Измерительный преобразователь температуры с частотным выходом

 

Изобретение может быть использовано при измерении температуры с помощью нелинейного полупроводникового терморезистора. Цель изобретения - упрощение настройки преобразователя . Устройство содержит источник 1 опорного напряжения, аналоговый ключ 2, терморезистор 3, резисторы 4 и 6, усилитель 5 постоянного тока, формирователь 7 экспоненциально изменяющегося напряжения, компаратор 8, счетчик 9 импульсов, элемент И 10 и 12 и инверторы 11. Введение новых элементов и образование новых связей между элементами устройства позволяет для вьтолнения условия прямой пропорциональности преобразования осуществить регулировку для установки заданного коэффициента преобразования. Определение величины сопротивления резистора 6 с помощью математических зависимостей позволяет получить минимальную погрешность преобразования во всем диапазоне измеряемых температур. 1 ил. с (Л ...5I ьо сх Од IN С U

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (5д 4 С 01 К 7/22

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А BTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТ8ЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3890372/24-10 (22) 25.04.85 (46) 23.12.86. Бюл. № 47 (72) Л.А. Демидов (53) 536.53(088.8) (56) Патент ФРГ ¹ 2753871, кл. G 01 К 7/24, опублик. 1982 .Авторское свидетельство СССР № 994933, кл. G 01 К 7/22, 1980. (54) ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

ТЕМПЕРАТУРЫ С ЧАСТОТНЫМ ВЫХОДОМ (57) Изобретение может быть использовано при измерении температуры с помощью нелинейного полупроводникового терморезистора. Цель изобретения — упрощение настройки преобразователя, Устройство содержит источник 1 опорного напряжения, аналогоÄÄSUÄÄ 1278623 А 1 вый ключ 2, терморезистор 3, резисторы 4 и 6 усилитель 5 постоянного

1 тока, формирователь 7 экспоненциально изменяющегося напряжения, компаратор 8, счетчик 9 импульсов, элемент И 10 и 12 и инверторы 11. Введение новых элементов и образование новых связей между элементами устройства позволяет для выполнения условия прямой пропорциональности преобразования осуществить регулировку для установки заданного коэффициента преобразования. Определение величины сопротивления резистора 6 с помощью математических зависимостей позволяет получить минимальную погрешность преобразования во всем диапазоне измеряемых температур. 1 ил.

78623 3

p,о

45

1 12

Изобретение относится к электрическому измерению неэлектрических величин, а именно температуры через промежуточное преобразование в частоту импульсного сигнала.

Цель изобретения - упрощение настройки преобразователя °

На чертеже представлена блок-схема преобразователя температуры.

Преобразователь содержит источник

1 опорного напряжения, выход которого соединен с входом аналогового ключа 2, первый выход аналогового ключа 2 подключен к одному из выводов терморезистора 3, а второй — к одному из выводов дополнительного резистора 4, другие выводы терморезистора

3 и резистора 4 соединены между собой и с инвертирующим входом усилителя 5 постоянного тока (УПТ), охваченного через резистор 6 отрицательной обратной связью (неинвертирующий вход,УПТ

5 подключен к шине нулевого потенциала), формирователь 7 экспоненциально (изменяющегося напряжения, первый вход которого соединен с выходом источника

1 опорного напряжения, компаратор 8, один из входов которого подключен к выходу УПТ 5, другой — к выходу формирователя 7, а выход — к второму управляющему входу формирователя, счетчик 9 импульсов, счетный вход которого соединен с выходом компаратора 8, логический элемент И 10, один из входов которого подключен к выходу компаратора 8, а выход — к входу установки в нуль всех разрядов счетчика 9, инверторы 11 и второй логический элемент И 12, выход которого соединен с управляющим входом аналогового ключа 2 и другим входом логического элемента И 10. При этом выходы счетчика, имеющие единичное значение при отображении в рабочем коде счетчика ближайшего целого чисRo ла к выражению In — где А — пас-А портная постоянная используемого в преобразователе терморезистора; R — величина сопротивления резистора 6 в обратной связи УПТ 5, соединены с входами логического элемента И 12 непосредственно, а имеющие нулевое значение — через инверторы 11.

Формирователь 7 экспоненциально изменяющегося напряжения может быть выполнен, например, в виде последовательно соединенных конденсатора 13

l0

35 и резистора 14, причем точка соединения одной из обкладок конденсатора .

13 и одного из выводов резистора 14 является выходом формирователя, другая обкладка конденсатора — первым вхОдом формирователя 7, а другой вывод резистора 14 подключен к шине нулевого потенциала. Кроме этого, формирователь может содержать аналоговый ключ 15, подключенный параллельно обкладкам конденсатора 13, а управляющий вход аналогового ключа 15 является вторым управляющим входом формирователя.

