Способ снижения погрешности измерения температуры электрическим мостом и измерительный мост Уитстона-Капиноса
METHOD OF REDUCING MEASUREMENT ERROR OF TEMPERATURE WITH ELECTRIC BRIDGE AND MEASURING AXLE OF WHEATSTONE-KAPINOS

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерениям электрических сопротивлений электрическими мостами, и может быть использовано в температурных измерениях, в том числе при градуировке терморезисторов: термометров сопротивления, термисторов, позисторов и их использования при проведении измерений температуры электрическими мостами, а также в приборостроении для построения измерительных мостовых преобразователей.
5
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 (SU 1539667 А1, G01R 17/10).
Однако этот способ - сложный в аппаратной реализации и потому не может найти применение в практике массового производства и градуировки промышленных терморезисторов, использования для широкого проведения измерения температуры, не устраняет саморазогрев терморезисторов проходящим через них измерительным током, из-за чего в результатах измерения имеет место соответствующая температурная погрешность.
Известен 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, G01k 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. Техническая реализация способа очень сложна.
Наиболее близким к предлагаемому измерительному мосту можно считать одинарный четырехплечий мост постоянного тока (Измерения в электронике: Справочник / В.А. Кузнецов, В.А. Долгов, В.М. Коневских и др. Под ред. В.А. Кузнецова. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 512 с.), состоящий из трех постоянных резисторов и терморезистора, соединенных последовательно в виде четырехугольника, измерителя разности потенциалов, включенного в диагональ нагрузки и источника питания, включенного в диагональ питания моста.
Недостаток указанного измерительного моста состоит в отсутствии контроля и управления величиной измерительного тока, протекающего через терморезистор, что приводит к саморазогреву терморезистора и, как следствие, к температурной погрешности измерения величины сопротивления терморезистора или величины измеряемой температуры.
Кроме того, функция преобразования моста является нелинейной, что также увеличивает погрешность результата измерения.
Предлагаются способ измерения температуры электрическим мостом и измерительный мост для его реализации.
Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, заключается в снижения погрешности измерения температуры электрическим мостом благодаря уменьшению разогрева (саморазогрева) терморезистора (термометр сопротивления, термистор, позистор) протекающим измерительным током и в обеспечении линейности функции преобразования электрического моста.
Поставленная задача решается тем, что в способе  измерения температуры, основанном на применении электрического моста с терморезистором, определяют расчетным путем допустимую величину тока в измерительной ветви моста, обусловленную допустимой погрешностью измерения температуры терморезистором из-за его разогрева протекающим током, устанавливают и в процессе измерения температуры поддерживают допустимую величину тока в измерительной ветви моста, а допустимую величину тока, протекающего в измерительной ветви моста, определяют согласно выражению
Доп
где ΔT - допустимая погрешность измерения температуры терморезистором из-за его разогрева протекающим измерительным током;
Т
δ - 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.
Поставленная задача решается тем, что в измерительном мосте для измерения температуры, состоящем из трех резисторов и терморезистора, соединенных последовательно в виде четырехугольника, измерителя разности потенциалов, включенного в диагональ нагрузки моста, и источника питания, включенного в диагональ питания моста:
- в качестве источника питания применен управляемый источник питания, управляющие входы которого подключены к выводам резистора, выполненного постоянным и включенного в измерительную ветвь моста последовательно терморезистору;
- в качестве управляемого источника питания моста применен управляемый источник тока, который настроен таким образом, чтобы выходной ток источника питания обеспечивал питание моста, в том числе допустимую величину измерительного тока, протекающего в измерительной ветви моста через терморезистор, при управляющем сигнале на управляющих входах источника питания, равном падению напряжения на постоянном резисторе, включенном в измерительную ветвь моста, обусловленного допустимой величиной протекающего через резистор измерительного тока;
- в качестве управляемого источника питания моста применен управляемый источник напряжения, который настроен таким образом, чтобы выходное напряжение источника питания обеспечивало питание моста, в том числе допустимую величину измерительного тока, протекающего в измерительной ветви моста через терморезистор, при управляющем сигнале на управляющих входах источника питания, равном падению напряжения на постоянном резисторе, включенном в измерительную ветвь моста, обусловленного допустимой величиной протекающего через резистор измерительного тока.
- в качестве одного из двух постоянных резисторов, составляющих образцовую ветвь моста, применен переменный резистор.
1
01
1
01
На фиг. 1 представлена схема измерительного моста для измерения температуры, фиг. 2 - зависимость электрического сопротивления термистора от температуры, фиг. 3 - результаты оценки погрешности измерения температуры мостом (фиг. 1) с использованием термистора с характеристикой, приведенной на фиг. 2, при условии его разогрева протекающим током в соответствии с предлагаемым способом (кривые A и A), фиг. 4 - результаты оценки погрешности измерения температуры мостом (фиг. 1) с использованием термистора с характеристикой, приведенной на фиг. 2, из-за его разогрева протекающим током в соответствии с известным (SU 463006, G01k 1/20) способом (кривые B фиг. 3 и В, на фиг. 5 и фиг. 6 - схемы сбалансированного измерительного моста.
Для реализации предлагаемого способа предлагается измерительный мост, состоящий из трех 1, 2 и 3 постоянных резисторов и терморезистора 4, соединенных последовательно в виде четырехугольника, измерителя 5 разности потенциалов, включенного в диагональ нагрузки 6-7 и источника питания 8, включенного в диагональ 9-10 питания моста, резисторы 1 и 2 составляют образцовую ветвь моста, а резистор 3 и терморезистор 4 составляют измерительную ветвь моста, отличающийся тем, что в качестве источника питания 8 применен управляемый источник питания, управляющие входы 11 и 12 которого подключены к выводам постоянного резистора 3, включенного в измерительную ветвь моста, содержащую терморезистор 4.
