ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ТЕМПЕРАТУРЫ
DIGITAL TEMPERATURE METER

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения температуры контактными резисторными датчиками в окружающей среде и в технологических процессах. Оно может быть использовано также для измерения параметров газов и жидкостей, например, скорости потока.
Известны измерители температуры с резисторными датчиками в измерительных неуравновешенных мостах [1]. Такие измерители не обеспечивают высокой точности из-за нелинейности функции преобразования приращения сопротивления датчика в выходной сигнал, зависимости результата измерения от параметров моста и источника питания, наличия динамической погрешности при изменчивости измеряемой температуры из-за термической инерционности датчика.
Известны способы измерения температуры и коэффициента теплообмена датчиков, со средой (методы Г.Пфрима) с использованием двух датчиков с разными конструктивными параметрами или тепловыми режимами, предусматривающие исключение динамической погрешности измерений [2]. Для реализации этих способов необходимо одновременное измерение мгновенных температур и их производных двух датчиков, мгновенных мощностей нагрева датчиков и выполнение вычислительных операций [3].
Известные измерители температуры с двумя датчиками сложны и не в полной мере реализуют эти методы [4].
Наиболее близким по составу и структуре к предлагаемому устройству, и поэтому выбранный в качестве прототипа, является цифровой измеритель температуры, содержащий источник опорного напряжения, измерительный мост, дифференциальный усилитель, аналого-цифровой преобразователь, причем источник опорного напряжения соединен с генераторами тока в двух плечах измерительного моста, которые образованы двумя образцовыми резисторами, два других плеча образованы третьим образцовым резистором и термопреобразователем сопротивления, а выходная диагональ моста подана на входы дифференциального усилителя, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя [5].
Этому устройству также присущи вышеприведенные недостатки. Кроме того, питание моста постоянным напряжением не устраняет возможную паразитную термо-эдс в цепи датчика, а наличие малого полезного сигнала с моста требует использования дифференциального усилителя, что приводит к усилению входных шумов вместе с полезным сигналом.
Это устройство также не реализует методы Г. Пфрима по исключению динамической погрешности измерений.
Такие признаки прототипа, как наличие резисторного датчика температуры, включенного в измерительный мост с тремя образцовыми резисторами в плечах, вершины которого соединены с выходами источника питания и входами блока преобразования и обработки, совпадают с существенными признаками заявленного изобретения.
В основу изобретения поставлена задача создания цифрового измерителя температуры, в котором путем уменьшения динамической погрешности из-за тепловой инерционности датчика, снижения случайной и систематической погрешностей из-за внутренних шумов и "ухода" параметров измерительного моста и блока питания обеспечивается технический результат - повышение точности измерения температуры.
Поставленная задача решается тем, что в цифровом измерителе температуры, который содержит резисторный датчик температуры, включенный в измерительный мост с тремя образцовыми резисторами в плечах, вершины которого соединены с выходами источника питания и входами блока преобразования и обработки, согласно изобретению мост выполнен так, что содержит второй резисторный датчик температуры и четвертый образцовый резистор и имеет шесть вершин, из которых первая и вторая подключены к выходам источника питания, а четыре другие - к входам блока преобразования и обработки, причем указанное подключение вершин измерительного моста к выходам источника питания и входам блока преобразования и обработки выполнено непосредственно или выполнено дистанционно, при этом первый датчик температуры подключен одним выводом к первой вершине моста, а другим выводом соединен последовательно через третью вершину, первый образцовый резистор, четвертую вершину и второй образцовый резистор со второй вершиной моста, а второй датчик температуры подключен одним выводом ко второй вершине, а другим выводом соединен последовательно через пятую вершину, третий образцовый резистор, шестую вершину и четвертый образцовый резистор с первой вершиной измерительного моста.
При этом образцовые резисторы могут быть выполнены переменными и программно управляемыми.