Компаратор 8 может быть выполнен, например, в виде операционного усилителя 16, неинвертирующий вход которого соединен с шиной нулевого потенциала, а к инвертирующему одними из контактов подключены резисторы 17 и

18, другие контакты которых являются двумя входами компаратора, а выход усилителя 16 — его выходом.

Устройство работает следующим образом.

В момент изменения выходного сиг нала элемента И 12 с нулевого уровня на единичный он поступает на управляющий вход аналогового ключа 2,устанав-ливает его в такое положение, при котором от выхода источника 1 опорного напряжения отключается дополнительный резистор 4 и подключается терморезистор 3. При этом напряжение на выходе УПТ 5 U „ изменяется скачком опт от значения

Ф

qnr o

3 (z1 р . о уТ рр t где U — величина выходного напряжео ния опорного источника 1;

R — величина сопротивления до3 полнительного резистора 4;

R — величина сопротивления терморезистора 3.

Величина сопротивления терморезистора 3 изменяется при изменении измеряемой температуры Т по закону R- —

А,е.В/Т,где А.и  — постоянные терморезистора 3. При этом выходное напряжение УПТ 5, соответствующее уров<и ню измеряемой температуры U, подается на один из входов компаратора

8, одновременно на другой его вход поступает экспоненциально изменяющееся напряжение U с выхода формирователя 7:

1278623.

U = U e э о где t — текущее время, прошедшее от начала формирования экспоненциальной функции; — постоянная, определяемая величиной сопротивлений резисторов 14 и 18 и емкостью конденсатора 13.

f0

В момент выполнения равенства U> +

+ U = О на выходе операционного усилителя 16 компаратора 8 за счет высокого коэффициента усиления в разомкнутом состоянии появляется скачок по- 15 ложительного напряжения, который поступает на управляющий вход аналогового ключа 15 формирователя 7, и ключ

15 закорачивает обкладки конденсатора

13, разряжая его, При этом выходное напряжение формирователя 7 скачком устанавливается в исходное состояние

У = Б, в результате чего положительный сигнал на выходе компаратора

8 скачком уменьшается до нуля, размы- 25 кается аналоговый ключ 15 и начинается новый цикл формирования экспоненты. При этом на выходе компаратора 8 в момент каждого его срабатывания формируется импульс.

30 (n

Время t,, прошедшее от начала генерирования экспоненциальной функции до момента срабатывания компаратора.

8, определяется из равенства Б +Б =О и составляет

35 () В R о °

Т А

Сформированный на выходе компаратора

8 в момент его срабатывания импульс поступает на один из входов элемен- 40 та И 10 и вследствие того, что на другом его входе в это время присутствует разрешающий сигнал логической единицы с выхода элемента И 12, он проходит на выход и далее на вход 45 установки нуля счетчика 9. При этом сигнал на выходе логического элемента И t2 меняется с единичного на нулевой, поступает на управляющий вход аналогового ключа 2 и устанавливает g0 его в такое состояние, при котором от выхода источника 1 опорного напряжения отключается терморезистор 3 и подключается дополнительный резис4, что, в свою очередь, приводит к скачкообразному изменению напряжения на выходе УПТ 5 от величины т до (1) R

П П о

gm 0R

Время t прошедшее от момента начала

t формирования экспоненциальной функции, определяемого предыдущим срабатыванием компаратора 8 до момента его нового срабатывания, определяемое из (s) равенства U», + U = О, и составляет

=а fn

1 Rî

Сформированный на выходе компаратора

8 импульс вследствие блокировки входа элемента И 10, соединенного с элементом И 12, присутствующим на нем сигналом нулевого уровня, не проходит на вход установки счетчика 9 в нуль, а, поступая на его счетный вход, изменяет по своему заднему фронту соответствующим образом его состояние. Так как при этом сигнал на выходе.логического элемента И 12 не изменяется,очередной и последующие импульсы на выходе компаратора 8 формируются через временной интервал, определяемый вы(i) R ражением t = ln . Так продочК

0 жается до формирования п-го после момента обнуления счетчика 9 импульса.

При поступлении на счетный вход и импульсов, где n — ближайшее целое число, полученное при вычислении выКо ражения n = ln — на все входы лоА гического элемента И 12 поступают единичные сигналы, часть которых непосредственно с разрядов счетчика

9 имеющих единичное значение, а другая — через инверторы 11 с разрядов счетчика, имеющих нулевое значение, что приводит к появлению единичного сигнала на выходе логического элемента И 12, который, поступая на вход элемента И 10, подготавливает цепь прохождения следующего импульса с выхода компаратора 8 на вход нулевого сброса счетчика 9, а поступая на управляющий вход аналогового ключа

2, отключает дополнительный резистор

4 и от выхода источника 1 опорного напряжения и подключает его выход к инвертирующему входу УПТ 5 через терморезистор. Далее работа устройства аналогична описанному выше.

