RU2775873C1

RU2775873C1 - Method for multichannel temperature measurement

Info

Publication number: RU2775873C1
Application number: RU2021116567A
Authority: RU
Inventors: Олег Григорьевич Бондарь; Екатерина Олеговна Брежнева
Filing date: 2021-06-08
Publication date: 2022-07-11

Abstract

FIELD: measuring.

SUBSTANCE: invention relates to the field of thermometry and can be used in data collection systems to measure the temperature of media or objects. Proposed is a method for multichannel temperature measurement consisting in alternately powering n resistance thermometers bridged by capacitors through the corresponding lines and the total reference resistance with a voltage pulse with a duty cycle whereat the average current through the resistance thermometer does not exceed the permissible value. The voltage pulse is therein ended by disconnecting the reference resistor from the power source, the resistance of the resistance thermometer is determined from the results of measuring the voltage drop on the reference resistor at the end of effect of the voltage pulse and the voltage at the end of the line connected to the reference resistor, after disconnecting the reference resistor from the power source. The temperature is determined based on the value of resistance of the resistance thermometer.

EFFECT: reduction in the measurement error introduced by the double-wire line connecting the resistance thermometer with the collection system while the measuring circuits are significantly simplified.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области термометрии и может использоваться для измерения температуры среды или объектов. Одним из самых распространённых видов датчиков температуры являются термометры сопротивления (терморезисторы, термосопротивления). Для измерения сопротивления термометра сопротивления используется делитель напряжения опорного источника питания, образованный опорным резистором и термометром сопротивления. Измеряя падение напряжение на термометре сопротивления, а также зная величину опорного напряжения и сопротивление опорного резистора, можно определить величину сопротивления термометра сопротивления, зависящую от температуры, а по известной зависимости сопротивления от температуры, и температуру. Альтернативным способом является питание термометра сопротивления известным током генератора тока. При этом падение напряжения на термометре сопротивления пропорционально его сопротивлению. The invention relates to the field of thermometry and can be used to measure the temperature of the environment or objects. One of the most common types of temperature sensors are resistance thermometers (thermistors, thermal resistance). To measure the resistance of the resistance thermometer, a voltage divider of the reference power supply is used, formed by the reference resistor and the resistance thermometer. By measuring the voltage drop across the resistance thermometer, as well as knowing the value of the reference voltage and the resistance of the reference resistor, it is possible to determine the resistance value of the resistance thermometer, which depends on temperature, and from the known dependence of resistance on temperature, and temperature. An alternative way is to feed the resistance thermometer with a known current from the current generator. In this case, the voltage drop across the resistance thermometer is proportional to its resistance.

При размещении датчиков на объектах контроля их подключение может осуществляться проводниками значительной длины. При этом сопротивление проводников вносит погрешность в измерение сопротивления термометра сопротивления, а, следовательно, и температуры. Известны решения, позволяющие уменьшить или исключить влияние сопротивления проводников на результат измерения. Это применение трёхпроводных и четырёхпроводных подключений термометров сопротивления. [Андрусевич А. Термометры сопротивления: от теории к практике/ А. Андрусевич, А. Губа. // Компоненты и технологии 2011. №7. С. 61-66].When placing sensors on control objects, their connection can be carried out by conductors of considerable length. In this case, the resistance of the conductors introduces an error in the measurement of the resistance of the resistance thermometer, and, consequently, the temperature. Known solutions to reduce or eliminate the influence of the resistance of the conductors on the measurement result. This is the application of three-wire and four-wire connections of resistance thermometers. [Andrusevich A. Resistance thermometers: from theory to practice / A. Andrusevich, A. Guba. // Components and technologies 2011. №7. S. 61-66].

Недостатками подобных решений являются сложные измерительные схемы, совместно со стоимостью трёхпроводных и четырёхпроводных кабелей, существенно удорожающие подключения термометров сопротивления по сравнению с двухпроводным подключением. The disadvantages of such solutions are complex measuring circuits, together with the cost of three-wire and four-wire cables, which significantly increase the cost of connecting resistance thermometers compared to a two-wire connection.

