СПОСОБ ОЦЕНКИ ТЕРМИСТОРОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК G01K15/00 

Изобретение относится к области температурных измерений и может использоваться для сортировки или подбора термисторов, имеющих идентичные с заданной точностью температурные зависимости их информативных параметров.

Известен способ сортировки термометров сопротивления, заключающийся в том, что сначала измеряют значение сопротивления при нулевой температуре, а потом проводят оценку (сортировку) термисторов по значениям сопротивления, полученных при измерениях [1]
Такой способ обладает высокой точностью сортировки только при подборе датчиков температуры с хорошей воспроизводимостью температурной чувствительности (например, датчики на проводниковых материалах).

При сортировке полупроводниковых термометров (термисторов) указанный способ имеет невысокую точность, поскольку значения температурной чувствительности термисторов имеют сравнительно большой разброс и поэтому подбор по одному значению сопротивления, полученному при определенном значении температуры не может обеспечить требуемой точности сортировки.

Наиболее близок к предложенному способ оценки термисторов [2] включающий измерение значений сопротивления последних при двух значениях температуры. При этом по полученным значениям сопротивлений определяют некоторый коэффициент B по формуле
B K lg R₁/R₂ (1)
где K постоянный коэффициент, соответствующий типу термистора; R₁, R₂ значения сопротивлений термисторов, полученных при двух значениях температуры. Коэффициент B отражает чувствительность термистора.

Оценку термисторов в дальнейшем проводят по двум значениям: R1, B. Однако такой способ не может обеспечить высокой точности оценки (сортировки), поскольку чувствительность термисторов, изменяясь во всем диапазоне измерения температуры, имеет случайный характер как в любом диапазоне измерения, так и в каждой измеряемой точке. Значения чувствительности для термисторов могут изменяться в широких пределах [3]
Известно также устройство [4] которое можно использовать для реализации указанного способа, содержащее криостат с размещенными в нем контейнерами для образцового и градуируемых термопреобразователей, измеритель термометрического параметра, измерители тепловой инерции, коммутатор, генератор тактовых импульсов и регистратор, в качестве которого используется цифропечатающее устройство. В криостате поочередно устанавливаются определенные значения температуры, при которых методом сличения с образцовым термопреобразователем определяют значения сопротивлений градуируемых термисторов. При этом термисторы с помощью коммутатора поочередно подключаются к измерителю термометрического параметра. Измеренные значения записываются в регистратор.

Однако указанное устройство не может обеспечить высокой точности оценки термисторов из-за большого различия температурных характеристик последних, поскольку не имеет средств для специальной обработки измерительной информации, по результатам которой можно выделить термисторы с идентичными температурными характеристиками.

Цель изобретения повышение достоверности оценки термисторов.

Поставленная цель достигается тем, что измеряют значение термометрического параметра у испытуемых и образцового термисторов при m≥2 значениях температуры, преобразуют его в код, определяют обобщающий показатель для каждого термистора по формуле

где n число проведенных измерений значений термометрического параметра, a_ji число контрольных значений температуры; j измеренное значение сопротивления термистора, после чего сравнивают образцовый и испытуемый термисторы по обобщающему показателю и сортируют испытуемые термисторы по группам.

