RU2200304C2 - Temperature converter - Google Patents

Abstract

FIELD: measurement technology, devices measuring temperature with its direct conversion to frequency of electric signal. SUBSTANCE: temperature converter includes generator with frequency-setting network which incorporates temperature-sensitive resistor and several resistors connected in series, switch changing connection of frequency-setting network, device controlling switch coming in the form of first counter and second modulo three counter. Input of first counter is connected to output of converter and outputs of modulo three counter are connected to controlling inputs of switch. EFFECT: simplified circuit of converter, potential for automatic switching of measurement channels. 2 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в устройстве для измерения температуры с непосредственным преобразованием ее в частоту электрического сигнала. The invention relates to measuring technique and can be used in a device for measuring temperature with its direct conversion to the frequency of an electrical signal.

Известен [1] датчик температуры с частотным выходом, содержащий релаксационный генератор, выполненный на основе однопереходного транзистора, полевого транзистора с р-n переходом, конденсатора и полевого транзистора с изолированным затвором и встроенным каналом. Релаксационный генератор генерирует выходной сигнал с частотой, пропорциональной емкости конденсатора. Known [1] is a temperature sensor with a frequency output containing a relaxation generator based on a single-junction transistor, a field effect transistor with a pn junction, a capacitor and a field effect transistor with an isolated gate and an integrated channel. The relaxation generator generates an output signal with a frequency proportional to the capacitance of the capacitor.

Достоинством датчика является возможность передачи сигнала на значительные расстояния, что обусловлено цифровой формой его выходного сигнала. The advantage of the sensor is the ability to transmit a signal over significant distances, due to the digital form of its output signal.

Датчик имеет следующий недостаток. В процессе эксплуатации под действием дестабилизирующих факторов величина емкости конденсатора изменяется относительно номинального значения, в результате чего появляется погрешность частоты выходного сигнала датчика. The sensor has the following disadvantage. During operation, under the influence of destabilizing factors, the capacitance value of the capacitor changes relative to the nominal value, resulting in an error in the frequency of the sensor output signal.

За прототип заявляемого изобретения взят преобразователь температуры с частотным выходом [2] , содержащий генератор, выполненный на двух операционных усилителях и снабженный частотно-задающей цепочкой, включающей в себя соединенные электрически последовательно терморезистор и три резистора, а также трехканальный коммутатор, выполненный с возможностью изменения способа подключения частотно-задающей цепочки. For the prototype of the claimed invention, a temperature converter with a frequency output [2] is taken, comprising a generator made on two operational amplifiers and equipped with a frequency-defining chain, including a thermistor and three resistors connected electrically in series, as well as a three-channel switch configured to change the method connecting the frequency-setting chain.

Достоинством прототипа является высокая точность измерения температуры, что достигается за счет использования нескольких каналов измерения и расчета на основе дополнительной информации калибровочных коэффициентов. The advantage of the prototype is the high accuracy of temperature measurement, which is achieved through the use of several measurement and calculation channels based on additional information of calibration coefficients.

Недостатками прототипа являются использование внешнего устройства для управления коммутатором и наличие дополнительных проводов для подачи управляющего сигнала от такого внешнего устройства. Так, в случае задания номера канала коммутатора двоичным кодом, для переключения канала к коммутатору необходимо подвести два провода. При использовании коммутатора, в котором для включения каждого канала используется свой отдельный сигнал, потребуется три провода. Таким образом, если для передачи информации о температуре используется один провод, то для переключения каналов коммутатора нужно 2-3 провода. The disadvantages of the prototype are the use of an external device to control the switch and the presence of additional wires for supplying a control signal from such an external device. So, in the case of specifying the channel number of the switch with a binary code, two wires must be connected to switch the channel to the switch. When using a switch in which a separate signal is used to turn on each channel, three wires are required. Thus, if one wire is used to transmit temperature information, 2-3 wires are needed to switch the switch channels.

Задачей изобретения является создание преобразователя температуры с автоматическим коммутированием каналов измерения. The objective of the invention is the creation of a temperature Converter with automatic switching of the measurement channels.

