Цифровий вимірювач температури

1. Цифровий вимірювач температури, що містить резисторний датчик температури, включений у вимірювальний міст з трьома зразковими резисторами в плечах, вершини якого сполучені з виходами джерела живлення і входами блока перетворення й обробки, який відрізняється тим, що вимірювальний міст додатково містить другий резисторний датчик температури і четвертий зразковий резистор і має шість вершин, з яких перша і друга підключені до виходів джерела живлення, а чотири інші підключені до входів блока перетворення й обробки, причому вказане підключення вершин вимірювального моста до виходів джерела живлення і входів блока перетворення й обробки виконане безпосередньо або дистанційно через лінії зв’язку, при цьому перший датчик температури підключений одним виводом до першої вершини моста, а іншим виводом сполучений послідовно C2 2 (19) 1 3 76230 4 зації цих способів необхідне одночасне вимірюперший зразковий резистор, четверту вершину та вання миттєвих температур та їх похідних двох другий зразковий резистор з другою вершиною датчиків, миттєвих потужностей нагріву датчиків і моста, а другий датчик температури підключений виконання обчислювальних операцій [3]. одним виводом до другої вершини, а іншим вивоВідомі вимірювачі температури з двома датчидом сполучений послідовно через п'яту вершину, ками складні й не в повній мірі реалізовують ці третій зразковий резистор, шосту вершину та четметоди [4]. вертий зразковий резистор з першою вершиною Найбільш близьким по складу та структурі до вимірювального моста. пристрою, що пропонується, і тому вибраний як При цьому зразкові резистори можуть бути випрототип, є цифровий вимірювач температури, що конані змінними і програмне керованими. містить джерело опорної напруги, вимірювальний Блок перетворення й обробки може бути викоміст, диференціальний підсилювач, аналоговонаний в складі чотирьох аналогово-цифрових пецифровий перетворювач, причому джерело опорретворювачів з диференціальними входами та ної напруги сполучене з генераторами струму в мікропроцесора, цифрові входи і виходи якого двох плечах вимірювального моста, які утворені сполучені, відповідно, з цифровими виходами і двома зразковими резисторами, два інші плечі входами кожного з аналогово-цифрових перетвоутворені третім зразковим резистором і термоперювачів, а аналогові входи аналогово-цифрових ретворювачем опору, а вихідна діагональ моста перетворювачів сполучені послідовно в кільце подана на входи диференціального підсилювача, таким чином, що перший вивід кожного аналогововихід якого сполучений з входом аналоговоцифрового перетворювача сполучений з другим цифрового перетворювача [5]. виводом іншого аналогово-цифрового перетворюЦьому пристрою також властиві вищенаведені вача і одним з чотирьох входів блока перетвореннедоліки. Крім того, живлення моста сталою наня й обробки. пругою не усуває можливу паразитну термо-ЕРС в Блок перетворення й обробки може бути виколанцюзі датчика, а наявність малого корисного наний також в складі комутатора, аналоговосигналу з моста вимагає використання диференціцифрового перетворювача та мікропроцесора, ального підсилювача, що приводить до посилення вхід і вихід якого підключені, відповідно, до цифвхідних шумів разом з корисним сигналом. рових виходу і входу аналогово-цифрового перетЦей пристрій також не реалізовує методи ворювача, диференціальний вхід якого підключеГ.Пфріма щодо виключення динамічної погрішносний до диференціального виходу комутатора, ті вимірювань. чотири диференціальні входи яких є входами блоТакі ознаки прототипу, як наявність резисторка перетворення й обробки. ного датчика температури, включеного у вимірюСтруктурна схема пристрою зображена на вальний міст з трьома зразковими резисторами в Фіг.1 і 2, які ілюструють, відповідно, безпосереднє плечах, вершини якого сполучені з виходами джеабо дистанційне розташування вимірювального рела живлення та входами блока перетворення й моста. обробки, співпадають з істотними ознаками заявУ склад пристрою входять вимірювальний міст леного винаходу. ВМ1, блок перетворення й обробки БПО 2 і джеУ основу винаходу поставлена задача створело