Способ измерения температуры Российский патент 2023 года по МПК G01K7/16 

Изобретение относится к области термометрии и может использоваться для измерения температуры среды или объектов. Одним из самых распространенных видов датчиков температуры являются термометры сопротивления (терморезисторы, термосопротивления). Для измерения сопротивления термометра сопротивления используется делитель напряжения опорного источника питания, образованный опорным резистором и термометром сопротивления. Измеряя падение напряжение на термометре сопротивления, а также зная величину опорного напряжения и сопротивление опорного резистора, можно определить величину сопротивления термометра сопротивления, зависящую от температуры, а по известной зависимости сопротивления от температуры, и температуру. Альтернативным способом является питание термометра сопротивления известным током генератора тока. При этом падение напряжения на термометре сопротивления пропорционально его сопротивлению.

При размещении датчиков на объектах контроля их соединение с измерительным устройством или системой сбора данных осуществляется проводниками значительной длины. При этом сопротивление проводников вносит погрешность в измерение сопротивления термометра сопротивления, а, следовательно, и температуры. Известны решения, позволяющие уменьшить или исключить влияние сопротивления проводников на результат измерения. Это применение трехпроводных и четырехпроводных подключений термометров сопротивления. [Андрусевич А. Термометры сопротивления: от теории к практике / А. Андрусевич, А. Губа. // Компоненты и технологии 2011. №7. С. 61-66].

Недостатками подобных решений являются сложные измерительные схемы, совместно со стоимостью трехпроводных и четырехпроводных кабелей, существенно удорожающие подключения термометров сопротивления по сравнению с двухпроводным подключением. Кабели должны иметь сопротивление существенно ниже сопротивления термометра сопротивления, т.е. большую площадь сечения, что и определяет их высокую стоимость.

Для ослабления влияния на точность измерения температуры разогрева термометров сопротивления протекающим током, они работают при малых величинах токов, что снижает падение напряжения на них и увеличивает влияние шумов, помех и погрешностей электронных узлов на результат измерения. Это приводит к дальнейшему усложнению измерительных цепей, а также применению фильтрации, влекущей за собой снижение быстродействия. Усложнение измерительных цепей также снижает их надежность.

Перечисленные недостатки обостряются в системах сбора данных.

Известен также способ двухпроводного подключения термометра сопротивления, позволяющий ослабить влияние шумов и помех и сопротивления проводов двухпроводной линии на результаты измерения температуры при уменьшении аппаратных затрат и повышении надежности [RU 2752132 C1. Способ измерения температуры. 27.10.2020], заключающийся в питании последовательного соединения, образованного сопротивлением проводов двухпроводной линии и термометром сопротивления, прямоугольным импульсом известного тока со скважностью, при которой средний ток через термометр сопротивления не превышает допустимой величины, а термометр сопротивления шунтирован конденсатором непосредственно на его присоединительных контактах, при этом измеряют напряжение на входе двухпроводной линии в моменты времени t₁ и t₂ переходного процесса, и по измеренным значениям напряжения и известному току определяют величину сопротивления термометра сопротивления, которое характеризует измеряемую температуру.

Недостатком данного способа измерения является чувствительность к помехам, поскольку измеряются мгновенные значения напряжения, что приводит к необходимости многократных измерений.

Наиболее близким по технической сути к предлагаемому способу является способ измерения температуры [RU 2781754 C1. Способ измерения температуры. 14.02.2022], состоящий в питании подключенного двухпроводной линией термометра сопротивления, шунтированного конденсатором непосредственно на его присоединительных контактах, импульсами напряжения через опорный резистор со скважностью, при которой средний ток через термометр сопротивления не превышает допустимой величины, измерении напряжения на опорном резисторе в установившемся режиме в конце действия импульса напряжения, при этом напряжение на входе двухпроводной линии интегрируется с момента завершения импульса напряжения и измеряется интегральное значение в момент времени t₁ и в конце переходного процесса разряда конденсатора, шунтирующего термометр сопротивления, сопротивление термометра сопротивления рассчитывается по этим двум измеренным интегральным значениям, длительности интервала t₁ и падению напряжения на опорном резисторе, измеренному в установившемся режиме в конце действия импульса напряжения, а температура определяется по градуировочной характеристике термометра сопротивления.

Недостатком способа измерения температуры является то, что при изменении температуры изменяется постоянная времени и отношение интегральных значений напряжения на входе двухпроводной линии измеренных в момент времени t₁ и в конце переходного процесса. Это приводит к отклонению условий измерения от оптимальных и к возрастанию ошибки измерения. Использование аналогового интегратора напряжения уменьшает ошибку измерения, но она ограничена погрешностью квантования.

