Спосіб калібрування датчиків температури

Реферат: Спосіб високоточного калібрування взаємозамінних датчиків температури включає встановлення та стабілізацію заданої температури в кріостаті або термостаті, вимірювання вихідного сигналу термометра - падіння напруги при постійному прямому струмі в точках робочого діапазону температур, розрахунок термометричних характеристик з використанням кубічних сплайнів з вільними вузлами. Вимірювання вихідного сигналу термометра здійснюють в двох групах температурних точок, перша з яких відповідає вузлам кубічного сплайна, який описує стандартну термометричну характеристику взаємозамінних датчиків температури. UA 72054 U (54) СПОСІБ КАЛІБРУВАННЯ ДАТЧИКІВ ТЕМПЕРАТУРИ UA 72054 U UA 72054 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до термометрії і може бути використана для калібрування взаємозамінних датчиків температури, термометричні характеристики (ТМХ) яких подібні. Зокрема, спосіб може бути використаний при калібруванні взаємозамінних платинових термометрів опору та кремнієвих термодіодів. Відомий спосіб калібрування взаємозамінних платинових термометрів з використанням реперних температурних точок - аналог [1]. Суть способу полягає в тому, що платинові термометри розміщують в різні ампули з реперними точками, які відтворюють температуру з точністю до±0,001 К, і послідовно вимірюють опір термометрів в кожній реперній точці. Такий спосіб є найбільш точним і дорогим калібруванням і здійснюється, як правило, для еталонних платинових термометрів. Відомий спосіб калібрування взаємозамінних платинових термометрів з використанням температурних точок, які встановлюються в робочих блоках термостата або кріостата за допомогою електронних систем стабілізації температури - аналог [2]. Суть способу полягає в тому, що платинові термометри розміщують в робочий блок термостата, температура в якому вимірюється за допомогою еталонного термометра, і вимірюють опір термометрів в кожній з вибраних температурних точок. На відміну від калібрування взаємозамінних платинових термометрів з використанням реперних точок, цей спосіб дозволяє виконати калібрування для будь-яких температур у робочому діапазоні термометрів. В порівнянні з аналогом [1] цей спосіб, менш точний, однак більш простий і дешевий, найбільш часто використовується для калібрування промислових взаємозамінних платинових термометрів. Недолік способу у тому, що для високої точності вимірювань калібрування взаємозамінних платинових термометрів потребує використання значної кількості температурних точок. Відомий спосіб калібрування взаємозамінних платинових термометрів у вузькому діапазоні температур з використанням мінімальної кількості реперних температурних точок - аналог [3]. Суть способу полягає в тому, що платинові термометри послідовно розміщують в ампулу з реперною точкою - потрійна точка води 0,01 °C, а також в ампулу з іншою реперною точкою з точністю відтворювання температури ±0,001 К, і вимірюють опір термометрів при вибраних температурах. Інша температурна точка визначається з порівняння даних калібрування платинових термометрів. Наприклад, калібрування платинових термометрів виконується у двох реперних точках, і дані цих вимірювань порівнюються з ТМХ платинових термометрів, яка відповідає встановленій для них стандартній функції згідно з міжнародною температурною шкалою МТШ-90. Спосіб є менш точним, однак більш простим в порівнянні зі способом калібрування, в якому використовується велика кількість реперних температурних точок. Однак відомий спосіб-аналог не може бути використаний для калібрування взаємозамінних термометрів іншої природи, наприклад, кремнієвих термодіодів, ТМХ яких не відповідають стандартній функції міжнародної температурної шкали МТШ-90 для платинових термометрів. Відомий спосіб калібрування взаємозамінних кремнієвих діодних термометрів - аналог [4]. Суть способу полягає в тому, що кремнієві діодні термометри розміщують в робочий блок термостата, температура