СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ СРЕДЫ Российский патент 2015 года по МПК G01K7/18 

Изобретение относится к температурным измерениям, а именно к способам для измерения температуры термопреобразователями сопротивления, и может быть использовано для измерения температуры окружающей среды.

При измерении температуры посредством термопреобразователя сопротивления, как правило, возникает проблема дополнительного нагрева термопреобразователя от тока опроса, протекающего через него при измерении сопротивления. Наличие дополнительного нагрева, обусловленного током опроса, снижает точность измерений, так как приводит к увеличению погрешности измерений температуры, значение которой трудно учесть, так как она имеет нестабильный характер. Для минимизации влияния величины тока опроса на точность измерений для термопреобразователей сопротивления, используемых для измерения температуры, допускаемое значение обтекающего их тока составляет единицы миллиампер. Однако при этом соответственно падение напряжении на термопреобразователе, которое требуется измерять, также мало и составляет порядка 0,5 В. Возникает проблема обеспечения максимального уровня сигнала, снимаемого с термопреобразователя. Для согласования сигнала термопреобразователя сопротивления и последующих устройств, например аналого-цифрового преобразователя, используют усилители постоянного тока.

Известен способ измерения температуры, реализованный в устройстве для измерения температуры, в котором при изменении сопротивления термопреобразователя вследствие изменения температуры контролируемой среды, добиваются максимального уровня сигнала с термопреобразователя при допустимой мощности рассеивания, автоматически регулируя величину тока опроса посредством блока стабильных источников тока, для чего каждый стабильный источник тока настроен на генерацию заданного фиксированного тока опроса для конкретного диапазона значений сопротивлений термопреобразователя, полученный сигнал усиливают (СССР, авт.свид. №1394062, G01K 7/00, 07.05.88).

Известный способ позволяет формировать оптимальный режим работы термопреобразователя, получая с него максимально возможный сигнал при сохранении максимально допустимой мощности рассеивания. Однако сигнал с термопреобразователя по-прежнему остается мал (доли вольта) и для обеспечения работоспособности устройства требуется дополнительное усиление сигнала, что вносит дополнительную погрешность в результаты измерений температуры, так как выходные параметры усилителей зависят от многих факторов: стабильность источника питания, характеристики окружающей среды. При этом погрешность, обусловленную использованием усилителей сигналов, трудно учесть, так как она имеет нестабильный характер. Минимизация погрешности, вносимой усилителем, приводит к усложнению устройства, реализующего способ. Кроме того, способ регулирования величины тока опроса сложен в реализации.

Наиболее близким к предлагаемому является способ определения температуры (РФ, патент №2229692, G01K 7/18, 27.05.2004). Измерение температуры выполняют программно под управлением микроконтроллера. При измерении температуры сигналом с выхода микроконтроллер сначала подключает источник тока опроса к эталонному резистору, а затем поочередно к термопреобразователям сопротивления. Цикл измерения начинают с измерения падения напряжения на эталонном резисторе, которое усиливают, преобразуют АЦП в цифровой код и запоминают в памяти контроллера. Аналогично поочередно измеряют падение напряжения на термопреобразователях сопротивления, при этом коммутаторы поочередно подключают термопреобразователи к источнику тока опроса и к усилителю. После поступления информации со всех термопреобразователей сопротивления в память микроконтроллера микроконтроллером выключают стабилизатор напряжения и последовательно производят вычисление температуры каждой исследуемой среды по заданному ранее алгоритму.

Недостаток известного способа прежде всего состоит в том, что в нем, как и в предыдущем аналоге, сигнал с термопреобразователя по-прежнему остается мал (доли вольта), что для обеспечения работоспособности способа требуется дополнительное усиление сигнала. Использование в измерительной цепи усилителя сигнала вносит дополнительную погрешность в результаты измерений температуры, так как выходные параметры усилителя зависят от многих факторов: стабильности источника питания, характеристик окружающей среды. При этом погрешность, обусловленную использованием усилителей сигналов, трудно учесть, так как она имеет нестабильный характер. Минимизация погрешности, вносимой усилителем, приводит к усложнению устройства, реализующего способ.