Для достижения указанной цели в устройство для оценки термисторов, содержащее размещенный в термостате образцовый термистор, коммутатор, первый вход которого выполнен с возможностью подключения к нему испытуемых термисторов, а выход ко входу измерителя термометрического параметра и блок регистрации дополнительно введены источник постоянного тока, задатчик температуры в термостате, первый и второй компараторы напряжения, магазин опорных напряжений, блок управления, первое и второе постоянное запоминающее устройство, первое и второе оперативное запоминающее устройство, блок вычитания, блок перемножения, сумматор и исполнительный механизм, при этом образцовый термистор своими токовыми выводами подключен к источнику постоянного тока, первым потенциальным выводом соединен с первыми входами первого и второго компараторов напряжения, ко вторым входам которых подключены соответствующие выводы магазина опорных напряжений, а вторым потенциальным выводом соединен с третьими входами первого и второго компараторов, группа выходов измерителя термометрического параметра подключена к группе адресных входов первого ПЗУ, соединенного группой выходов с группой информационных входов первого ОЗУ, подключенного группой выходов к первой группе входов блока вычитания, подключенного группой выходов к первой группе входов блока перемножения, соединенного второй группой входов с группой выходов второго ПЗУ, а группой выходов подключенного к группе входов сумматора, подключенного группой выходов к группе информационных входов второго ОЗУ, соединенного группой выходов с группой входов блока регистрации, со второй группой входов сумматора и с группой входов исполнительного механизма, блок управления первым, вторым и третьим входами, подключенный соответственно к выходам первого и второго компараторов напряжения к выходу "конец преобразования" измерителя термометрического параметра, а своим первым, вторым и третьим выходами соединенный соответственно с управляющими входами датчика температуры, блока регистрации и исполнительного механизма, и входом "начало преобразования" измерителя термометрического параметра, первая группа выходов блока управления соединена с группой адресных входов коммутатора и с группами адресных входов первого и второго ОЗУ, вторая группа выходов соединена с входами выборки первого и второго ОЗУ, третья группа выходов подключена к группе управляющих входов магазина опорных напряжений и к группе адресных входов второго ПЗУ, ко второй группе входов блока вычитания и к группе управляющих входов измерителя термометрического параметра, выполненного в виде цифрового преобразователя сопротивления.

На фиг. 1 представлена схема указанного устройства, где: I₁, I₂, I_g испытуемые термисторы; 2 термостат; 3 - измеритель термометрического параметра; 4 образцовый термистор; 5 - коммутатор; 6 блок регистрации; 7 источник постоянного тока; 8 задатчик температуры в термостате; 9, 10 первый и второй компараторы напряжения; 11 - магазин опорных напряжений; 12 блок управления; 13, 14 первое и второе ПЗУ; 15, 16 первое и второе ОЗУ; 17 блок вычитания; 18 блок перемножения; 19 сумматор; 20 исполнительный механизм.

На фиг. 2 представлена блок-схема блока управления 12, где 21, 22 - соответственно управляющий 21 и операционный 22 автоматы [5]
На фиг. 3, 4 представлены блок-схема микропрограммы и временные диаграммы работы блока управления 12. Приняты следующие обозначения меток (фиг. 4); 1 включение первого 15 и второго 16 ОЗУ; 2 выбор исследуемого термистора I_i ( ); 3 выбор температуры, при которой исследуется термистор I_i (температурной точки); 4 анализ выходного сигнала первого 9 компаратора; 5 сигнал на включение задатчика температуры 8, если сигнал компаратора 9 ноль; 6 анализ выходного сигнала второго компаратора 10; 7 - сигнал выключения задатчика температуры 8, если сигнал компаратора 10 - единица; 8 подготовка первого ОЗУ 15 к записи; 9, 10 подача импульса на вход "начало преобразования" измерителя термометрического параметра (ИТП)3; 11 анализ выходного сигнала ИТП 3 "конец преобразования"; 12 формирование сигнала чтения из первого 15 и второго 16 ОЗУ; 13 формирование сигнала записи чисел K_ji во второе ОЗУ 16.

Разрядность первого, второго и третьего входа блока управления 12 равна 1 линии, разрядность по первому, второму и третьему выходам равна 1 линии, разрядность по первой группе выходов log₂q линий, где q количество исследуемых термисторов. Разрядность блока управления 12 по второй группе выходов 4 линии: 2 линии выборки кристаллов ОЗУ 15 и 17 и 2 линии чтение/запись этих ОЗУ, а разрядность по третьей группе выходов - log₂m, где m максимальное количество устанавливаемых значений температуры (температурных точек).