Блок преобразования и обработки может быть выполнен в составе четырех аналого-цифровых преобразователей с дифференциальными входами и микропроцессора, цифровые входы и выходы которого соединены, соответственно, с цифровыми выходами и входами каждого из аналого-цифровых преобразователей, а аналоговые входы аналого-цифровых преобразователей соединены последовательно в кольцо таким образом, что первый вывод входа каждого аналого-цифрового преобразователя соединен со вторым выводом входа другого аналого-цифрового преобразователя и одним из четырех входов блока преобразования и обработки.
Блок преобразования и обработки может быть выполнен также в составе коммутатора, аналого-цифрового преобразователя и микропроцессора, вход и выход которого подключены, соответственно, к цифровым выходу и входу аналого-цифрового преобразователя, дифференциальный вход которого подключен к дифференциальному выходу коммутатора, четыре дифференциальных входа которого являются входами блока преобразования и обработки.
Структурная схема устройства представлена на фигурах 1 и 2, которые иллюстрируют, соответственно, непосредственное или дистанционное расположение измерительного моста.
В состав устройства входят измерительный мост ИМ 1, блок преобразования и обработки БПО 2 и источник питания ИП 3. Измерительный мост 1 имеет два входа питания на вершины в1 и в2 и четыре выхода от вершин в3, в4, в5, в6. Входы измерительного моста соединены с выходами источника питания 3 непосредственно (фиг.1) или проводными линиями при дистанционном расположении измерительного моста 1 (фиг. 2). Выходы измерительного моста 1 в6, в4, в5, и в6 поданы на одноименные входы блока преобразования и обработки 2 непосредственно (фиг.1) или через проводные линии при дистанционном расположении измерительного моста 1 (фиг. 2).
1
2
3
4
Измерительный мост 1 состоит из двух ветвей резисторов, включенных параллельно между вершинами в1 и в2, поданными на выходы источника питания. Первая ветвь ИМ образована последовательно включенными первым датчиком температуры  вершины в3, первым образцовым резистором R вершины в4 и вторым образцовым резистором R. Вторая ветвь ИМ образована последовательно включенными вторым датчиком температуры , вершиной в5, третьим образцовым резистором R, вершиной в6 и четвертым образцовым резистором R.
Вершины в1 и в2 являются входами ИМ по энергопитанию. Вершины в3, в4, в5, в6 являются выходами ИМ, поданными на одноименные входы блока преобразования и обработки БПО 3.
4
1
Сопротивление четвертого образцового резистора R равно сопротивлению первого датчика  в нижней точке диапазона измеряемых температур. Это обеспечивает получение напряжения U между вершинами ИМ в3 и в6, примерно пропорционального приращению сопротивления первого датчика  в диапазоне измеряемых температур.
2
2
Сопротивление второго образцового резистора R равно сопротивлению второго датчика  в нижней точке диапазона измеряемых температур. Это обеспечивает получение напряжения U между вершинами ИМ в4 и в5 - примерно пропорционального приращению сопротивления второго датчика  в диапазоне измеряемых температур.
1
3
Сопротивление первого образцового резистора R равно максимальному изменению сопротивления первого датчика  во всем диапазоне измеряемых температур. Это позволяет получить на вершинах в3 и в4 ИМ напряжение U, равное максимально возможному приращению напряжения на первом датчике , и определить мгновенное значение рабочего тока через первый датчик .
3
Сопротивление третьего образцового резистора R равно максимальному изменению сопротивления второго датчика  во всем диапазоне измеряемых температур.
4
Это позволяет получить на вершинах в5 и в6 ИМ напряжение U, равное максимально возможному приращению напряжения на втором датчике , и определить мгновенное значение рабочего тока через второй датчик .
В качестве датчиков температуры  и  используются термосопротивления медные, никелевые, платиновые или термисторы. Предполагается, что их вольтамперная характеристика линейна.
