Вимірювач температури або опору, еквівалентного опору зразкового резистора, і спосіб, реалізований в ньому

1. Вимірювач температури або опору, еквівалентного опору зразкового резистора, що містить ланцюжок з розміщених локально на загальній теплопровідній підкладці і послідовно підключених n резисторів з відомими залежностями їх опорів від температури, який відрізняється тим, що використаний ланцюжок з n резисторів з різними залежностями їх опорів від температури, при цьому один зовнішній вивід ланцюжка підключений до входу генератора струму, інший зовнішній його вивід заземлений, а внутрішні виводи ланцюжка паралельно підключені до входів групового аналого-цифрового перетворювача, вихід якого підключений до входу мікропроцесора, вихід якого є виходом пристрою. 2. Спосіб вимірювання температури або опору, еквівалентного опору зразкового резистора, який полягає в тому, що використовують ланцюжок з послідовно підключених n резисторів з відомими 3 85243 рення опору в ци фру (вторинного вимірювального перетворення і АЦП). Точність датчика обмежується точністю визначення і стабільністю одиничної градуювальної характеристики q(R), а точність перетворення опору в цифру обмежується точністю визначення і стабільністю опорів зразкових резисторів, які звичайно використовуються для заміщення датчика при калібруванні АЦП і розрізненням (рівнем власних шумів) і похибкою лінійності АЦП. Сучасні АЦП забезпечують відносне розрізнення і похибку лінійності в робочому діапазоні на рівні 10-7 і не є вузьким місцем в боротьбі за підвищення точності. Основними обмеженнями в підвищенні точності залишаються точність датчиків і зразкових резисторів. Принциповим обмеженням точності одиничної градуювальної характеристики датчика q(R) є похибка завдання реперних точок температурної шкали, яка характерна для досягнутого рівня науки і те хніки, і для сучасних еталонів температури складає не менше за ±0,002°С. Її зниження було б можливе при реалізації статистичного еталона температури. Іншим обмеженням точності датчика є похибка розрахунку і стабільність під часі коефіцієнтів одиничної градуювальної характеристики. Хоч завжди є можливість апроксимації градуювальної характеристики поліномами високого степеня для досягнення похибки апроксимації на рівні похибки експериментальних даних, але залишається похибка через нестабільність коефіцієнтів градуювальної характеристики, зумовлена досягнутим рівнем технології виготовлення датчиків і впливом на датчик зовнішніх факторів середовища. Подальше підвищення точності градуювальної характеристики було б можливе за рахунок осереднення по множині градуювання. У основу винаходу поставлена задача створення принципу побудови нового точного вимірювача температури на базі декількох резисторних датчиків, в якому сукупністю істотни х ознак досягається технічна властивість - заглушення випадкових похибок градуювань вимірювача і одночасно забезпечується можливість точного визначення при зміні зовнішньої температури опору, еквівалентного опору зразкового резистора. Єдиним технічним результатом винаходу є підвищення точності вимірювань. Аналогів пристрою заявленої групи винаходу заявником не виявлено. Найбільш близьким до способу в заявленій групі винаходів по сукупності ознак є спосіб, реалізований в цифровому вимірникові температури, який прийнятий як прототип [патент України №76230 на винахід]. Поставлена задача вирішується тим, що новий вимірювач температури або еквівалент зразкового резистора містить ланцюжок з розміщених локально на загальній теплопровідній підкладці і послідовно підключених резисторів з відомими і різними залежностями їх опорів від температури, при цьому один зовнішній вивід ланцюжка підключений до виходу генератора струму, інший зовнішній вивід заземлений, а внутрішні виводи ланцюжка паралельно підключені до входів групового аналого 4 цифрового перетворювача, вихід якого сполучений з входом мікропроцесора, вихід якого є виходом