устройство для измерения и контроля температуры

Формула изобретения

Устройство для измерения и контроля температуры, содержащее термопреобразователь сопротивления с тремя линиями связи, формирователь тока на операционном усилителе, выход которого подключен к первой линии связи, а инвертирующий вход через токозадающий резистор - к источнику питания, измерительный усилитель, подключенный по входам к первой и второй линиям связи, резистор установки нуля, первый вывод которого подключен к третьей линии связи, а второй вывод - к инвертирующему входу операционного усилителя в формирователе тока, последовательно включенные задатчик кода, цифроаналоговый преобразователь и первый сумматор, другой вход которого соединен с выходом измерительного усилителя, отличающееся тем, что в него введены компаратор, неинвертирующий усилитель, второй сумматор, инвертирующий усилитель и ключ, а цифроаналоговый преобразователь снабжен аналоговым умножающим входом, подключенным к первому входу второго сумматора и через неинвертирующий усилитель к первому выводу резистора установки нуля, второй вход второго сумматора подключен к выходу цифроаналогового преобразователя, выход второго сумматора подключен к дополнительному входу первого сумматора через последовательно соединенные инвертирующий усилитель и ключ, управляющий вход которого подключен к выходу компаратора, вход которого соединен с выходом первого сумматора.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к устройствам для измерения и контроля температуры, выполненным на основе термопреобразователя сопротивления с трехпроводной линией связи, и может применяться в различных областях техники.

Известны устройства для измерения температуры, содержащие термопреобразователь сопротивления с трехпроводной линией связи, формирователь тока, резистор установки нуля и измерительный усилитель (см., например, Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах. Л.: Энергоатомиздат, 1988, стр. 85, а также "Устройство для измерения температуры" по авт. св. № 815523, МПК G 01 K 7/20, "Устройство для измерения температуры" по авт. св. № 1654679, МПК G 01 K 7/16, "Устройство для измерения температуры" по авт. св. № 1682828, МПК G 01 K 7/16 и др.).

Такие устройства обеспечивают формирование напряжения, пропорционального изменению сопротивления термопреобразователя, вызванному изменением температуры среды, в которой он находится.

Однако подобные устройства не содержат цепей для сигнализации об отклонении температуры относительно определенного уровня (уставки) из диапазона измеряемых температур, что ограничивает возможности их применения. С целью расширения функциональных возможностей таких устройств в них обычно вводится компаратор с цепью задания уставки срабатывания. При этом компаратор, который может иметь самые различные схемотехнические решения в зависимости от принципов построения всего устройства в целом, формирует дискретный сигнал о превышении температурой уровня уставки, а также обеспечивает необходимую ширину петли гистерезиса (см., например, "Устройство для выработки предупреждающего сигнала при отклонении температуры" по патенту Японии JP 02757518 [В2] 25.05.98, МПК G 01 K 7/32). Применение в таких устройствах в цепях сигнализации об уровне температуры разнообразных аналого-цифровых блоков усложняет устройство и снижает его надежность.

Прототипом заявленного устройства является устройство для измерения температуры по патенту РФ № 2190198, МПК G 01 K 7/24, содержащее термопреобразователь сопротивления с тремя линиями связи, формирователь тока на операционном усилителе, выход которого подключен к первой линии связи, а инвертирующий вход через токозадающий резистор к источнику питания, измерительный усилитель, подключенный по входам к первой и второй линиям связи, резистор установки нуля, первый вывод которого подключен к третьей линии связи, а второй вывод - к инвертирующему входу операционного усилителя в формирователе тока, последовательно включенные задатчик кода, цифроаналоговый преобразователь и сумматор, другой вход которого соединен с выходом измерительного усилителя.

В этом устройстве контроль отклонения температуры от задаваемого (программируемого) кодом уставки уровня может быть обеспечен применением простой схемы, в которую входят компаратор и последовательно включенные задатчик кода, цифроаналоговый преобразователь и сумматор, выход которого соединен с входом компаратора. Недостаток такого устройства для измерения и контроля температуры заключается в следующем. Напряжение (U_вых) на выходе измерительного усилителя зависит не только от температуры (изменения сопротивления термодатчика R_t), но и от тока (I), протекающего через термопреобразователь сопротивления (U_вых=КIR_t, где К - масштабный коэффициент).