Для ослабления влияния на точность измерения температуры разогрева термометров сопротивления протекающим током, они работают при малых величинах токов, что снижает падение напряжения на них и увеличивает влияние шумов, помех и погрешностей электронных узлов на результат измерения. Это приводит к дальнейшему усложнению измерительных цепей, а также применению фильтрации, влекущей за собой снижение быстродействия. Усложнение измерительных цепей также снижает их надёжность. To reduce the influence on the measurement accuracy of the heating temperature of resistance thermometers by the flowing current, they operate at low currents, which reduces the voltage drop across them and increases the influence of noise, interference and errors of electronic components on the measurement result. This leads to further complication of measuring circuits, as well as the use of filtering, which leads to a decrease in performance. The complication of measuring circuits also reduces their reliability.

Перечисленные недостатки обостряются в системах сбора данных. These shortcomings are exacerbated in data collection systems.

Известен способ повышения падения напряжения на термометре сопротивления, реализованный устройством [SU 1394062. Устройство для измерения температуры 07.05.1988 г.], в котором при изменении сопротивления термопреобразователя, вследствие изменения температуры контролируемой среды, автоматически изменяется ток питания термопреобразователя (термометра сопротивления) с целью получения максимального уровня сигнала при допустимой мощности рассеивания. Для этого устройство содержит блок стабильных источников тока, в котором каждый источник тока настроен на генерацию заданного фиксированного тока опроса для конкретного диапазона значений сопротивлений термопреобразователя. Вычислительный блок осуществляет компенсацию аддитивной и мультипликативной составляющих погрешности.There is a known method of increasing the voltage drop across a resistance thermometer, implemented by the device [SU 1394062. Device for measuring temperature 05/07/1988], in which, when the resistance of the thermal converter changes, due to changes in the temperature of the controlled environment, the power supply current of the thermal converter (resistance thermometer) automatically changes in order to obtaining the maximum signal level at the allowable power dissipation. To do this, the device contains a block of stable current sources, in which each current source is configured to generate a given fixed polling current for a specific range of thermal converter resistance values. The computing unit compensates for the additive and multiplicative components of the error.

Недостатками данного решения является то, что выигрыш в мощности сигнала, получаемого с термометра сопротивления, оказывается небольшим, а сложность устройства резко возрастает, что снижает его надёжность. The disadvantages of this solution are that the gain in the power of the signal received from the resistance thermometer turns out to be small, and the complexity of the device increases dramatically, which reduces its reliability.

Наиболее близким по технической сути к предлагаемому способу является способ существенного повышения уровня сигнала при упрощении устройства и, следовательно, снижения погрешности, реализуемый устройством [RU 2534633 C2. Устройство для измерения температуры среды, 22.03.2013 г.], содержащим источник постоянного напряжения и соединенные входами-выходами аналого-цифровой преобразователь и контроллер, а также n термопреобразователей сопротивления, эталонный резистор, n- канальный коммутатор постоянного напряжения, где n=1, 2, 3, при этом источник постоянного напряжения подключен выходом к n-канальному коммутатору постоянного напряжения, первые выводы n термопреобразователей сопротивления подключены к соответствующим выходам n-канального коммутатора постоянного напряжения, кроме того, вход управления n-канального коммутатора постоянного напряжения подключен к первому управляющему выходу контроллера, при этом источник постоянного напряжения не стабилизирован, а n термопреобразователей сопротивления вторыми выводами соединены последовательно с эталонным резистором с образованием общей электрической цепи для протекания тока опроса, при этом вход управления коммутатора постоянного напряжения подключен к первому управляющему выходу контроллера с возможностью подачи напряжения от источника постоянного напряжения в виде импульсной последовательности, кроме того, введен (n+1)-канальный коммутатор, при этом первые выводы n термопреобразователей сопротивления подключены, кроме того, к n входам (n+1)-канального коммутатора, а вторые выводы n термопреобразователей сопротивления подключены, кроме того, к (n+1) входу канального коммутатора, вход управления которого подключен ко второму управляющему выходу контроллера, а выход (n+1)-канального коммутатора подключен к входу аналого-цифрового преобразователя.The closest in technical essence to the proposed method is a way to significantly increase the signal level while simplifying the device and, therefore, reducing the error implemented by the device [RU 2534633 C2. Device for measuring the temperature of the environment, 03/22/2013], containing a DC voltage source and an analog-to-digital converter and a controller connected by inputs-outputs, as well as n resistance thermal converters, a reference resistor, an n-channel DC voltage switch, where n=1, 2, 3, while the DC voltage source is connected by output to the n-channel DC switch, the first terminals of n resistance thermal converters are connected to the corresponding outputs of the n-channel DC switch, in addition, the control input of the n-channel DC switch is connected to the first control controller output, while the DC voltage source is not stabilized, and n resistance thermal converters are connected in series with the reference resistor by the second leads to form a common electrical circuit for the interrogation current to flow, while the control input of the DC voltage switch is connected to the first at the control output of the controller with the possibility of supplying voltage from a DC voltage source in the form of a pulse sequence, in addition, an (n + 1)-channel switch is introduced, while the first outputs of n resistance thermocouples are connected, in addition, to n inputs (n + 1) -channel switch, and the second outputs of n resistance thermal converters are connected, in addition, to the (n+1) input of the channel switch, the control input of which is connected to the second control output of the controller, and the output of the (n+1)-channel switch is connected to the input of the analog- digital converter.

