Исследование метода измерения температуры при двухпроводном подключении термометра сопротивления

Цель работы: исследование метода измерения температуры при двухпроводном подключении термометра сопротивления (ТС) с использованием его математической модели. Провести апробацию модели и исследования, позволяющие оценить потенциальные возможности метода обработки измерительной информации, в основу которого положено определение сопротивления ТС по результатам интегрирования переходного процесса в измерительной схеме после отключения её источника питания, определить параметры измерительной цепи и алгоритма, положенных в основу метода. Для заданного диапазона измеряемых температур определить вид и параметры модели адаптивного алгоритма измерения.

Методы: методы математического моделирования, численные методы. При разработке математической модели метода использовалась теория электрических цепей, в частности, анализ переходных процессов. При анализе предложенных решений учитывалось воздействие электромагнитных помех и эффектов квантования, а эффективность оценивалась по относительной погрешности () измерения сопротивления ТС и сравнению с аналогами. Моделирование осуществлялось в среде MATLAB.

Результаты. Разработана математическая модель интегрирующего метода измерения температуры с помощью ТС, осуществлен выбор оптимальной величины шунтирующей емкости для диапазона измеряемых температур 0 … 660 оС, обеспечивающий в пределах диапазона расчётную величину среднеквадратичной погрешности (СКО) 0.02% -0.04%, определена оптимальная величина первого интервала интегрирования (4 мс). Показано, что для адаптивного алгоритма измерения возможен выбор линейной модели. Проведена оценка эффективности метода в сравнении с методом определения сопротивления ТС по двум отсчётам переходного процесса.

Заключение. Представлены результаты математического моделирования метода измерения температуры на основе оценки величины сопротивления ТС по результатам численного интегрирования переходного процесса разряда конденсатора, подключенного параллельно резистору, позволяющие оптимизировать алгоритмы, лежащие в основе его функционирования, а также судить об эффективности предложенного решения. Двухпроводный метод, основанный на определении сопротивления ТС по результатам интегри-рования переходного процесса при выключении питания измерительной цепи позволяет повысить достичь точности измерения температуры сопоставимой с точностью трех и четырехпроводных схем, исключив недостатки, связанные с их сложностью и высокой стоимостью.

1. Каспаров К. Н., Белозеров А. В. Измерение температуры быстропротекающих процессов // Измерительная техника. 2002. № 12. С. 34–38. https://doi.org/10.1023/A:1022985107345

2. Ventura G., Giomi S. A Simple Method to Extend the Range of Low Temperature Resistance Thermometers // Int J Thermophys. 2019. vol. 40. https://doi.org/10.1007/s10765-019-2482-8.

3. Kowal A., Manuszkiewicz H., Kołodziej B. et al. Tests of the Stability of Chinese RhFe Resistance Thermometers at Low Temperatures // Int J Thermophys. 2017. Vol. 38. Pp. 38–95. https://doi.org/10.1007/s10765-017-2232-8.

4. Лапшинов Б. А. Методы измерения температуры в технологиях сверхвысокочастотного нагрева // Измерительная техника. 2021. № 6. С. 20–28. https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2021-6-20-28.

5. Zhang M., Zhang J., Qiao L., Wang T. Distributed Fiber Optic Raman Thermometer and Applications // In: Novel Optical Fiber Sensing Technology and Systems. Progress in Optical Science and Photonics. 2024. Vol 28. https://doi.org/10.1007/978-981-99-7149-7-6.

6. Филатов А. В., Сердюков К. А., Новикова А. А. Перспективы использования модифицированного нулевого метода измерений температуры датчиками сопротивления // Измерительная техника. 2020. № 7. С. 51–55. https:/doi.org/10.32446/0368-1025it.2020-7-51-55

7. Cheung Y., Jing Z., Liu Q. et al. Fast-Response Fiber-Optic FPI Temperature Sensing System Based on Modulated Grating Y-Branch Tunable Laser // Photonic Sens. 2024. Vol. 14. No. 1. https://doi.org/10.1007/s13320-023-0690-0.

8. Woo K.R., Kim H.B., Kim H.L. et al. An MMC-Based Temperature Control System for a Long-Term Data Collection // J Low Temp Phys. 2022. Vol. 209. Pp. 1218–1225 https://doi.org/10.1007/s10909-022-02805-w.

9. Reihani A., Meyhofer E., Reddy, P. Nanokelvin-resolution thermometry with a photonic microscale sensor at room temperature // Nat. Photon. 2022. Vol. 16. Pp. 422–427 https://doi.org/10.1038/s41566-022-01011-0.

10. Способ многоканального измерения температуры: пат RU № 2775873. C1 / О. Г. Бондарь, Е. О. Брежнева // Изобретения. Полезные модели. 2022. № 20.

11. Бондарь О. Г., Брежнева Е. О., Родионов П. С. Многоканальный преобразователь температуры // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2022. Т. 65. № 4. С. 254–26. https:/doi.org/10.17586/0021-3454-2022-65-4-254-261

12. Kabardin I.K., Pravdina M.K., Gordienko M.R. et al. Development of Method of Low-Perturbation Multichannel Temperature Diagnostics in Vortex Tube // J. Engin. Thermophys. 2022. Vol. 31. Pp. 309–314 https://doi.org/10.1134/S1810232822020114.

13. Malinarič, S. The Application of the Finite Elements Method in the Transient Measurements of Thermophysical Parameters // Int J Thermophys. 2024. Vol. 45, 22 https://doi.org/10.1007/s10765-023-03311-1.

14. Ventura G., Giomi S. A Simple Method to Extend the Range of Low Temperature Resistance Thermometers // Int J Thermophys. 2019. Vol. 40. https://doi.org/10.1007/s10765-019-2482-8.

15. Bondar O.G., Brezhneva E.O. & Pozdnyakov, V.V. Methods and Algorithms for Control of a Thermocatalytic Hydrogen Sensor // Meas Tech. 2018. Vol. 61. Pp. 514–519 https://doi.org/10.1007/s11018-018-1460-z.

16. Apinai Rerkratn, Supatsorn Prombut, Thawatchai Kamsri, et al. A Procedure for Precise Determination and Compensation of Lead-Wire Resistance of a Two-Wire Resistance Temperature Detector // Sensors. 2022. Vol. 22. https://doi.org/10.3390/s22114176.

17. Бондарь О. Г., Брежнева Е. О., Двойных Е. С. Способ измерения температуры: пат RU № 2752132. C1 // Изобретения. Полезные модели. 2021. № 21.

18. Bondar O.G., Brezhneva E.O., Kalmykov A.I. Increasing Temperature Measurement Accuracy: Method of Two-Wire Connection of a Resistance Thermometer // Meas Tech. 2022. Vol. 65. Pp. 206–212. https://doi.org/10.1007/s11018-022-02070-z.

19. Бондарь О. Г., Брежнева Е. О., Поляков Н. В. Способ измерения температуры среды: пат RU № 2781754. C1 // Изобретения. Полезные модели. 2022. № 29.

20. Bondar O.G., Brezhneva E.O., Zubarev, A.Y. Improvement of Algorithms for Measuring Temperature with Two-Wire Connection of Resistance Thermometers // Meas Tech. 2023. Vol. 66, Pp. 273–278 https://doi.org/10.1007/s11018-023-02221-w.