Пристрій для вимірювання температури

1 Пристрій для виміру температури, що містить термоелектричний перетворювач, підключений до входів першого і другого комутаторів, термоперетворювач опору, перший вивід якого підключений до входу першого комутатора і входу блока обмежувальних резисторів, другий вивід підключений до входу другого комутатора і другого виходу першого джерела живлення, керуючі входи першого і другого комутаторів з'єднані з блоком керування, перше джерело живлення, перший вихід якого з'єднаний з виходом блока обмежувальних резисторів, друге джерело живлення, перший вихід якого з'єднаний з першим виходом блока еталонних резисторів, першим входом третього комутатора - з виходом першого комутатора і входом блока керування, вихід третього комутатора з'єднаний з першим входом вимірювального підсилювача, а керуючий вхід третього комутатора підключений до блока керування, другий вихід другого джерела живлення з'єднаний з останнім виходом блока еталонних резисторів і останнім входом третього комутатора, виходи блока еталонних резисторів з'єднані з входами третього комутатора, вихід другого комутатора з'єднаний із другим входом вимірювального підсилювача, вихід якого з'єднаний із блоком керу вання і є виходом пристрою, який відрізняється тим, що у нього введений блок подільника напруги, перший вхід якого з'єднаний з першим виходом першого джерела живлення і виходом блока обмежувальних резисторів, а другий вхід з'єднаний із другим виходом першого джерела живлення і спільною точкою термоперетворювача опору і входом другого комутатора, перший вихід блока подільника напруги з'єднаний з першим виходом другого джерела живлення, першим виходом блока еталонних резисторів, виходом першого комутатора - з першим входом третього комутатора і входом блока керування, другий вихід блока подільника напруги з'єднаний з виходом другого комутатора і другим входом вимірювального підсилювача, керуючий вхід блока подільника напруги з'єднаний із блоком керування 2 Пристрій за пунктом 1, який відрізняється тим, що блок подільника напруги містить два послідовно з'єднаних резистори, вивід першого резистора підключений до першого входу блока подільника напруги, вивід другого резистора підключений до другого входу блока подільника напруги, два ключі, вхід першого ключа підключений до спільної точки резисторів, а вихід підключений до першого виходу блока подільника напруги, вхід другого ключа з'єднаний із другим виводом другого резистора і другим входом блока подільника напруги, а вихід з'єднаний із другим виходом блока подільника напруги, керуючі електроди першого і другого ключів з'єднані і підключені до керуючого входу блока подільника напруги Винахід відноситься до вимірювальної техніки і може бути використаний для виміру температури термоелектричними перетворювачами і термоперетворювачами опору Відомий пристрій для виміру температури (див патент Великобританії №1204151 G IN), що містить термометри опору, підключені через комутатори і через додаткові ключі до вимірювального підсилювача, еталонний резистор, підключений через додаткові ключі до входу вимірювального підсилювача, джерело струму, нагромаджувач вимірюваних сигналів і індикатор Загальними ознаками аналога і пропонованого пристрою є підключення термометрів опору по чотирьох затискній схемі включення, а також застосування еталонного резистора для визначення коефіцієнта підсилення вимірювального тракту Причиною, що стоїть на заваді досягненню поста 00 ^00 ю 45848 вленої задачі є те, що невисока точність виміру у відомому пристрої обумовлена тим, що, через різночасний вимір сигналів з термометра опору і еталонного резистора Крім того, у відомому пристрої не передбачена можливість контролю працездатності датчиків Пристрій ( див авсв №389418 G 01 К 7/02) містить термометр опору чи термопари, підключені через комутатор до вимірювального підсилювача Термометр опору включений у схему неврівноваженого моста Загальними ознаками аналога і пропонованого пристрою є чотирьох затискне включення термометра опору Причиною, що стоїть на заваді досягненню поставленої задачі є те, що низька надійність відомого пристрою обумовлена відсутністю можливості контролю працездатності датчиків температури З