Измерительный мост работает следующим образом.
Измеритель 5 разности потенциалов имеет большие значения входного сопротивления, благодаря чему, величинами токов, протекающих во входных цепях измерителя 5, можно пренебречь.
Если в качестве управляемого источника 8 питания используется управляемый источник тока, то он выдает ток питания моста, величина которого равна сумме токов, протекающих в ветвях моста
где I - величина тока, выдаваемого источником питания 8;
9-7-10
i - величина тока, протекающего в измерительной ветви моста;
9-6-10
i - величина тока, протекающего в образцовой ветви моста.
9-7-10
Доп.
Величина тока i в измерительной ветви моста является величиной постоянной и не должна превышать величину тока  обусловленную допустимой погрешностью ΔT измерения температуры терморезистором из-за его разогрева протекающим измерительным током.
Величина напряжения, действующего в диагонали 9-10 моста,
9-10
где U - величина напряжения, действующего в диагонали 9-10 моста;
3
R - сопротивление резистора 3;
4
R - начальное сопротивление резистора 4;
4
ΔR - отклонение сопротивления резистора 4 от начального сопротивления под действием измеряемой температуры мостом.
Таким образом, если в качестве управляемого источника питания 8 используется управляемый источник напряжения, то он должен выдавать величину напряжения, соответствующую выражению (2).
Величина тока в образцовой ветви моста
1
где R - сопротивление резистора 1;
2
R - сопротивление резистора 2.
Величина тока, выдаваемого источником питания 8, с учетом выражений (1) и (3)
Таким образом, если в качестве управляемого источника питания 8 используется управляемый источник тока, то он должен выдавать величину тока, соответствующую выражению (4).
Величина напряжения на выходе измерительной ветви моста (вершина 7) равна падению напряжения на резисторе 4
7
где U - величина напряжения на выходе измерительной ветви моста.
Величина напряжения на выходе образцовой ветви моста (вершина 6) равна падению напряжения на резисторе 1
6
где U - величина напряжения на выходе образцовой ветви моста.
Выходное напряжение моста, действующее в диагонали 6-7 нагрузки, равно разности выходных напряжений измерительной ветви моста (вершина 7) и образцовой ветви моста (вершина 6)
Из выражения (7) следует, что функция преобразования предложенного измерительного моста является линейной. Благодаря этому новому качеству, предложенный мост обеспечивает уменьшение погрешности измерения температуры, обусловленной нелинейностью функции преобразования измерительного моста.
Погрешность измерения температуры электрическим мостом (фиг. 1) из-за разогрева (самаразогрева) терморезистора 4, например, термистора, протекающим измерительным током может быть описана выражением:
где  - 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.
Т
δ - коэффициент теплового рассеяния термистора (Зотов В. Принципы построения систем температурного контроля на NTC-термисторах компании Epcos // Компоненты и технологии. 2007. №6. С. 32-38.)
9-7-10
Допустимая величина тока i в измерительной ветви моста с учетом выражения (8)
Доп
где ΔT - допустимая погрешность измерения температуры терморезистором из-за его разогрева протекающим измерительным током.
В количественной оценке величины погрешности ΔT в соответствии с выражением (8) использована зависимость электрического сопротивления термистора ММТ-1 от температуры, приведенная на фиг. 2. Параметры элементов устройства (фиг. 1), используемые в оценке, приведены в таблице 1.
1
01
Результаты оценки погрешности ΔT приведены на фиг. 3 (Кривая A) и фиг. 4 (Кривая A).
Как следует из полученных результатов оценки, величина погрешности ΔT измерения температуры мостом (фиг. 1) из-за разогрева (саморазогрева) термистора (резистор 4) протекающим током зависит от величины тока, протекающего через термистор, и величины измеряемой температуры.
1
01
1
01
Для сравнения на фиг. 3 и фиг. 4 приведены результаты оценки погрешности измерения температуры мостом (фиг. 1) с использованием термистора с характеристикой, приведенной на фиг. 2, при условии его разогрева протекающим током в соответствии с предлагаемым способом (кривые A фиг. 3 и A фиг. 4) и результаты оценки погрешности измерения температуры мостом (фиг. 1) с использованием термистора с характеристикой, приведенной на фиг. 2, из-за его разогрева протекающим током в соответствии с известным (SU 463006 G01k 1/20) способом (кривые B фиг. 3 и B фиг. 4).
Заменой одного из двух постоянных резисторов 1 или 2 переменным резистором 13 или 14 несбалансированный измерительный мост (фиг. 1) превращается в сбалансированный измерительный мост (фиг. 5 и 6). При этом измеритель 5 выполняет функцию нуль-индикатора, а приведенные на фиг. 3 и фиг. 4 результаты оценки погрешности измерения температуры несбалансированным измерительным мостом (фиг. 1) справедливы и для сбалансированных измерительных мостов (фиг. 5 и 6). Функция преобразования предложенных измерительных мостов (фиг. 5 и 6) также является линейной.
Как видно из приведенного сравнения, предлагаемые способ измерения температуры и измерительный мост для измерения температуры, -  обладают положительным эффектом, так как обеспечивают снижение погрешности измерения температуры по сравнению с известным способом и устройствами.