живлення ДЖ 3. Вимірювальний міст 1 має рення цифрового вимірювача температури, в якодва входи живлення на вершини в1 і в2 і чотири му шляхом зменшення динамічної погрішності чевиходи від вершин в3, в4, в5, в6. Входи вимірюварез теплову інерційність датчика, зниження льного моста сполучені з виходами джерела живвипадкової та систематичної погрішностей через лення 3 безпосередньо (Фіг.1) або дротовими лінівнутрішні шуми і «відхід» параметрів вимірювальями при дистанційному розташуванні ного моста і блока живлення, забезпечують технівимірювального моста 1 (Фіг.2). Виходи вимірювачний результат - підвищення точності вимірювання льного моста 1 в3, в4, в5, і в6 подані на однойментемператури. ні входи блока перетворення й обробки 2 безпосеПоставлена задача вирішується тим, що в циредньо (Фіг.1) або через дротові лінії при фровому вимірювачі температури, який містить дистанційному розташуванні вимірювального мосрезисторний датчик температури, включений у та 1 (Фіг.2). вимірювальний міст з трьома зразковими резистоВимірювальний міст 1 складається з двох гілок рами в плечах, вершини якого сполучені з виходарезисторів, включених паралельно між вершинами ми джерела живлення та входами блока перетвов1 і в2, поданими на виходи джерела живлення. рення й обробки, згідно з винаходом міст Перша гілка ВМ утворена послідовно включеними виконаний так, що містить другий резисторний першим датчиком температури Rθ1 , вершини в3, датчик температури та четвертий зразковий резипершим зразковим резистором R1 вершини в4 і стор і має шість вершин, з яких перша і друга підкдругим зразковим резистором R2. Друга гілка ВМ лючені до виходів джерела живлення, а чотири утворена послідовно включеними другим датчиком інші - до входів блока перетворення й обробки, температури Rθ2, вершиною в5, третім зразковим причому вказане підключення вершин вимірюварезистором Р3, вершиною в6 і четвертим зразкольного моста до виходів джерела живлення і вховим резистором R4. дів блока перетворення й обробки виконане безВершини в1 і в2 є входами ВМ по енергоживпосередньо або виконане дистанційно, при цьому ленню. Вершини в3, в4, в5, в6 є виходами ВМ, перший датчик температури підключений одним поданими на однойменні входи блока перетворенвиводом до першої вершини моста, а іншим вивоня й обробки БПО 3. дом сполучений послідовно через третю вершину, 5 76230 6 Опір четвертого зразкового резистора R4 доR1, R2, R3 і R4 • опори зразкових резисторів. рівнює опору першого датчика R θ1 в нижній точці Рішення системи рівнянь (2) щодо опорів датдіапазону температур, що вимірюються. Це забезчиків має вигляд печує отримання напруги U1 між вершинами ВМ в3 R4R1 U4 U R 1 R1 1 ; і в6 приблизно пропорційної приросту опору перR3 U3 U3 шого датчика в діапазоні температур, що вимірю(5) R2R3 U2 U ються. R 2 R3 3 R1 U4 U4 Опір другого зразкового резистора R2 дорівнює опору другого датчика R θ2 в нижній точці діаДля потужностей нагріву датчиків справедливо пазону температур, що вимірюються. Це забезпе2 U R3U3U4 U1U3R3 чує отримання напруги U2 між вершинами ВМ в4 і ; P R 1I2 R 1 3 1 1 в5, приблизно пропорційної приросту опору другоR1 R3R1 (6) го датчика в діапазоні температур, що вимірюю2 ться. U4 R2U2U4 U3U4R1 P2 R 2I2 R 2 Опір першого зразкового резистора R1 дорів2 R3 R1R3 нює максимальній зміні опору першого датчика R Оскільки у вимірювачі враховується нагрів дад у всьому діапазоні температур, що вимірюються. тчиків робочим струмом, то напруги U3 і U4, що Це дозволяє отримати на вершинах в3 і в4 BM знімаються з виходу вимірювального моста, монапругу U3, рівну максимально можливому прирожуть бути підвищені за рахунок збільшення напрусту напруги на першому датчику R θ1, і визначити ги живлення і, відповідно, струмів I1 і I2 до максимиттєве значення робочого струму через перший мальних номінальних вхідних значень напруг датчик R θ1. аналогово-цифрових перетворювачів АЦП без Опір третього зразкового резистора R3 дорівпосилення. Напруги U1 і U2 при цьому будуть ленює максимальній зміні опору другого датчика Rθ2 жати всередині діапазону номінальних вхідних у всьому діапазоні температур, що вимірюються. напруг АЦП без посилення. Це дозволяє