Метод измерения температуры на основе интегрирования участка переходного процесса разряда конденсатора на термометр сопротивления

Цель работы: повышение быстродействия и точности измерения температуры резистивными датчикам (РДТ) при удаленном двухпроводном подключении в распределенных системах мониторинга. Разработка и реализация метода измерения температуры на основе обработки результатов интегрирования начального участка переходного процесса разряда конденсатора, шунтирующего термометр сопротивления, оценка параметров модели определения времени интегрирования и апробация метода на экспериментальном стенде. Определение погрешностей измерения сопротивления РДТ методом интегрирования начального участка переходного процесса с применением линейной модели определения времени интегрирования и оценка эффективности предложенного решения по сравнению с альтернативными методами.

Методы: в основе математического описания метода лежит теория электрических цепей. Оценка эффективности метода проводилась по результатам экспериментальных исследований. При разработке линейной модели определения времени интегрирования строилась линейная регрессионная модель, рассчитывались относительные погрешности по усредненным результатам многократных измерений.

Результаты: предложен и исследован метод определения сопротивлений резистивных датчиков температуры на основе обработки результатов интегрирования начального участка переходного процесса разряда конденсатора на РДТ при двухпроводном подключении в распределенных системах мониторинга. Приведено математическое описание метода, на основе которого разработан алгоритм вычисления сопротивления РДТ, исключающий влияние сопротивления соединительных проводов на результаты измерений. В основе разработанного алгоритма лежит интегрирование переходного процесса разряда конденсатора (накопление и суммирование отсчетов) на ограниченном временном интервале с сохранением результатов в середине (t₁) и конце интервала (t₂) и расчет сопротивления РДТ по полученным параметрам. Определены параметры модели подстройки времени интегрирования, оценены погрешности измерения. Проведена апробация метода с помощью экспериментального стенда на базе микроконтроллера ATmega328 и магазина сопротивлений P4831 с классом точности 0,02.

Заключение: представленные в работе результаты исследования и апробации метода измерения температуры РД демонстрируют его эффективность для снижения погрешностей измерения, вызванных влиянием сопротивления соединительных проводов. Применение предложенных методов измерения и алгоритмов обработки позволяет использовать двухпроводное подключение датчиков в распределенных системах мониторинга при сохранении точности измерений на уровне более сложных и дорогостоящих трехи четырехпроводных схем, исключив влияние сопротивления соединительных проводов. Применение описанного в работе метода интегрирования напряжения на начальном участке переходного процесса позволяет не только повысить быстродействие, но и обеспечить требуемый уровень точности измерений. Проведенные экспериментальные исследования показали, что относительные погрешности измерения предложенным авторами методом при применении линейной модели определения времени интегрирования не превышают 0,07% в диапазоне изменения номинальных сопротивлений 1-4 кОм (соответствует диапазону температур, измеряемых платиновым термометром сопротивления, 0-600 0С) при искусственном увеличении суммарного сопротивления соединительных проводов до величины, превышающей 200 Ом.

Предложенный метод может быть применен в системах мониторинга, использующих РД, размещенных на значительном удалении от измерительного блока.

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. Nagarajan P.R., George B., Kumar V.J. Improved Single-Element Resistive Sensorto-Microcontroller Interface // IEEE Trans. Instrum. Meas. 2017. № 66. Р. 2736–2743. https://doi.org/10.1109/TIM.2017.2712918.

3. 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/10.32446/03681025it.2020-7-51-55

4. 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. № 31. Р. 309–314 https://doi.org/10.1134/S1810232822020114.

5. Malinarič S. The Application of the Finite Elements Method in the Transient Measurements of Thermophysical Parameters // Int J Thermophys. 2024. № 45. Р. 22 https://doi.org/10.1007/s10765-023-03311-1.

