простейшая схрма операциопного усилителя, охваченного отрицательной обратной связью по напряжению. Если обращая связь образована герми-стором и постоянным резистором, то выходное напряжение усилителя

и является функцией измеряемой температуры.

Если Rt подключается посредством трехпроводной линии в цепь отрицательной обратной связи по напряжению, то входной опорный сигнал за-

Таблица 14.12. Метрологические характеристики термопреобразователей сопротивления с унифицированным выходом

Таблица 14.13, Технические характеристики преобразователей, конструктивно объединенных с ТС

Характеристика

Значение

Зависимость выходного сигнала от температуры Верхний предел сопротивления нагрузки, кОм, при токе, мА

0...5

4...20

Напряжение питания (от источника постоянного тока), В

Потребляемая мощность, Вт, не более

Температура окружающей среды, °С

Максимальная влажность при температуре 35и°С, % Длина погружаемой части преобразователя, мм

Масса в зависимости от исполнения, кг

Линейная

2,5 1,0 24 и 48

5..,50

100, 120, 160, 250, 320, 400, 630, 800, 1000 0,63...1,36

дается от источника напряжения Е (рнс. 14.11, а). При R = = R и /?4 > Rjii выходное напряжение преобразователя

вых =

E(Rt + R )(R + Rr) (R-, + R 2) (R2 + Rs)

ТС может включаться также в цепь положительной обратной связи, как показано на рис. 14.11, б. Ток через Rt задается либо с помощью генератора тока /, включаемого на входе усилителя, либо посредством источни-

Рис. 14.11. Схемы включения ТС в цепь обратной связи усилителя по напряжению:

а. б - трехпроводной линией связи: в - четерыхпроаодной ливней связн.

ка напряжения, подключаемого ко входу усилителя через токозадающий резистор. Выходное напряжение схемы при Rj,i= R 2 определяется нз выражения

3 (/?, - Rt)

R> + л2

- IR.

Применение четырехпроводной линии в схемах с включением Rt в цепь параллельной обратной связи дает возможность уменьшить погрешность & в схеме, изображенной на рис. 14.11, е. Напряжение на выходе при R = /?лЗ а также при Rj = = /?з = R определяется формулой

Е [Ri + /?лз) 2 (?+ /? ) ;

На рис. 14.12, а приведена схема трехпроводного подключения ТС в цепь отрицательной обратной связи по току. Напряжение на выходе при л1 = л2 выражается так:

вых =

Е (RtR - RRs)

R, (Ri + Ri)

Выбрав = {R - сопротивление Rt при / = 0°C), можно скомпенсировать начальное выходное напряжение схемы, обусловленное

неравенством нулю Rt, при температуре О °С, если ютала прибора про-градуирована п градусах Цельсия.

В схеме рис. 14.12, 6 нег необходимости выполнять специальные ограничивающие условия для того, чтобы устранить влнятте линий свяаи. Они могут быть неравными между собой, так как ток / при значении коэффициента усиления усилителя kоо, завпснт лишь от значений Е \: R н

/7/

/,3

I

Рис. 14.12. Схемы включения ТС в цепь обратной связи по току:

а - трехпроводной линией связи; б, в, г - четырехпроводной линией связи

не зависит от Rt, Rj и Rjj2- Сопротивления R и R не влияют на результат нреобразоваиия, поскольку подключаются последовательно с большим входным сопротивлением измерителя напряжения.

Схемы, изображенные на рис. 14.12, а, б, обладают существенным для многих практических применений недостатком, заключающимся в том, что терморезистор должен быть незаземленным и оба входа измерителя напряжения необходимо отрывать от общей щины. Это обусловливает использование отдельного источника питания усилителя и стабилизатора Е, что в свою очередь вызывает появление помех, особенно при питании Rt переменным током.

Универсальна по применению схема с подключением Rt на выходе усилителя, охваченного как отрицательной, так и положительной обратны-

ми связями (рис. 14.12. в). Выходной ток такой схемы определяется из выражения [2361

ER2R

= R.RR, + IR2R, - rVrI) W -f ?л1 + л2) Чтобы ток / не зависел от R а также от R и Rj2, необходимо обеспечить условие RiRi = RjRa и тогда при R = R = R хок I - -щ-. Если заземлить резистор Rj, а R2 подключить к выходу источника напряжения Е, то ток / изменит лишь направление, что позволяет просто осуществить режим инверсии тока, протекающего через ТС, уменьшить влияние дрейфов напряжений операционных усилителей.