пристрою. До складу аналого-цифрового перетворювача може входити багатоканальний пристрій вибірки і зберігання, у якого входи підключені до внутрішніх виводів ланцюжка з резисторів, а вихід підключений до входу комутатора, вихід якого є входом одноканального аналого-цифрового перетворювача. Вказаний єдиний технічний результат при здійсненні групи винаходів по об'єкту-способу досягається тим, що у відомому способі визначення температури, при якому використовують ланцюжок з послідовно підключених резисторів з відомими залежностями їх опору від температури, подають в ланцюжок робочий струм, вимірюють напруги на всіх резисторах і перетворюють їх в цифровий код, особливість полягає у тому, що використовують ланцюжок із n резисторів з різними залежностями опорів від температури, Ri (t ) = j i [q(t )], i = 1 n за, безпечив рівність температур резисторів у робочому режимі, і визначають поточне значення загальної температури q(R) резисторів за формулою q (t ) = 1 N qij (t ) N i=1,n å (1) j=1,n i¹ j , де qij(t) - температура i-го та j-гo резисторів, визначувана рішенням рівняння ji ëqij (t )û Ui (t ) = = Kij (t ), i = 1 n; j = 1 n; i ¹ j , , (2) j j qij(t ) Uj (t ) , [ ] ( ) , де Ui i = 1 n - значення напруг на резисторах, причому N=(n-1) (3) і означає число Kij різних незалежних пар резисторів, або додатково визначають поточне значення опору Rзp.(t), еквівалентного опору зразкового резистора, за формулою R зр. (t ) = n n å R (t ) = å j [q(t )] (4) . Загальними ознаками для прототипу і заявленого способу є: використання ланцюжка з послідовно підключених резисторів з відомими залежностями опорів від температури, подача в ланцюжок робочого струму, зйом і перетворення напруг із всіх резисторів. Заявлена група винаходів відповідає вимозі єдиності, оскільки утворює єдиний винахідницький задум, причому один з об'єктів - спосіб - призначений для створення іншого - пристрою. Винахід пояснюється за допомогою ілюстрації, на якій зображений ланцюжок 1 із n послідовно сполучених резисторів R1-Rn. Один зовнішній вивід (а) ланцюжка підключений до генератора 2 струму, а інший зовнішній вивід (б) заземлений. Внутрішні виводи паралельно підключені до входів групового аналого-цифрового перетворювача 3, вихід якого сполучений із входом мікропроцесора (МП) 4, вихід якого є виходом пристрою. i i =1 i i =1 5 85243 Суть винаходу полягає в наступному. Для вимірювання температури використовують ланцюжок із резисторних датчиків температури. При подачі струму I(t) на ланцюжок резисторів на кожному із них буде мати місце напруга Ui(t)=Ri(t)I(t). Відношення напруг на двох резисторах буде рівним відношенню їх опорів Ri(t) і Rj(t) Ui (t ) R i (t )I(t ) R i (t ) = = = K ij (t ) (5) U j (t ) R j (t )I( t) R j (t ) . Оскільки опори залежать від поточної температури по функціях ji [q(t )] , то Ri (t ) ji ëqij (t )û = = K ij(t ) R j (t ) jj qij(t ) [ ] (6) , де в qіj(t) - загальна температура резисторів і і j, різна для різних пар ij через похибки визначення ji(q). Наприклад, при лінійній температурній залежності опору ji(q) отримаємо R i(t ) = Ri0 + a iR i0 qij(t ); (7) R j (t ) = R j0 + a jR j0 qij (t ) , де Ri0 і Rj0 - опори резисторів при температурі, прийнятої за нульову; a i і a j - коефіцієнти термочутливості. Вираз (6) набуває вигляду Ri0 + a iRi0q ij(t ) = Kij (t ) (8) R j0 + a jRj0 qij(t ) . Рішення останнього рівняння відносно qij(t) набуває вигляду Ri0 - R j0K ij(t ) qij (t ) = (9) a jR j0Kij (t ) - aiRi0 . Оскільки i - 1 n і j = 1 n , то різних пар резисто, , рів буде (n-1). Отже, і різних визначень qij загальної q(t) температури датчиків (резисторів) буде (n1)=N. Загальну температуру q(t) визначають осередненням всіх температур qij(t) N 1 (10) qij (t ) N i =1 Оскільки при цьому математичні сподівання та дисперсії величин підсумуються, то середньоквадратична похибка результату вимірювання температури через неточність датчиків і градуювання q (t ) = меншає в å 6 Таким чином похибка