Технической задачей, на решение которой направлен предлагаемый способ, является повышение точности измерения за счет ослабления влияния изменения постоянной времени термометра сопротивления, шунтированного конденсатором, импульсных помех при двухпроводном подключении термометра сопротивления, ослабления влияние шумов квантования аналого-цифрового преобразователя и шума опорного источника.

Задача решается тем, что в способе измерения температуры, заключающемся в питании подключенного двухпроводной линией термометра сопротивления R_TC, шунтированного конденсатором С непосредственно на его присоединительных контактах, импульсами напряжения через опорный резистор R₀ со скважностью, при которой средний ток через термометр сопротивления не превышает допустимой величины, измерении напряжения U₀ на опорном резисторе R₀ и напряжения U_Л0 на входе двухпроводной линии в установившемся режиме в конце действия импульса, напряжение на входе двухпроводной линии U_Л с момента завершения импульса напряжения преобразуется в цифровые отсчеты (цифровой код) с заданным интервалом дискретизации, накапливаемая в течении интервала времени t₁ сумма отсчетов S₁ сохраняется, накопление суммы отсчетов продолжается до окончания переходного процесса разряда конденсатора, шунтирующего термометр сопротивления, а результат сохраняется как S₂, при этом сопротивление термометра сопротивления R_TC рассчитывается по суммам двух сохраненных отсчетов S₁ и S₂, длительности интервала t₁ и падению напряжения U₀ на опорном резисторе R₀, измеренному в установившемся режиме в конце действия импульса напряжения, а температура определяется по градуировочной характеристике термометра сопротивления, при этом временной интервал t₁ рассчитывается по начальному выбранному оптимальному значению t₀, напряжению U₀ на опорном резисторе, напряжению на входе двухпроводной линии U_Л0 и номинальному сопротивлению термометра сопротивления R_TC0.

Предлагаемое решение поясняется: фиг. 1 - Структурная схема устройства, реализующего способ измерения температуры; фиг. 2 - Коэффициент вариации, достигнутый в 4-х кратном диапазоне изменения сопротивления термометра сопротивления при стендовых испытаниях.

Рассмотрим предлагаемое решение детальнее (фиг.1). При подаче импульса напряжения от опорного источника U_ОП при открывании ключа 2, в цепи, содержащей последовательно соединенные опорный резистор 3, сопротивления проводов R_Л двухпроводной линии 4 и термометр сопротивления 5, шунтированный конденсатором 6, появляется ток. При этом конденсатор 6 к моменту окончания импульса напряжения заряжается полностью и ток в цепи определяется лишь активным сопротивлением цепи

R = R₀+2R_Л+R_TС.

Падение напряжения на термометре сопротивления, опорном резисторе и входе двухпроводной линии в конце переходного процесса заряда конденсатора, соответственно, равны:

где I₀ - ток в цепи в момент окончания переходного процесса заряда конденсатора (момент завершения импульса напряжения).

В конце переходного процесса заряда конденсатора 6 измеряются падение напряжения на опорном резисторе 3 - U₀ и напряжение на входе двухпроводной линии U_Л0 (на зажимах а, б).

По завершении переходного процесса заряда конденсатора 6 цепь, содержащая термометр сопротивления 5 отключается от источника опорного напряжения закрыванием ключа 2. При этом ток цепи равен 0, а на зажимах (а, б) двухпроводной линии 4 действует напряжение U_Л, равное напряжению на термометре сопротивления 5, на который разряжается конденсатор 6.

, (2)

где τ = R_TCC - постоянная времени цепи разряда, U_T - напряжение на термометре сопротивления в начале интервала разряда конденсатора, в соответствии с законом коммутации, равное напряжению на термометре сопротивления в конце переходного процесса заряда конденсатора.

Преобразуя напряжение переходного процесса разряда конденсатора на входе двухпроводной линии (зажимы а, б) аналого-цифровым преобразователем с шагом дискретизации Δt в цифровые отсчеты напряжения (коды) и суммируя их в течение времени t₁, получим:

где n = t₁/Δt - количество отсчетов напряжения на интервале t₁.

При умножении S₁ на интервал дискретизации, получим приближенное значение интеграла напряжения на интервале t₁ (сумма n прямоугольников высотой равной величине отсчета напряжения и шириной равной интервалу дискретизации):

(4)

При продолжении суммирования отсчетов на интервале равном времени полного разряда конденсатора C (8 … 11τ), получим:

где N - количество интервалов дискретизации на интервале полного разряда конденсатора, шунтирующего термометр сопротивления.

