Способ измерения температуры
TEMPERATURE MEASUREMENT METHOD

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 способ повышения падения напряжения на термометре сопротивления, реализованный  устройством [SU 1394062. Устройство для измерения температуры 07.05.1988 г.] в котором при изменении сопротивления термопреобразователя вследствие изменения температуры контролируемой среды, автоматически изменяется ток питания термопреобразователя (термометра сопротивления) с целью получения максимального уровня сигнала при допустимой мощности рассеивания. Для этого устройство содержит блок стабильных источников тока, в котором каждый источник тока настроен на генерацию заданного фиксированного тока опроса для конкретного диапазона значений сопротивлений термопреобразователя. Вычислительный блок осуществляет компенсацию аддитивной и мультипликативной составляющих погрешности.
Недостатками данного решения является то, что выигрыш в мощности сигнала, получаемого с термометра сопротивления оказывается небольшим, а сложность устройства резко возрастает, что снижает его надёжность.
Наиболее близким по технической сути к предлагаемому способу является 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 существенное возрастание погрешности за счёт сопротивления проводов линии, с помощью которой подключается термометр сопротивления.
Технической задачей, на решение которой направлен предлагаемый способ, является повышение точности измерения за счёт ослабления влияния сопротивления линии, с помощью которой осуществляется подключение термометра сопротивления, повышение надёжности и снижение стоимости, благодаря возможности использования двухпроводной линии.
1
2
Задача решается тем, что в способе измерения температуры, заключающемся 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, при этом термометр сопротивления шунтирован конденсатором непосредственно на его присоединительных контактах, измеряют напряжение на последовательном соединении в моменты времени t и t переходного процесса, и по ним определяют величину сопротивления термометра сопротивления, которое характеризует измеряемую температуру.
Предлагаемое решение поясняется: фиг. 1 – структурная схема устройства, реализующего способ измерения температуры; фиг. 2 – временная диаграмма импульса тока и напряжения на последовательном соединении двухпроводной линии и термометра сопротивления.
0
Рассмотрим предлагаемое решение детальнее. При подаче импульса тока I от генератора тока 2, на последовательном соединении двухпроводной линии 3 и термометра сопротивления 4, шунтированного конденсатором 5, появляется напряжение U (Фиг. 1), представленное на временной диаграмме (Фиг. 2).
0
Напряжение на последовательном соединении двухпроводной линии и термометра сопротивления (на зажимах двухпроводной линии на входе измерительного устройства) во время действия импульса тока Iопределяется выражением:
, (1)
П
0
П
Т
0
Т
T
где U= I R – напряжения на сопротивлении двухпроводной линии от протекающего тока, U= I R – напряжение на термометре сопротивления в конце переходного процесса заряда параллельно подключенного конденсатора С, τ = RC - постоянная времени цепи (Фиг. 2). В конце заряда конденсатора (установившийся режим) напряжение на зажимах двухпроводной линии будет равно:
М
П
Т
U= U + U. (2)
П
Т
0
Т
Т
Поэтому, при измерениях на постоянном токе, измеренное напряжение отличается от падения напряжения на термометре сопротивления  на величину падения напряжения на двухпроводной линии.  На временной диаграмме (Фиг. 2) видны скачки напряжения U, представляющие собой резкое изменение напряжения на проводах двухпроводной линии, вызванные скачкообразным изменением тока в начале и конце импульса тока. Плавное экспоненциальное изменение напряжения, во время действия импульса тока и по его окончании, соответствует заряду и разряду шунтирующего конденсатора 5. При этом конденсатор заряжается до напряжения равного U= I R, а по окончании импульса тока разряжается до нуля. Определить напряжение  U можно по результатам измерений,  в двух точках переходного процесса. Здесь будет показано как это реализуется при измерении в двух точках процесса разряда конденсатора (точки измерения можно выбирать на любых участках переходных процессов).
1
2
Напряжение на последовательном соединении двухпроводной линии и термометра сопротивления в моменты времени t и t, после завершения действия импульса:
и (3)
. (4)
Разделив (3) на (4) получим:
. (5)
Отсюда определим постоянную времени (поскольку при изменении температуры изменяется сопротивление термометра сопротивления, то постоянная времени различна при различных температурах):
. (6)
Подставляя выражение для постоянной времени в уравнение 3, находим из него напряжение на термометре сопротивления:
. (7)
2
1
Удобно выбрать t=2t, при этом вычисления упрощаются:
. (8)
Разделив полученное напряжение на величину известного тока, определим сопротивление термометра сопротивления, а по его градуировочной таблице -величину температуры.
На фиг. 1 представлено устройство, реализующее предлагаемый способ измерения температуры.
Устройство состоит из микроконтроллера 1 со встроенным АЦП, генератора тока 2, управляемого микроконтроллером 1, двухпроводной линии 3, с помощью которой подключается термометр сопротивления 4 и конденсатора 5, шунтирующего термометр сопротивления.
Первый выход микроконтроллера 1 соединён со входом генератора тока 2, выход генератора тока подключён к началу двухпроводной линии 3, к концу которой присоединён термометр сопротивления 4, шунтированный конденсатором 5, при этом начало двухпроводной линии присоединено ко входам 2 и 3 встроенного аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера 1.
1
2
Устройство работает следующим образом. С выхода микроконтроллера 1 на вход генератора известного тока поступает прямоугольный импульс заданной длительности, при этом генератор тока 2 формирует импульс тока той же длительности. Импульс тока поступает через двухпроводную линию на термометр сопротивления 4, шунтированный конденсатором 5. Напряжение возникающее на входах 2 и 3, встроенного в микроконтроллер 1 аналого-цифрового преобразователя, преобразуется в цифровые коды в задаваемые микроконтроллером моменты времени t и t, отсчитываемые от момента окончания импульса тока, по которым вычисляется напряжение установившегося режима на сопротивлении термометра сопротивления в соответствии с выражением 8, с учётом известного тока вычисляется его сопротивление, а с использованием градуировочной характеристики термометра сопротивления – измеряемая температура.
Величина тока генератора тока 2 вводится в память микроконтроллера 1 при калибровке устройства, но для снижения требований к точности генератора тока, ток может измеряться тем же встроенным аналого-цифровым преобразователем, для чего потребуется ввести в цепь тока последовательно включённый опорный резистор и напряжение с него подать на дополнительный вход аналого-цифрового преобразователя.
1
Следует учитывать то обстоятельство, что измерение напряжения должно осуществляться через интервал времени t после фронта или спада импульса тока, достаточный для завершения колебательных процессов, возникающих на входе двухпроводной линии. Для снижения динамической составляющей погрешности следует выбирать ёмкость шунтирующего конденсатора максимально возможной величины, но гарантирующей завершение переходного процесса с требуемой точностью в течении длительности импульса тока.
Предложенный способ позволяет повысить точность измерения температуры за счёт ослабления влияние длинной двухпроводной линии, с помощью которой подключается термометр сопротивления, при импульсном питании, обеспечивающим высокий уровень сигнала. Наибольший эффект достигается при использовании способа в системах сбора данных. Благодаря высокому уровню сигнала, нет необходимости в фильтрации сигнала на входе измерительного устройства RC-фильтром, что повышает скорость сканирования датчиков, поскольку при коммутации измерительного канала отсутствует необходимость в ожидании установления напряжения на входе АЦП.