Недостатком этого способа измерения температуры является существенное возрастание погрешности за счёт сопротивления проводов линии, с помощью которой подключается термометр сопротивления и повышенная сложность, обусловленная наличием второго коммутатора с (n+1) входом. The disadvantage of this method of temperature measurement is a significant increase in the error due to the resistance of the wires of the line with which the resistance thermometer is connected and the increased complexity due to the presence of a second switch with (n + 1) input.

Технической задачей, на решение которой направлен предлагаемый способ, является повышение точности измерения за счёт ослабления влияния сопротивления линий, с помощью которых осуществляется подключение термометров сопротивления, и упрощение устройства.The technical problem to be solved by the proposed method is to increase the measurement accuracy by reducing the influence of the resistance of the lines through which the resistance thermometers are connected, and simplifying the device.

Задача решается тем, что в способе измерения температуры, заключающемся в поочерёдном питании n термометров сопротивления, шунтированных конденсаторами, через соответствующие линии и общее опорное сопротивление импульсом напряжения со скважностью, при которой средний ток через термометр сопротивления не превышает допустимой величины, а величина ёмкости конденсаторов выбирается такой, чтобы за время действия импульса напряжения его заряд завершился, при этом импульс напряжения завершается отключением опорного резистора от источника питания, сопротивление термометра сопротивления определяется по результатам измерения падения напряжения на опорном резисторе в конце действия импульса напряжения и напряжения на конце линии, подключенном к опорному резистору после отключения опорного резистора от источника питания.The problem is solved by the fact that in the method of measuring temperature, which consists in alternately supplying n resistance thermometers shunted with capacitors through the corresponding lines and a common reference resistance with a voltage pulse with a duty cycle at which the average current through the resistance thermometer does not exceed the allowable value, and the value of the capacitance of the capacitors is selected such that during the action of the voltage pulse its charge is completed, while the voltage pulse ends with the disconnection of the reference resistor from the power source, the resistance of the resistance thermometer is determined by measuring the voltage drop across the reference resistor at the end of the voltage pulse and the voltage at the end of the line connected to the reference resistor after disconnecting the reference resistor from the power supply.

Предлагаемое решение поясняется: фиг. 1 – Структурная схема устройства, реализующего способ измерения температуры.The proposed solution is explained: Fig. 1 - Structural diagram of the device that implements the temperature measurement method.