Метрологические требования по обеспечению оценки термисторов с заданной точностью определяют допустимый диапазон отклонений значений этих температур в термостате от заданных. Указанный диапазон относительных отклонений не должен превышать 1/4δ_c от заданного значения температуры tδ_c допустимая погрешность оценки в процентах.

При таком соотношении допустимой погрешности оценки и диапазона отклонения температуры от заданного значения последним можно пренебречь.

Установлено и поддержание температуры в термостате свойственна инерционность, ведущая к колебанию действительной температуры в термостате в некоторых пределах, определяемых инерционностью датчика и системы регулирования температуры. Такое изменение температуры может превышать допустимый диапазон, определенный метрологическими требованиями к оценке. Для исключения возможного измерения сопротивлений при температурах за пределами допустимого диапазона, в устройство введены блоки для определения действительного значения температуры в термостате 2 (с погрешностью применяемого средства измерения), в частности образцовый термистор 4, помещенный в термостат 2 для определения в нем температуры, а также два компаратора 9, 10 и магазин опорных напряжений 11.

В ИТП 3 предусмотрено программированное изменение дискретности измерения (преобразования) сопротивления.

ПЗУ 13, в котором записана матрица чисел a_ji, служит для кодирования результатов измерения значений сопротивлений в числа натурального ряда .

Блоки 14, 16, 17, 18, 19 предназначены для функциональной обработки результатов измерений, представленных числами натурального ряда на основании результатов измерения сопротивлений термисторов в температурном диапазоне их использования, необходимо получить обобщающую характеристику температурной зависимости сопротивления термистора в виде одного числа, по которому оценяют термисторы, согласно алгоритма [4] Блок 17 реализует функцию . В ПЗУ 14 записаны значения с соответствующими адресами j. Блок 18 реализует функцию . Сумматор 19 суммирует значения на выходе блока 18 по каждому термистору в отдельности на протяжении всего цикла измерения. Для записи промежуточного результата суммирования блока 19 введено ОЗУ 16.

Способ используют следующим образом. По номинальной температурной характеристике термистора определяют значения температуры, при которых измеряют действительные значения сопротивлений термисторов с помощью ИТП 3.

Разрядность ИТП устанавливают, исходя из требуемой точности оценки. Значение его младшего разряда определяет зону значений сопротивлений, для которых допустимо представление каждого из них одним и тем же числом. Очевидно, что повышение точности оценки ведет к уменьшению значения единицы младшего разряда ИТП 3.

Например, если относительная погрешность оценки в каждой из точек составляет 1% то при измерении сопротивлений в диапазоне температур от 10К до 100К значение единицы младшего разряда будет меняться от 100 Ом и до 1000 Ом.

По известным максимальному разбросу сопротивлений термисторов, значению единицы младшего разряда ИТП, а также значению сопротивления в измеряемой точке, определяют количество возможных при этом измеряемых значений сопротивления
(2)
где n_i количество возможных измеряемых значений сопротивления в одной измеряемой точке; R_нi номинальное значение измеренного сопротивления в этой точке; δ_p максимальная величина разброса сопротивления в процентах; ΔR значение сопротивления единицы младшего разряда ИТП при измерении сопротивления в j-ой точке.

Полное множество возможных значений сопротивлений, полученных при измерениях во всем температурном диапазоне исследуемых термисторов

Далее каждому возможному значению сопротивления в порядке уменьшения ставят в соответствие числа натурального ряда (где n N), т.е. формируют матрицу чисел.

После этого измеряют действительные значения сопротивления термистора при задаваемых m значениях температуры. Измеренным значениям ставят в соответствие числа натурального ряда, в результате чего получают некоторую комбинацию из m элементов натурального ряда , с заданной точностью однозначно отражающую температурную характеристику данного термистора.

