Способ снижения погрешности измерения температуры электрическим мостом Российский патент 2019 года по МПК G01R17/10 G01K7/08 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерениям электрических сопротивлений электрическими мостами, и может быть использовано, например, в температурных измерениях, в том числе при градуировке термометров сопротивления, термисторов и позисторов, при проведении измерений температуры электрическими мостами.

Известен способ измерения электрических сопротивлений резисторов мостом постоянного тока, заключающийся в том, что рассчитывают сопротивления элементов плеч моста, уравновешивают мост, устанавливают предварительно значения сопротивлений элементов плеч моста в десять раз меньше по сравнению с расчетными значениями, затем подбирают сопротивления плеч моста до расчетных значений с помощью однозначных мер электрического сопротивления, которые помещают в термостат, определяют результат измерения по показаниям отсчетных декад регулируемого плеча моста (SU 1539667, G01R 17/10).

Однако, этот способ сложный в аппаратной реализации и потому не может найти применение в практике массового производства и градуировки промышленных термометров сопротивления, не устраняет самонагрев резисторов проходящим через них измерительным током.

Также известны способы питания электрических мостов от источников напряжения, например, регулятор температуры (SU 935889, G05D 23/24), устройство для измерения разности температур (SU 1672236, G01K 3/08), устройство для дистанционного измерения температуры (SU 2193169, G01K 7/24) и др., которые обладают вышеназванным недостатком, а именно, не устраняют самонагрев резисторов проходящим через них измерительным током.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу можно считать способ компенсации температурной погрешности термометров сопротивления, заключающийся в ограничении величины измерительного тока и поддержании постоянной подводимой к термометру мощности независимо от изменения его сопротивления в диапазоне измеряемых температур (SU 463006, G01K 1/20).

Однако, этот способ не уменьшает погрешность измерения температуры, а сохраняет ее постоянной во всем диапазоне измеряемых температур благодаря поддержанию постоянной подводимой к термометру мощности независимо от изменения его сопротивления в диапазоне измеряемых температур.

Задача, решаемая предлагаемым изобретения - снижение погрешности измерения температуры электрическим мостом из-за нагрева (самонагрева) терморезистора (термометр сопротивления, термистор, позистор) протекающим измерительным током.

Поставленная задача достигается тем, что в способе снижения погрешности измерения температуры электрическим мостом, питаемым от источника напряжения, в измерительной ветви моста устанавливают постоянный резистор с высоким электрическим сопротивлением, а величину напряжения источника питания моста выбирают из условия обеспечения допустимой погрешности измерения температуры мостом из-за нагрева терморезистора протекающим измерительным током.

Кроме того, поставленная задача достигается тем, что:

- в качестве терморезистора используют термистор, величину сопротивления постоянного резистора в измерительной ветви моста выбирают не менее 0,8 от величины сопротивления термистора на нижней границе диапазона измеряемых температур, а величину напряжения источника питания моста, обеспечивающую допустимую погрешность измерения температуры мостом из-за нагрева термистора протекающим измерительным током, устанавливают для нижней границы диапазона измеряемых температур.

- в качестве терморезистора используют термометр сопротивления или позистор, величину сопротивления постоянного резистора в измерительной ветви моста выбирают не менее 0,8 величины сопротивления термометра сопротивления или позистора на верхней границе диапазона измеряемых температур, а величину напряжения источника питания моста, обеспечивающую допустимую погрешность измерения температуры мостом из-за нагрева термометра сопротивления или позистора протекающим измерительным током, устанавливают для верхней границы диапазона измеряемых температур.

- величину напряжения источника питания моста, обеспечивающую допустимую погрешность измерения температуры мостом из-за нагрева терморезистора устанавливают с использованием выражения:

R₄ - величина сопротивления соответствующего терморезистора в измерительной ветви моста на соответствующей границе диапазона измеряемых температур;

R₃ - величина сопротивления постоянного резистора в измерительной ветви моста;

ΔT - допустимая погрешность измерения температуры мостом из-за разогрева терморезистора протекающим измерительным током;

δ_Т - коэффициент теплового рассеяния соответствующего терморезистора.

