RU2824738C1

RU2824738C1 - Способ измерения температуры

Info

Publication number: RU2824738C1
Application number: RU2024110340A
Authority: RU
Inventors: Олег Григорьевич Бондарь; Екатерина Олеговна Брежнева; Максим Александрович Брежнев
Filing date: 2024-04-16
Publication date: 2024-08-13

Abstract

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, через последовательно включённый 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 отсчётов напряжения накапливается в течение времени t₂ = 2t₁ с сохранением накопленной суммы в конце интервалов времени t₁ и t_2. Величина сопротивления термометра сопротивления определяется по величине сопротивления опорного резистора, падению напряжения на опорном резисторе, значениям двух накопленных сумм отсчётов и значению временного интервала t₁, а по градуировочной характеристике термометра сопротивления определяют измеряемую температуру. Технический результат - уменьшение погрешности измерения температуры, вызванной шумами квантования, влияние которых возрастает при снижении напряжения на термометре сопротивления по мере разряда конденсатора, а также повышение быстродействия при использовании в многоканальных системах. 2 ил.

Description

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. 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 надёжность.

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 надёжности [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 t ₁ и t ₂ 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 2805639 C1. Способ измерения температуры. 03.04.2023], 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 t ₁ , рассчитанного по измеренному падению напряжения на опорном резисторе, напряжению на входе двухпроводной линии, измеренному в конце действия импульса напряжения и начальному значению временного интервала t ₁₀, 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 t ₁ 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 интегрирование до конца переходного процесса приводит к снижению быстродействия и росту погрешности измерений, т.к. при снижении напряжения на термометре сопротивления в результатах измерения начинают доминировать шумы квантования.

Технической задачей, на решение которой направлен предлагаемый способ, является повышение быстродействия и точности измерения за счёт ограничения времени интегрирования переходного процесса разряда конденсатора.

Задача решается тем, что в способе измерения температуры, заключающемся 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 напряжение на входе двухпроводной линии с момента завершения импульса напряжения преобразуется в цифровые отсчёты (цифровой код) с заданным интервалом дискретизации, накапливаемая в течении интервала времени t ₁ сумма отсчётов S ₁ сохраняется, накопление суммы отсчётов продолжается до момента времени t ₂ = 2t ₁, а результат сохраняется как S ₂, при этом сопротивление термометра сопротивления R _ТС рассчитывается по суммам двух сохранённых отсчётов S ₁ и S ₂, длительности интервала t ₁, и падению напряжения U ₀ на опорном резисторе R ₀, измеренному в установившемся режиме в конце действия импульса напряжения, а температура определяется по градуировочной характеристике термометра сопротивления, при этом длительность интервала t ₁ определяется по измеренному напряжению на опорном резисторе, напряжению на входе двухпроводной линии, измеряемому в конце действия импульса напряжения и начальному значению временного интервала t ₁₀ при номинальном значении сопротивления термометра сопротивления.

Предлагаемое решение поясняется: фиг. 1 – Структурная схема устройства, реализующего способ измерения температуры; фиг. 2 – Погрешность определения интеграла напряжения при полном разряде конденсатора.

Рассмотрим предлагаемое решение детальнее (фиг.1). При подаче импульса напряжения с вывода 2 микроконтроллера, в цепи, содержащей последовательно соединённые опорный резистор 6, сопротивления проводов R _Л двухпроводной линии 7 и термометр сопротивления 8, шунтированный конденсатором 9, появляется ток. При этом конденсатор 9 к моменту окончания импульса напряжения заряжается полностью и ток в цепи определяется лишь активным сопротивлением цепи

R = R ₀+2R _Л+R _TС.

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

U _ТС0= I ₀ R _ТС, U ₀= I ₀ R ₀, U _Л0 = I ₀(R _ТС + 2R _Л), (1)

где I ₀– ток в цепи в момент окончания переходного процесса заряда конденсатора (момент завершения импульса напряжения).

В конце переходного процесса заряда конденсатора 9 измеряются падение напряжения на опорном резисторе 6 – U _0, и напряжение на входе двухпроводной линии U _Л0 (на зажимах а, б).

