Измеритель температуры, являющийся эквивалентом образцового резистора, и способ, реализуемый в нем

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для создания устройств точного измерения температуры в различных областях и для построения эквивалента точного образцового резистора в измерительных цепях. Измеритель температуры, являющийся эквивалентом образцового резистора, содержит цепочку из размещенных локально на общей теплопроводящей подложке и последовательно подключенных резисторов с известными и разными зависимостями их сопротивлений от температуры, при этом один внешний вывод цепочки подключен к входу генератора тока, другой внешний вывод заземлен, а внутренние выводы цепочки параллельно подключены к входам группового аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с входом микропроцессора, выход которого является выходом устройства. Способ построения заявленного устройства заключается в том, что применяется цепочка из n последовательно включенных резисторов с известными и разными зависимостями их сопротивлений от температуры, что позволяет определить их общую измеряемую температуру θ(t) при произвольном рабочем токе по отношению падений напряжений U_i/U_j на них и далее - их текущие сопротивления по известным температурным зависимостям φ_i(θ) и суммарное сопротивление, равное сопротивлению эквивалентного образцового резистора. Технический результат - повышение точности измерения температуры. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Группа изобретений относится к измерительной технике и предназначена для создания устройств точного измерения температуры в различных областях и для построения эквивалента точного образцового резистора в измерительных цепях.

Известны измерители температуры с использованием терморезисторных датчиков, сопротивление которых функционально зависит от температуры. Обычно для измерения температуры в одной точке используется один датчик температуры и один вторичный измерительный преобразователь с последующим включением аналого-цифрового преобразователя. Преобразуемой электрической величиной при этом является электрическое сопротивление, а погрешность измерения температуры определяется точностью преобразования температуры в сопротивление (датчика) и точностью преобразования сопротивления в цифру (вторичного измерительного преобразования и АЦП). Точность датчика ограничивается точностью определения и стабильностью единичной градуировочной характеристики θ(R), а точность преобразования сопротивления в цифру ограничивается точностью определения и стабильностью сопротивлений образцовых резисторов, которые обычно используются для замещения датчика при калибровке АЦП, и разрешением (уровнем собственных шумов) и погрешностью линейности АЦП.

Современные АЦП обеспечивают относительное разрешение и погрешность линейности в рабочем диапазоне на уровне 10^-7 и не являются узким местом в борьбе за повышение точности. Основными ограничениями в повышении точности остаются точность датчиков и образцовых резисторов. Принципиальным ограничением точности единичной градуировочной характеристики датчика θ(R) является погрешность задания реперных точек температурной шкалы, которая характерна для достигнутого уровня науки и техники, и для современных эталонов температуры составляет не менее ±0,002°С. Ее снижение было бы возможно при реализации статистического эталона температуры.

Другим ограничением точности датчика является погрешность расчета и стабильность во времени коэффициентов единичной градуировочной характеристики. Хотя всегда имеется возможность аппроксимации градуировочной характеристики полиномами высокой степени для достижения погрешности аппроксимации на уровне погрешности экспериментальных данных, но остается погрешность из-за нестабильности коэффициентов градуировочной характеристики, обусловленная достигнутым уровнем технологии изготовления датчиков и влиянием на датчик внешних факторов среды.

Дальнейшее повышение точности градуировочной характеристики было бы возможно за счет осреднения по множеству градуировок.

В основу изобретения поставлена задача создания принципа построения нового точного измерителя температуры на базе нескольких резисторных датчиков, в котором совокупностью существенных признаков достигается техническое свойство - подавление случайных погрешностей градуировок измерителя и одновременно в котором обеспечивается возможность точного определения при изменении внешней температуры сопротивления, эквивалентного сопротивлению образцового резистора.

Единым техническим результатом изобретения является повышение точности измерений.

Аналогов устройства заявленной группы изобретений заявителем не обнаружено.

Наиболее близким к способу в заявленной группе изобретений по совокупности признаков является способ, реализованный в цифровом измерителе температуры, который принят в качестве прототипа [патент Украины на изобретение №76230].