Предлагаемый способ снижения погрешности измерения температуры электрическим мостом может быть реализован с помощью измерительного устройства сопротивлений, содержащего электрический измерительный мост и источник напряжения питания моста, схема которого приведена на фиг. 1.

Измерительный мост состоит из четырех резисторов 1, 2, 3, 4, соединенных последовательно в виде четырехугольника, и имеет две диагонали: диагональ питания 5-6 и диагональ нагрузки 7-8. Узлы (точки) 5, 6, 7, 8 - вершины моста. В диагональ питания 5-6 включен источник напряжения 9 питания моста, а в диагональ нагрузки 7-8 включен измеритель 10 разности потенциалов вершин 7 и 8. Ветвь 5-8-6 моста измерительная, вершина 8 является выходом измерительной ветви 5-8-6 моста. Ветвь 5-7-6 моста образцовая, вершина 7 является выходом образцовой ветви 5-7-6 моста. Резистор 1 переменный. Резисторы 2 и 3 постоянные. Величина сопротивления резистора 4 зависит от температуры резистора и подлежит измерению. В качестве резистора 4 используют терморезистор, например, термометр сопротивления, полупроводниковые терморезисторы (термистор или позистор).

Погрешность измерения температуры электрическим мостом из-за нагрева (самонагрева) терморезистора (термометр сопротивления, термистор, позистор) протекающим измерительным током возникает следующим образом.

При напряжении источника напряжения 9 токи в ветвях моста определяются выражениями

I_5-7-6 - ток, протекающий через резисторы 1 и 2;

I_5-8-6 - ток, протекающий через резисторы 4 и 3;

U - напряжение источника напряжения 7;

R₁ - сопротивление резистора 1;

R₂ - сопротивление резистора 2;

R₃ - сопротивление резистора 3;

R₄ - сопротивление резистора 4.

При использовании моста (фиг. 1) с источником напряжения (стабилизированного напряжения) 9 погрешность измерения температуры, например, термистором, в качестве терморезистора (резистор 4), из-за его нагрева (самонагрева) протекающим измерительным током I_5-8-6 (Зотов В. Принципы построения систем температурного контроля на NTC-термисторах компании Epcos // Компоненты и технологии. 2007. №6. С. 32-38.), величина которого соответствует выражению (2), составит величину

Согласно выражению (3) выполнена оценка величины погрешности измерения температуры термистором (резистор 4) из-за его разогрева протекающим током согласно выражению (2) при использовании моста (фиг. 1) с источником напряжения 9.

В оценке величины погрешности использована зависимость электрического сопротивления термистора типа ММТ-1 от температуры, приведенная на фиг. 2. Результаты оценки приведены на фиг. 3 (Кривые: A₁, B₁ и C₁) и фиг. 4 (Кривые: А₀₁, В₀₁ и C₀₁). Параметры элементов устройства фиг. 1, используемые в оценке, приведены в таблице 1.

Примечание:

¹⁾ - величина напряжения источника 9 выбрана для обеспечения величины погрешности измерения не более 17,0°С в начале (нижняя граница) диапазона измерения температур;

²⁾ - величина напряжения источника 9 выбрана для обеспечения величины погрешности измерения не более 0,17°С в начале (нижняя граница) диапазона измерения температур.

Как следует из полученных результатов, величина погрешности измерения температуры термистором (резистор 4) из-за его нагрева протекающим током при использовании моста (фиг. 1) с источником напряжения 9 зависит от величины напряжения источника напряжения 9, величины сопротивления постоянного резистора 3 и величины измеряемой температуры резистором 4.

Для сравнения на фиг. 5 и фиг. 6 приведены. результаты оценки погрешности измерения температуры (кривые C₁ и C₀₁) мостом (фиг. 1) с параметрами элементов устройства фиг. 1, приведенными в таблице 1, из-за разогрева термистора протекающим измерительным током в соответствии с предлагаемым способом и результаты оценки погрешности измерения температуры (кривые D₁ и D₀₁) мостом (фиг. 1) из-за нагрева термистора протекающим измерительным током в соответствии с известным способом (SU 463006, G01K 1/20).