По завершении переходного процесса заряда конденсатора 9 цепь, содержащая термометр сопротивления 8 отключается от источника опорного напряжения перепрограммированием вывода 2 микроконтроллера в режим ввода (высокоимпедансное состояние). При этом ток цепи равен 0, а на зажимах (а, б) двухпроводной линии 7 действует напряжение U _Л, равное напряжению на термометре сопротивления 8, на который разряжается конденсатор 9.

(2)

где τ = R _TС C – постоянная времени цепи разряда, U _TC0 – 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 отсчёты напряжения (коды) и суммируя их в течении времени t ₁, получим:

(3)

где n ₁ = t ₁/Δt – количество отсчётов напряжения на интервале t ₁.

При умножении S ₁ на интервал дискретизации, получим приближённое значение интеграла напряжения на интервале t ₁ (сумма n ₁ прямоугольников высотой равной величине отсчёта напряжения и шириной равной интервалу дискретизации):

(4)

При продолжении суммирования отсчётов до момента времени равного t ₂, получим:

, (5)

где n ₂ = t ₂/Δt – количество отсчётов напряжения на интервале от момента отключения цепи термометра сопротивления от источника опорного напряжения до момента времени t ₂.

Произведение этой суммы на интервал дискретизации представляет собой интеграл процесса разряда на ограниченном интервале от момента начала разряда до момента t ₂:

. (6)

Принимаем t ₂ = 2t ₁. При этом:

. (7)

Разделив друг на друга левые и правые части уравнений системы (7), соответственно, получим:

.

Или:

. (8)

Отсюда находим постоянную времени:

. (9)

Выражая t ₁через интервал дискретизации и количество дискретных отсчётов n ₁ на этом интервале, получим:

. (10)

Подставив значение постоянной времени из (10) в (4), получим:

.

Отсюда напряжение на термометре сопротивления в начале переходного процесса разряда:

. (11)

Зная U ₀ и U _TС0, из выражений (1) можно определить сопротивление термометра сопротивления, как:

, (12)

а по его градуировочной таблице – величину температуры.

В выражении (11) временной интервал t ₁ присутствует в неявном виде как n ₁ = t ₁/Δt – количество интервалов дискретизации аналого-цифрового преобразователя. С учётом 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.

. (13)

Постоянная времени R _ТС С изменяется пропорционально изменению сопротивления термометра сопротивления. Из (11) следует что при фиксированном значении постоянной времени погрешность измерения U _ТС0 зависит от погрешности определения отношения S ₂/S ₁ и достигает минимума при его некотором значении. Поэтому необходимо поддерживать это отношение примерно постоянным при изменении сопротивления термометра сопротивления, что обеспечивается постоянством отношения t ₁/τ. Отсюда следует, что t ₁ надо выбирать равным

, (14)

где t _1Н, R _ТСН, U _ТС0Н, U _0Н – значения времени измерения, сопротивления термометра сопротивления, напряжения на термометре сопротивления в начале переходного процесса разряда конденсатора, напряжения на опорном резисторе, соответственно, при номинальном значении сопротивления термометра сопротивления, R _ТС0, U _ТС0, U ₀ – значения сопротивления термометра сопротивления, напряжения на термометре сопротивления в начале переходного процесса разряда конденсатора, напряжения на опорном резисторе, соответственно, при конкретном значении измеряемой температуры, t ₁₀= t _1Н×U _0Н/U _ТС0Н – начальное значение временного интервала через которое осуществляется оценка времени измерения при конкретной температуре.

Выражая t ₁₀ через длительность интервала дискретизации t ₁₀= n ₀×Δt, и использую вместо U _ТС0 его оценку U _Л0, можно получить оценку количества отсчётов на интервале интегрирования t ₁, обеспечивающую минимальную погрешность измерения сопротивления термометра сопротивления R _ТС для любой измеряемой температуры:

. (15)

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

Устройство состоит из микроконтроллера 1 со встроенным АЦП, опорного резистора 6, двухпроводной линии 7, с помощью которой подключается термометр сопротивления 8, конденсатора 9, шунтирующего термометр сопротивления.