Произведение этой суммы на интервал дискретизации:

. (6)

Из (4) и (6) определяем постоянную времени:

Из (6) и (7) определяем U_T:

. (8)

Зная U₀ и U_T, из выражений (1) можно определить сопротивление термометра сопротивления, как:

а по его градуировочной таблице - величину температуры.

В выражении (8) временной интервал t₁ присутствует в неявном виде как n = t₁/Δt - количество интервалов дискретизации аналого-цифрового преобразователя. С учетом того, что сопротивления проводников двухпроводной линии существенно меньше сопротивления термометра сопротивления, грубая оценка текущего значения сопротивления термометра сопротивления может быть сделана на основе измерения напряжения U_Л0 на входе двухпроводной линии в конце действия импульса напряжения.

. (10)

Постоянная времени R_TCC изменяется пропорционально изменению сопротивления термометра сопротивления. Из (8) следует, что при фиксированном значении постоянной времени погрешность измерения U_T определяется отношением S₁/S₂ и достигает минимума при его некотором значении. Поэтому необходимо поддерживать это отношение примерно постоянным при изменении сопротивления термометра сопротивления, что обеспечивается постоянством отношения t₁/τ. Отсюда следует, что t₁ надо выбирать равным

, (11)

или количество просуммированных отсчетов для получения суммы S₁:

, (12)

где n₀ = t₁₀/Δt - оптимальное количество отсчетов, обеспечивающих минимальную погрешность определения напряжения на термометре сопротивления в момент начала переходного процесса разряда конденсатора, шунтирующего термометр сопротивления при R_TC0 - номинальном значении сопротивления термометра сопротивления, t₁₀ - временной интервал соответствующий минимальной погрешности измерения напряжения на термометре сопротивления при его номинально значении сопротивления.

На фиг. 1 представлено устройство, реализующее предлагаемый способ измерения температуры.

Устройство состоит из микроконтроллера 1 со встроенным АЦП, ключа 2, управляемого микроконтроллером 1, опорного резистора 3, двухпроводной линии 4, с помощью которой подключается термометр сопротивления 5, конденсатора 6, шунтирующего термометр сопротивления.

Первый выход микроконтроллера 1 соединен с управляющим входом 1 ключа 2, на вход 2 которого подается опорное напряжение U_REF, а выход 3 подключен к параллельно соединенным входу 2 встроенного аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера 1 и входу опорного резистора 3, выход которого подключен ко входу 3 встроенного аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера 1 и входу (а) двухпроводной линии 4, вход (б) которой заземлен и присоединен к общему входу 4 встроенного аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера 1, а к выходам двухпроводной линии 4 присоединен термометр сопротивления 5 шунтированный конденсатором 6.

Устройство работает следующим образом.

С выхода микроконтроллера 1 на управляющий вход 1 ключа 2 поступает прямоугольный импульс заданной длительности (гарантирующей завершение процесса заряда шунтирующего конденсатора 6 и отсутствие разогрева термометра сопротивления 5 свыше заданного значения), при этом ключ 2 подключает опорное напряжение к последовательной цепи, состоящей из опорного резистора 3, двухпроводной линии 4, представленной сопротивлением R_Л ее проводников и термометра сопротивления 5, шунтированного конденсатором 6. Импульс тока поступает через двухпроводную линию на термометр сопротивления 5, шунтированный конденсатором 6. Непосредственно перед выключением ключа 2, прерывающего импульс напряжения, измеряется падение напряжение на опорном резисторе 3, поступающее на входы 2 и 3 встроенного аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера 1, а также напряжение на входе двухпроводной линии, приложенное ко входам 3 и 4 микроконтроллера. При этом по выражению (12) рассчитывается количество накапливаемых отсчетов за интервал времени t₁, величина которого определяется (11). По завершении заданной длительности импульса напряжения, отсчитываемой таймером микроконтроллера 1, микроконтроллер 1 снимает управляющее напряжение на выходе 1, выключая ключ 2 (разрывается цепь питания термометра сопротивления), и с заданным периодом дискретизации преобразует напряжения на входе двухпроводной линии (а, б) с помощью встроенного аналого-цифрового преобразователя в цифровые отсчеты и суммирует их. При суммировании n отсчетов, сумма S₁ - сохраняется, а суммирование продолжается до завершения процесса разряда конденсатора 6, (для этого задается интервал времени в виде минимального количества отсчетов N, гарантирующего полный разряд конденсатора с заданной погрешностью). При этом результат суммирования S₂ сохраняется.