отримати на вершинах в5 і в6 BM наЦе виключає необхідність посилення кориснопругу U4, рівну максимально можливому приросту го сигналу перед аналогово-цифровим перетвонапруги на другому датчику Rθ2, і визначити митренням і, відповідно, знижує рівень шумів на вході тєве значення робочого струму через другий датаналогово-цифрового перетворювача. чик R θ2. Блок 2 перетворення й обробки може бути виЯк датчики температури R θ1 і R θ2 використоконаний, як зображено на Фіг.3. Він містить чотири вуються термоопірники мідні, нікелеві, платинові аналогово-цифрові перетворювачі АЦП1 4, АЦП2 або термістори. Передбачається, що їх вольт5, АЦП3 6, АЦП4 7, високоомні диференціальні амперна характеристика лінійна. входи яких підключені через входи блока до верЗалежності опору датчиків від температури шин вимірювального моста для зйома, відповідно, передбачаються відомими. Вони можуть бути лінапруг U1, U2, U3 і U4. нійними (для мідних, нікелевих і деяких термісторДля забезпечення одночасності зйома напруг них датчиків) і нелінійними (для платинових і терз виходу вимірювального моста використовуються місторних датчиків). Наприклад, для лінійних швидкодіючі АЦП порозрядного урівноваження з датчиків ця залежність має вигляд пристроями вибірки-зберігання на вході. Якщо даR R0 [1 ( )] , (1) 0 тчики температури лінійні, то можливе викорисде Rθ1 - опір датчика при температурі θ; тання інтегрувальних перетворювачів, які забезпеR0 - опір датчика при початковій температурі чать певне згладжування шумів від перехідних во (нижня точка діапазону температур, що вимітеплових процесів в об'ємних датчиках. рюються); Джерело живлення 3, виходи якого подані на α - температурний коефіцієнт чутливості. Маквершини в/ і vs вимірювального моста, повинне симальний опір датчика рівний забезпечувати достатню потужність енергоживR m R0 [1 ( m (2) лення моста. Вимог до його стабільності по напругі 0 )] , або струму не пред'являється. Бажаний малий де θm - максимальна температура, що вимірюрівень вихідних шумів і пульсацій. Це може бути ється. джерело сталої напруги або струму. Температура датчика визначається по його Якщо передбачається наявність термо-ЕРС в опору згідно з градуювальною характеристикою, ланцюгах датчиків, то використовується джерело яка для лінійного датчика має вигляд живлення змінного або знакозмінного струму з 1 (R R0 ) 0 . (3) частотою, достатньою для отримання не менш двох послідовних відліків аналогово-цифрових Для напруг на виходах моста справедливі виперетворювачів на період. рази; При необхідності дистанційного розміщення U1 R 1I1 R 4I2 ; датчиків температури разом з датчиками розміщується весь вимірювальний міст і входамиU2 R 2I1 R2I1 ; виходами шестидротовою лінією сполучається з (4) U3 R1I1 БПО і ДЖ так, як це показане на Фіг.2. При цьому опори дротів не впливають на результат вимірюU4 R3I21 вань, оскільки опір струмових дротів підсумовуєтьде I1 і I2 - струми в першій і другій гілках моста; ся з великим внутрішнім опором джерела (в цьому R і R - опори першого і другого датчиків; θ1 θ2 7 76230 8 випадку доцільно використати джерело струму), а У останньому випадку мікропроцесор 8 викоопір потенційних дротів (з виходів моста) підсумонує функції накопичення і зберігання даних. вується з високим вхідним опором АЦП. Обчислювальні процедури спрощуються, якщо Вимірювач температури працює таким чином. датчики ідентичні по конструктивних параметрах Рівняння теплового балансу і-го датчика тем(m, с, S), але відрізняються електричними режиператури зі середовищем має вигляд [3, 4] мами нагріву. У цьому випадку '(t) , (7) Pi( t ) [ i( t ) c ( t )] i( t )Si mici i ' ' 1( t )[P2 ( t ) mc 2 ( t )] 2 ( t )[P1( t ) mc 1( t )] ; де Pi(t) - потужність нагріву i-го датчика робо(10) c (t) ' [P2 ( t ) mc '2 ( t )] [P1( t ) mc 1( t )] чим струмом; θi(t) - миттєва середньообьємна температура i' [P2( t ) mc '2( t )] [P ( t ) mc 1( t )] 1 (11) го датчика; . c (t) S[ 2( t ) 1( t )] θ’i(t)-миттєва похідна температури i-го датчика; Таким чином, цифровий вимірювач темпераθc(t) - миттєва температура середовища, що тури забезпечує вимірювання миттєвої температувимірюється; ри середовища і миттєвого