способ определения температуры полупроводниковым терморезистором

Формула изобретения

Способ определения температуры, заключающийся в пропускании тока через размещенный в контролируемой среде полупроводниковый терморезистор и измерении его сопротивления, дополнительном нагреве терморезистора относительно контролируемой среды током и измерении второго сопротивления терморезистора, отличающийся тем, что по двум сопротивлениям, измеряемым при минимальном токе для двух заданных границами диапазона температур, определяют параметры температурной характеристики терморезистора (предельное сопротивление и постоянную температуры) для минимального тока, по ней для измеренного сопротивления терморезистора определяют температуру контролируемой среды, которую сопоставляют второму сопротивлению терморезистора, заранее при втором токе и максимальной температуре измеряют третье сопротивление, которое принимают за норму, по нормированному сопротивлению и сопротивлению дополнительно нагретого терморезистора и соответствующим им температурам определяют параметры рабочей температурной характеристики терморезистора, по которой определяют температуру контролируемой среды при измерении сопротивления терморезистора на втором токе.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерению температур.

Известен способ измерения температуры термометром сопротивления [а.с. № 1332158], который приводят в контакт с объектом контроля. Подают на термометр сопротивления мощность P₁ и в момент времени t₁ измеряют первое значение температуры ₁ и увеличивают мощность до величины Р₂ . В моменты времени t₂ и t₃ проводят второе и третье измерение температуры ₂ и ₃. Измерение температур организовано так, что t ₂-t₁=t₃-t₂. Значение измеряемой температуры рассчитывается по формуле

Недостатками данного метода являются неопределенность условий и параметров, при которых проводится градуировка термометра сопротивления. При градуировке термометра сопротивления при различных величинах рассеиваемой мощности градуировочные характеристики получаются разными. Также большое влияние оказывают параметры теплообмена со средой, в которой проводится градуировка термометра сопротивления. Неучет этих факторов в процессе измерения температуры приводит к погрешности.

За прототип принят способ измерения температуры полупроводниковым терморезистором [а.с.№ 1364911] при измерении его сопротивления. Для этого через терморезистор пропускают электрический ток, который производит его нагрев. Температуру дополнительного нагрева контролируют сравнением полученного сопротивления с первоначальным сопротивлением. Измеряют второе значение сопротивления. Измеряют ток нагрева, соответствующий второму значению сопротивления терморезистора, и определяют рассеиваемую на нем электрическую мощность. Определяют температуру нагрева терморезистора из уравнения теплового баланса. Постепенно увеличивают температуру нагрева ступенчатыми изменениями тока нагрева с регистрацией изменения сопротивления терморезистора. Процесс увеличения тока нагрева прекращают, если изменение сопротивления терморезистора становится незначительным по сравнению с предыдущим состоянием. Измеряют третье значение сопротивления терморезистора. По результатам измерения трех значений сопротивления терморезистора и по току нагрева находят температуру Т контролируемой среды по формуле

где R₁ - сопротивление терморезистора при температуре контролируемой среды, R₂ - сопротивление терморезистора, дополнительно нагретого измерительным током, I₁ - ток дополнительного нагрева терморезистора, С - коэффициент рассеивания тепла нагретым терморезистором, S - поверхность охлаждения терморезистора.

Недостатками способа являются погрешность измерений, обусловленная присутствием в расчетном выражении параметров С и S, определить которые с высокой точностью не представляется возможным. Параметр С зависит не только от свойств измеряемой среды, но и от контактных термических сопротивлений (для твердых материалов), режима течения (для жидких и газообразных сред), в широком диапазоне температур его значение нельзя считать постоянным. К недостаткам так же следует отнести большую длительность процесса измерения температуры, в течение которого температура контролируемой среды может поменяться вследствие внешних условий или из-за сильного разогрева терморезистора пропускаемым током.

Технической задачей способа являются повышение точности определения температуры за счет исключения погрешности саморазогрева терморезистора и повышение оперативности за счет сокращения числа измерительных операций.

Поставленная задача достигается тем, что через размещенный в контролируемой среде полупроводниковый терморезистор пропускают минимальный ток и измеряют его сопротивление, увеличивают ток, что вызывает дополнительный нагрев терморезистора относительно контролируемой среды, и измеряют второе сопротивление терморезистора, отличающийся тем, что по двум сопротивлениям, измеряемым при минимальном токе для двух заданных границами диапазона температур, определяют параметры температурной характеристики терморезистора (предельное сопротивление и постоянную температуры) для минимального тока, по ней для измеренного сопротивления терморезистора определяют температуру контролируемой среды, которую сопоставляют второму сопротивлению терморезистора, заранее при втором токе и максимальной температуре измеряют третье сопротивление, которое принимают за норму, по нормированному и второму сопротивлениям терморезистора и соответствующим им температурам определяют параметры рабочей температурной характеристики терморезистора, по которой определяют температуру контролируемой среды при измерении сопротивления терморезистора на увеличенном токе.