Как видно, из приведенного сравнения, предлагаемый способ обладает положительным эффектом, так как обеспечивает снижение погрешности измерения температуры по сравнению с известным способом.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерениям электрических сопротивлений электрическими мостами, и может быть использовано, например, в температурных измерениях, в том числе при градуировке термометров сопротивления, термисторов и позисторов, при проведении измерений температуры электрическими мостами. Сущность заявленного технического решения заключается в том, что в способе снижения погрешности измерения температуры электрическим мостом, питаемым от источника напряжения, в измерительной ветви моста устанавливают постоянный резистор с высоким электрическим сопротивлением, а величину напряжения источника питания моста выбирают из условия обеспечения допустимой погрешности измерения температуры мостом из-за нагрева терморезистора протекающим измерительным током. Кроме того, в предлагаемом способе для достижения поставленной цели: в качестве терморезистора может быть использован термистор, величину сопротивления постоянного резистора в измерительной ветви моста выбирают не менее 0,8 от величины сопротивления термистора на нижней границе диапазона измеряемых температур, а величину напряжения источника питания моста, обеспечивающую допустимую погрешность измерения температуры мостом из-за нагрева термистора протекающим измерительным током, устанавливают для нижней границы диапазона измеряемых температур; в качестве терморезистора может быть использован термометр сопротивления или позистор, величину сопротивления постоянного резистора в измерительной ветви моста выбирают не менее 0,8 величины сопротивления термометра сопротивления или позистора на верхней границе диапазона измеряемых температур, а величину напряжения источника питания моста, обеспечивающую допустимую погрешность измерения температуры мостом из-за нагрева термометра сопротивления или позистора протекающим измерительным током, устанавливают для верхней границы диапазона измеряемых температур; величину напряжения источника питания моста, обеспечивающую допустимую погрешность измерения температуры мостом из-за нагрева терморезистора, можно устанавливать с использованием выражения

где R₄ - величина сопротивления соответствующего терморезистора в измерительной ветви моста на соответствующей границе диапазона измеряемых температур; R₃ - величина сопротивления постоянного резистора в измерительной ветви моста; ΔT - допустимая погрешность измерения температуры мостом из-за разогрева терморезистора протекающим измерительным током; δ_T - коэффициент теплового рассеяния соответствующего терморезистора. Техническим результатом, наблюдаемым при реализации заявленного решения, выступает снижение погрешности измерения температуры электрическим мостом из-за нагрева (самонагрева) терморезистора (термометр сопротивления, термистор, позистор) протекающим измерительным током. 2 з.п. ф-лы, 6 ил., 1 табл.

1. Способ снижения погрешности измерения температуры электрическим мостом, питаемым от источника напряжения, отличающийся тем, что в измерительной ветви моста устанавливают постоянный резистор, величину сопротивления которого, а также величину напряжения источника питания моста выбирают, учитывая допустимую погрешность измерения температуры мостом из-за нагрева терморезистора протекающим током, с использованием выражения

,

где R₃ - величина сопротивления постоянного резистора в измерительной ветви моста;

R₄ - величина сопротивления терморезистора в измерительной ветви моста;

ΔT - допустимая погрешность измерения температуры мостом из-за разогрева терморезистора протекающим током;

δ_T - коэффициент теплового рассеяния терморезистора.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при использовании в качестве терморезистора термистора величину сопротивления постоянного резистора в измерительной ветви моста выбирают не менее 0,8 от величины сопротивления термистора на нижней границе диапазона измеряемых температур, а величину напряжения источника питания моста, обеспечивающую допустимую погрешность измерения температуры мостом из-за нагрева термистора протекающим измерительным током, устанавливают для нижней границы диапазона измеряемых температур.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при использовании в качестве терморезистора термометра сопротивления или позистора величину сопротивления постоянного резистора в измерительной ветви моста выбирают не менее 0,8 величины сопротивления термометра сопротивления или позистора на верхней границе диапазона измеряемых температур, а величину напряжения источника питания моста, обеспечивающую допустимую погрешность измерения температуры мостом из-за нагрева термометра сопротивления или позистора протекающим измерительным током, устанавливают для верхней границы диапазона измеряемых температур.