Способ компенсации температурной погрешности терморезисторов, устройства для реализации способа Российский патент 2020 года по МПК G01R17/10 G01K7/08 G01K1/20 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерениям электрических сопротивлений терморезисторов, и может быть использовано в приборостроении, в температурных измерениях, в том числе при градуировке и калибровке терморезисторов: термометров сопротивления, термисторов, позисторов и их использования для проведения измерений температуры, позволяет повысить точность измерения температур путем компенсации температурной погрешности терморезисторов.

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 (SU1539667 А1 5 G 01 R 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 аналогом к заявляемому 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 G 01k 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.

Наиболее близким аналогом к заявляемому устройству является измерительный преобразователь (измерительная цепь) в виде делителя напряжения, содержащего последовательно соединенные терморезистор, дополнительный термонезависимый резистор и источник напряжения, выходом преобразователя является напряжение на терморезисторе (Первичные измерительные преобразователи: учеб. пособие / А.И. Чередов, А.В. Щелканов. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2010, стр. 32).

В данном преобразователе реализован способ компенсации температурной погрешности терморезисторов, заключающийся в ограничении величины тока, проходящего через терморезистор, путем введения в измерительную цепь дополнительного термонезависимого резистора. Реализованный способ и, соответственно, измерительный преобразователь не обеспечивают эффективной компенсации температурной погрешности терморезисторов. Кроме того, измерительный преобразователь имеет недостатком еще и нелинейную зависимость выходного напряжения U_Вых. от сопротивления терморезистора, что снижает точность результата преобразования:

где U_Ист. - величина напряжения источника питания;

R_t - величина сопротивления терморезистора;

R₀ - величина сопротивления термонезависимого резистора.

Задачей, на которую направлено предлагаемое изобретение, является компенсация температурной погрешности измерения температуры терморезистором из-за разогрева (саморазогрева) терморезистора (термометр сопротивления, термистор, позистор) протекающим измерительным током.

Поставленная задача решается тем, что в способе измерения температуры терморезисторов, заключающемся в ограничении величины тока, проходящего через терморезистор, путем введения в измерительную цепь дополнительного термонезависимого резистора, подводимую к дополнительному термонезависимому резистору мощность поддерживают постоянной, независимо от изменения сопротивления терморезистора в диапазоне измеряемых температур.

Для выполнения поставленной задачи в указанном выше способе допустимую величину подводимой к дополнительному термонезависимому резистору мощности устанавливают согласно выражению где - установленная величина тока, протекающего в измерительной цепи; 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; R₂ - величина сопротивления дополнительного термонезависимого резистора.

Кроме того, для реализации заявляемого способа, предлагается измерительный преобразователь в виде делителя напряжения, содержащего последовательно соединенные источник питания, терморезистор, дополнительный термонезависимый резистор, напряжение на терморезисторе является выходом преобразователя, где в качестве источника питания применен источник стабилизированного тока.

Также для реализации заявляемого способа, предлагается измерительный преобразователь в виде делителя напряжения, содержащего последовательно соединенные источник питания, терморезистор, дополнительный термонезависимый резистор, напряжение на терморезисторе является выходом преобразователя, где в качестве источника питания применен управляемый источник питания, управляющие входы которого подключены к выводам дополнительного термонезависимого резистора.

Задача, решаемая предлагаемым изобретением, может быть достигнута тем, что в измерительном преобразователе управляемый источник питания выполнен в виде управляемого источника тока с выходным током, обеспечивающим питание делителя напряжения установленной величиной тока при управляющем сигнале на его управляющих входах, равном падению напряжения на термонезависимом резисторе, обусловленного величиной протекающего через резистор тока, согласно условию

Кроме того, в измерительном преобразователе управляемый источник питания выполнен в виде управляемого источника напряжения с выходным напряжением U=I_Уст. * (R₁+R₂).

На фиг. 1 приведена схема измерительного преобразователя с источником стабилизированного тока, фиг. 2 - схема измерительного преобразователя с управляемым источником питания, фиг. 3 - зависимость электрического сопротивления термистора от температуры, фиг. 4 - погрешность измерения температуры.

Измерительный преобразователь с источником стабилизированного тока, содержит последовательно соединенные терморезистор 1, дополнительный термонезависимый резистор 2 и источник стабилизированного тока 3, выходом преобразователя является напряжение на терморезисторе 1.

Измерительный преобразователь с управляемым источником питания содержит последовательно соединенные терморезистор 1, дополнительный термонезависимый резистор 2 и управляемый источник питания 4, управляющие входы 5 и 6 которого подключены к выводам дополнительного термонезависимого резистора, выходом преобразователя является напряжение на терморезисторе.