Поставленная задача решается тем, что новый измеритель температуры или эквивалент образцового резистора содержит цепочку из размещенных локально на общей теплопроводящей подложке и последовательно подключенных резисторов с известными и разными зависимостями их сопротивлений от температуры, при этом один внешний вывод цепочки подключен к выходу генератора тока, другой внешний вывод заземлен, а внутренние выводы цепочки параллельно подключены к входам группового аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с входом микропроцессора, выход которого является выходом устройства.

В состав аналого-цифрового преобразователя может входить многоканальное устройство выборки и хранения, у которого входы подключены к внутренним выводам цепочки из резисторов, а выход подключен к входу коммутатора, выход которого является входом одноканального аналого-цифрового преобразователя.

Указанный единый технический результат при осуществлении группы изобретений по объекту-способу достигается тем, что в известном способе определения температуры, при котором используют цепочку из последовательно подключенных резисторов с известными зависимостями их сопротивления от температуры, подают в цепочку рабочий ток, измеряют напряжения на всех резисторах и преобразуют их в цифровой код, особенность заключается в том, что используют цепочку из n резисторов с разными зависимостями сопротивлений от температуры R_i(t)=φ_i[θ(t)], , обеспечив равенство температур резисторов и рабочем режиме, и определяют текущее значение общей температуры θ(t) резисторов по формуле

где θ_ij(t) - температура i-го и j-го резисторов, определяемая решением уравнения

где - значения напряжений на резисторах,

причем

и означает число K_ij разных независимых пар резисторов,

или дополнительно определяют текущее значение сопротивления R_обр(t), эквивалентного сопротивлению образцового резистора, по формуле

Общими признаками для прототипа и заявленного способа являются: использование цепочки из последовательно подключенных резисторов с известными зависимостями сопротивлений от температуры, подача в цепочку рабочего тока, съем и преобразование напряжений со всех резисторов.

Заявленная группа изобретений соответствует требованию единства, поскольку образует единый изобретательский замысел, причем один из объектов - способ предназначен для создания другого устройства.

Изобретение поясняется с помощью иллюстрации, на которой изображена цепочка 1 из n последовательно соединенных резисторов R₁-R_n. Один внешний вывод (а) цепочки подключен к генератору 2 тока, а другой внешний вывод (б) заземлен. Внутренние выводы цепочки параллельно подключены ко входам группового аналого-цифрового преобразователя 3, выход которого соединен со входом микропроцессора (МП) 4, выход которого является выходом устройства.

Сущность изобретения заключается в следующем. Для измерения температуры используют цепочку из резисторных датчиков температуры. При подаче тока I(t) на цепочку резисторов на каждом из них будет иметь место напряжение U_i(t)=R_i(t)I(t). Отношение напряжений на двух резисторах будет равно отношению их сопротивлений R_i(t) и R_j(t)

Поскольку сопротивления зависят от текущей температуры по функциям φ_i[θ(t)], то

где θ_ij(t) - общая температура резисторов i и j, разная для разных пар ij из-за погрешностей определения φ_i(θ). Например, при линейной температурной зависимости сопротивления φ_i(θ) получим

где R_i0 и R_j0 - сопротивления резисторов при температуре, принятой за нулевую; α_i и α_j - коэффициенты термочувствительности.

Выражение (6) будет иметь вид

Решение последнего уравнения относительно θ_ij(t) имеет вид

Поскольку и то разных пар резисторов будет (n-1). Следовательно, и разных определений θ_ij общей θ(t) температуры датчиков (резисторов) будет (n-1)=N. Общую температуру θ(t) определяют осреднением всех температур θ_ij(t)

Поскольку при этом математические ожидания и дисперсии величин суммируются, среднеквадратическая погрешность результата измерения температуры из-за неточности датчиков и градуировки уменьшается в раз.

Таким образом, погрешность измерения температуры, ограниченная погрешностью градуировки ±0,002°С при измерении одним датчиком, уменьшена в раз или примерно раз. Современные каналы измерения температуры имеют уровень собственных шумов порядка 0,00001°С, поэтому потенциал для снижения погрешности измерения температуры составляет около 200 и целесообразно строить измерители с n=4000.