Полное количество возможных колебаний комбинаций в этом случае равно числу размещений Amn

(число размещений из n элементов по m). Однако на практике в процессе определения характеристик термисторов количество комбинаций будет меньше, ввиду того что температурная характеристика термистора монотонна. Это накладывает определенные ограничения на размещения Amn: каждый последующий член последовательности должен быть больше предыдущего.

Далее определяют взаимооднозначное соответствие между множеством размещений и множеством натуральных чисел на отрезке . Для определения номера размещения, а в конечном итоге и характеристики термистора, используют формулу (6):

где n количество всех возможных измеряемых значений сопротивлений термисторов с учетом их разброса; m количество элементов в одной комбинации, отвечающее количеству измеряемых точек на характеристике термистора; a_ji значение элемента на j-ом месте размещения, отвечающее i-му термистору; В (4) учтено ограничение на размещения, обусловленное монотонностью значений элементов, его образующих.

В дальнейшем по значениям L_i судят об идентичности термисторов. Термисторы с одинаковыми L_i считают подобранными с заданной точностью в одну группу идентичных характеристик, вид которых можно при необходимости определить по уже известным параметрам L_i, m, n.

Таким образом, использование методов комбинаторики для представления температурной характеристики термистора в виде обобщенного числа, однозначно отвечающего указанной характеристике, дает возможность существенно увеличить точность оценки термисторов при незначительном усложнении оборудования, что выгодно отличает указанный способ от аналогов.

Устройство работает следующим образом: j-ое значение температуры в термостате 2, установленное блоком управления 12 (первый выход) с помощью задатчика 8 соответствует первому значению температуры, при которой измеряют сопротивление термисторов I₁,I_q. Напряжение на образцовом термисторе 4, вызванное протеканием тока I₀ источника постоянного тока 7 равно
U_т= R_т • I₀ (5)
где R_т значение сопротивления образцового термистора при этой температуре. Это напряжение поступает на вторые входы компараторов 9, 10, на первые входы которых поступают напряжения с выходов магазина опорных напряжений 11 соответственно
(6)
где значение сопротивления образцового термистора при температурах соответственно ; T_j заданное значение температуры в j-ой проверяемой точке (в данном случае j 1). Значения соответствуют предельным значениям температур в термостате 2, в промежутке между ними допустимо измерение сопротивления термисторов.

При этом сигналы, поступающие на первый и второй входы блока управления 12, могут иметь следующие комбинации: 00, 10, 11 в зависимости от действительной температуры в термостате 2 (первый сигнал отвечает компаратору 9, второй 10). Первая комбинация соответствует температуре ниже температурного диапазона измерения сопротивлений, вторая температура этого диапазона, третья температуре выше этого диапазона.

Блок управления 12 анализирует выходные сигналы компараторов 9, 10 и только при комбинации 10 разрешает измерение сопротивлений термисторов. При этом по сигналу с первой группы выходов блока управления 12 один из термисторов I₁,I_q через коммутатор 5 подключается на вход ИТП 3, дискретность которого установлена предварительно сигналом с третьей группы выходов блока управления 12. Значение единицы младшего разряда ИТП 3
(7)
где δ_кв допустимая погрешность кантования, равная погрешности оценки δ_с X_j номинальное значение сопротивления в измеряемой точке.

По сигналу с третьего выхода блока управления 12 ИТП 3 измеряет сопротивление термистора I_i (), с помощью матриц чисел, записанной в ПЗУ 13 измеренному значению сопротивления термистора I_i становится в соответствие число натурального ряда , которое запоминается в ОЗУ 15. Далее по сигналу, поступающему на третий вход блока управления 12, последний проверяет выходную комбинацию сигналов компараторов 9, 10 и если она 10, измеряется сопротивлением следующего термистора I_i+1, работа повторяется до тех пор, пока не измеряется сопротивление последнего термистора I_q.

