерционность, сравнимую с инерционностью термопары 18, что важно для минимизации динамической погрешности. Ток 1 мА не течет через собственное, нестабильное сопротивление термопары 38, через нее течет ток, на два порядка меньший (за счет резистора 12 с большим сопротивлением), чтобы не вносить погрешность за счет не стабильного собственного сопротивления термопары 18. Функция активного источника тока снята со второго ОУ 3, вновь введенные элементы и связи превратили его в дифференциальный ФНЧ с высоким коэффициентом подавления синфазных и дифференциальных помех и коэффициентом усиления 10 (в наиболее близком аналоге 1,5 единицы). Коэффициент усиления, как и ранее, равен 11 единицам в дифференциальном каскаде на первом ОУ 2 10 (как и в наиболее близком аналоге). Суммарный коэффициент усиления преобразователя 100 (за счет коэффициента передачи 0,91 цепи резисторов 5, 6). Поэтому чувствительность преобразователя в целом равна 40 мкВ/°С × 100 = 4 мВ/°С. Известно, что требуемому напряжению питания ОУ 2, равному 5,5 В, соответствует выходное напряжение преобразователя 3,82 В с учетом потерь насыщения на ОУ 2 и диоде 15. При требуемых чувствительности 4 мВ/°С и максимальной температуре 1300°С обеспечивается измерение не более 955°С. За счет введения стабилитрона 22 на 2,5 В и шестого резистора 10 при температуре, равной 500°С, обеспечивается автоматическое уменьшение в 4 раза коэффициента усиления дифференциального каскада на ОУ 2. Параллельное соединение сопротивлений пятого 9 и шестого 10 резисторов при включенном выходным напряжением первого ОУ 2 стабилитроне 22, в 4 раза меньше сопротивления резистора 9 при запертом стабилитроне 22. Это расширяет диапазон измеряемых температур до требуемого значения.
В отличие от наиболее близкого аналога дифференциальный каскад на первом ОУ 2 одновременно используется не только для усиления, что менее затратно, не требует дополнительного ОУ аналога. Кроме того, погрешность регулируемого коэффициента усиления уменьшена за счет исключения влияния обратного тока исключенного диода наиболее близкого аналога, ранее запертого большим выходным напряжением исключенного ОУ аналога.
Кусочно-линейная аппроксимация расширяет до требуемого динамический диапазон измеряемых температур. Количество стабилитронов к последовательно подключаемым шестым резисторам может быть увеличено при необходимости (на фиг. 1 не показано).
На фиг. 2 показаны выходное напряжение преобразователя (U15 см. фиг. 1, фиг. 2), соответствующее напряжению на катоде диода 15 при различных температурах, от 0 до 1300°С горячего спая термопары 18 и меньшей от 0 до 100°С общей температуре холодного спая термопары 18 и компенсирующего медного термометра сопротивления на резисторе 4. Пунктиром выделены выходные напряжения U15 без компенсирующего резистора 4 (см. «без R4» на фиг. 2). Погрешность (см. δ на фиг. 2) без резистора 4 увеличивается в 10 раз (с 1%, при термокомпенсации, до 10% без термокомпенсации резистором 4). При температуре 500°С (включается) срабатывает стабилитрон 22, резистор 10 шунтирует резистор 9, усиление первого ОУ 2 уменьшается в 4 раза, а динамический диапазон измеряемых термопарой 18 температур расширяется до требуемого. Дифференциальные и синфазные помехи не влияют на погрешность симметрированного дифференциального преобразователя в целом.
1
2
Каждому заданному коэффициенту усиления соответствуют свои приращения (см. ΔU и ΔU на фиг. 2) выходных напряжений.
Заявленный преобразователь сопротивления и термо-ЭДС в напряжение работоспособен до температуры 1300°С и более, ограничиваемой только выбранным J, K, N, R, S, Т, Е, В типом термопары. Работоспособность известного (наиболее близкого аналога) преобразователя с платиновым термометром сопротивления большой величины (200 Ом) обеспечивалась до температуры менее 800°С.
Испытания макета преобразователя сопротивления и термо-ЭДС в напряжение, выполненного на прецизионном ОУ 544УД12У3 и низкочастотном микромощном ОУ 1463УД4У и стабилитроне 1230ЕР1Т (аналог TL431), а также моделирование его в САПР-Micro-Cap 9 на ОУ ОР90, ОР177, стабилитроне TL 431 подтвердили его работоспособность и заявленные преимущества в диапазоне измеряемых температур от -40 до 1300°С для диапазона рабочих температур от -40 до 50°С.