Кроме того, в известном способе измерение падения напряжения на эталонном резисторе и термопреобразователях сопротивления выполняют поочередным подключением к ним источника тока опроса, т.е. при измерении падения напряжения ток опроса протекает или только через эталонный резистор, или только через термопреобразователь сопротивления, т.е. эти цепи электрически не связаны. При этом равенство величины тока опроса для эталонного резистора и для термопреобразователей обеспечивается специальными аппаратурными средствами. Это объясняет необходимость использования стабилизированного источника постоянного напряжения. Необходимость использования стабилизированного источника постоянного напряжения, формирующего ток опроса, усложняет выполнение заявленного способа.

Предлагаемое изобретение решает задачу способа измерения температуры среды, осуществление которого позволяет достичь технического результата, заключающегося в возможности увеличения уровня сигнала, снимаемого с термопреобразователя сопротивления без превышения допустимого тока опроса, а также в повышении точности измерения и в упрощении.

Сущность заявленного изобретения заключается в том, что в способе измерения температуры среды, в соответствии с которым в исследуемую среду помещают платиновый термопреобразователь сопротивления, создают ток опроса через эталонный резистор и через термопреобразователь, программно под управлением контроллера и в соответствии с заданным алгоритмом измеряют падение напряжения на терморезисторе и на эталонном резисторе, результаты измерения преобразуют в цифровой код, запоминают в памяти контроллера, определяют значение сопротивления термопреобразователя в исследуемой среде и по полученному значению определяют температуру среды, новым является то, что термопреобразователь и эталонный резистор соединяют последовательно с образованием общей электрической цепи для протекания тока опроса, а протекающий через них ток опроса формируют в виде периодической последовательности прямоугольных импульсов со скважностью, при которой средний ток через термопреобразователь сопротивления не превышает допустимой величины, при этом величину скважности определяют по формуле:

$$Q>\frac{Uи}{(Rt+Rэт)\times Iдоп},$$

Где Q - требуемая скважность последовательности импульсов, Uи - значение постоянного напряжения источника питания, формирующего ток опроса термопреобразователя сопротивления и эталонного резистора, Rt - значение сопротивления термопреобразователя при минимальной измеряемой температуре, Rэт - номинал сопротивления эталонного резистора, Iдоп - максимально допустимый ток опроса термопреобразователя.

Технический результат достигается следующим образом. Существенные признаки формулы заявленного изобретения: «Способ измерения температуры среды, в соответствии с которым в исследуемую среду помещают платиновый термопреобразователь сопротивления, создают ток опроса через эталонный резистор и через термопреобразователь программно под управлением контроллера и в соответствии с заданным алгоритмом измеряют падение напряжения на терморезисторе и на эталонном резисторе, результаты измерения преобразуют в цифровой код, запоминают в памяти контроллера, определяют значение сопротивления термопреобразователя в исследуемой среде и по полученному значению определяют температуру среды,...» являются неотъемлемой частью заявленного способа и, в совокупности с оставшимися существенными признаками, обеспечивают его осуществление, а следовательно, обеспечивают достижение заявленного технического результата.

В заявленном способе термопреобразователь и эталонный резистор соединяют последовательно с образованием общей электрической цепи для протекания тока опроса, в отличие от прототипа, где эти цепи электрически не связаны. В результате в измерительной цепи термопреобразователь и эталонное сопротивление обтекаются одним током, параметры которого и для эталонного резистора, и для термопреобразователя сопротивления не отличаются, что исключает необходимость использования стабилизированного источника постоянного напряжения.

Кроме того, ток опроса формируют в виде периодической последовательности прямоугольных импульсов, что обеспечивает возможность подачи на короткий промежуток времени, равный длительности импульса, на термопреобразователь сопротивления и на эталонный резистор напряжения, при котором значение обтекающего их тока позволяет повысить контролируемое падение напряжения на термопреобразователе и эталонном резисторе, до величины, не требующей дополнительного усиления. Причем благодаря форме прямоугольного импульса значение снимаемого падения напряжения будет постоянным. Это позволяет исключить операцию усиления электрического сигнала, снимаемого с термопреобразователя и эталонного резистора.