Терморезистор является параметрическим датчиком - с изменением температуры он меняет свое сопротивление. Для измерения сопротивления терморезистора его включают в схему формирования электрического сигнала - управляемый источник стабилизированного тока (фиг.1). При пропускании тока через терморезистор происходит его саморазогрев - повышение его температуры по отношению к температуре измеряемой среды. Величина саморазогрева зависит от рассеиваемой на терморезисторе мощности и параметров теплообмена с окружающей средой, которые определяются свойствами самой среды и ее состоянием (неподвижная, подвижная - в случае жидких и газообразных сред; гладкая, шероховатая - для твердых материалов). Саморазогрев является причиной возникновения методической погрешности. Снижения ее величины можно достичь путем уменьшения рассеиваемой на терморезисторе мощности. При минимальном токе различие между величиной саморазогрева терморезистора в различных средах незначительно, однако при этом чувствительность преобразования сопротивления в напряжение будет недостаточна для достоверной регистрации малых изменений температуры. Для повышения чувствительности преобразования сопротивления в напряжение величину тока необходимо увеличивать. Сопротивление полупроводниковых терморезисторов сильно зависит от величины протекающего тока, что не позволяет использовать температурную характеристику терморезистора (зависимость его сопротивления от температуры или зависимость температуры от сопротивления), полученную при токе одной величины, для токов другой величины. Кроме того, температурные характеристики, полученные при одинаковых токах, но на материалах с различными свойствами, так же отличаются (фиг.2). Температурная характеристика полупроводниковых терморезисторов имеет вид

или

где R - сопротивление терморезистора [Ом], Т - абсолютная температура [К], R₀ - предельное сопротивление, соответствующее сопротивлению полупроводникового термистора при T:

T₀ - постоянная температуры, численно равная температуре терморезистора, при которой его сопротивление принимает значение eR₀, где е - основание натурального логарифма.

Сущность предлагаемого способа поясняется на фиг.1-4.

Способ организуется следующим образом. Полупроводниковый терморезистор располагают в контролируемой среде, пропускают через него минимальный ток I₁ и измеряют первое сопротивление терморезистора R₁. Повышают ток до величины I ₂ и измеряют второе сопротивление термистора R₂ . Величина сопротивления R₁ практически не зависит от свойств измеряемой среды вследствие малости тока I₁ , а величина сопротивления R₂ будет различна для каждой контролируемой среды. Для учета саморазогрева терморезистора на предварительном этапе производят его градуировку - получение его температурной характеристики при минимальном токе I₁. Для этого на токе I ₁ при двух известных температурах T₀₁ и Т ₀₂ измеряют соответствующие им сопротивления R₀₁ и R₀₂. Температуры T₀₁ и Т₀₂ соответствуют нижней и верхней границам диапазона рабочих температур, которые будут измеряться терморезистором. Параметры температурной характеристики и находятся решением системы уравнений:

Расчетные зависимости для предельного сопротивления и постоянной температуры имеют вид:

Получаемая таким образом температурная характеристика T⁰(R) (фиг.2, кривая 1) подходит для любых материалов и сред, однако чувствительность преобразования сопротивления в напряжение недостаточна для измерения малых изменений температуры.

По сопротивлению R₁ и температурной характеристике Т⁰(R) определяют температуру среды T₁, которую сопоставляют сопротивлению R₂.

Расхождение температурных характеристик, полученных при увеличенном токе в различных средах, уменьшается с увеличением температуры (фиг.2, кривые 2). Это позволяет выбрать некоторую температуру T*, при которой расхождение между температурными характеристиками различных сред значительно меньше, чем в области рабочих температур (фиг.2). Используя это наблюдение, при токе I₂ измеряют третье сопротивление терморезистора R*, соответствующее температуре T*. Полученные значения R* и T* принимают за норму, то есть утверждают, что сопротивление R* соответствует температуре T* для любой контролируемой среды.

По второму и третьему сопротивлениям терморезистора R₂ и R* и соответствующим им температурам Т₁ и Т* получают параметры R₀ и T₀ рабочей температурной характеристики по формулам:

Полученная таким образом рабочая температурная характеристика T(R) (фиг.2, кривая 3) учитывает величину саморазогрева терморезистора любой контролируемой среды, в которой он располагается. По характеристике T(R) определяют температуру контролируемой среды при измерении сопротивления R терморезистора на токе I₂ (фиг.2).

Для оценки эффективности предлагаемого способа проведены экспериментальные исследования. В качестве датчика температуры использован полупроводниковый терморезистор типа СТ1-18 с номинальным сопротивлением 22 кОм при 150°С. В термокамере высокой точности типа ТВТ-1 при температурах 5 и 35°С на стекле ТФ-1, полиметилметакрилате (ПММ) и РИПОРе проведены измерения сопротивления терморезистора путем измерения на нем падения напряжения при стабилизированных токах I₁=5 и I₂=50 мкА. По полученным значениям сопротивлений и соответствующим им температурам по формулам (4) и (5) рассчитаны параметры температурной характеристики T°(R) для тока I₁ и параметры реальных температурных характеристик терморезистора для стекла, ПММ и РИПОРа для тока I₂ соответственно: T₀(R), Т₁(R), T₂ (R). В качестве нормированной точки использовалось сопротивление терморезистора R*=45 кОм, полученное при температуре Т*=329 К на токе I₂.