Указанная задача решается в преобразователе температуры, включающем в себя генератор с частотно-задающей цепочкой, в состав которой входят включенные электрически последовательно терморезистор и несколько резисторов, а также трехканальный коммутатор с возможностью изменения способа подключения частотно-задающей цепочки. Задача решается тем, что преобразователь снабжен устройством управления коммутатором. При этом устройство управления коммутатором может быть выполнено в виде последовательно соединенных первого счетчика и второго счетчика по модулю три, причем вход первого счетчика подключен к выходу преобразователя, а выходы счетчика по модулю три подключены к управляющим входам коммутатора. This problem is solved in a temperature converter, which includes a generator with a frequency-defining chain, which includes a thermistor and several resistors connected electrically in series, as well as a three-channel switch with the ability to change the method of connecting the frequency-defining chain. The problem is solved in that the converter is equipped with a switch control device. The control device of the switch can be made in the form of series-connected first counter and second counter modulo three, and the input of the first counter is connected to the output of the Converter, and the outputs of the counter modulo three are connected to the control inputs of the switch.

Для использования заявляемого преобразователя не требуется подключение внешнего устройства переключения каналов коммутатора. To use the inventive Converter does not require the connection of an external device switching channels of the switch.

Изобретение поясняется следующими чертежами. The invention is illustrated by the following drawings.

На фиг.1 представлена электрическая схема преобразователя. Figure 1 presents the electrical circuit of the Converter.

На фиг. 2 изображены эпюры напряжения, иллюстрирующие работу преобразователя. In FIG. 2 shows voltage plots illustrating the operation of the converter.

Изобретение может быть реализовано в преобразователе температуры (см. фиг. 1), включающем в себя операционные усилители A1 и А2, резистор R1, соединяющий выход операционного усилителя А1 с инвертирующим входом операционного усилителя А2, конденсатор С1, включенный в цепь отрицательной обратной связи операционного усилителя А2, коммутатор D1, терморезистор R3 и резисторы R2, R4 и R5, включенные последовательно в цепь положительной обратной связи операционного усилителя А1, точки А, В, С соединений которых поочередно подключаются с помощью коммутатора D1 к неинвертирующему входу усилителя А1. The invention can be implemented in a temperature converter (see Fig. 1), which includes operational amplifiers A1 and A2, a resistor R1 connecting the output of the operational amplifier A1 to the inverting input of the operational amplifier A2, a capacitor C1 connected to the negative feedback circuit of the operational amplifier A2, switch D1, thermistor R3 and resistors R2, R4 and R5, connected in series in the positive feedback circuit of operational amplifier A1, points A, B, C of which connections are connected in turn using the switch D1 to the noninverting input of the amplifier A1.

Для реализации изобретения в схему преобразователя включены последовательно соединенные счетчик D2 и счетчик D3 по модулю три. Вход счетчика D2 подключен к выходу первого операционного усилителя А1, являющемуся выходом преобразователя температуры, а выходы счетчика D3 по модулю три подключены к управляющим входам коммутатора D1. При этом счетчик D3 осуществляет переключение коммутатора D1, а счетчик D2 задает скорость переключения. To implement the invention, a series-connected counter D2 and a counter D3 modulo three are included in the converter circuit. The input of the counter D2 is connected to the output of the first operational amplifier A1, which is the output of the temperature converter, and the outputs of the counter D3 modulo three are connected to the control inputs of the switch D1. In this case, the counter D3 switches the switch D1, and the counter D2 sets the switching speed.

Номер включенного канала в коммутаторе D1 может определяться как в виде двоичного кода (например, при использовании в качестве коммутатора микросхемы 590 КН 3), так и в виде позиционного кода, когда у каждого канала есть отдельный управляющий вход (например, при использовании микросхемы 561 КТ 3). В зависимости от этого, в качестве счетчика по модулю три, следует использовать счетчик [3] с двоичным кодом на выходе или счетчик с тремя выходами [4]. The number of the switched on channel in the D1 switch can be determined both in the form of a binary code (for example, when using a 590 KN 3 chip as a switch), and as a position code when each channel has a separate control input (for example, when using a 561 KT chip 3). Depending on this, as a modulo three counter, you should use a counter [3] with a binary code at the output or a counter with three outputs [4].