При этом, поскольку ток опроса формируют в виде периодической последовательности прямоугольных импульсов со скважностью, при которой средний ток через термопреобразователь сопротивления не превышает допустимой величины, то увеличение уровня сигнала, формируемого током опроса на термопреобразователе, происходит без его дополнительного разогрева, обусловленного протеканием через него тока опроса. Обтекание током опроса одновременно термопреобразователя и эталонного резистора позволяет отказаться от стабилизированного источника постоянного напряжения для формирования тока опроса.

В заявленном способе определяют величину скважности по формуле:

$$Q>\frac{Uи}{(Rt+Rэт)\times Iдоп},$$

Где Q - требуемая скважность последовательности импульсов, Uи - значение постоянного напряжения источника питания, формирующего ток опроса термопреобразователя сопротивления и эталонного резистора, Rt - значение сопротивления термопреобразователя при минимальной измеряемой температуре, Rэт - номинал сопротивления эталонного резистора, Iдоп - максимально допустимый ток опроса термопреобразователя, что позволяет формировать от одного источника постоянного напряжения ток опроса для отличных друг от друга термопреобразователей с учетом допустимого для каждого из них режима применения, а также позволяет формировать многоканальные устройства для измерения температуры с широким диапазоном измеряемых температур.

Кроме того, использование для расчета математической формулы упрощает реализацию способа, используя программное обеспечение. Это позволяет отказаться от аппаратной реализации способа в этой части, сократив, тем самым количество операций в выполнении способа.

Как было указано выше, параметры усилителей электрических сигналов зависят от многих факторов: стабильности источника питания, характеристик окружающей среды, что вносит в результаты измерений погрешность, которую трудно учесть, так как она имеет нестабильный характер. Минимизация аппаратными средствами погрешности, вносимой усилителем, приводит к усложнению как устройства, реализующего способ, так и усложняет сам способ измерения температуры среды.

Исключение из способа операции усиления измеряемого сигнала с термопреобразователя и эталонного резистора позволяет упростить выполнение способа, а следовательно, и упростить реализующее его устройство, исключив усилители напряжения, а также повысить точность измерения температуры, полностью исключив аналоговую обработку измеряемого сигнала, поступающего с термопреобразователей сопротивления, и исключив погрешность, вносимую усилителем сигнала.

Кроме того, возможность исключения из заявленного способа операции усиления измеряемого сигнала позволяет непосредственно преобразовывать измеряемый сигнал в цифровой код. В настоящее время элементная база позволяет реализовать в одной микросхеме и контролер, и аналого-цифровой преобразователь, что еще более упрощает реализацию способа.

Таким образом, из вышеизложенного следует, что заявленный способ измерения температуры среды при осуществлении обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в возможности увеличения уровня сигнала, снимаемого с термопреобразователя сопротивления без превышения допустимого тока опроса, а также в повышении точности измерения и в упрощении.

На фиг.1 изображено устройство для измерения температуры среды, реализующее заявленный способ измерения температуры среды, содержащее источник постоянного напряжения 1, аналого-цифровой преобразователь 2 и контроллер 3, соединенные входами-выходами, n термопреобразователей сопротивления 4₁-4_n, эталонный резистор 5, n-канальный коммутатор постоянного напряжения 6, (n+1)-канальный коммутатор 7 (далее - канальный коммутатор), где n=1, 2, 3,…. Источник постоянного напряжения 1 подключен выходом к n-канальному коммутатору постоянного напряжения 6, первые выводы n термопреобразователей сопротивления 4₁-4_n подключены к соответствующим выходам n-канального коммутатора постоянного напряжения 6 и к соответствующим n входам канального коммутатора 7, а вторые выводы подключены к эталонному резистору 5 и к (n+1)-входу канального коммутатора 7. Выход канального коммутатора 7 подключен к входу аналого-цифрового преобразователя 2. Входы управления соответственно 8, 9 коммутатора постоянного напряжения 6 и канального коммутатора 7 подключены соответственно к первому 10 и второму 11 управляющим выходам контроллера 3.