відомих пристроїв для багатоточкового виміру температури найбільш близьким по технічній сутності і результату, що досягається, є пристрій для багатоканального виміру температури (див авсв №1571422 G 01 К 7/02) Пристрій для багатоканального виміру температури, що містить термоелектричний перетворювач, підключений до входів першого і другого комутаторів, термоперетворювач опору, перший вивід якого підключений до входу першого комутатора і входу блоку обмежувальних резисторів, другий вивід підключений до входу другого комутатора і другого виходу першого джерела живлення, керуючі входи першого і другого комутаторів з'єднані з блоком керування, перше джерело живлення, перший вихід якого з'єднаний з виходом блоку обмежувальних резисторів, друге джерело живлення, перше вихід якого з'єднаний з першим виходом блоку еталонних резисторів, першим входом третього комутатора, з виходом першого комутатора і входом блоку керування, вихід третього комутатора з'єднаний з першим входом вимірювального підсилювача, а керуючий вхід третього комутатора підключений до блоку керування, другий вихід другого джерела живлення з'єднаний з останнім виходом блоку еталонних резисторів і останнім входом третього комутатора, виходи блоку еталонних резисторів з'єднані з входами третього комутатора, вихід другого комутатора з'єднаний із другим входом вимірювального підсилювача, вихід якого з'єднаний із блоком керування і є виходом пристрою Загальними ознаками прототипу і пропонованого пристрою є те, що термоелектричний перетворювач, підключений до входів першого і другого комутаторів, термоперетворювач опору, перший вивід якого підключений до входу першого комутатора і входу блоку обмежувальних резисторів, другий вивід підключений до входу другого комутатора і другого виходу першого джерела живлення, керуючі входи першого і другого комутаторів з'єднані з блоком керування, перше джерело живлення, перший вихід якого з'єднаний з виходом блоку обмежувальних резисторів, друге джерело живлення, перший вихід якого з'єднаний з першим виходом блоку еталонних резисторів, першим входом третього комутатора, з виходом першого комутатора і входом блоку керування, вихід третього комутатора з'єднаний з першим входом ви мірювального підсилювача, а керуючий вхід третього комутатора підключений до блоку керування, другий вихід другого джерела живлення з'єднаний з останнім виходом блоку еталонних резисторів і останнім входом третього комутатора, виходи блоку еталонних резисторів з'єднані з входами третього комутатора, вихід другого комутатора з'єднаний із другим входом вимірювального підсилювача, вихід якого з'єднаний із блоком керування і є виходом пристрою Причина високоточної стабілізації напруги першого джерела живлення полягає в тому, що значення напруги першого джерела живлення входить у розрахункові формули при визначенні температури В основу винаходу поставлена задача створити такий пристрій для багатоканального виміру температури, у якому завдяки введенню нових елементів було б виключено вплив першого джерела живлення і коефіцієнта підсилення усього вимірювального тракту на результат виміру, що дозволяє підвищити точність виміру пристрою, а завдяки спрощенню вимог до першого джерела живлення - підвищити надійність пристрою шляхом виключення додаткових елементів, що забезпечують у прототипі високу стабільність першого джерела живлення Рішення поставленої задачі досягається тим, що пристрій для виміру температури, що містить термоелектричний перетворювач, підключений до входів першого і другого комутаторів, термоперетворювач опору, перший вивід якого підключений до входу першого комутатора і входу блоку обмежувальних резисторів, другий вивід підключений до входу другого комутатора і другого виходу першого джерела живлення, керуючі входи першого і другого комутаторів з'єднані з блоком керування, перше джерело живлення, перший вихід якого з'єднаний з виходом блоку обмежувальних резисторів, друге джерело живлення, перший вихід якого з'єднаний з першим виходом блоку еталонних резисторів, першим входом третього комутатора, з виходом першого комутатора і входом блоку керування, вихід третього комутатора з'єднаний з першим входом вимірювального підсилювача, а керуючий вхід третього