Зависимости сопротивления датчиков от температуры предполагаются известными. Они могут быть линейными (для медных, никелевых и некоторых термисторных датчиков) и нелинейными (для платиновых и термисторных датчиков). Например, для, линейных датчиков эта зависимость имеет вид
θ
где R - сопротивление датчика при температуре θ,
0
0
R - сопротивление датчика при начальной температуре θ (нижняя точка диапазона измеряемых температур);
α - температурный коэффициент чувствительности. Максимальное сопротивление датчика равно
m
где θ - максимальная измеряемая температура.
Температура датчика определяется по его сопротивлению согласно градуировочной характеристике, которая для линейного датчика имеет вид
Для напряжений на выходах моста справедливы выражения
1
2
где I и I - токи в первой и второй ветвях моста;
и  - сопротивления первого и второго датчиков;
1
2
3
4
R, R, R и R - сопротивления образцовых резисторов.
Решение системы уравнений (2) относительно сопротивлений датчиков имеет вид
Для мощностей нагрева датчиков справедливо
3
4
1
2
1
2
Поскольку в измерителе учитывается нагрев датчиков рабочим током, то снимаемые с выхода измерительного моста напряжения U и U могут быть повышены за счет увеличения напряжения питания и, соответственно, токов I и I до максимальных номинальных входных значений напряжений аналого-цифровых преобразователей (АЦП) без усиления. Напряжения U и U при этом будут лежать внутри диапазона номинальных входных напряжений АЦП без усиления.
Это исключает необходимость усиления полезного сигнала перед аналого-цифровым преобразованием и, соответственно, снижает уровень шумов на входе аналого-цифрового преобразователя.
1
2
3
4
Блок 2 преобразования и обработки может быть выполнен, как представлено на фиг. 3. Он содержит четыре аналого-цифровых* преобразователя АЦП1 4, АЦП2 5, АЦПЗ 6, АЦП4 7, высокоомные дифференциальные входы которых подключены через входы блока к вершинам измерительного моста для съема, соответственно, напряжений U, U, U и U.
Для обеспечения одновременности съема напряжений с выхода измерительного моста используются быстродействующие АЦП поразрядного уравновешивания с устройствами выборки-хранения на входе. Если датчики температуры линейные, то возможно использование интегрирующих преобразователей, которые обеспечат определенное сглаживание шумов от переходных тепловых процессов в объемных датчиках.
Источник питания 3, выходы которого поданы на вершины в1 и в2 измерительного моста, должен обеспечивать достаточную мощность энергопитания моста. Требований к его стабильности по напряжению или току не предъявляется. Желателен малый уровень выходных шумов и пульсаций. Это может быть источник постоянного напряжения или тока.
Если предполагается наличие термо-ЭДС в цепях датчиков, то используется источник питания переменного или знакопеременного тока с частотой, достаточной для получения не менее двух последовательных отсчетов аналого-цифровых преобразователей на период.
При необходимости дистанционного размещения датчиков температуры вместе с датчиками размещается весь измерительный мост и входами-выходами шестипроводной линией соединяется с БПО и ИП так, как это показано на фиг. 2. При этом сопротивления проводов не влияют на результат измерений, поскольку сопротивление токовых проводов суммируется с большим внутренним сопротивлением источника (в этом случае целесообразно использовать источник тока), а сопротивление потенциальных проводов (с выходов моста) суммируется с высоким входным сопротивлением АЦП. Измеритель температуры работает следующим образом.
Уравнение теплового баланса i-гo датчика температуры со средой имеет вид [3,4]
i
где P(t) - мощность нагрева i-го датчика рабочим током;
i
θ(t) - мгновенная среднеобъемная температура i-го датчика;
- мгновенная производная температуры i-го датчика;
с
θ(t) - мгновенная измеряемая температура среды;
i
α(t) - коэффициент теплообмена i-го датчика со средой (определяется конструктивными параметрами датчика, физическими параметрами среды и скоростью омывающего потока);
i
i
i
m, с, S - конструктивные параметры i-го датчика (масса, удельная теплоемкость, площадь внешней поверхности теплообмена);
i=1,2.
Предполагается, что отношение коэффициентов теплообмена  для двух конкретных датчиков постоянно и известно.