в якому вимірюється за допомогою еталонного термометра, і вимірюють вихідний сигнал термометра (падіння напруги при протіканні постійного струму в пропускному напрямку) в температурних точках. В цьому способі кількість вимірювальних температурних точок та їх розміщення в робочому діапазоні температур вибираються такими, що забезпечує високу точність розрахунку ТМХ термометрів з використанням апроксимаційних поліномів Чебишева. Наприклад, в діапазоні температур від 2,0 К до 12 К кількість вимірювальних температурних точок становить 58 штук, що дозволяє виконати розрахунок ТМХ термометрів поліномом Чебишева 9-ого ступеня. В діапазоні температур від 12,0 К до 24,5 К кількість температурних точок становить 20 штук, що дозволяє виконати розрахунок ТМХ термометрів поліномом Чебишева 10-ого ступеня. В діапазоні температур від 24,5 К до 100 К кількість температурних точок становить 60 штук, що дозволяє виконати розрахунок ТМХ термометрів поліномом Чебишева 11-ого ступеня. В діапазоні температур від 100,0 К до 475 К кількість температурних точок становить 100 штук, що дозволяє виконати розрахунок ТМХ термометрів поліномом Чебишева 10-ого ступеня. Відомий спосіб забезпечує вимірювання температури з точністю ±50 мК. Недоліком цього способу є те, що для забезпечення високої точності розрахунку ТМХ необхідно провести калібрування діодних термометрів з використанням 278 температурних точок. Крім того, оскільки при розрахунку ТМХ на межах піддіапазонів калібрування змінюється ступінь апроксимаційних поліномів Чебишева, через похибку зшивання математичних функцій різного ступеня точність розрахунку термометричних характеристик падає, і, таким чином, на границях діапазонів калібрування відомий спосіб не забезпечує високу точність вимірювання температури. 1 UA 72054 U 5 10 15 20 25 30 Відомий спосіб калібрування взаємозамінних кремнієвих діодних термометрів виробництва фірми Lake Shore Cryotronics Inc. (США) з використанням трьох "квазіреперних" температурних точок - температури рідкого гелію 4,2 К, температури рідкого азоту 77,3 К та 305 К - аналог [5]. Спосіб включає такі операції. Діодні термометри послідовно розміщують в посудини, які відтворюють порівняно легко одержувані температурні точки: температури кипіння рідкого гелію (4,2 К) і рідкого азоту (77,3 К). Близька до кімнатної температура (305 К) встановлюється і підтримується за допомогою електронної системи стабілізації температури в робочому блоці термостата. В кожній з тих точок вимірюють падіння прямої напруги на термодіодах при протіканні постійного струму через термометр у кожній. Далі за даними калібрування з ТМ використанням математичної програми розрахунку SoftCal термометри розподіляють до однієї з п'яти груп, які є характеристикою взаємозамінності цих термодіодів. Кожна група відповідає встановленому емпірично розкиду (в температурному еквіваленті) взаємозамінних кремнієвих діодів відносно стандартної ТМХ. Наприклад, якщо кремнієвий термодіод типу DT471-SD-3S калібрований вказаним способом відповідає групі 13, то це означає, що в діапазоні 4,2-10 К точність вимірювання температури, при розрахунку якої використовується стандартна ТМХ Curve 10, складає ± 0,5 К, при 30 К - ± 0,25 К, при 70 К - ± 0,15 К, при 305 К - ± 0,15 К. Таким чином, відомий спосіб дозволяє виконати калібрування взаємозамінних кремнієвих діодних термометрів з використанням трьох вимірювальних температурних точок. Однак точність такого калібрування не дозволяє проводити високоточні вимірювання. Відомий спосіб калібрування взаємозамінних кремнієвих діодних термометрів - прототип способу, що заявляється [6]. Калібрування виконується на автоматизованому метрологічному стенді УГТ-А інституту фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України. Спосіб включає такі операції. Кремнієві діодні термометри розміщують в робочий блок проточного кріостата, температура в якому вимірюється еталонним термометром типу ТСРЖН-2. За допомогою електронної