комутатора підключений до блоку керування, другий вихід другого джерела живлення з'єднаний з останнім виходом блоку еталонних резисторів і останнім входом третього комутатора, виходи блоку еталонних резисторів з'єднані з входами третього комутатора, вихід другого комутатора з'єднаний із другим входом вимірювального підсилювача, вихід якого з'єднаний із блоком керування і є виходом пристрою, причому у пристрій введений блок дільника напруги, перший вхід якого з'єднаний з першим виходом першого джерела живлення і виходом блоку обмежувальних резисторів, а другий вхід з'єднаний із другим виходом першого джерела живлення і спільною точкою термоперетворювача опору і входом другого комутатора, перший вихід блоку дільника напруги з'єднаний з першим виходом другого джерела живлення, першим виходом блоку еталонних резисторів, виходом першого комутатора, з першим входом третього комутатора і входом блоку керування, другий вихід блоку дільника напруги 45848 з єднаний з виходом другого комутатора і другим входом вимірювального підсилювача, керуючий вхід блоку дільника напруги з'єднаний із блоком керування, а блок дільника напруги містить два послідовно з'єднаних резистори, вивід першого резистора підключений до першого входу блоку дільника напруги, вивід другого резистора підключений до другого входу блоку дільника напруги, два ключі, вхід першого ключа підключений до спільної точки резисторів, а вихід підключений до першого виходу блоку дільника напруги, вхід другого ключа з'єднаний із другим виводом другого резистора і другим входом блоку дільника напруги, а вихід з'єднаний із другим виходом блоку дільника напруги, керуючі електроди першого і другого ключів з'єднані і підключені до керуючого входу блоку дільника напруги Введення в пристрій нових ознак дозволяє виключити з рівнянь обчислення температури значення першого джерела живлення, а значить, спростити вимоги до точності першого джерела живлення Технічний результат, що досягається пристроєм, полягає в спрощенні пристрою за рахунок виключення високоточних додаткових елементів, що забезпечують стабілізацію першого джерела живлення Це досягається виключенням впливу першого джерела живлення на результат виміру Запропоноване технічне рішення дозволило також підвищити точність виміру за рахунок - точного визначення й обліку коефіцієнта перетворення усього вимірювального тракту, - визначення (для термометрів опору) точного значення добутку напруги джерела живлення і коефіцієнта перетворення усього вимірювального тракту, що дозволило виключити вплив зміни напруги живлення джерела живлення і зміни коефіцієнта вимірювального підсилювача й АЦП, - об'єднання операцій калібрування і виміру корисного сигналу, що дозволяє врахувати неліНІЙНІСТЬ АЦП і вимірювального підсилювача у всьому діапазоні виміру, а також зменшити вплив похибок випадкового виду на результат виміру Перевірка роботи макета системи показала, що похибка виміру температури за допомогою термометрів опору в діапазоні температур від мінус 50°С до плюс 180°С склала не більш 0 05°С (як термометр опору застосовувався магазин опору Р4831) На фіг 1 представлена схема пристрою для виміру температури На фіг 2 представлена схема блоку керування Пристрій для виміру температури містить термоелектричні перетворювачі 1, термоперетворювач опору 2, перший комутатор 3, другий комутатор 5, перше джерело живлення 6, блок обмежувальних резисторів 4, що складається з резисторів, другі виходи яких з'єднані разом і являють собою вихід блоку обмежувальних резисторів 4, перші виводи резисторів 4 з'єднані з входами блоку обмежувальних резисторів 4, блок дільника напруги 7, що містить два послідовно з'єднаних резистори і два ключі, перший вивід резистора підключений до першому входу блоку дільника напруги 7, вивід другого резистора підключений до другого входу блоку дільника напруги 7, перший вхід першого ключа з єднаний із спільною точкою резисторів, а вихід з'єднаний з першим виходом блоку дільника напруги 7, вхід другого ключа з'єднаний з виводом другого резистора і другим входом блоку дільника напруги 7, а вихід з'єднаний із другим виходом блоку дільника напруги, керуючі електроди ключів з'єднані разом і підключені до керуючого входу блоку дільника