При сравнении на входах сумматора этого напряжения с напряжением уставки, формируемым задатчиком кода и цифроаналоговым преобразователем, возникают погрешности контроля заданного уровня температуры и ширины петли гистерезиса, обусловленные зависимостью выходного напряжения измерительного усилителя от тока через термопреобразователь, в результате чего снижается точность контроля температуры и формирования петли гистерезиса. Кроме того, необходимо отметить следующее. В реальных системах управления и контроля с использованием в качестве первичного датчика температуры термопреобразователей сопротивления уровень переменной составляющей на выходе измерительного усилителя обычно увеличивается с ростом температуры (из-за увеличения выходного сопротивления первичного датчика), что требует для устойчивой работы системы расширения петли гистерезиса при увеличении сигнала от первичного датчика. Это требование характерно и для двухпозиционных регуляторов температуры (с точки зрения сохранения их точности при любой уставке температуры из диапазона ее возможных значений). В рассматриваемых устройствах ширина петли гистерезиса имеет постоянное значение, что сужает функциональные возможности таких устройств.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение точности контроля температуры и расширение функциональных возможностей устройства для измерения и контроля температуры с программируемой уставкой срабатывания.

Для решения указанной задачи в устройство для измерения и контроля температуры, содержащее термопреобразователь сопротивления с тремя линиями связи, формирователь тока на операционном усилителе, выход которого подключен к первой линии связи, а инвертирующий вход через токозадающий резистор к источнику питания, измерительный усилитель, подключенный по входам к первой и второй линиям связи, резистор установки нуля, первый вывод которого подключен к третьей линии связи, а второй вывод - к инвертирующему входу операционного усилителя в формирователе тока, последовательно включенные задатчик кода, цифроаналоговый преобразователь и первый сумматор, другой вход которого соединен с выходом измерительного усилителя, введены компаратор, неинвертирующий усилитель, второй сумматор, инвертирующий усилитель и ключ, а цифроаналоговый преобразователь снабжен аналоговым умножающим входом, подключенным к первому входу второго сумматора и через неинвертирующий усилитель к первому выводу резистора установки нуля, второй вход второго сумматора подключен к выходу цифроаналогового преобразователя, выход второго сумматора подключен к дополнительному входу первого сумматора через последовательно соединенные инвертирующий усилитель и ключ, управляющий вход которого подключен к выходу компаратора, вход которого соединен с выходом первого сумматора.

Функциональная схема предлагаемого устройства для измерения и контроля температуры приведена на чертеже.

Устройство содержит термопреобразователь сопротивления 1 с тремя 2, 3, 4 линиями связи, формирователь тока 5 на операционном усилителе 6, инвертирующий вход которого через токозадающий резистор 7 подключен к источнику питания 8 и через конденсатор 9 к выходу операционного усилителя 6 и первой линии связи 2, измерительный усилитель 10, входы которого подключены к первой 2 и второй 3 линиям связи, а выход 11 является аналоговым выходом устройства, резистор 12 установки нуля, первый вывод которого подключен к третьей линии связи 4, а второй вывод - к инвертирующему входу операционного усилителя 6, первый сумматор 13, один вход которого соединен с выходом измерительного усилителя 10, другой вход - через цифроаналоговый преобразователь 14 с задатчиком 15 кода (уставки), а выход - со входом компаратора 16, выход которого является дискретным выходом 17 устройства. Устройство содержит также неинвертирующий усилитель 18, второй сумматор 19, инвертирующий усилитель 20 и ключ 21, причем цифроаналоговый преобразователь 14 снабжен аналоговым умножающим входом 22, подключенным к первому входу сумматора 19 и через неинвертирующий усилитель 18 к первому выводу резистора 12 установки нуля. Второй вход сумматора 19 подключен к выходу цифроаналогового преобразователя 14, а выход сумматора 19 подключен к дополнительному входу 23 сумматора 13 через последовательно соединенные инвертирующий усилитель 20 и ключ 21, управляющий вход которого подключен к выходу компаратора 16.