В соответствии с выражением (8) рассчитывается напряжение на термометре сопротивления в установившемся режиме (в конце импульса напряжения при полном заряде конденсатора), а по выражению (9) - сопротивление термометра сопротивления. Температура определяется микроконтроллером по градуировочной характеристике термометра сопротивления.

Предложенный способ позволяет не только подавить помехи, ослабить шумы квантования и сократить время измерения, т.к. исключается необходимость в многократных измерениях, но и обеспечить минимальную погрешность при изменении постоянной времени, в условиях изменения сопротивления термометра сопротивления при изменении температуры.

Способ не предъявляет жестких требований к опорному напряжению U_REF, что позволяет использовать в качестве опорного напряжения напряжение питания микроконтроллера, отказавшись от ключа 2, и подавая питание в цепь термометра сопротивления непосредственно с вывода 1 микроконтроллера, поскольку медленные вариации напряжения питания, подавляются относительными измерениями (отношение напряжений на опорном резисторе и термометре сопротивления определяется в одних и тех же условиях). При этом разрыв цепи осуществляется переводом вывода микроконтроллера питающего цепь термометра сопротивления в высокоимпедансное состояние перепрограммированием его на ввод.

Испытания предлагаемого способа проведены на стенде с 8-битовым микроконтроллером ATmega со встроенным 10-битовым аналого-цифровым преобразователем. В качестве ТС использован магазин сопротивлений кл. 0.2, двухпроводная линия 60 м - кабель категории 5Е, дополнительно для иллюстрации эффективности способа в каждый провод установлен последовательный резистор сопротивлением 120 Ом. Сопротивление изменялось в диапазоне 1…4 кОм с шагом 0.2 кОм.

Коэффициент вариации (фиг. 2) при измерении сопротивления изменялся от минимального значения 0,02% до максимального значения 0.09%.

Изобретение относится к области термометрии и может использоваться для измерения температуры среды или объектов. Способ измерения температуры состоит в питании подключенного двухпроводной линией термометра сопротивления, шунтированного конденсатором непосредственно на его присоединительных контактах, через последовательно включенный опорный резистор прямоугольными импульсами напряжения со скважностью, при которой средний ток через термометр сопротивления не превышает допустимой величины. При этом в конце действия прямоугольного импульса в установившемся режиме измеряется падение напряжения на опорном резисторе и напряжение на входе двухпроводной линии, а после разрыва цепи напряжение на входе двухпроводной линии измеряется с заданным шагом дискретизации и сумма отсчетов напряжения накапливается до окончания переходного процесса разряда конденсатора на термометр сопротивления с сохранением накопленной суммы на интервале времени t₁ и за полное время переходного процесса. Величина сопротивления термометра сопротивления определяется по величине сопротивления опорного резистора, падению напряжения на опорном резисторе, значениям двух накопленных сумм отсчетов и значению временного интервала t₁, а по градуировочной характеристике термометра сопротивления определяют измеряемую температуру. Техническим результатом является уменьшение погрешности измерения температуры, вызванной сопротивлением проводов при двухпроводном подключении термометра сопротивления и изменением постоянной времени разряда конденсатора, шунтирующего термометр сопротивления, помехами в измерительной цепи, шумами квантования. 2 ил.

Способ измерения температуры, состоящий в питании подключённого двухпроводной линией термометра сопротивления, шунтированного конденсатором непосредственно на его присоединительных контактах импульсами напряжения через опорный резистор со скважностью, при которой средний ток через термометр сопротивления не превышает допустимой величины, измерении напряжения на опорном резисторе в установившемся режиме в конце действия импульса напряжения, при этом по окончании действия импульса напряжение на входе двухпроводной линии измеряется с заданным шагом дискретизации, накапливаемая в течение интервала времени t₁ сумма отсчётов сохраняется, а накопление суммы отсчётов продолжается до окончания переходного процесса разряда конденсатора, шунтирующего термометр сопротивления и результат сохраняется, при этом сопротивление термометра сопротивления рассчитывается по суммам двух сохранённых отсчётов, длительности интервала t₁ и падению напряжения на опорном резисторе, измеренному в установившемся режиме в конце действия импульса напряжения, а температура определяется по градуировочной характеристике термометра сопротивления, отличающийся тем, что интервал времени t₁ рассчитывается по измеренному падению напряжения на опорном резисторе, напряжению на входе двухпроводной линии, измеряемому в конце действия импульса напряжения и начальному значению временного интервала t₁₀ при номинальном значении сопротивления термометра сопротивления.