Сопротивление i-го резистора определяют по формуле

Например, для линейных φ_i(θ)

Сопротивление всех резисторов, равное сопротивлению эквивалентного образцового резистора, будет равно

Например, для линейных φ_i(θ)

При этом погрешность определения сопротивления, эквивалентного сопротивлению образцового резистора, по отношению к погрешности определения сопротивления одного резистора с коррекцией по температуре уменьшается в раз и реализуется статистическая образцовая мера сопротивления.

В общем случае зависимость сопротивлений от температуры может быть представлена степенным полиномом вида

В этих случаях выражение (6) имеет вид

Это выражение приводится к уравнению m-й степени

При нахождении искомого корня уравнения (17) можно учитывать тот факт, что реальная температура θ_ij(t) лежит в априорно известном достаточно узком диапазоне, поэтому другие корни уравнения можно отбрасывать.

В другом достаточно распространенном случае, например, для термисторов температурная зависимость сопротивления имеет вид

где A_i и B_i - константы.

В этом случае выражение (6) можно записать так

Для температуры резисторов получим

Общую температуру θ(t} определяют по формуле (10).

Сопротивление эквивалента образцового резистора определяется по формуле

Для эквивалента образцового резистора могут использоваться образцовые резисторы со слабой температурной зависимостью, линейной или более сложной. От этого будет зависеть сложность вычислений, которая не является существенным ограничением для современных микропроцессоров. Необходимым условием точной реализации эквивалента образцового резистора является соответствующая стабильность его температурной зависимости.

При реализации описываемого способа, предназначенного для использования в заявленном устройстве, погрешность определения значения сопротивления резистора снижается пропорционально относительной погрешности определения температуры резистора в рабочем диапазоне температур.

Поскольку в качестве резисторов могут быть взяты стандартные образцовые резисторы с очень малым температурным коэффициентом сопротивления (например,

10^-6), то при относительной погрешности измерения температуры 10% точность образцового резистора будет 10^-7.

Погрешность определения сопротивления эквивалента образцового резистора дополнительно уменьшается в раз.

При использовании образцового резистора в конкретной схеме вместо традиционно используемого одного резистора с двумя выводами предложен элемент с (n+1) выводами, при этом роль микроконтроллера с АЦП и МП может выполнять внешняя часть устройства.

Устройство работает следующим образом: датчики (резисторы) цепочки 1 принимают общую температуру θ(t), которая по известной с погрешностью индивидуальной функции преобразования φ_i(θ) преобразуется в сопротивление датчика (резистора) R_i. Напряжения , возникающие на датчиках (резисторах) при прохождении рабочего тока, снимаются с них и преобразуются в цифровую форму групповым АЦП 3. Желательно съем осуществлять одновременно, а преобразование выполнять одним АЦП. Это может выполнять АЦП с многоканальным устройством выборки хранения на входе и коммутатором. Микропроцессор 4, используя коды напряжений U_i, выполняет далее все приведенные выше вычисления, необходимые для определения θ(t) и R_обр.

1. Измеритель температуры, являющийся эквивалентом образцового резистора, содержащий цепочку из размещенных локально на общей теплопроводящей подложке и последовательно подключенных резисторов с известными и разными зависимостями их сопротивлений от температуры, при этом один внешний вывод цепочки подключен к входу генератора тока, другой внешний вывод заземлен, и внутренние выводы цепочки параллельно подключены к входам группового аналого-цифрового преобразователя, выход которого подключен к входу микропроцессора, выход которого является выходом устройства.

2. Способ определения температуры, в процессе которого определяют сопротивление эквивалентного образцового резистора, заключающийся в том, что используют цепочку из последовательно подключенных резисторов с известными зависимостями их сопротивлений от температуры, подают в цепочку рабочий ток, измеряют напряжения на всех резисторах и преобразуют их в цифровой код, отличающийся тем, что используют цепочку из n резисторов с разными зависимостями сопротивлений от температуры
, ,
обеспечив равенство температур резисторов в рабочем режиме, и определяют текущее значение общей температуры θ(t) резисторов по формуле
,
где θ_ij(t) - температура i-го и j-го резисторов, определяемая решением уравнения
, , , ,
где - значения напряжений на резисторах, причем N=(n-1) и означает число разных пар резисторов,
или дополнительно определяют текущее значение сопротивления R_обр(t), эквивалентного сопротивлению образцового резистора, по формуле