Таким образом, на выходе логического элемента И 12, являющегося выRo

Если выполнить соотношение (- )

Во А путем подбора соответствующего значе- 10 ния сопротивления дополнительного резистора 4, то период импульсной последовательности на выходе элемента

И 12 определится выражением ь В 15 — — т.е, на выходе преобразователя сформируется последовательность импульсов частотой f, прямо пропорциональной измеряемой температуре

Т

f сВ

5 12786 ходом преобразователя, формируе тся импульсная последовательность с периодом t, величину которого можно определить по формуле сВ Ro, R9 — 1п — + пс1п

Т А Е при uu — "Rò тмакс

«с е, 23 зависит от постоянной а и каждое ее изменение для приближения к заданному значению коэффициента преобразования привоцит к необходимости новой регулировки для выполнения условия прямой пропорциональности преобразования, которая, в свою очередь, необходима для определения фактического коэффициента преобразования, т.е. настройка возможна только методом последовательных приближений, что де-: лает ее черезвычайно сложной и трудоемкой. При этом точность преобразования в предлагаемом устройстве не ниже, чем в известном.

Величина сопротивления резистора

6 обратной связи УПТ 5 определяется по зависимости

При этом в предлагаемом устройстве условие прямой пропорциональности преобразования не зависит от пос- 25 тоянной ь . Поэтому установка требуемого коэффициента преобразования, возможная после выполнения условия прямой пропорциональности преобразования и только за счет соответствую- 30 щего изменения постоянной Г, так как  — постоянная терморезистора 3, изменить которую для конкретного терморезистора не представляется возможным, не нарушает условия прямой пропорциональности преобразования.

Следовательно, после регулировки для выполнения условия прямой пропорциональности преобразования в преобразователе, заключающейся в установке 40 такого значения сопротивления R дополнительного резистора, при котором становится справедливым соотношение

Т, — — где f,f — измеренные знаТ2 f, 1 2 45 чения выходной частоты преобразователя соответственно при минимальной

Т< и максимальной Т температурах заданного диапазона измерения, и. одновременном выполнении равенства 50

Ry Re, (†) = - достаточно осуществить pего A гулировку для установки заданного коэффициента преобразования, на этом настройка заканчивается. Таким образом, настройка в предлагаемом преобразователе существенно проще и менее трудоемка, чем в известном, где условие прямой пропорциональности

R = R при — ип-"кт т макс R тмакс где т „„В. т м к — величины с опр отивления терморезистора 3 соответственно при минимальном и максимальном значениях температуры заданного диапазона измеряемых температур; е — основание натурального логарифма.

Определение величины сопротивления резистора 6 указанньм образом позволяет получить минимальную погрешность преобразования во всем диапазоне измеряемых температур.

Формула и з о б р е т е н и я

Измерительный преобразователь температуры с частотным выходом, содержащий терморезистор, источник опорного напряжения, подключенный к входу аналогового ключа и формирователю экспоненциально изменяющегося напряжения, инвертирующий усилитель с резистивной отрицательной обратной . связью, вход которого через терморезистор соединен с выходом аналогового кпюча, компаратор, один вход которого подключен к выходу усилителя, а другой — к выходу формирователя экспоненциально изменяющегося напряжения, управляющий вход которого соединен с выходом компаратора, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью сокращения трудозатрат на процесс преобразования температуры за счет упрощения настройки преобразователя при сохраСоставитель В. Голубев

Техред Л.Олейиик

Корректор И. Зрдейи

Редактор В. Петраш

Заказ 6823/36 Тираж 778 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

7 1278623 8 нении точности преобразования, в не- ничное значение при отображении в

ro введены счетчик импульсов, допол- рабочем коде счетчика ближайшего це. нительный резистор, инверторы и два л г и ла к ы аж нию логических элемента И, а аналоговый А ключ выполнен двухпозиционным при . А — паспортная постоянная терморезисУ 5 тора; R — величина сопротивления резистора отрицательной обратной свяэтом его второй выход через дополнительный резистор соединен с входом зи инвертирующего усилителя, соединеинвертирующего усилителя, а выход ны с входами второго логического компаратора подключен к счетному вхо" 1О элемента И непосредственно, а имеюду счетчика и к одному иэ двух >xo щих нулевое значение — через инвердов первого логического элемента И, торы, а выход второго логического

1 выход, которого соединен с входом ну- элемента И подключен к управляющему, левого сброса счетчика, причем вы- входу аналогового ключа и другому ходы разрядов счетчика, имеющих еди 15 входУ-. тервого логического элемента И.