вимірювання температури, обмежена похибкою градуювання ±0,002°С при вимірюванні одним датчиком, зменшена в N разів або приблизно n разів. Сучасні канали вимірювання температури мають рівень власних шумів порядку 0,00001°С, тому потенціал для зменшення похибки вимірювання температури складає біля 200 і доцільно будувати вимірювачі із n до 4000. Опір і-го резистора визначають за формулою Ri(t ) = ji [q(t )] . (11) Наприклад, для лінійних ji(q) Ri(t ) = Ri0 + a iRi0 q(t ) . (12) Опір всіх резисторів, рівний опору еквівалентного зразкового резистора, буде рівний R зр (t ) = n å R (t ) (13) i . Наприклад, для лінійних ji(q) i =1 R зр (t ) = n åR n å aR + q (t ) (14) . При цьому похибка визначення опору, еквівалентного опору зразкового резистора, відносно похибки визначення опору одного резистора з коi0 i =1 i i0 i =1 рекцією по температурі меншає в n разів і реалізовується статистична зразкова міра опору. У загальному випадку залежність опорів від температури може бути зображена степеневим поліномом вигляду ji [q(t )] = m å a q (t ) s s (15) . У цих випадках вираз (6) набуває вигляду s =0 m Kij = å a q (t ) s=0 m å s is ij (16) ajsqij (t ) s s =0 . Цей вираз зводиться до рівняння m-го степеня N разів. [Kij (t)a jm - a im]qm (t )+ [K ij(t )a j(m-1) - a i(m-1) ]qm-1(t ) + × × ×[Kij (t)a j0 - ai0 ] = 0 . ij ij При знаходженні шуканого кореня рівняння (17) можна враховува ти той факт, що реальна температура qij(t) лежить в апріорно відомому досить вузькому діапазоні, тому інші коріння рівняння можна відкидати. У іншому, досить поширеному випадку, наприклад, для термисторів, температурна залежність опору має вигляд (17) (18) , де Ai і Вi - константи. У цьому випадку вираз (6) можна записати так (19) . 7 85243 Для температури резисторів отримаємо BiB j é Aj ù qij (t ) = lnê K (t )ú (20) Bi - B j ë A i ij û . Загальну температуру в(і) визначають за формулою (10). Опір еквівалента зразкового резистора визначається за формулою (21) . Для еквівалента зразкового резистора можуть використовува тися зразкові резистори зі слабою температурною залежністю, лінійною або більш складною. Від цього буде залежати складність обчислень, яка не є істотним обмеженням для сучасних мікропроцесорів. Необхідною умовою точної реалізації еквівалента зразкового резистора є відповідна стабільність його температурної залежності. При реалізації описуваного способу, призначеного для використання у заявленому пристрої, похибка визначення значення опору резистора знижується пропорціонально відносній похибці визначення температури резистора в робочому діапазоні температур. Комп’ютерна в ерстка Л.Литв иненко 8 Оскільки як резистори можуть бути взяті стандартні зразкові резистори з дуже малим температурним коефіцієнтом опору (наприклад 10-6), то при відносній похибці вимірювання температури 10% похибка зразкового резистора буде 10-7. Похибка визначення опору еквівалента зразкового резистора додатково меншає в n разів. При використанні зразкового резистора в конкретній схемі замість традиційно використовуваного одного резистора з двома виводами запропонований елемент з (n+1) виводами, при цьому роль мікроконтролера з АЦП і МП може виконувати зовнішня частина пристрою. Пристрій працює таким чином: датчики (резистори) ланцюжка 1 приймають загальну температуру q(t), яка по відомій з похибкою індивідуальній функції перетворення ji(q) перетворюється в опір ( ) датчика (резистора) Ri. Напруги Ui i = 1 n , які ви, никають на датчиках (резисторах) при проходженні робочого струму, знімаються з них і перетворюються в цифрову форму груповим АЦП 3. Бажано зйом здійснювати одночасно, а перетворення виконувати одним АЦП. Це може виконувати АЦП з багатоканальним пристроєм вибірки зберігання на вході та комутатором. Мікропроцесор 4, використовуючи коди напруг Ui, виконує далі всі приведені вище обчислення, необхідні для визначення q(t) і Rзр. Підписне Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601