Далее блок управления 12 вырабатывает на первом выходе сигнал в задатчик температуры 8 на установление очередного (j+1) то значения температуры в термостате 2, а устройство переходит в режим обработки чисел a_ji, записанных в ОЗУ 15. При этом считываемые значения из ОЗУ 15 поочередно, по сигналам со второй группы выходов блока управления 12, поступают на первую группу входов блока вычитания 17, на вторую группу входов которого по сигналу с первой группы выходов блока управления 12 поступает число, равное j. Выходной сигнал блока 17 подается на первую группу входов блока перемножения 18, на вторую группу входов которого поступает число из ПЗУ 14, адрес которого устанавливает блок 12 и равен j. Полученный на выходе блока 18 сигнал поступает на первую группу входов сумматора 19, на вторую группу входов которого подается число с ОЗУ 16. Адрес ячейки ОЗУ 16, с которой считывается информация, устанавливается на второй группе выходов блока 12 и аналогичен адресу, который установлен на группе адресных входов ОЗУ 15, что соответствует номеру проверяемого термистора. Результат из сумматора 19 далее записывается в ту же ячейку ОЗУ 16, с которой было считано соответствующее слагаемое.

Перед началом измерения сопротивления термисторов I₁,I_q в первой проверяемой точке информации, записанная в ОЗУ 16, обнуляется. Поэтому при j 1 в сумматор 19 поступает

соответственно при j≠1

где K_ji результат сложения, записанный в ОЗУ 16 по i-му адресу после j-ой проверяемой точки.

После обработки результатов измерения, полученных при одном значении температуры и записи в ОЗУ 16 соответствующих чисел K_ji, блок 12 вырабатывает на третьей группе выходов сигнал в блоки 3, 11, 14, 17, отвечающий (j+1)-му значению температуры. При этом в блоке 3 выставляется заданная дискретность измерения, а блок 11 устанавливает необходимые напряжения на входы компараторов 9, 10. На группе адресных входов блока 14 и второй группе входов блока 17 устанавливается число (j+1).

Далее работа повторяется до тех пор, пока не будут пройдены все m значений температуры и измерены соответствующие значения сопротивлений термисторов I₁,I_q. По окончании обработки результатов измерения сопротивления при температуре с индексом j m в блоке ОЗУ 15 получают следующие значения

представляющие собой номера типовых характеристик термисторов (см. (4)) или обобщающие числа соответствующих термисторов, однозначно определяемые их температурными зависимостями.

Далее термисторы сортируются. Для этого по сигналу со второго выхода блока 12 информация, записанная в ОЗУ 16 регистрируется в блоке 6 и подается на исполнительный механизм 20, который расставляет термисторы по соответствующим ячейкам, в которых хранятся термисторы с идентичными температурными зависимостями.

Устройство можно реализовать на микросхемах К572 (блок 3), К168 (блок 5), К564 (блоки 9, 10), К140 (блок 11), Е555 (блоки 12, 17-19), К556 (13, 14), К565 (15,16)
Источники информации
1. ТУ 25202221986-79.

2. ОЖО7468.031ТУ.

3. "Электрические измерения электрических и неэлектрических величин". Полищук В.С. К. "Вища школа", 1984 г.

4. А.С. СССР N 957014, G 01 K 15/00; 1978 г.

5. "Принципы организации ЦВМ" Майоров С.А. и др. Л. Машиностроение, 1974 г.

6. Коган В.С. "О преобразовании кодов, составленных по закону размещения в двоичные коды". Сборник научных трудов ЦНИИ связи, 1984 г. вып. 1.

