Способ измерения температуры среды
METHOD FOR MEASURING THE TEMPERATURE OF THE MEDIUM

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.
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.
t
t
1
2
Наиболее близким по технической сути к предлагаемому способу является способ измерения температуры [RU 2752132 C1. Способ измерения температуры. 27.10.2020], позволяющий ослабить влияние сопротивления проводов двухпроводной линии на результат измерения, 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  и  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.
Технической задачей, на решение которой направлен предлагаемый способ, является повышение точности измерения за счёт ослабления влияния импульсных помех при двухпроводном подключении термометра сопротивления.
U
t
U
R
U
U
t
U
I1
1
IM
T
I1
IM
1
0
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,напряжение на входе двухпроводной линии интегрируется с момента завершения импульса напряжения и измеряется его интегральное значение  в момент времени  и  в конце переходного процесса разряда конденсатора, шунтирующего термометр сопротивления, при этом сопротивление термометра сопротивления  рассчитывается по двум измеренным значениям напряжения и , длительности интервала  и падению напряжения  на опорном резисторе, измеренном в установившемся режиме в конце действия импульса напряжения, а значение температуры определяется по градуировочной характеристике термометра сопротивления.
U
U
t
t
I1
IM
1
1
Задача решается тем, что в способе измерения температуры, заключающемся в  питании последовательного соединения, образованного  сопротивлением проводов двухпроводной линии и термометром сопротивления, шунтированным конденсатором непосредственно на его присоединительных контактах, импульсом напряжения через опорный резистор известной величины со скважностью, при которой средний ток через термометр сопротивления не превышает допустимой величины, причём опорный резистор подключается к источнику напряжения только на время действия прямоугольного импульса напряжения, в конце которого измеряется падение напряжения на опорном резисторе, интегрируют напряжение после прекращения действия импульса напряжения, присутствующее на последовательном соединении в течении времени разряда конденсатора, измеряя проинтегрированные значения напряжения и  в момент времени и в конце переходного процесса разряда конденсатора шунтирующего термометр сопротивления, а по значениям измеренных напряжений и времени интегрирования , определяют напряжение на термометре сопротивления в момент начала разряда конденсатора, равное напряжению в конце действия импульса напряжения, при этом по измеренному падению напряжения на опорном резисторе и падению напряжения на  термометре сопротивления  определяют величину сопротивления термометра сопротивления, которое связано с измеряемой температурой.
Предлагаемое решение поясняется: фиг. 1 – Структурная схема устройства, реализующего способ измерения температуры.
U
R
REF
L
Рассмотрим предлагаемое решение детальнее (фиг.1). При подаче импульса напряжения от опорного источника  при открывании ключа 2,  в цепи, содержащей последовательно соединённые опорный резистор 3, сопротивления проводов  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
R
R
R
0
L
T
=+2+.
Падение напряжения на термометре сопротивления и опорном резисторе в конце переходного процесса заряда конденсатора, соответственно, равны:
U
I
R
U
I
R
Т
0
Т
0
0
0
= ,= ,              (1)
I
0
где – ток в цепи в момент окончания переходного процесса заряда конденсатора (момент завершения импульса напряжения).
U
0
Падение напряжения на опорном резисторе 3 –  измеряется в конце переходного процесса заряда конденсатора 6.
U
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 , равное напряжению на термометре сопротивления 5, на которое разряжается конденсатор 6.
τ
R
C
U
T
T
где  =  – постоянная времени цепи разряда,  – 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.
Интегрируя напряжение переходного процесса разряда конденсатора с помощью интегратора 7, получим:
t
При интегрировании в течении всего времени разряда (при →∞) получим максимальное напряжение на выходе интегратора:
U
τU
IM
T
=,               (4)
t
t
1
а при интегрировании в течении времени =
Откуда постоянная времени:
Подставляя постоянную времени из (6) в (4), получим:
U
U
t
U
I1
IM
1
T
Напряжения  и  на выходе интегратора 7 измеряются в конце интервала , который выбирается примерно равным постоянной времени, и в конце переходного процесса разряда конденсатора, шунтирующего термометр сопротивления, соответственно.  рассчитывается по выражению (7).
U
U
0
T
Зная  и, из выражений (1) можно определить сопротивление термометра сопротивления, а по его градуировочной характеристике – величину температуры.
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, интегратора 7.
U
REF
Первый выход микроконтроллера 1 соединён с управляющим входом 1 ключа 2, на вход 2 которого подаётся опорное напряжение , а выход 3 подключён к параллельно соединённым входу 2 встроенного аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера 1 и входу опорного резистора 3, выход которого подключён ко входу 3 встроенного аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера 1, входу 2 интегратора 7 и входу (а) двухпроводной линии 4, вход (б) которой  заземлён и присоединён к общему входу 6 встроенного аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера 1, а к выходам двухпроводной линии 4 присоединен термометр сопротивления 5 шунтированный конденсатором 6, при этом выход 3 интегратора 7 подключён ко входу 5 встроенного аналого-цифрового преобразователя  микроконтроллера 1, а управляющий вход 1 интегратора 7 присоединён к выходу 4 микроконтроллера 1.
R
U
t
τ
U
U
t
L
1
I1
IM
1
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  её проводников и термометра сопротивления 4, шунтированного конденсатором 6. Импульс тока поступает через двухпроводную линию на термометр сопротивления 4, шунтированный конденсатором 5. 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. По завершении заданной длительности импульса напряжения, отсчитываемой таймером микроконтроллера 1, микроконтроллер 1 одновременно снимает управляющее напряжение на выходе 1, выключая ключ 2 (разрывается цепь питания термометра сопротивления), и подаёт управляющее напряжение с выхода 4, на управляющий вход 1 интегратора 7, разрешая интегрирование напряжения , присутствующего на входе 2 интегратора 7. При этом полное время интегрирования гарантирует завершение процесса разряда конденсатора 6, с заданной погрешностью. Напряжение на выходе 3  интегратора 7 измеряется встроенным аналого-цифровым преобразователем в момент времени ≈  (),и в конце интегрирования(). По измеренным значениям напряжения и заданному времени интегрирования  рассчитывается падение напряжения на термометре сопротивления в соответствии с (7), и  по (1) вычисляется его сопротивление. Температура определяется по градуировочной характеристике термометра сопротивления.
Альтернативная реализация позволяет отказаться от аналогового интегратора 7, освободив тем самым выводы 4 и 5 микроконтроллера 1 для других целей. В этом случае следует использовать цифровое интегрирование, в простейшем случае сводящееся к накоплению результатов измерений, выполняющихся с заданным интервалам дискретизации. Достоинством подобной реализации является упрощение аппаратного решения и ослабление влияния на погрешность измерения не только внешних помех, но и шумов квантования. Следует отметить, что подобное решение предъявляет повышенные требования к быстродействию аналого-цифрового преобразователя.
Предложенный способ позволяет повысить точность измерения температуры, поскольку сохраняет все положительные свойства прототипа и имеет существенно меньшую чувствительность к помехам. В случае использования цифровых методов интегрирования дополнительно снижается и влияние шумов квантования.