Особых требований к реализации контроллера и АЦП, а также к другим элементам схемы, не предъявляется. Коммутатор постоянного напряжения n-канальный может быть выполнен, например, на биполярных транзисторах; (n+1)-канальный коммутатор может быть выполнен, например, на микросхеме типа 4051; термопреобразователь сопротивления, например, ТПТ-3-1; эталонный резистор - прецизионный резистор, например, С2-29Н.

Заявленный способ осуществляют следующим образом. Термопреобразователь и эталонный резистор соединяют последовательно с образованием общей электрической цепи для протекания тока опроса. В исследуемую среду помещают платиновый термопреобразователь сопротивления. Создают ток опроса, протекающий через термопреобразователь сопротивления и эталонный резистор. Программно под управлением контроллера и в соответствии с заданным алгоритмом измеряют падение напряжения на терморезисторе и на эталонном резисторе, результаты измерений преобразуют в цифровой код, запоминают в памяти контроллера, определяют значение сопротивления термопреобразователя в исследуемой среде и по полученному значению определяют температуру среды. Причем ток опроса, протекающий через измерительную цепь «термопреобразователь - эталонный резистор», формируют в виде периодической последовательности прямоугольных импульсов со скважностью, при которой средний ток через термопреобразователь сопротивления не превышает допустимой величины, при этом величину скважности определяют по формуле:

$$Q>\frac{Uи}{(Rt+Rэт)\times Iдоп},$$

Где Q - требуемая скважность последовательности импульсов, Uи - значение постоянного напряжения источника питания, формирующего ток опроса термопреобразователя сопротивления и эталонного резистора, Rt -значение сопротивления термопреобразователя при минимальной измеряемой температуре, Rэт - номинал сопротивления эталонного резистора, Iдоп - максимально допустимый ток опроса термопреобразователя.

Способ реализуют с помощью устройства для измерения температуры следующим образом. Управление работой устройства, осуществляющего заявленный способ, выполняют программно. Снятие информации с датчиков температуры - термопреобразователей сопротивления 4₁-4_n и эталонного резистора 5 - выполняют поочередно под управлением контроллера 3. После включения напряжения питания на вход управления 8 n-канального коммутатора постоянного напряжения 6 поступает управляющий код с выхода 10 контроллера 3, который подключает к источнику постоянного напряжения 1 конкретную измерительную цепь «термопреобразователь сопротивления - эталонный резистор», например, 4₁, 5. Одновременно на вход управления 9 канального коммутатора 7 поступает код управления с выхода 11 контроллера 3 и подключает к входу аналого-цифрового преобразователя 2 сигнал с эталонного резистора 5. Управляющий код присутствует на входе 9 канального коммутатора 7 в течение времени измерения падения напряжения на эталонном резисторе 5. Падение напряжения на эталонном резисторе 5 измеряют для каждого термопреобразователя сопротивления. После измерения падения напряжения на эталонном резисторе 5 код на входе управления 9 канального коммутатора 7 изменяют таким образом, что на вход аналого-цифрового преобразователя 2 поступает сигнал с контролируемого термопреобразователя сопротивления 4₁. По окончании измерения коды с входа управления 8 коммутатора постоянного напряжения 6 и входа управления 9 канального коммутатора 7 снимают.

Управляющий сигнал (код) с выходов 10 и 11 контроллера 3 представляет собой периодическую последовательность прямоугольных импульсов с заданной скважностью.

Для каждого термопреобразователя сопротивления скважность импульсов заранее определяют по формуле:

$$Q>\frac{Uи}{(Rt+Rэт)\times Iдоп},$$

Где Q - требуемая скважность последовательности импульсов, Uи - значение постоянного напряжения источника питания, формирующего ток опроса термопреобразователя сопротивления и эталонного резистора, Rt -значение сопротивления термопреобразователя при минимальной измеряемой температуре, Rэт - номинал сопротивления эталонного резистора, Iдоп - максимально допустимый ток опроса термопреобразователя.

Скважность управляющих импульсов рассчитывают таким образом, чтобы при подключении источника питания средний ток через термопреобразователь сопротивления не превышал допустимой величины.