Для реализации способа предложено устройство многоканального измерения температуры, содержащее микроконтроллер 1, опорный резистор 2, термометры сопротивления 3, шунтированные конденсаторами 4, соединительную линию 5, представленную сопротивлениями её проводов. Выходы 1, 2, 3 микроконтроллера 1 присоединены к первым входам линий 5, а вторые входы линий соединены вместе, и присоединены к первому выводу опорного резистора 2, второй вывод которого присоединён к выходу 4 микроконтроллера 1, при этом оба вывода опорного резистора 2 соединены со входами встроенного в микроконтроллер 1 аналого-цифрового преобразователя 5 и 6, а к выходам линий 5 присоединены термометры сопротивлений 3, шунтированные конденсаторами 4.To implement the method, a device for multichannel temperature measurement is proposed, containing a microcontroller 1, a reference resistor 2, resistance thermometers 3, shunted by capacitors 4, a connecting line 5, represented by the resistances of its wires. Outputs 1, 2, 3 of the microcontroller 1 are connected to the first inputs of the lines 5, and the second inputs of the lines are connected together and connected to the first output of the reference resistor 2, the second output of which is connected to the output 4 of the microcontroller 1, while both outputs of the reference resistor 2 are connected to inputs of the analog-to-digital converter 5 and 6 built into the microcontroller 1, and resistance thermometers 3, shunted by capacitors 4, are connected to the outputs of lines 5.

Способ осуществляется следующим образом. В начальном состоянии микроконтроллер 1 удерживает выходы 1, 2, 3 в высокоимпедансном состоянии (запрограммированы на ввод), а на выходе 4 устанавливает низкий уровень (логический нуль). При этом ток в цепях термометров сопротивлений отсутствует. На первый вход выбранной линии 5, подаётся низкий уровень напряжения с одного из выходов (1, 2 или 3) микроконтроллера 1, а на вывод 4 микроконтроллера 1 на интервал времени t подаётся высокий уровень напряжения (логическая 1). При подаче импульса напряжения, протекающей в выбранной линии ток, создаёт падение напряжения на термометре сопротивления 3, и заряжает шунтирующий его конденсатор 4. К концу импульса напряжения длительностью t конденсатор 4 заряжается до установившегося значения. Установившееся напряжение меньше напряжения импульса напряжения на величину падения напряжения на выходных сопротивлениях микроконтроллера 1 и сопротивлениях проводов линии. В конце интервала t измеряется напряжение на опорном резисторе 2, присутствующее между входами 5 и 6, встроенного в микроконтроллер 1 аналого-цифрового преобразователя. По завершении интервала t выход 4 микроконтроллера 1 устанавливается в высокоимпедансное состояние (переключается на ввод), а ток в цепи устанавливается равным нулю, и на входе 6 измеряется напряжение, присутствующее на втором входе линии 5, присоединённом к первому выводу опорного резистора 2. Это напряжение равно напряжению на термометре сопротивления 3 шунтированному конденсатором 4. По измеренным напряжениям рассчитывается сопротивление термометра сопротивления, а по нему температура. Затем выходы микроконтроллера переводятся в высокоимпедансное состояние, выдерживается пауза, гарантирующая требуемое значение среднего тока термометра сопротивления, выбирается следующая линия, переводом очередного вывода (из 1-3) в низкий уровень, и процесс измерения повторяется для следующего термометра сопротивления. The method is carried out as follows. In the initial state, the microcontroller 1 holds outputs 1, 2, 3 in a high-impedance state (programmed for input), and sets a low level (logical zero) at output 4. In this case, there is no current in the circuits of resistance thermometers. The first input of the selected line 5 is supplied with a low voltage level from one of the outputs (1, 2 or 3) of the microcontroller 1, and a high voltage level (logic 1) is supplied to the output 4 of the microcontroller 1 for a time interval t. When a voltage pulse is applied, the current flowing in the selected line creates a voltage drop on the resistance thermometer 3, and charges the capacitor 4 shunting it. By the end of the voltage pulse of duration t, the capacitor 4 is charged to a steady value. The steady voltage is less than the voltage of the voltage pulse by the magnitude of the voltage drop across the output resistances of the microcontroller 1 and the resistances of the line wires. At the end of the interval t, the voltage across the reference resistor 2 is measured, which is present between inputs 5 and 6 of the analog-to-digital converter built into the microcontroller 1. At the end of the interval t, output 4 of microcontroller 1 is set to a high-impedance state (switched to input), and the current in the circuit is set to zero, and at input 6 the voltage present at the second input of line 5 connected to the first output of reference resistor 2 is measured. This voltage is equal to the voltage on the resistance thermometer 3 shunted by the capacitor 4. The resistance of the resistance thermometer is calculated from the measured voltages, and the temperature is calculated from it. Then the outputs of the microcontroller are transferred to a high-impedance state, a pause is maintained to guarantee the required value of the average current of the resistance thermometer, the next line is selected by transferring the next output (from 1-3) to a low level, and the measurement process is repeated for the next resistance thermometer.