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

В положении, когда в коммутаторе D1 включен первый канал, преобразователь генерирует сигнал, частота которого равна [2, 5]:
F0=a1•(R2/(R5+R4+R3))+a0, (1)
где а0 - коэффициент, учитывающий неидеальность операционных усилителей, в частности, временные задержки;
a1=1/(4•R1•C1) - коэффициент чувствительности.In the position when the first channel is switched on in switch D1, the converter generates a signal whose frequency is [2, 5]:
F0 = a1 • (R2 / (R5 + R4 + R3)) + a0, (1)
where a0 is a coefficient that takes into account the imperfection of operational amplifiers, in particular, time delays;
a1 = 1 / (4 • R1 • C1) is the sensitivity coefficient.

Через каждые N импульсов, поступающих с выхода операционного усилителя A1 на вход счетчика D2, на выходе счетчика D2 генерируется импульс, переключающий положение счетчика D3 и, следовательно, положение коммутатора D1, где N - коэффициент деления счетчика D2. Every N pulses from the output of the operational amplifier A1 to the input of the counter D2, a pulse is generated at the output of the counter D2, which switches the position of the counter D3 and, therefore, the position of the switch D1, where N is the division factor of the counter D2.

При включении второго и третьего канала в коммутаторе D1 преобразователь генерирует сигнал, частота которого соответственно будет равна:
F1=a1•((R2+R3)/(R5+R4))+a0, (2)
F2=a1•((R2+R3+R4)/R5)+a0. (3)
Таким образом, преобразователь температуры генерирует последовательно три пачки импульсов с частотами F0, F1, F2, причем в каждой пачке количество импульсов строго равно N.When you turn on the second and third channel in the switch D1, the converter generates a signal whose frequency, respectively, will be equal to:
F1 = a1 • ((R2 + R3) / (R5 + R4)) + a0, (2)
F2 = a1 • ((R2 + R3 + R4) / R5) + a0. (3)
Thus, the temperature converter sequentially generates three bursts of pulses with frequencies F0, F1, F2, and in each burst the number of pulses is strictly equal to N.

Нестабильность данного датчика можно определить как изменения коэффициентов а0, а1 под действием дестабилизирующих факторов, в качестве которых может выступать долговременная (в течение нескольких лет) нестабильность параметров электрических элементов, влияние изменения напряжения питания, изменение C1 под действием температуры и т.д. The instability of this sensor can be defined as changes in the coefficients a0, a1 under the influence of destabilizing factors, which can be long-term (for several years) instability of the parameters of electrical elements, the influence of changes in the supply voltage, a change in C1 under the influence of temperature, etc.

Таким образом, контролируя и учитывая изменения а0, а1 точность измерения температуры можно повысить. Thus, by controlling and taking into account the changes in a0 and a1, the accuracy of temperature measurement can be improved.

Используя выражения (1), (2), (3) находят коэффициенты а0, а1, с учетом которых выражение для определения R3 имеет вид [2]
R3=(R5+R4)/(K0-1), (4)
где K0=((F2-Fl)R5)/((F1-F0)R4).Using expressions (1), (2), (3) find the coefficients a0, a1, taking into account which the expression for determining R3 has the form [2]
R3 = (R5 + R4) / (K0-1), (4)
where K0 = ((F2-Fl) R5) / ((F1-F0) R4).

Таким образом, необходимо обеспечить стабильность только двух прецизионных резисторов R5 и R4, а к стабильности других элементов, в частности к наименее стабильному элементу С1, нет жестких требований. По значению сопротивления R3 определяют температуру Т по формуле:
T=(R3-R0)/αR0, (5)
где R0 - сопротивление терморезистора при нулевой температуре,
α - температурный коэффициент терморезистора.Thus, it is necessary to ensure the stability of only two precision resistors R5 and R4, and there are no strict requirements for the stability of other elements, in particular for the least stable element C1. The resistance value R3 determines the temperature T by the formula:
T = (R3-R0) / αR0, (5)
where R0 is the resistance of the thermistor at zero temperature,
α is the temperature coefficient of the thermistor.