Последняя схема может входить в состав приборов системного применения с коммутацией выводов ТС, находящихся в средах с различной тем-ратурой. В этом случае вместо одного подключается набор термсрезисто-ров, соединенных последовательно или параллельно через ключи коммутатора. Коммутировать токи ТС от одного источника тока синхронно с коммутацией потенциальных зажимов ТС нецелесообразно, так как это приводит к затягиванию переходных процессов (особенно при длинных линиях связи) и снижению быстродействия прибора. При последовательном соединении Rt иа выходе стабилизатора гока возникают усложнения, связанные с разрывом цепи нагрузки, который может быть вызван повреждением соединительных проводов или чувствительных элементов ТС. Применение коммутатора на входе измерителя напряжения накладывает жесткие требования к остаточным напряжениям ключей коммутатора, обусловливает значительное количество ключевых элементов коммутации трехпроводной или четырехпроводной линии связи.

Преимуществом схемы рис. 14.12, в является ее возможность получить линейную зависимость выходного напряжения от измеряемой температуры при использовании ТС с нелинейной функцией преобразования. Для этого нижний по схеме конец резистора R2 необходимо подключить к источнику напряжения, являющегося функцией выходного напряжения вых- Тем самым через ТС будет протекать дополнительный ток, функционально связанный с измеряемой температурой. Значение тока выбирается таким образом, чтобы с ростом температуры (когда чувствительность ТС падает) он увеличивался на величину, соответствующую уменьшению чувствительности ТС.

Схемы с обратной связью по току позволяют получить выходной сигнал, пропорциональный разности сопротивлений цепи обратной связи. Этим обеспечивается простота реализации смещения выходного сигнала к нулевому уровню при начальном сопротивлении ТС, соответствующем нижнему пределу диапазона измеряемых температур, а также измерение разности температур с помощью двух ТС. Вариант схемы представлен иа рис. 14.12, г. Напряжение между точками а и б равно

и.б = - It) I-

Если R = Rji в заданном диапазоне измеряемых температур, то выходное напряжение прямо пропорционально приращению сопротивления Rt. Переключением значений резистора R обеспечивается выбор диапазонов измерения. Поскольку коммутация осуществляется в токовой цепи, то могут быть использованы бесконтактные-элементы на МОП-транзисторах. Аналогичное утверждение справедливо и при коммутации ТС. Включение вместо резистора R другого ТС позволяет получить выходной сигнал пропорциональный разности температур,

Для получения линейной зависимости выходного напряжения от измеряемой температуры с помощью резистора R можно изменять ток в

nenri ТС, добиваясь постоянной чувствительности выходного напряжения схемы во всем диапазоне измерения.

В устройствах измерения температуры существенное влияние на результат измерения оказывают контактные термоЭДС и наводимые помехи, температурные и временные дрейфы напряжения, нестабильность коэффициентов преобразования и источника питания ТС. Вызванные множеством влияющих факторов эти погрешности являются случайными и имеют аддитивные и мультипликативные составляющие. Однако при определенном соотношении между временем изменения влияющих факторов и временем измерения систематические составляющие таких погрешностей преобладают, и их можно скорректировать. В лабораторных приборах коррекция погрешностей осуществляется путем периодических подстроек, и таким образом уменьшается их влияние на результат измерения. В много-

-Н--э

Рис. 14.13. Схема измерительной цепи с логометрической коррекцией погрешности

канальных приборах, а также в приборах эксплуатирующихся в производственных условиях, такая коррекция исключается.