Оценка предлагаемого способа по точности проведена по погрешности определения абсолютных значений температуры и по погрешности определения малых изменений температуры относительно начального значения. В качестве сравнительного использовали способ определения температуры путем перевода измеренных сопротивлений терморезистора по единственной температурной характеристике Т ₀(Р), полученной на стекле при токе I₂.

Оценку погрешности определения абсолютной температуры в случае использования единственной температурной характеристики вычисляли как разность между значениями температуры, полученными по температурной характеристике для стекла и действительными значениями температуры на ПММ и РИПОРе, определяемыми по соответствующим градуировочным характеристикам по формуле:

Изменение сопротивления R от 100 до 300 кОм соответствует изменению температуры от 35 до 5°С.

Погрешность определения абсолютной температуры в соответствии с предложенным методом определяли как отклонение рабочих температурных характеристик, полученных для стекла , ПММ и РИПОРа в соответствии с предлагаемым способом от реальных температурных характеристик по формуле:

Измерения сопротивлений R₁ и R₂ при токах I₁ и I₂, необходимых для определения параметров рабочих температурных характеристик, проводили при температурах 10, 20 и 30°С. На фиг.3 приведены кривые погрешностей, полученных по формулам (8) и (9). Эффективность по погрешности определения абсолютных температур определяли по формуле:

T _i лежит в пределах от 0,26 до 1,6°С, a не превышает 0,06°С. Таким образом, _T=4...26, то есть предлагаемый способ позволяет определять температуру при увеличенном токе, в среднем, на порядок точнее, по сравнению со способом с единственной градуировочной характеристикой.

При измерении приращений температуры относительно какого-либо начального значения неучет вариаций величины саморазогрева на различных материалах также приводит к погрешности, что вызвано нелинейностью температурной характеристики терморезистора. Оценку величины этой погрешности проводили следующим образом. Значение сопротивления фиксировали (R_Ф) и, используя реальные градуировочные характеристики для ПММ и РИПОРа, определяли приращение температуры , соответствующее изменению сопротивления на величину в 20 кОм по формулам:

Погрешность определения величины перегрева при способе с единственной температурной характеристикой определяли как относительное отклонение величин перегрева, полученных на ПММ и РИПОРе, по отношению к перегреву, полученному на стекле:

Перегрев , соответствующий изменению сопротивления на 20 кОм по рабочим градуировочным характеристикам, рассчитывали по формуле (11). Погрешность предлагаемого способа оценивали как относительное отклонение перегрева, полученного по рабочей характеристике материала, по отношению к перегреву, полученному по реальной температурной характеристике того же материала, по формуле:

Результаты расчета погрешностей определения перегрева по формулам (12) и (13) приведены на фиг.4. Сравнительная оценка предлагаемого способа по точности при определении величины перегрева проводилась по формуле

T _i лежит в пределах от 1 до 4%, a не превышает 0,3%. Таким образом, _T =3...13, то есть предлагаемый метод позволяет определять перегрев относительно начальной температуры при увеличенном токе точнее, в среднем, на порядок, по сравнению со способом с единственной градуировочной характеристикой.

Оценку предлагаемого способа по быстродействию проводили по формуле:

где ₁ - длительность процесса определения температуры в соответствии со способом-прототипом, ₂ - длительность определения температуры в соответствии с предлагаемым способом. Длительности ₁ и ₂ складываются из длительностей элементарных операций измерения сопротивления терморезистора. Длительность элементарной операции измерения сопротивления состоит из длительности переходного процесса ₀ при ступенчатом изменении тока и непосредственно из длительности процесса измерения сопротивления. Последней ввиду ее малости по сравнению с переходным процессом можно пренебречь. Значит, длительность процесса измерения в соответствии со способом-прототипом можно записать в виде , где n - число необходимых ступенчатых изменений тока. Как показали опыты, число n получается не менее 10 ( ₁10 ₀), в то время как для предлагаемого способа достаточно всего одного изменения тока, то есть ₂= ₀. Длительность процесса градуировки терморезистора в расчет не включена, так как она выполняется однократно. Таким образом, предлагаемый способ не менее чем в 10 раз превосходит по оперативности способ-прототип.

Предлагаемый способ реализован в измерительно-вычислительной системе для определения теплофизических свойств (теплопроводности и температуропроводности) твердых материалов «ТЕМП-075» и позволил снизить погрешность измерения абсолютных температур до 0,05°С, а погрешность измерения приращений температуры относительно начального до 0,3%, в то время как применение единственной температурной характеристики приводило к погрешности в до 1,6°С при определении абсолютных температур и 4% при измерении перегрева.

Таким образом, предлагаемый способ определения температуры, включающий определение рабочей температурной характеристики терморезистора, учитывающий величину саморазогрева терморезистора током, в отличие от известных решений, позволяет на порядок повысить точность и оперативность определения температуры. Применение предлагаемого способа в приборах для определения теплофизических свойств различных материалов и сред, а также других приборах, требующих точных измерений температуры, позволяет повысить их метрологические характеристики.