Значение N выбирается, исходя из необходимой точности измерения частот F0, F1, F2. Чем точнее необходимо измерять частоты (температуру), тем больше времени необходимо тратить на измерения частоты и тем большим должно быть N. Конкретное значение N зависит от метода измерения частоты (измерение периода или измерение частоты) и частоты кварцевого резонатора, используемого при измерении. The value of N is selected based on the required accuracy of measuring the frequencies F0, F1, F2. The more accurately it is necessary to measure the frequencies (temperature), the more time it takes to measure the frequency and the greater should be N. The specific value of N depends on the frequency measurement method (period measurement or frequency measurement) and the frequency of the crystal used in the measurement.

Из анализа выражений (1), (2), (3) видно, что при любых R3 справедливо соотношение F0<F1<F2. Таким образом, в том месте, где производится обработка информации с датчика, необходимо определять момент, когда текущая частота скачкообразно уменьшиться, и после этого можно измерить N импульсов с частотой F0, N импульсов с частотой F1, N импульсов с частотой F2, и определить температуру в соответствии с выражениями (4), (5). An analysis of expressions (1), (2), (3) shows that for any R3 the relation F0 <F1 <F2 is valid. Thus, in the place where the information from the sensor is processed, it is necessary to determine the moment when the current frequency decreases abruptly, and then N pulses with a frequency F0, N pulses with a frequency F1, N pulses with a frequency F2 can be measured, and the temperature can be determined in accordance with expressions (4), (5).

Источники информации
1. А. с. 1201690 СССР, МКИ G 01 К 7/14. Датчик температуры с частотным выходом / Викулин И.М., Викулина Л.Ф. и др. - Опубл. 13.12.85, БИ 48.Sources of information
1. A. p. 1201690 USSR, MKI G 01 K 7/14. Temperature sensor with frequency output / Vikulin I.M., Vikulina L.F. and others. - Publ. 12.13.85, BI 48.

2. А. с. 2115896 RU, МКИ G 01 К 7/16. Преобразователь температуры / Лиманова Н.И., Козырев Ю.Г. - Опубл. 20.07.98, БИ 20. 2. A. p. 2115896 RU, MKI G 01 K 7/16. Temperature converter / Limanova N.I., Kozyrev Yu.G. - Publ. 07.20.98, BI 20.

3. Справочник по интегральным микросхемам /Б.В.Тарабрин, С.В.Якубовский и др. ; Под ред. Б.В.Тарабрина. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергия, 1981, с.707. 3. Handbook of integrated circuits / B.V. Tarabrin, S.V. Yakubovsky and others; Ed. B.V. Tarabrina. - 2nd ed., Revised. and add. - M .: Energy, 1981, p.707.

4. В. Л.Шило. Популярные цифровые микросхемы. Справочник. М.: Металлургия, 1988, с.239. 4. V. L. Shilo. Popular digital circuits. Directory. M .: Metallurgy, 1988, p.239.

5. У. Титце К. Шенк. Полупроводниковая схемотехника. М.: Мир, 1982, с. 307.4 5. W. Titze K. Schenck. Semiconductor circuitry. M .: Mir, 1982, p. 307.4

Claims (1)

Преобразователь температуры, включающий в себя генератор с частотно-задающей цепочкой, в состав которой входят включенные электрически последовательно терморезистор и несколько резисторов, а также коммутатор с возможностью изменения способа подключения частотно-задающей цепочки, отличающийся тем, что преобразователь снабжен устройством управления коммутатором, выполненным в виде последовательно соединенных первого счетчика и второго счетчика по модулю три, причем вход первого счетчика подключен к выходу преобразователя, а выходы счетчика по модулю три подключены к управляющим входам коммутатора. A temperature converter, which includes a generator with a frequency-setting chain, which includes a thermistor and several resistors connected electrically in series, as well as a switch with the ability to change the method of connecting the frequency-setting chain, characterized in that the converter is equipped with a switch control device made in in the form of series-connected first counter and second counter modulo three, and the input of the first counter is connected to the output of the Converter, and the outputs Meters withstand modulo three are connected to the control inputs of the switch.

Images