6. Kowal A., Manuszkiewicz H., Kołodziej B., et al. Tests of the Stability of Chinese RhFe Resistance Thermometers at Low Temperatures // Int J Thermophys. 2017. № 38. Р. 38–95. https://doi.org/10.1007/s10765-017-2232-8

7. Ventura G., Giomi S. A Simple Method to Extend the Range of Low Temperature Resistance Thermometers // Int J Thermophys. 2019. № 40. Р. 1-7. https://doi.org/10.1007/s10765-019-2482-8.

8. Ghaly S. M. A. LabVIEW Based Implementation of Resistive Temperature Detector Linearization Techniques // Engineering, Technology & Applied Science Research. 2019. № 9. Р. 4530–4533. https://doi.org/10.48084/etasr.2894.

9. Piechowski L., Muc A., Iwaszkiewicz J. The Precise Temperature Measurement System with Compensation of Measuring Cable Influence // Energies. 2021. Vol. 14, no. 24. P. 8214. https://doi.org/10.3390/en14248214.

10. Reverter F. A Microcontroller-Based Interface Circuit for Three-Wire Connected Resistive Sensors // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. 2022. № 71. Р. 1-4. https://doi.org/10.1109/TIM.2022.3219492.

11. Elangovan K. A Novel Triple-Slope-Based Digital Measurement Platform for ThreeWire Connected Resistive Sensors // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. 2024. № 73. Р. 1-3. https://doi.org/10.1109/TIM.2024.3411132.

12. Tapan Kr. Maiti, Asim Kar. A new and low-cost lead resistance compensation technique for resistive sensors // Measurement. 2010. № 43. Р. 735-738. https://doi.org/10.1016/j.measurement.2010.01.013.

13. A Procedure for Precise Determination and Compensation of Lead-Wire Resistance of a Two-Wire Resistance Temperature Detector / A. Rerkratn, S. Prombut, T. Kamsri, V. Riewruja, W. Petchmaneelumka // Sensors. 2022. Vol. 22, no. 11. P. 4176. https://doi.org/10.3390/s22114176.

14. Reverter F. A Front-End Circuit for Two-Wire Connected Resistive Sensors with a Wire-Resistance Compensation // Sensors. 2023. Vol. 23, no. 19. P. 8228. https://doi.org/10.3390/s23198228.

15. Jos´ e A. Hidalgo-Lopez. Direct interface circuits for resistive sensors affected by lead wire resistances // Measurement. 2023. № 218. Р. 113250. https://doi.org/10.1016/j.measurement.2023.113250.

16. Li W., Xiong S., Zhou X. Lead-Wire-Resistance Compensation Technique Using a Single Zener Diode for Two-Wire Resistance Temperature Detectors (RTDs) // Sensors. 2020. Vol. 20, no. 9. P. 2742. https://doi.org/10.3390/s2009274

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

18. Bondar O.G., Brezhneva E.O., Kalmykov A.I. Increasing Temperature Measurement Accuracy: Method of Two-Wire Connection of a Resistance Thermometer // Measurement Techniques. 2022. № 65. Р. 514-519. https://doi.org/10.1007/s11018-022-02070-z.

19. Bondar O. G., Brezhneva E.O., Zubarev A. Yu.. Improvement of algorithms for measuring temperature with two-wire connection of resistance thermometers // Measurement Techniques. 2023. Vol. 66, no. 4. P. 514-519. https://doi.org/10.1007/s11018-023-02221-w.

20. Бондарь О.Г., Брежнева Е.О., Ботиков К.А. Исследование метода измерения температуры при двухпроводном подключении термометра сопротивления // Известия Юго-Западного государственного университета. 2024. T. 28, № 1. С. 71-87. https://doi.org/10.21869/2223-1560-2024-28-1-71-87.

21. Бондарь О.Г., Брежнева Е.О., Ботиков К.А. Автоматическая подстройка параметров алгоритма измерения температуры в широком диапазоне // Измерительная техника. 2024. № 4. С. 46-53. https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2024-4-46-53