Эффективным методом уменьшения аддитивных погрешностей, вызванных дрейфами напряжений, термоЭДС, возникающих в местах контактов проводов, а также помех, является фильтрация сигР1алов измеряемых и влияющих величин. Она Э(х)ективна лишь тогда, когда спектры частот информативного сигнала и влияющего фактора существенно различны. Поскольку частота изменения влияющего фактора, как правило, известна, то выбором частоты, на которой производится измере)П1е нтформативного сигнала, удается осуществить инвариантность по отношению к влияющим факторам. Однако повышение частоты в некоторой степени ограничено. Частота питания ТС и погрешность преобразования связаны определенной вероятностной зависимостью, показывающей, что с понижением несущей частоты повышается разрешающая способность и точность преобразования, что сопровождается пониженнем быстродействия [702, 939], Характерно то, что погрешность преобразования практически прямо пропорциональна значению несущей частоты. Такое соотношение хорошо сог/1асуется с влиянием реактивных составляющих ТС и линии связи от частоты (649, 1312].

Схема измерительной цепи, позволяющая уменьшить аддитивную и мультипликативную составляющие погрешности, представлена на рис. 14.13. Аддитивная погрешность от дрейфа напряжения входных усилителей и контактных термоЭДС отфильтровывается питанием ТС переменным током, т. е. обеспечивается частотное разделение информативного параметра сигнала от влияющих факторов. Мультипликативная погрешность, вызванная в основном нестабильностью тока питания ТС, уменьшается с помощью логометрической коррекции. При этом имеется делительное устройство (ДУ) и два пространственно разделенных канала, один из которых участвует в преобразовании напряжения, снимаемого с ТС, а другой - с образцового резистора R-

= /R2 - (h - h) Rt - (h - h) R 3-

При Rj2 = лЗ и г = -2/i получим

= liRi.

где k, - коэффициенты преобразования соответствующих каналов, - коэффициенты преобразования сумматора по соответствующим входам. При соблюдеиии условия kjkiRo ~ jsi выходное напряжение

вых = *2,*да

где - коэффициент преобразования делителя.

Выходное напряжение не зависит от аддитивных погрешностей, вносимых дрейфами напряжений входных цепей схемы, и мультипликативных составляющих, вызванных нестабильностью тока питания ТС, Погрешности сумматора, усилителей У1 и У2, реализованных на операционных усилителях с большим коэффициентом усиления, определяются нестабильностью резисторов цепи обратной связи [622], Влияние дрейфов напряжений смещений сумматора и преобразователей переменного напряжения в постоянное и фильтров ФНЧ уменьшается во столько раз, во сколько больше единицы коэффициенты усиления fej, усилителей У1 и У2 [236], Влияние погрешности делителя несущественно, поскольку преобразование осуществляется на небольшом участке динамического диапазона делителя, который определяется нестабильностью тока питания ТС.

Наилучшими свойствами в отношении инвариантности преобразования к параметрам линии связи сопротивления ТС в напряжение обладают четырехпроводные линии связи. Однако четырех проводная схема подключения ТС экономически невыгодна. В существующих серийных ВП используется лишь трехпроводное подключение ТС. Необходимость повышения точности измерения (погрешность от влияния трехпроводной линии связи в мостовых схемах может достигать 1,5 % и более [769]) требует установки дополнительных проводов линии связн, что в условиях эксплуатации не всегда просто реализовать. Целесообразным является использование трех-проводных линий связи с включением их в такие схемы, в которых достигается эффект четырехпроводного подключения. Последние могут быть реализованы с использованием коррекции изменений напряжения или тока, вызываемых изменением сопротивлений проводов.

На рис. 14.14, а приведена схема, в которой производится вычитание падений напряжений на сопротивлениях трехпроводной линии связи. Выходное напряжение схемы

вых = t/i - t/2 = IKh [(/?<+ /?л1 + лз) - лЗг]. где!, *з - коэффициенты усиления усилителей УI, У2, УЗ соответственно. Прн условии, что 2 = 21, = /?jj3 имеем

вых =

В этой схеме предъявляется высокое требование к усилителю У2, который должен иметь очень малый температурный дрейф напряжения смещения, лоскольку последнее суммируется с полезным сигналом, снимаемым с ТС. Лучшие метрологические характеристики Имеют схемы, в которых осуществляется компенсация не падений напряжений на сопротивлениях линии связи, а тока, вызывающего эти изменения.

В схеме (рис. 14.14, б) используется два разнополярных источника тока /а и /i. Выходное напряжение усилителя