Ниже приведен пример расчета величины скважности для терморезистора типа ТПТ-3-1 с величиной сопротивления Rt=80 Ом при минимальной измеряемой температуре (-50°C), при 1 доп=1 мА. Для Ш=5 В, R3T=100 Ом имеем:

$$Q>\frac{Uи}{(Rt+Rэт)\times Iдоп}=5/(80+100)\times 1\times {10}^{-3}\approx 28$$

Измерение падения напряжения на термопреобразователе и эталонном резисторе выполняют в течение времени, равном длительности управляющего импульса. Например, для скважности Q=28 и периоде следования импульсов Т=2,8 с длительность импульса τ составит 0,1 с (Q=T/τ).

При этом через измерительную цепь «термопреобразователь сопротивления - эталонный резистор» протекает импульсный ток опроса, который в короткий промежуток времени, равный длительности импульса, превышает рекомендованное значение тока опроса. Для упрощения расчета допустим Iср=Iдоп=1×10^-3;

Iимп=Iср×Q=1×10^-3× 28=28 мА.

В результате повышается и падение напряжения на термопреобразователе сопротивления и эталонном резисторе до величины, не требующей дополнительного усиления. При этом среднее значение тока опроса через термопреобразователи не превышает допустимого.

После поступления в память контроллера информации с термопреобразователя сопротивления и с эталонного резистора производят вычисление температуры каждой исследуемой среды по заранее заданному алгоритму. Например, перевод сопротивления в градусы выполняют одновременно с линеаризацией характеристики термопреобразователя сопротивления по таблице, заложенной в память контроллера.

Изобретение относится к области термометрии и может быть использовано для измерения температуры окружающей среды. Заявлен способ измерения температуры среды, согласно которому программно под управлением контроллера измеряют падение напряжения на терморезисторе и на эталонном резисторе. Термопреобразователь и эталонный резистор соединяют последовательно с образованием общей электрической цепи для протекания тока опроса. Платиновый термопреобразователь сопротивления помещают в исследуемую среду. Ток опроса формируют в виде периодической последовательности прямоугольных импульсов со скважностью, при которой средний ток через термопреобразователь сопротивления не превышает допустимой величины. Величину скважности определяют по формуле: $$Q>\frac{Uи}{(Rt+Rэт)\times Iдоп},$$

где Q - требуемая скважность последовательности импульсов, Uи - значение постоянного напряжения источника питания, формирующего ток опроса термопреобразователя сопротивления и эталонного резистора, Rt - значение сопротивления термопреобразователя при минимальной измеряемой температуре, Rэт - номинал сопротивления эталонного резистора, Iдоп - максимально допустимый ток опроса термопреобразователя. Технический результат - повышение точности измерения температуры. 1 ил.

Способ измерения температуры среды, в соответствии с которым в исследуемую среду помещают платиновый термопреобразователь сопротивления, создают ток опроса через эталонный резистор и через термопреобразователь, программно под управлением контроллера и в соответствии с заданным алгоритмом измеряют падение напряжения на терморезисторе и на эталонном резисторе, результаты измерения преобразуют в цифровой код, запоминают в памяти контроллера, определяют значение сопротивления термопреобразователя в исследуемой среде и по полученному значению определяют температуру среды, отличающийся тем, что термопреобразователь и эталонный резистор соединяют последовательно с образованием общей электрической цепи для протекания тока опроса, а протекающий через них ток опроса формируют в виде периодической последовательности прямоугольных импульсов со скважностью, при которой средний ток через термопреобразователь сопротивления не превышает допустимой величины, при этом величину скважности определяют по формуле:
$$Q>\frac{Uи}{(Rt+Rэт)\times Iдоп}$$ ,
где Q - требуемая скважность последовательности импульсов, Uи - значение постоянного напряжения источника питания, формирующего ток опроса термопреобразователя сопротивления и эталонного резистора, Rt - значение сопротивления термопреобразователя при минимальной измеряемой температуре, RЭТ - номинал сопротивления эталонного резистора, Iдоп - максимально допустимый ток опроса термопреобразователя.