с
c
Решение системы уравнений теплового баланса вида (7) для двух датчиков относительно измеряемой температуры внешней среды θ(t) и коэффициента теплообмена α(t) имеет вид [3]
При помещении первого и второго датчиков в среду между датчиками и средой устанавливается тепловой баланс согласно уравнению 7.
1
2
3
4
По напряжениям U, U, U и U, снимаемым с вершин измерительного моста и преобразуемым в цифровой код аналого-цифровыми преобразователями, согласно формулам 5 вычисляются сопротивления первого  и второго  датчиков.
1
2
i
По градуировочным характеристикам датчиков и измеренным сопротивлениям  и  определяются температуры первого θ(t) и второго θ(t) датчиков. Для линейных датчиков градуировочной характеристикой является выражение 3. По ряду отсчетов температур θ(t) известным способом (по двум или более отсчетам) определяются производные температур  датчиков.
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
По измеренным напряжениям U, U, U и U и известным сопротивлениям образцовых резисторов R, R, R и R согласно выражениям 6 вычисляются мгновенные мощности нагрева первого P(t) и второго P(t) датчиков.
с
1
2
1
Далее по выражениям 8 и 9 вычисляются измеряемая температура среды θ(t) и коэффициенты теплообмена датчиков со средой α(t) и α(t)=γα(t).
Все вычислительные операции выполняются в цифровом виде микропроцессором в реальном времени или ЭВМ при апостериорной обработке данных по значениям напряжений с выходов моста.
В последнем случае микропроцессор 8 выполняет функции накопления и хранения данных.
Вычислительные процедуры упрощаются, если датчики идентичны по конструктивным параметрам (m, с, S), но отличаются электрическими режимами нагрева. В этом случае
Таким образом, цифровой измеритель температуры обеспечивает измерение мгновенной температуры среды и мгновенного коэффициента теплообмена датчика со средой, инвариантен к параметрам источника питания, не усиливает собственные шумы измерительного моста и в нем полностью используется динамический диапазон аналого-цифрового преобразователя. Это обеспечивает высокую точность измерения.
0
0
m
1
2
3
4
Для повышения гибкости и возможности адаптации измерительного моста к датчикам температуры с различными электрическими параметрами (R, α) и при изменении диапазона измеряемых температур (θ, θ) образцовые резисторы R, R, R и Rвыполняются переменными, необходимые номиналы которых устанавливаются программно микропроцессором.
В случае малой временной изменчивости измеряемой температуры, или большой тепловой инерции датчиков температуры, или очень высокого быстродействия аналого-цифрового преобразователя, для упрощения устройства блок преобразования и обработки выполняют, как представлено на фиг. 4, в составе коммутатора К 9 на четыре дифференциальных входа, выходы которого поданы на дифференциальные входы аналого-цифрового преобразователя АЦП 10, цифровые выходы-входы которого соединены с входами-выходами микропроцессора МП 11. При этом четыре дифференциальных входа коммутатора 9 являются входами блока 2 преобразования и обработки.
Источники информации:
1. Короткое П.А., Лондон Т.Е. Динамические контактные измерения тепловых величин. - Л.: Машиностроение (Ленинградское отделение). 1974. - 224 с.
2. Азизов A.M., Гордов А.Н. Точность измерительных преобразователей. - Л.: Энергия. 1975.-256 с.
3. Гайский В.А., Гайский П.В. Анализ способов измерения профиля скорости потока термопрофилемерами // Системы контроля окружающей среды: Сб. науч. тр. / НАН Украины. МГИ. - Севастополь. 2001. - С. 7-22.
4. Левшина Е.С., Новицкий П.В. Электрические измерения физических величин: (Измерительные преобразователи). Учеб. пособие для вузов. - Л.: Энергоатомиздат. Ленинградское отд-ние, 1983. - 320 с, ил.
5. Патент РФ на изобретение № 2072722, 6G01K7/20. Цифровой измеритель температуры. Опубл. В БИ № з, 27.01.97, с.296-297 - прототип.