На чертеже в качестве примера показана возможная реализация измерительного усилителя 10, в который входят операционный усилитель 24, резисторы 25, 26 и масштабный усилитель 27, и сумматора 13, содержащего операционный усилитель 28 с входными резисторами 29, 30, 31 и резистором 32 в цепи обратной связи.

Устройство работает следующим образом.

Формирователь тока 5 создает в линии связи 2 ток I, который протекает по линии связи 2, термопреобразователю сопротивления 1, линии связи 4 и резистору 12 установки нуля, второй вывод которого имеет практически нулевой потенциал, так как он подключен к инвертирующему входу операционного усилителя 6 в формирователе тока 5. При этом величина тока I определяется напряжением источника питания 8 и сопротивлением токозадающего резистора 7, а за счет конденсатора 9 в цепи отрицательной обратной связи операционного усилителя 6 обеспечивается отсутствие статической погрешности тока I. В результате на входах измерительного усилителя 10 формируются напряжения (в случае пренебрежимо малого влияния сопротивлений линий связи и входного тока неинвертирующего усилителя 18)

где R₀ - сопротивление термопреобразователя сопротивления 1 при начальной температуре t₀ (например, t₀=0 C);

R_t - изменение сопротивления термопреобразователя сопротивления 1, вызванное отклонением температуры от начальной на величину t;

R₁₂ - сопротивление резистора 12 установки нуля.

Напряжение U₁₁ на выходе измерительного усилителя 10 связано с напряжениями на его входах (при равенстве сопротивлений резисторов 25 и 26) выражением

где К₂₇ - коэффициент усиления масштабного усилителя 27.

Для создания нулевого уровня напряжения U₁₁ при начальной температуре t₀ резистор 12 установки нуля выбирается из условия R₁₂=R₀. При этом, как следует из выражений (1), (2) (3), на аналоговом выходе 11 устройства формируется напряжение, пропорциональное изменению сопротивления термопреобразователя сопротивления 1, вызванному отклонением температуры от начального значения t₀

Напряжение U₁₁ с выхода измерительного усилителя 10 поступает на один вход сумматора 13, на другой вход которого от цифроаналогового преобразователя 14 подается напряжение уставки U_уст, величина которого определяется выражением

где N - значение кода, формируемого задатчиком 15 кода уставки;

K₁₈ - коэффициент передачи неинвертирующего усилителя 18;

N_m - максимальное значение кода N.

Когда температура меньше заданного порога срабатывания, выполняется условие |U₁₁|<|U|, и при равенстве сопротивлений резисторов 29, 30 сигнал на выходе компаратора 16 и на дискретном выходе 17 устройства имеет нулевое значение, при этом ключ 21 разомкнут и выход инвертирующего усилителя 20 отключен от дополнительного входа 23 сумматора 13.

Срабатывание компаратора 16 происходит при условии |U₁₁|<|U|, т.е. когда напряжение U₁₃ на выходе сумматора 13 имеет нулевое значение

или (при R₁₂=R₀) сопротивление срабатывания составляет

При срабатывании компаратора 16 сигнал на дискретном выходе 17 устройства принимает единичное значение, по которому открывается ключ 21, и на дополнительный вход 23 сумматора 13 с выхода инвертирующего усилителя 20 поступает напряжение

где K₁, К₂ - коэффициенты передачи сумматора 19 по входам для напряжений U₁₈ и U_уст;

или с учетом выражений (2) и (5) и условия R₁₂=R₀

Отпускание компаратора 16 происходит (в случае пренебрежимо малого влияния ширины петли гистерезиса самого компаратора 16 или/и при большом коэффициенте передачи сумматора 13) при условии |U₁₁|<|U|-K₃|U₂₀|, где К₃ - коэффициент, характеризующий отношение сопротивлений резисторов R₃₀ и R₃₁ в сумматоре 13 (К₃=R₃₀/R₃₁), из которого после ряда преобразований могут быть получены следующие выражения для сопротивления R_t.отп отпускания и ширины петли гистерезиса г устройства

Ширина петли гистерезиса устройства и ее зависимость от уровня уставки (кода N) может изменяться в широких пределах за счет соответствующего выбора значений коэффициентов K₁, K₂ сумматора 19 и К₃ сумматора 13.