Выводами 2 и 5 микроконтроллер 1 через опорный резистор 6, подключенный к выводу 2, соединён двухпроводной линией 7 с термометром сопротивления 8, шунтированным конденсатором 9, при этом вход 3 встроенного в микроконтроллер 1 аналого-цифрового преобразователя подключен к выводу опорного резистора 6, соединённого с выводом 2 микроконтроллера, а вход 4 – с выводом опорного резистора 6, подключенным к двухпроводной линии 7 (зажим - а).

Устройство работает следующим образом. С вывода 2 микроконтроллера 1 на последовательную цепь из опорного резистора 6 и термометра сопротивления 8, шунтированного конденсатором 9 поступает прямоугольный импульс напряжения заданной длительности (гарантирующей завершение процесса заряда шунтирующего конденсатора 9 и отсутствие разогрева термометра сопротивления 8 свыше заданного значения). В конце переходного процесса заряда шунтирующего конденсатора 9 измеряется напряжение U ₀ на опорном резисторе 6, а затем напряжение U _Л0 на входе двухпроводной линии 7 (на зажимах а, б между входами 4 и 5 микроконтроллера 1). При этом по выражению (15) оценивается количество интервалов дискретизации, соответствующих времени интегрирования t ₁. Микроконтроллер 1 программно переводит вывод 2 в высокоимпедансное состояние, разрывая тем самым цепь питания термометра сопротивления 8, с заданным периодом дискретизации преобразует напряжения на входе двухпроводной линии (а, б) с помощью встроенного аналого-цифрового преобразователя в цифровые отсчёты и суммирует их. При суммировании n ₁ отсчётов, сумма S ₁ -сохраняется, а суммирование продолжается до достижения общего числа отсчётов n ₂ = 2n ₁. При этом результат суммирования S ₂сохраняется.

В соответствии с выражением (11) рассчитывается напряжение U _ТС0 на термометре сопротивления в установившемся режиме (в конце импульса напряжения при полном заряде конденсатора), а по выражению (12) – сопротивление R _ТС термометра сопротивления. Температура определяется микроконтроллером по градуировочной характеристике термометра сопротивления.

Предложенный способ позволяет снизить погрешность измерения, исключая необходимость измерения малых по величине напряжений в значительной части переходного процесса разряда конденсатора, где на результат измерения существенно влияют шумы квантования. Кроме того, уменьшение общего времени измерения даёт возможность выбирать соотношение длительностей импульса питания цепи термометра сопротивления и паузы исключительно исходя из требований его минимального перегрева, а не времени завершения процесса разряда конденсатора. В многоканальных системах это позволяет получить существенный выигрыш в быстродействии.

На фиг. 2 представлена величина погрешности результата интегрирования полного процесса разряда конденсатора в прототипе в зависимости от выбора длительности интегрирования, выраженной в долях постоянной времени. Постоянная времени изменялась в 4 раза (изменялось величина сопротивления ТС от 1 до 4 кОм с шагом 0.5 кОм). Погрешность зависит от величины постоянной времени, разрядности используемого АЦП уровня шумов. Данные приведены для 10-битового АЦП.

Минимальная погрешность достигается в зависимости от постоянной времени в диапазоне 7.5… 8τ, а затем увеличивается, что определяется тем, что уровень сигнала уменьшается до шага квантования и далее интегрируются лишь шумы.

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%.

Claims

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 интервал времени t₁ рассчитывается по падениям напряжения на опорном резисторе, на входе двухпроводной линии, измеряемым в конце действия импульса напряжения, и начальному значению временного интервала t₁₀, определённому при номинальном значении сопротивления термометра сопротивления, отличающийся тем, что накопление отсчётов продолжается с сохранением результата в момент времени t₂ = 2t₁, при этом сопротивление термометра рассчитывается по двум сохранённым суммам отсчётов, соответствующих моментам времени t₁ и t₂ и падению напряжения на опорном резисторе, измеренному в установившемся режиме в конце действия импульса напряжения, а температура определяется по градуировочной характеристике термометра сопротивления.