коефіцієнта теплообαi(t) - коефіцієнт теплообміну i-го датчика зі міну датчика зі середовищем, інваріантний до середовищем (визначається конструктивними папараметрів джерела живлення, не посилює власні раметрами датчика, фізичними параметрами сешуми вимірювального моста і в ньому повністю редовища і швидкістю потоку, що омиває); використовується динамічний діапазон аналоговоmi, ci, Si, - конструктивні параметри i-го датчицифрового перетворювача. Це забезпечує високу ка (маса, питома теплоємність, площа зовнішньої точність вимірювання. поверхні теплообміну); Для підвищення гнучкості і можливості адапi=1,2. тації вимірювального моста до датчиків темпераПередбачається, що відношення коефіцієнтів тури з різними електричними параметрами (R0, α) і теплообміну 2 ( t ) / c ( t ) для двох конкретних при зміні діапазону температур (θ0, θm), що вимідатчиків постійно і відомо. рюються, зразкові резистори R1, R2, R3, R4 виконуРішення системи рівнянь теплового балансу ються змінними, необхідні номінали яких встановвигляду (7) для двох датчиків відносно температулюються програмне мікропроцесором. ри зовнішнього середовища θc(t), що вимірюється, У разі малої тимчасової мінливості температуі коефіцієнта теплообміну αc(t) мае вигляд [3] ри, що вимірюється, або великої теплової інерції датчиків температури, або дуже високої швидкодії ' ' 1( t )S1[P2 ( t ) m2c 2 2 ( t )] 2 ( t )S2 [P2 ( t ) m1c1 1( t )] ; аналогово-цифрового перетворювача, для спро(8) c (t) ' S1[P2 ( t ) m2c 2 '2 ( t )] S2 [P1( t ) m1c1 1( t )] щення пристрою блок перетворення й обробки 1[P ( t ) m c ' ( t )] S 1[P ( t ) m c ' ( t )] виконують, як зображено на Фіг.4, в складі комута(S2 ) 2 2 2 2 111 1 1 . (9) тора К 9 на чотири диференціальні входи, виходи c (t) 2 ( t ) 1( t ) якого подани на диференціальні входи аналоговоПри приміщенні першого і другого датчиків в цифрового перетворювача АЦП 10, цифрові вихосередовище між датчиками і середовищем встади-входи якого з'єднані з входами-виходами мікновлюється тепловий баланс згідно з рівнянням 7. ропроцесора МП 11. При цьому чотири диференПо напругах U1, U2, U3 і U4, що знімаються з ціальні входи комутатора 9 є входами блока 2 вершин вимірювального моста і що перетворюперетворення й обробки. ються в цифровий код аналогово-цифровими пеДжерела інформації: ретворювачами, згідно з формулами 5 обчислю1. Коротков П. А., Лондон Г. Е. Динамічні конються опори першого R θ1 та другого R θ2 датчиків. тактні вимірювання теплових величин. - Л.: МашиЗа градуювальними характеристиками датчинобудування (Ленінградське відділення), 1974, ків і виміряними опорами R θ1 і R θ2 визначаються 224с. температури першого θ1(t) і другого θ2(t) датчиків. 2. Азизов A. M., Гордов А. Н. Точність вимірюДля лінійних датчиків градуювальною характерисвальних перетворювачів. Л.: Енергія, 1975, - 256с. тикою є вираз 3. По ряді відліків температур θi(t) 3. Гайський В. О., Гайський П. В. Аналіз спосовідомим способом (по двох або більш відліках) бів вимірювання профілю швидкості потоку термо’ визначаються похідні температур θ i(t) датчиків. профілемірами // Системи контролю навколишньоПо виміряних напругах U1, U2, U3 і U4 і відомих го середовища: 36. наук. тр. / НАН України. МП, опорах зразкових резисторів R1, R2, R3, R4 згідно з Севастополь, 2001, - С. 7-22. виразами 6 обчислюються миттєві потужності на4. Левшина Е. С., Новіцкий П. В. Електричні гріву першого P1(t) і другого Р2(t) датчиків. вимірювання фізичних величин: (Вимірювальні Далі по виразах 8 і 9 обчислюються темпераперетворювачі). Навч. підручник для вузів. Л.: тура середовища θc(t), що вимірюється, і коефіцієЕнергоатоміздат. Ленінградське від-я, 1983, - 320 нти теплообміну датчика зі середовищем α1(t) і с, іл. 2(t) 1( t ) . 5. Патент РФ на винахід № 2072722, 6G01K7/20. Цифровий вимірювач температури. Всі обчислювальні операції виконуються в циОпубл. в бюл. РФ "Изобретения", №3, 27.01.97, С. фровому вигляді мікропроцесором в реальному 296-297 - прототип. часі або ЕОМ при апостеріорній обробці даних по значеннях напруг з виходів моста. 9 Комп’ютерна верстка М. Клюкін 76230 Підписне 10 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601