Период повторения циклов опроса термометров сопротивления и длительность импульса обеспечивают среднее значение тока, не превышающее допустимого значения. Количество измерительных каналов температуры может быть бóльшим (три канала в устройстве демонстрируют лишь принцип) и ограничивается количеством портов микроконтроллера. При этом для реализации способа измерения температуры, достаточно лишь двух входов аналого-цифрового преобразователя. The repetition period of the polling cycles of resistance thermometers and the pulse duration provide an average current value that does not exceed the allowable value. The number of temperature measurement channels can be larger (three channels in the device demonstrate only the principle) and is limited by the number of microcontroller ports. In this case, to implement the temperature measurement method, only two inputs of the analog-to-digital converter are sufficient.

Сопротивление выходных каскадов портов может рассматриваться как часть сопротивления проводников линии, и оно не влияет на результат измерения так, как падение напряжения в конце импульса длительности t измеряется непосредственно на опорном резисторе (предпочтительной является возможность использования аналого-цифрового преобразователя с возможностью перевода в дифференциальный режим измерения). Второе измерение на втором входе линии осуществляется после перевода выхода 4 микроконтроллера 1 в высокоимпедансное состояние. В этом случае ток в линии 5, с помощью которой подключен термометр сопротивления 3, отсутствует, как и падение напряжения на проводниках линии и выходном сопротивлении выходов микроконтроллера 1. При этом измерение напряжения на термометре сопротивления 3 и шунтирующем конденсаторе 4 производят в первый момент времени после завершения импульса напряжения длительностью t. Поэтому отношение сопротивлений опорного резистора и термометра сопротивления определяется отношением измеренных напряжений на опорном резисторе и конденсаторе в первый момент после завершения импульса питания. Из этой пропорциональной зависимости рассчитывается величина сопротивления термометра сопротивления, а по нему и измеряемая температура. При повышении требований к точности измерений может использоваться внешний аналого-цифровой преобразователь.The resistance of the output stages of the ports can be considered as part of the resistance of the line conductors, and it does not affect the measurement result, since the voltage drop at the end of a pulse of duration t is measured directly across the reference resistor (it is preferable to use an analog-to-digital converter with the ability to switch to differential measurement mode ). The second measurement at the second input of the line is carried out after the output 4 of the microcontroller 1 is transferred to a high-impedance state. In this case, there is no current in line 5, through which the resistance thermometer 3 is connected, as well as the voltage drop on the line conductors and the output resistance of the microcontroller 1 outputs. completion of the voltage pulse duration t. Therefore, the ratio of the resistances of the reference resistor and the resistance thermometer is determined by the ratio of the measured voltages across the reference resistor and the capacitor at the first moment after the end of the power pulse. From this proportional dependence, the resistance value of the resistance thermometer is calculated, and the measured temperature is calculated from it. With increasing requirements for measurement accuracy, an external analog-to-digital converter can be used.

Claims

A method for multichannel temperature measurement, which consists in alternately supplying n resistance thermometers shunted with capacitors through the corresponding lines and a common reference resistance with a voltage pulse with a duty cycle at which the average current through the resistance thermometer does not exceed the allowable value, and the value of the capacitance of the capacitors is chosen such that during the time the action of the voltage pulse, its charge has ended, characterized in that the voltage pulse ends with the disconnection of the reference resistor from the power source, the resistance of the resistance thermometer is determined by the results of measuring the voltage drop across the reference resistor at the end of the voltage pulse and the voltage at the end of the line connected to the reference resistor, after disconnecting the reference resistor from the power supply.