Как видно из выражения (7), сопротивление термопреобразователя R, при котором происходит срабатывание компаратора 16, практически не зависит от тока, протекающего через термопреобразователь сопротивления, в результате чего достигается повышение точности контроля температуры (формирования единичного значения при достижении температурой заданного уровня уставки) при любом значении кода уставки N, который может изменяться в широких пределах (от 0 до N_m) и соответствовать одному из уровней внутри рабочего диапазона температур, измеряемых устройством.

Из выражений (10) и (11) следует, что уровень отпускания устройства (R_{t. отп}) и ширина петли гистерезиса ( г) также не зависят от протекающего через термопреобразователь тока, что обеспечивает повышение точности формирования ширины петли гистерезиса с возможностью ее изменения в широких пределах. При этом за счет предложенного построения устройства обеспечивается возможность задания ширины петли гистерезиса в зависимости от уставки, определяющей уровень срабатывания устройства.

Эффективность повышения точности контроля температуры можно показать на конкретном примере. Пусть, например, в качестве термопреобразователя сопротивления 1 применяется платиновый термометр с R₀=50 Oм и диапазон измеряемых температур составляет 0-100 С (чему соответствует R_t20 Oм), задатчик 15 кода уставки обеспечивает возможность изменения кода N от 0 до 1023 (т.е. задатчик кода имеет 10 двоичных разрядов и позволяет устанавливать уровень срабатывания устройства через 0,1 С), а погрешность задания тока через термопреобразователь 1, определяемая резистором 7 и источником питания 8, характеризуется величиной 2% (что практически имеет место при использовании в качестве источника 8 стабилизатора напряжения для питания микросхем, на которых реализуется устройство). Как видно из выражений (7) и (11), уровень срабатывания и ширина петли гистерезиса устройства не зависят от тока, протекающего через термопреобразователь сопротивления, но, с другой стороны, их значения определяются также и масштабными коэффициентами K₁₈, К₂₇, K₁, K₂, К₃, нестабильность которых может вызвать дополнительные составляющие погрешности указанных параметров устройства. Однако практически при применении для задания этих масштабных коэффициентов резистивных матриц (например, серий 301 и 313) эти составляющие могут быть уменьшены до пренебрежимо малых значений, поскольку определяются (в случае использования прецизионных операционных усилителей) изменением отношения сопротивлений, которое не превышает 0,035%. В то время как стабильность тока через термопреобразователь сопротивления определяется абсолютными значениями сопротивления токозадающего резистора 7 и напряжения источника питания 8. При этом зависимость ширины петли гистерезиса от уровня уставки может варьироваться в широких пределах за счет соответствующего выбора коэффициентов K₁, К₂, K₃. Так, например, при конкретном применении устройства обеспечивается линейная зависимость ширины петли гистерезиса _г от 1 С при t=0 С до 3 С при t=100 C, в результате чего достигается устойчивое функционирование системы контроля температуры с такими устройствами в условиях воздействия помех из линий связи с первичными датчиками температуры.

Таким образом, в предложенном устройстве для измерения и контроля температуры с дискретным заданием уровня контролируемой температуры в пределах всего диапазона измеряемой температуры за счет формирования уровней срабатывания и отпускания устройства, пропорциональных протекающему через термопреобразователь сопротивления току, и формирования уровня отпускания устройства с учетом значения задаваемой уставки обеспечивается малое влияние на уровни срабатывания и отпускания устройства тока, протекающего через термопреобразователь сопротивления, и необходимая зависимость ширины петли гистерезиса от величины уставки, в результате чего достигается повышение точности контроля температуры и расширение функциональных возможностей устройства.