системи послідовно встановлюють та стабілізують величину заданої температури, і вимірюють вихідний сигнал термометра (падіння напруги при постійному прямому струмі) в різних температурних точках робочого діапазону. Висока точність калібрування забезпечується, якщо виконуються критерії: (1) мінімізується сума квадратів відхилень експериментальних значень падіння напруги на термодіоді U, - від розрахованих їх значень в кожній з температурних точок Т, в робочому діапазоні температур: K  min  Ui  FTi 2  ,  ,  i 1   де FT   n 2   jB j T  - апроксимаційний згладжувальний кубічний сплайн з вільними вузлами, j 1 35 j - коефіцієнти сплайна; Bj(T) - -сплайн 3-го ступеня, розрахований для j-ого інтервалу між вузлами сплайна; Ti, Ui - вимірювальні значення температури та падіння напруги на термодіоді; K - кількість вимірювальних температурних точок; n - кількість вузлів сплайна; (2) максимальна похибка розрахунку значень Ui в температурних точках Тi в робочому діапазоні температур, виражена в одиницях температури, повинна бути меншою за температурну похибку калібрування :  U T   FTi   ,max  i i  STi    dFTi  де - STi   - температурна чутливість термодiода в i-ій точці; dT i 1...K  40 (3) середня похибка розрахунку значень Ui в кожній з температурних точок Ti в робочому діапазоні температур, виражена в одиницях температури, повинна бути в 10 раз меншою, ніж температурна похибка калібрування :  Ui Ti   FTi     STi   i 1  K   K 45  0,1  ; (4) середньоквадратична похибка розрахунку значень Ui в температурних точках Тi в робочому діапазоні температур, виражена в одиницях температури, повинна відповідати нерівності:  U Ti   FT     i ST  i    i  i 1  K 1 K 0,5    2  , 2 UA 72054 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 де =0,01K - середньоквадратичне відхилення випадкової складової експериментальної похибки. Вибір кількості і положень вимірювальних точок проводиться шляхом багаторазового виконання калібрування з врахуванням очевидної необхідності меншого інтервалу між вимірювальними точками на інтервалах температури з нелінійною ТМХ. Якщо для деякого набору вимірювальних точок хоча б один із названих критеріїв не виконується, в набір   добавляється одна або декілька температур з околу максимальної похибки max  Ui Ti   FTi   .  i 1...K  STi    Сукупність операцій, які визначають спосіб-прототип, дозволяє описати ТМХ термометрів з точністю не гірше ±50 мК. Недоліком цього способу є калібрування взаємозамінних термодіодів з використанням значної кількості вимірювальних температурних точок. Так в [6] показано, що для високоточного калібрування партії кремнієвих діодних термометрів в діапазоні температур від 4,2 К до 350 К необхідно провести вимірювання в 169-ти температурних точках, що потребує значних витрат сировинних та енергетичних ресурсів і впливає на вартість термометрів. Тому розробка способу високоточного калібрування взаємозамінних кремнієвих діодних термометрів, який дозволяє зменшити кількість вимірювальних точок, є актуальною для термометрії. Задачею даної корисної моделі є розробка способу калібрування взаємозамінних датчиків температури, який дозволяє зменшити кількість вимірювальних температурних точок при збереженні високої точності розрахунку ТМХ. Поставлена задача вирішена тим, що встановлено нові відмітні ознаки способу калібрування, що заявляється: перша група вимірювальних температурних точок визначається вузлами кубічного сплайна, який описує стандартну ТМХ взаємозамінних датчиків температури таким чином, що на ділянках між вузлами температурна похибка інтерполяційного розрахунку ТМХ є постійною величиною int=Const, яка пов'язана з температурною похибкою калібрування  нерівністю int≤0,1·; друга група вимірювальних температурних точок знаходиться між вузлами кубічного сплайна, причому кількість та розміщення цих точок забезпечують температурну похибку апроксимаційного розрахунку ТМХ аррr, яка пов'язана з температурною похибкою калібрування нерівністю aррr