Способ измерения температуры
METHOD OF MEASURING TEMPERATURE

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерениям электрических сопротивлений электрическими мостами, и может быть использовано, например, в температурных измерениях, в том числе при градуировке терморезисторов: термометров сопротивления, термисторов, позисторов и их использования для проведения измерений температуры электрическими мостами в приборостроении.
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 5 G01R 17/10).
Однако этот способ сложный в аппаратной реализации и потому не может найти применение в практике массового производства и градуировки промышленных терморезисторов, их использования для проведения измерения температуры электрическими мостами, не устраняет саморазогрев резисторов проходящим через них измерительным током.
Наиболее близким к предлагаемому способу является 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.
Предлагается способ снижения погрешности измерения температуры электрическим мостом.
Задача, на решение которой направлено изобретение - снижение погрешности измерения температуры электрическим мостом из-за разогрева (саморазогрева) терморезистора (термометр сопротивления, термистор, позистор) протекающим измерительным током.
Поставленная задача решается тем, что в способе измерения температуры, основанном на применении сбалансированного электрического моста, питаемого источником тока, в схему сбалансированного электрического моста устанавливают постоянные резисторы с равными электрическими сопротивлениями, питание моста производят источником стабилизированного тока, величину которого устанавливают не более удвоенной величины тока, обеспечивающей допустимую погрешность измерения температуры измеряемым терморезистором из-за его разогрева протекающим измерительным током.
Кроме того, для решения поставленной задачи:
- в качестве терморезистора можно использовать термистор, а величина тока источника стабилизированного тока, в этом случае, должна быть установлена для нижней границы диапазона измеряемых температур;
- в качестве терморезистора можно использовать термометр сопротивления или позистор, а величин тока источника стабилизированного тока, в этом случае, должна быть установлена для верхней границы диапазона измеряемых температур.
- величину тока источника стабилизированного тока устанавливают согласно формулы:
где
ДОП.
ΔТ - 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).
1
01
1
01
На фиг. 1 представлена схема сбалансированного электрического моста сопротивлений, фиг. 2 - зависимость электрического сопротивления термистора от температуры, фиг. 3 и фиг. 4 - результаты оценки погрешности измерения температуры сбалансированным электрическим мостом с использованием термистора с характеристикой, приведенной на фиг. 2, кривые А и A - в соответствии с предлагаемым способом, кривые B и B - в соответствии с известным по патенту №463006.
Сбалансированный электрический мост состоит из одного переменного резистора 1, двух 2 и 3 постоянных резисторов и терморезистора 4, соединенных последовательно в виде четырехугольника, и имеет четыре 5, 6, 7 и 8 вершины, диагональ питания 5-6 и диагональ нагрузки 7-8, измерительную ветвь 5-7-6 моста, вершина 7 является выходом измерительной ветви 5-7-6 моста, и образцовую ветвь 5-8-6 моста, вершина 8 является выходом образцовой ветви 5-8-6 моста.
В диагональ питания 5-6 включен источник тока 9 питания моста, а в диагональ нагрузки 7-8 включен измеритель 10 разности потенциалов вершин 7 и 8.
Сопротивления резисторов 2 и 3 установлены равными друг другу. Величина сопротивления резистора 4 зависит от температуры резистора и подлежит измерению. В качестве резистора 4 используют терморезистор, например, термометр сопротивления, полупроводниковые терморезисторы (термистор или позистор).
Из условия уравновешенного моста
1
R - сопротивление резистора 1;
2
R - сопротивление резистора 2;
3
R - сопротивление резистора 3;
4
2
3
R - сопротивление резистора 4, следует, что при установленном равенстве R=R, имеет место и равенство
и, таким образом, сопротивления обоих ветвей моста, включенных между вершинами 5 и 6, в уравновешенном мосте Фиг. 1 равны между собой
При питании уравновешенного моста стабилизированным током источника 9 величины токов, протекающих в каждой из указанных ветвей, равны между собой, а величина тока в каждой ветви будет равна половине величины тока, выдаваемого источником 9,
9
I - ток источника 9 стабилизированного тока;
1-2
I - ток, протекающий через сопротивления 1 и 2;
4-3
I - ток, протекающий через сопротивления 4 и 3.
Согласно условию (4) выполнена оценка величины погрешности ΔT измерения температуры терморезистором 4 из-за его разогрева протекающим измерительным током при использовании уравновешенного моста Фиг. 1.
Погрешность измерения температуры сбалансированным электрическим мостом фиг. 1 из-за разогрева (саморазогрева) терморезистора 4, например, термистора, протекающим измерительным током соответствует выражению
4-3
I - ток, протекающий через резисторы 4 и 3;
4
R - сопротивление резистора 4;
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.)
В оценке величины погрешности ΔТ в соответствии с выражением (5) 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 А) и фиг. 4 (Кривая A).
Как следует из полученных результатов, величина погрешности ΔT измерения температуры мостом фиг. 1 из-за разогрева (саморазогрева) термистора (резистор 4) протекающим током при использовании источника стабилизированного тока 9 зависит от величины тока, протекающего через термистор, и величины измеряемой температуры.
1
01
1
01
Для сравнения на фиг. 3 и 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 А и A 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 из авторского свидетельства №463006, G01k 1/20 способом - кривые В и B.
Как видно из приведенного сравнения предлагаемый способ обладает положительным эффектом, так как обеспечивает снижение погрешности измерения температуры по сравнению с известным способом.