Способ измерения температуры Российский патент 2020 года по МПК G01K7/24 G01R17/10 

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 терморезисторов: термометров сопротивления, термисторов, позисторов и их использования для проведения измерений температуры электрическими мостами в приборостроении.

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 А1 5 G01R 17/10).

Однако этот способ сложный в аппаратной реализации и потому не может найти применение в практике массового производства и градуировки промышленных терморезисторов, их использования для проведения измерения температуры электрическими мостами, не устраняет саморазогрев резисторов проходящим через них измерительным током.

Наиболее близким к предлагаемому способу является 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.

Предлагается способ снижения погрешности измерения температуры электрическим мостом.

Задача, на решение которой направлено изобретение - снижение погрешности измерения температуры электрическим мостом из-за разогрева (саморазогрева) терморезистора (термометр сопротивления, термистор, позистор) протекающим измерительным током.

Поставленная задача решается тем, что в способе измерения температуры, основанном на применении сбалансированного электрического моста, питаемого источником тока, в схему сбалансированного электрического моста устанавливают постоянные резисторы с равными электрическими сопротивлениями, питание моста производят источником стабилизированного тока, величину которого устанавливают не более удвоенной величины тока, обеспечивающей допустимую погрешность измерения температуры измеряемым терморезистором из-за его разогрева протекающим измерительным током.

Кроме того, для решения поставленной задачи:

- в качестве терморезистора можно использовать термистор, а величина тока источника стабилизированного тока, в этом случае, должна быть установлена для нижней границы диапазона измеряемых температур;

- в качестве терморезистора можно использовать термометр сопротивления или позистор, а величин тока источника стабилизированного тока, в этом случае, должна быть установлена для верхней границы диапазона измеряемых температур.

- величину тока источника стабилизированного тока устанавливают согласно формулы:

где

ΔТ^ДОП. - допустимая погрешность измерения температуры терморезистором из-за его разогрева протекающим измерительным током;

δ_Т - коэффициент теплового рассеяния терморезистора;

- максимальная величина сопротивления терморезистора на границах диапазона измеряемых температур (для термистора - нижняя граница диапазона измеряемых температур, для термометра сопротивления и позистора - верхняя граница диапазона измеряемых температур).

На фиг. 1 представлена схема сбалансированного электрического моста сопротивлений, фиг. 2 - зависимость электрического сопротивления термистора от температуры, фиг. 3 и фиг. 4 - результаты оценки погрешности измерения температуры сбалансированным электрическим мостом с использованием термистора с характеристикой, приведенной на фиг. 2, кривые А₁ и A₀₁ - в соответствии с предлагаемым способом, кривые B₁ и B₀₁ - в соответствии с известным по патенту №463006.

Сбалансированный электрический мост состоит из одного переменного резистора 1, двух 2 и 3 постоянных резисторов и терморезистора 4, соединенных последовательно в виде четырехугольника, и имеет четыре 5, 6, 7 и 8 вершины, диагональ питания 5-6 и диагональ нагрузки 7-8, измерительную ветвь 5-7-6 моста, вершина 7 является выходом измерительной ветви 5-7-6 моста, и образцовую ветвь 5-8-6 моста, вершина 8 является выходом образцовой ветви 5-8-6 моста.

В диагональ питания 5-6 включен источник тока 9 питания моста, а в диагональ нагрузки 7-8 включен измеритель 10 разности потенциалов вершин 7 и 8.

Сопротивления резисторов 2 и 3 установлены равными друг другу. 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).

Из условия уравновешенного моста

R₁ - сопротивление резистора 1;

R₂ - сопротивление резистора 2;

R₃ - сопротивление резистора 3;

R₄ - сопротивление резистора 4, следует, что при установленном равенстве R₂=R₃, имеет место и равенство

и, таким образом, сопротивления обоих ветвей моста, включенных между вершинами 5 и 6, в уравновешенном мосте Фиг. 1 равны между собой

При питании уравновешенного моста стабилизированным током источника 9 величины токов, протекающих в каждой из указанных ветвей, равны между собой, а величина тока в каждой ветви будет равна половине величины тока, выдаваемого источником 9,

I₉ - ток источника 9 стабилизированного тока;

I_1-2 - ток, протекающий через сопротивления 1 и 2;

I_4-3 - ток, протекающий через сопротивления 4 и 3.

