Способ измерения температуры Российский патент 2024 года по МПК G01K7/16 

Изобретение относится к области термометрии и может использоваться для измерения температуры среды или объектов. Одним из самых распространённых 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 трёхпроводных и четырёхпроводных 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 трёхпроводных и четырёхпроводных кабелей, существенно удорожающие подключения термометров сопротивления по сравнению с двухпроводным подключением.

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 надёжность.

Известен также способ существенного повышения уровня сигнала при упрощении устройства и, следовательно, снижения погрешности, реализуемый устройством [RU 2534633 C2. Устройство для измерения температуры среды. 22.03.2013 г.], в котором ток опроса измерительной цепи, содержащей эталонный резистор и последовательно включённый термометр сопротивления (термопреобразователь, терморезистор), формируется в виде прямоугольного импульса со скважностью, при которой средний ток через термопреобразователь не превышает допустимой величины, а по падению напряжения на термометре сопротивления и эталонном резисторе, преобразованными в цифровой код аналого-цифровым преобразователем, в контроллере рассчитывается значение сопротивления термометра сопротивления, а затем температура среды.

Недостатком этого способа измерения температуры является существенная погрешность, вносимая сопротивлением проводов линии, с помощью которой подключается термометр сопротивления.

Наиболее близким по технической сути к предлагаемому способу является способ измерения температуры [RU 2775873 C1. Способ многоканального измерения температуры. 08.06.2021], позволяющий ослабить влияние сопротивления проводов двухпроводной линии на результат измерения, заключающийся в поочерёдном питании n термометров сопротивления, шунтированных конденсаторами, через соответствующие линии и общее опорное сопротивление импульсом напряжения со скважностью, при которой средний ток через термометр сопротивления не превышает допустимой величины, а величина ёмкости конденсаторов выбирается такой, чтобы за время действия импульса напряжения его заряд завершился, при этом импульс напряжения завершается отключением опорного резистора от источника питания, сопротивление термометра сопротивления определяется по результатам измерения падения напряжения на опорном резисторе в конце действия импульса напряжения и напряжения на конце линии, подключенном к опорному резистору, после отключения опорного резистора от источника питания.

Недостатком данного способа измерения является снижение точности измерения, связанное с переходным процессом в длинной линии, с помощью которой подключается термометр сопротивления.

Целью изобретения является повышение точности измерения.

Цель изобретения достигается тем, что способе измерения температуры, состоящем 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 U₀ в установившемся режиме в конце действия импульса напряжения, и напряжения U_ТС на входе двухпроводной линии в первый момент после отключения питания, при этом сопротивление термометра сопротивления R_TС рассчитывается по измеренным значениям напряжения U₀, U_ТС и величине опорного резистора, а значение температуры определяется по градуировочной характеристике термометра сопротивления, исключаются колебания на входе двухпроводной линии за счёт полного поглощения падающей волны включением последовательно с термометром сопротивления, шунтированным конденсатором, согласующего резистора с сопротивлением равным волновому сопротивлению двухпроводной линии.

Введение согласующего резистора не является тривиальным решением, вытекающим из существующего уровня техники, т.к. вступает в противоречие со стремлением исключить влияние сопротивления линий подключения термометров сопротивления на результаты измерения в существующих средствах измерения температуры (в предлагаемом способе измерения это сопротивление увеличивается).

Предлагаемое решение поясняется: фиг. 1 – Структурная схема устройства измерения температуры; фиг. 2 – Осциллограммы напряжения на входе двухпроводной линии непосредственно после отключения питания без согласующего резистора а), с согласующим резистором в), соответственно; на интервале разряда конденсатора шунтирующего термометр сопротивления б) и г), соответственно.

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

Устройство состоит из микроконтроллера 1 со встроенным АЦП, опорного резистора 6, двухпроводной линии 7, согласующего резистора 8, термометра сопротивления 9, конденсатора 10, шунтирующего термометр сопротивления.

К выводам 2 и 6 микроконтроллера 1 подключена последовательная цепь из опорного резистора 6, двухпроводной линии 7, согласующего резистора 8, термометра сопротивления 9, конденсатора 10, шунтирующего термометр сопротивления. Выводы резистора 6 подключены ко входам 3 и 4 аналого-цифрового преобразователя встроенного в микроконтроллер 1.

Устройство работает следующим образом. С вывода 2 микроконтроллера 1 на последовательную цепь из опорного резистора 6, двухпроводной линии 7, согласующего резистора 8, термометра сопротивления 9, конденсатора 10, шунтирующего термометр сопротивления подаётся прямоугольный импульс напряжения заданной длительности (гарантирующей завершение процесса заряда шунтирующего конденсатора 10 и отсутствие разогрева термометра сопротивления 9 свыше заданного значения). Непосредственно перед отключением питания цепи термометра сопротивления, измеряется падение напряжение U₀ на опорном резисторе 6, поступающее на входы 3 и 4 встроенного аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера 1. По завершении заданной длительности импульса напряжения, отсчитываемой таймером микроконтроллера 1, микроконтроллер 1 отключает напряжение питания цепи термометра сопротивления изменением режима работы вывода 2, переключая его на ввод и практически разрывая цепь термометра сопротивления. При этом измеряется напряжение U_ТС на входе двухпроводной линии (между выводами 4 и 5 встроенного аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера 1).