Использование: для сортировки или подбора термисторов в области температурных измерений. Сущность: 1) способ оценки термисторов, заключающийся в измерении термометрического параметра у испытуемых термисторов и у образцового при m≥2 значениях температуры, преобразовании измеренного значения в код, определении обобщающего показателя L_i для каждого термистора по формуле , где n - число проведенных измерений значений термометрического параметра, m - число контрольных значений температуры, a_ji - измеренное значение сопротивления термистора, сравнении образцового и испытуемого термисторов по обобщающему показателю и сортировки испытуемых термисторов по группам; 2) Устройство для реализации способа по п.1 содержит: g - испытуемых термисторов (1), один термостат (2), один измеритель термометрического параметра (3), один образцовый термистор (4), один коммутатор (5), один блок регистрации (6), один источник постоянного тока (7), один задатчик температуры в термостате (8), два компаратора напряжения (9, 10), один магазин опорных напряжений (11), один блок управления (12), два постоянных запоминающих устройства (13, 14), два оперативных запоминающих устройства (15, 16), один блок вычитания (17), один блок перемножения (18), один сумматор (19) и один исполнительный механизм (20). 2 с.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ оценки термисторов, заключающийся в измерении термометрического параметра у испытуемых термисторов и у образцового термистера при нескольких значениях температуры и обработке результатов измерений, отличающийся тем, что, с целью повышения достоверности, измеряют значения термометрического параметра при m ≥ 2 значениях температуры, преобразуют его в код, определяют обобщающий показатель для каждого термистора по формуле

где n число проведенных измерений значений термометрического параметра;
m число контрольных значений температуры;
a_ji измеренное значение сопротивления термистора,
после чего сравнивают образцовый и испытуемые термисторы по обобщающему показателю и сортируют испытуемые термисторы по группам. 2. Устройство для оценки термисторов, содержащее размещенный в термостате образцовый термистор, коммутатор, первый вход которого выполнен с возможностью подключения к нему испытуемых термисторов, а выход к входу измерителя термометрического параметра, и блок регистрации, отличающееся тем, что, с целью повышения достоверности, в него введены источник постоянного тока, задатчик температуры в термостате, первый и второй компараторы напряжения, магазин опорных напряжений, блок управления, первое и второе постоянные запоминающие устройства, первое и второе оперативные запоминающие устройства, блок вычитания, блок перемножения, сумматор и исполнительный механизм, при этом образцовый термистор токовыми выводами подключен к источнику постоянного тока, первым потенциальным выводом соединен с первыми входами первого и второго компараторов напряжения, к вторым входам которых подключены соответствующие выводы магазина опорных напряжений, а вторым потенциальным выводом соединен с третьими входами первого и второго компараторов, группа выходов измерителя термометрического параметра подключена к группе адресных входов первого постоянного запоминающего устройства, соединенного группой выходов с группой информационных входов первого оперативного запоминающего устройства, подключенного группой выходов к первой группе входов блока вычитания, подключенного группой выходов к первой группе входов блока перемножения, соединенного второй группой входов с группой выходов второго постоянного запоминающего устройства, а группой выходов подключенного к группе входов суммматора, подключенного группой выходов к группе информационных входов второго оперативного запоминающего устройства, соединенного первой группой выходов с группой входов блока регистрации, с второй группой входов сумматора и с группой входов исполнительного механизма, блок управления первым, вторым и третьим входами подключен соответственно к выходам первого и второго компараторов напряжения и выходу "Конец преобразования" измерителя термометрического параметра, а своим первым, вторым и третьим выходами соединен соответственно с управляющими входами задатчика температуры, блока регистрации и исполнительного механизма и входом "Начало преобразования" измерителя термометрического параметра, первая группа выходов блока управления соединена с группой адресных входов коммутатора и с вторыми группами адресных входов первого и второго оперативных запоминающих устройств, вторая группа выходов соединена с третьими группами входов первого и второго оперативных запоминающих устройств, третья группа выходов подключена к группе управляющих входов магазина опорных напряжений и к группе адресных входов второго постоянного запоминающего устройства, к второй группе входов блока вычитания и к группе управляющих входов измерителя термометрического параметра, выполненного в виде цифрового преобразователя сопротивления.