напруги 7, друге джерело живлення 8, блок еталонних резисторів 9, що складається з ланцюжка послідовно з'єднаних еталонних резисторів, виводи яких з'єднані з виходами блоку еталонних резисторів 9, третій комутатор 10, вимірювальний підсилювач 11, блок керування 12 Термоелектричний перетворювач 1 підключений до входів комутаторів 3 і 5, перший вивід термоперетворювача опору 2 з'єднаний із входом першого комутатора 3 і входом блоку обмежувальних резисторів 4, другий вивід термоперетворювача опору 2 з'єднаний із входом другого комутатора 5, другим виходом першого джерела живлення 6 і другим входом блоку дільника напруги 7, вихід першого комутатора 3 з'єднаний з першим виходом блоку дільника напруги 7, першим виходом другого джерела живлення 8, першим виходом блоку еталонних резисторів 9, першим входом третього комутатора 10 і входом блоку керування 12, вихід блоку обмежувальних резисторів 4 з'єднаний з першим виходом першого джерела живлення 6 і першим входом блоку дільника напруги 7, вихід другого комутатора 5 з'єднаний із другим виходом блоку дільника напруги і другим входом вимірювального підсилювача 11, другий вихід другого джерела живлення 8 з'єднаний з останнім виводом блоку еталонних резисторів і останнім входом третього комутатора 10, виходи блоку еталонних резисторів 9 з'єднані з входами третього комутатора 10, вихід комутатора 10 з'єднаний з першим входом вимірювального підсилювача 11, вихід вимірювального підсилювача 11 з'єднаний із блоком керування і є виходом пристрою, керуючі входи комутаторів 3, 5, 10 і керуючий вхід блоку дільника напруги з'єднані з блоком керування 12 Пристрій працює в такий спосіб Блок керування 12 підключає черговий канал У випадку підключення термоперетворювача (ТПО) опору до даного каналу, струм від першого джерела 6 протікає в такий спосіб плюс першого джерела живлення 6, резистор блоку обмежувальних резисторів 4, ТПО 2 і через другий струмовий вивід ТПО на мінус першого джерела живлення 6 Сигнал з виходу першого комутатора З надходить на блок еталонних резисторів 9, на перший вхід комутатора 10 і блок керування 12, де виробляється оцінка стану ланцюгів ТПО 2 У вихідному стані перший вхід комутатора 10 підключений через його вихід до першого входу вимірювального підсилювача 11 Другий потенційний вивід ТПО через вихід другого комутатора 5 підключений до другого входу вимірювального підсилювача 11 До першого входу вимірювального підсилювача 11 прикладена напруга, рівна 45848 8 і термоперетворювач, для початкових умов (тобто коли AR=0) дорівнює E,R. де N-Ro-omp резистора блоку обмежувальних резисторів 4, N - безрозмірна величина, Ro - опір термоперетворювача опору при t=O°C, Rt - опір термоперетворювача опору, Еі - напруга першого джерела живлення, Ri - опір сполучних проводів Для забезпечення лінійної залежності напруги UBXI при ЛІНІЙНІЙ ЗМІНІ опору термоперетворювача опору, а також для практичного виключення впливу опору сполучних проводів на результати виміру, необхідно, щоб опір резистора блоку обмежувальних резисторів 4 на два-три порядки перевищував опір термоперетворювача опору Якщо RpRo+AR, TO вхідна напруга дорівнює а спадання напруги на датчику дорівнює Таким чином, для повної компенсації постійної складовий необхідно виконати умову E \ -Efk m Умовою закінчення виміру буде v,* Розділимо (1) Ha(N+1)R0, тоді £/,=£, У результаті на виході підсилювача напруга дорівнює Y-E ^ &R Прийнявши N=1000 і з огляду нате, що AR«R0, а також прийнявши, що Ri=R0, що відповідає довжині лінії зв'язку Ro/o 1 [Ом/м], Е | V +I Е] МІ (2) Рівняння (2) містить постійну складову і перемінну складову, зв'язану зі зміною температури Далі, із блоку керування 12 видається керуючий код на комутатор 10 і послідовно з напругою з термоперетворювача опору включається напруга, рівна U3=E2-k/m, де k - число еталонних резисторів, підключених до входу вимірювального підсилювача 11, m - число всіх еталонних резисторів Тоді до входу вимірювального підсилювача 11 прикладена напруга Струм, що протікає через обмежувальний опір де KY - коефіцієнт перетворення усього вимірювального тракту Якщо Rt=R0(1+at), то UBbix2-tL, деа=4,26 103[1/град], L=EiaKY/(N+1) При необхідності розширення діапазону виміру умова закінчення виміру UBX2