На фиг.2 представлены осциллограммы напряжения на входе двухпроводной линии, которой подключается термометр сопротивления. Двухпроводная линия выполнена из кабеля категории 5е и имеет длину 60 м.

Изменение режима работы длинной линии 7 приводит к распространению вдоль неё падающей волны напряжения.

В отсутствие согласующего резистора 8 конденсатор 10 создаёт режим короткого замыкания для падающей волны и возникает отражённая волна напряжения с амплитудой равной амплитуде падающей волны, но противоположная по знаку. Отражённая волна распространяется ко входу двухпроводной линии и алгебраически суммируется с падающей волной, а т. к. на входе двухпроводной линии имеет место режим холостого хода (линия нагружена на высокое сопротивление входов 3 и 4 встроенного аналого-цифрового преобразователя), то происходит отражение волны от входа двухпроводной линии и этот процесс повторяется постепенно затухая. Фиг. 2,а демонстрирует поведение напряжения на входе двухпроводной линии между входами 4 и 5 встроенного аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера 1. Результат измерения этого напряжения соответствует напряжению на термометре сопротивления до момента отключения с некоторой ошибкой, определяемой длительностью интервала выборки напряжения устройством выборки-хранения встроенного аналого-цифрового преобразователя последовательного приближения микроконтроллера 1, длиной двухпроводной линии 7, величиной тока в цепи термометра сопротивления 9 по завершении заряда конденсатора 10.

При наличии в цепи термометра сопротивления согласующего резистора 8 падающая волна полностью поглощается согласующим резистором 8, и отражённая волна не возникает. Фиг. 2,в демонстрирует поведение напряжения на входе двухпроводной линии 7 в этой ситуации. Напряжение на входе двухпроводной линии 7 изменяется со скоростью определяемой скоростью разряда конденсатора 10 на термометр сопротивления, что позволяет считать, что за время выборки напряжения устройством выборки-хранения встроенного аналого-цифрового преобразователя последовательного приближения микроконтроллера 1 напряжение не изменяется, и соответствует этому напряжению до отключения питания цепи термометра сопротивления. Фиг. 2, б и 2, г – иллюстрируют общий характер изменения напряжения на входе двухпроводной линии 7. В представленном масштабе особенности начальной стадии переходного процесса разряда конденсатора 10 не отображаются.

Представленные диаграммы иллюстрируют эффективность введения согласующего резистора 10, а дополнительное сопротивление, вносимое им в цепь питания термометра сопротивления подавляется за счёт того, что в момент измерения напряжения на входе двухпроводной линии при разрыве цепи питания, ток в ней исчезающе мал, и падение напряжения на сопротивлении проводов двухпроводной линии и согласующем резисторе также крайне мало. Поэтому напряжение на входе двухпроводной линии равно U_ТС.

При этом величина сопротивления термометра сопротивления

$$R_{\text{ТС}}=R_0\frac{U_{\text{ТС}}}{U_0}$$ ,

т. к. при завершении заряда конденсатора 10 через опорный резистор R₀, сопротивление линии 2R_Л, согласующий резистор R_С и термометр сопротивления R_TC протекает один и тот же ток

$$I=\frac{U_0}{R_0}$$ ,

а напряжения на термометре сопротивления и конденсаторе U_ТС = IR_ТС.

Температура определяется по градуировочной характеристике термометра сопротивления.

Предложенный способ позволяет существенно уменьшить погрешность измерения температуры за счёт исключения отражённой волны в двухпроводной линии, а влияние дополнительного сопротивления, вносимого согласующим резистором, эффективно подавляется за счёт крайне малого тока, протекающего через этот резистор и сопротивление двухпроводной линии при измерении напряжения на термометре сопротивления.

Изобретение относится к области термометрии и может использоваться для измерения температуры среды или объектов. Предложен способ измерения температуры, который состоит 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 U₀ в установившемся режиме в конце действия импульса напряжения и напряжения U_ТС на входе двухпроводной линии в первый момент после отключения питания. При этом сопротивление термометра сопротивления R_TС рассчитывается по измеренным значениям напряжения U₀, U_ТС и величине опорного резистора R₀, а значение температуры определяется по градуировочной характеристике термометра сопротивления. Причем при этом исключаются колебания измеряемого напряжения U_ТС на входе двухпроводной линии за счёт полного поглощения падающей волны включенным последовательно с термометром сопротивления, шунтированным конденсатором, согласующего резистора с сопротивлением равным волновому сопротивлению двухпроводной линии. Техническим результатом является уменьшение погрешности измерения температуры, вызванной влиянием сопротивления двухпроводной линии и переходным процессом в двухпроводной линии при отключении питания. 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 U₀ в установившемся режиме в конце действия импульса напряжения, и напряжения U_ТС на входе двухпроводной линии в первый момент после отключения питания, при этом сопротивление термометра сопротивления R_TС рассчитывается по измеренным значениям напряжения U₀, U_ТС и величине опорного резистора R₀, а значение температуры определяется по градуировочной характеристике термометра сопротивления, отличающийся тем, что с целью уменьшения погрешности измерения температуры исключаются колебания на входе двухпроводной линии при отключении питания за счёт полного поглощения падающей волны согласующим резистором с сопротивлением равным волновому сопротивлению двухпроводной линии, включенным последовательно с термометром сопротивления, шунтированным конденсатором.