Погрешность измерения температуры преобразователями (фиг. 1 и фиг. 2) из-за разогрева (саморазогрева) терморезистора 1, например, термистора, протекающим измерительным током может быть описана выражением (Зотов В. Принципы построения систем температурного контроля на NTC-термисторах компании Epcos // Компоненты и технологии. 2007. №6. С. 32-38.)

где I - ток, протекающий через терморезистор 1;

R₁ - величина сопротивления терморезистора 1;

δ_Т - коэффициент теплового рассеяния терморезистора 1.

Работает предлагаемый измерительный преобразователь (фиг. 1) следующим образом.

Источник стабилизированного тока 3 выдает ток, величину которого устанавливают согласно выражению

где ΔТ^Доп. - допустимая погрешность измерения температуры терморезистором 1 из-за его разогрева протекающим измерительным током;

δ_Т - коэффициент теплового рассеяния терморезистора 1;

- максимальная величина сопротивления терморезистора 1 на границах диапазона измеряемых температур. Для термистора - нижняя граница диапазона измеряемых температур. Для термометра сопротивления и позистора - верхняя граница диапазона измеряемых температур.

Величина стабилизированного тока, протекающего через последовательно соединенные терморезистор 1 и дополнительный термонезависимый резистор 2, не зависит от величины сопротивления R₁ терморезистора 1 и является величиной постоянной.

Ток, протекающий через дополнительный термонезависимый резистор 2, создает на резисторе 2 постоянное падение напряжения

где R₂ - величина сопротивления резистора 2.

Таким образом, подводимую к дополнительному термонезависимому резистору 2 мощность

поддерживают постоянной, независимо от изменения сопротивления терморезистора 1 в диапазоне измеряемых температур.

Выходное напряжение измерительного преобразователя (фиг. 1)

в отличии от известного измерительного преобразователя (Первичные измерительные преобразователи: учеб. пособие / А.И. Чередов, А.В. Щелканов. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2010, стр. 32) зависит линейно от величины сопротивления терморезистора 1, благодаря чему обеспечивается дополнительное повышение точности результата преобразования измерительным преобразователем (фиг. 1).

Работает предлагаемый измерительный преобразователь (фиг. 2) следующим образом.

Если в качестве управляемого источника питания 4 применен управляемый источник тока, то управляемый источник 4 тока выдает ток питания измерительной цепи, величину которого устанавливают согласно выражению (3). Протекающий в измерительной цепи ток создает на дополнительном термонезависимом резисторе 2 постоянное падение напряжения, соответствующее выражению (4). Падение напряжения на дополнительном термонезависимом резисторе 2 является управляющим напряжением (сигналом), действующем на управляющих входах 5 и 6 управляемого источника 4. Подводимая к дополнительному термонезависимому резистору мощность, соответствующая выражению (5), поддерживается постоянной, независимо от изменения сопротивления терморезистора 1 в диапазоне измеряемых температур. Выходное напряжение измерительного преобразователя (фиг. 2) соответствует выражению (6) и зависит линейно от величины сопротивления терморезистора 1.

Если в качестве управляемого источника питания 4 применен управляемый источник напряжения, то управляемый источник 4 напряжения выдает напряжение питания измерительной цепи, величина которого описывается выражением

Протекающий в измерительной цепи ток создает на дополнительном термонезависимом резисторе 2 постоянное падение напряжения, соответствующее выражению (4). Падение напряжения на дополнительном термонезависимом резисторе 2 является управляющим напряжением (сигналом), действующем на управляющих входах 5 и 6 управляемого источника 4. Подводимая к дополнительному термонезависимому резистору 2 мощность, соответствующая выражению (5), поддерживается постоянной, независимо от изменения сопротивления терморезистора 1 в диапазоне измеряемых температур. Выходное напряжение измерительного преобразователя (фиг. 2) соответствует выражению (6) и зависит линейно от величины сопротивления терморезистора 1.

Выполнена сравнительная оценка эффективности известных способов и предлагаемого способа компенсации температурной погрешности терморезистора из-за разогрева измерительным током. В качестве терморезистора был взят термистор.

В оценке величины погрешности измерения температуры в соответствии с выражением (2) использована зависимость электрического сопротивления термистора ММТ-1 от температуры, приведенная на фиг. 3. Величина тока источников питания была выбрана для обеспечения величины погрешности измерения температуры не более 0,17°С на нижней границе диапазона измеряемых температур.