Согласно условию (4) выполнена оценка величины погрешности ΔT измерения температуры терморезистором 4 из-за его разогрева протекающим измерительным током при использовании уравновешенного моста Фиг. 1.

Погрешность измерения температуры сбалансированным электрическим мостом фиг. 1 из-за разогрева (саморазогрева) терморезистора 4, например, термистора, протекающим измерительным током соответствует выражению

I_4-3 - ток, протекающий через резисторы 4 и 3;

R₄ - сопротивление резистора 4;

δ_Т - коэффициент теплового рассеяния термистора.

(Зотов В. Принципы построения систем температурного контроля на NTC-термисторах компании Epcos // Компоненты и технологии. 2007. №6. С. 32-38.)

В оценке величины погрешности ΔТ в соответствии с выражением (5) использована зависимость электрического сопротивления термистора ММТ-1 от температуры, приведенная на Фиг. 2. Параметры элементов устройства фиг. 1, используемые в оценке, приведены в таблице 1.

Результаты оценки погрешности ΔT приведены на фиг. 3 (Кривая А₁) и фиг. 4 (Кривая A₀₁).

Как следует из полученных результатов, величина погрешности ΔT измерения температуры мостом фиг. 1 из-за разогрева (саморазогрева) термистора (резистор 4) протекающим током при использовании источника стабилизированного тока 9 зависит от величины тока, протекающего через термистор, и величины измеряемой температуры.

Для сравнения на фиг. 3 и 4 приведены результаты оценки погрешности измерения температуры мостом фиг. 1 с использованием термистора с характеристикой, приведенной на фиг. 2, при условии его разогрева протекающим током в соответствии с предлагаемым способом - кривые А₁ и A₀₁ и результаты оценки погрешности измерения температуры мостом фиг. 1 с использованием термистора с характеристикой, приведенной на фиг. 2, из-за его разогрева протекающим током в соответствии с известным из авторского свидетельства №463006, G01k 1/20 способом - кривые В₁ и B₀₁.

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 терморезисторов: термометров сопротивления, термисторов, позисторов и их использования для проведения измерений температуры электрическими мостами в приборостроении. Предложен способ измерения температуры, основанный на применении сбалансированного электрического моста, питаемого источником тока. В схему сбалансированного электрического моста устанавливают постоянные резисторы с равными электрическими сопротивлениями. Питание моста производят источником стабилизированного тока, величину которого устанавливают не более удвоенной величины тока, обеспечивающей допустимую погрешность измерения температуры измеряемым терморезистором из-за его разогрева протекающим измерительным током. Технический результат - снижение погрешности измерения температуры электрическим мостом из-за разогрева (саморазогрева) терморезистора (термометр сопротивления, термистор, позистор) протекающим измерительным током. 3 з.п. ф-лы, 1 табл., 4 ил.

1. Способ измерения температуры, основанный на применении сбалансированного электрического моста, питаемого источником тока, отличающийся тем, что в схему сбалансированного электрического моста устанавливают постоянные резисторы с равными электрическими сопротивлениями, питание моста производят источником стабилизированного тока, величину которого устанавливают не более удвоенной величины тока, обеспечивающей допустимую погрешность измерения температуры измеряемым терморезистором из-за его разогрева протекающим измерительным током.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при использовании в качестве терморезистора термистора, величину тока источника стабилизированного тока 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 тока источника стабилизированного тока устанавливают для верхней границы диапазона измеряемых температур.

4. Способ по п. 2 и 3, отличающийся тем, что величину тока источника стабилизированного тока устанавливают согласно формуле:

ΔТ^Доп. - допустимая погрешность измерения температуры терморезистором из-за его разогрева протекающим измерительным током;

δ_Т - коэффициент теплового рассеяния терморезистора;

- максимальная величина сопротивления терморезистора на границах диапазона измеряемых температур (для термистора - нижняя граница диапазона измеряемых температур, для термометра сопротивления и позистора - верхняя граница диапазона измеряемых температур).