Результаты оценки погрешности измерения температуры приведены на фиг. 4:

- графики 1-1, 1-2 и 1-3 отражают погрешность измерения температуры известным способом и измерительным преобразователем (Первичные измерительные преобразователи: учеб. пособие / А.И. Чередов, А.В. Щелканов. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2010, стр. 32). При этом график 1-1 получен для величины сопротивления дополнительного термонезависимого резистора, равной 700 Ом; график 1-2 - 4000 Ом; график 1-3-22150 Ом;

- график 2 отражает погрешность измерения температуры известным способом (SU 463006 G01k 1/20);

- график 3 отражает погрешность измерения температуры предлагаемым способом и предлагаемыми измерительными преобразователями для любых величин сопротивления дополнительного термонезависимого резистора.

Как видно из приведенного сравнения, предлагаемый способ и предлагаемые устройства обладают положительным эффектом, так как компенсируют возникающие погрешности измерения температуры по сравнению с известными.

В результате использования предлагаемого способа компенсации температурной погрешности терморезисторов, а также измерительных преобразователей, выполненных по предлагаемым схемам, появляется новое качество - линейная зависимость выходного напряжения от величины сопротивления терморезистора, что повышает точность результата измерений.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерениям электрических сопротивлений терморезисторов, и может быть использовано в приборостроении, в температурных измерениях, в том числе при градуировке и калибровке терморезисторов: термометров сопротивления, термисторов, позисторов, и их использовании для проведения измерений температуры, позволяет повысить точность измерения температур путем компенсации температурной погрешности терморезисторов. Это решается тем, что в способе измерения температуры терморезисторов, заключающемся в ограничении величины тока, проходящего через терморезистор, путем введения в измерительную цепь дополнительного термонезависимого резистора, подводимую к дополнительному термонезависимому резистору мощность поддерживают постоянной, независимо от изменения сопротивления терморезистора в диапазоне измеряемых температур. Для выполнения поставленной задачи в указанном выше способе допустимую величину подводимой к дополнительному термонезависимому резистору мощности устанавливают согласно выражению где - установленная величина тока, протекающего в измерительной цепи; ΔT^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; R₂ - величина сопротивления дополнительного термонезависимого резистора. Кроме того, для реализации заявляемого способа предлагается измерительный преобразователь для измерения температуры в виде делителя напряжения, содержащего последовательно соединенные источник питания, терморезистор, дополнительный термонезависимый резистор, напряжение на терморезисторе является выходом преобразователя, где в качестве источника питания применен источник стабилизированного тока. Также для реализации заявляемого способа предлагается измерительный преобразователь для измерения температуры в виде делителя напряжения, содержащего последовательно соединенные источник питания, терморезистор, дополнительный термонезависимый резистор, напряжение на терморезисторе является выходом преобразователя, где в качестве источника питания применен управляемый источник питания, управляющие входы которого подключены к выводам дополнительного термонезависимого резистора. Техническим результатом при реализации заявленной группы решений выступает компенсация температурной погрешности измерения температуры терморезистором из-за разогрева (саморазогрева) терморезистора (термометр сопротивления, термистор, позистор) протекающим измерительным током. 3 н. и 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ измерения температуры терморезисторов, заключающийся в ограничении величины тока, проходящего через терморезистор, путем введения в измерительную цепь дополнительного термонезависимого резистора, отличающийся тем, что подводимую к дополнительному термонезависимому резистору мощность поддерживают постоянной, независимо от изменения сопротивления терморезистора в диапазоне измеряемых температур.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что допустимую величину подводимой к дополнительному термонезависимому резистору мощности устанавливают согласно выражению где - установленная величина тока, протекающего в измерительной цепи; 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, а для термометра сопротивления и позистора - верхняя граница диапазона измеряемых температур; R₂ - величина сопротивления дополнительного термонезависимого резистора.

3. Измерительный преобразователь для измерения температуры в виде делителя напряжения, содержащего последовательно соединенные источник питания, терморезистор, дополнительный термонезависимый резистор, напряжение на терморезисторе является выходом преобразователя, отличающийся тем, что в качестве источника питания применен источник стабилизированного тока.

4. Измерительный преобразователь для измерения температуры в виде делителя напряжения, содержащего последовательно соединенные источник питания, терморезистор, дополнительный термонезависимый резистор, напряжение на терморезисторе является выходом преобразователя, отличающийся тем, что в качестве источника питания применен управляемый источник питания, управляющие входы которого подключены к выводам дополнительного термонезависимого резистора.

5. Измерительный преобразователь по п. 4, отличающийся тем, что управляемый источник питания выполнен в виде управляемого источника тока с выходным током, обеспечивающим питание делителя напряжения установленной величиной тока при управляющем сигнале на его управляющих выходах, равной падению напряжения на термонезависимом резисторе, обусловленного величиной протекающего через резистор тока, согласно условию

6. Измерительный преобразователь по п. 4, отличающийся тем, что управляемый источник питания выполнен в виде управляемого источника напряжения с выходным напряжением U=I_Уст. * (R₁+R₂).