УДК 681.586*36.008.6
РЕЗИСТИВНЫЙ ДАТЧИК ТЕМПЕРАТУРЫ С МЕТРОЛОГИЧЕСКИМ САМОКОНТРОЛЕМ
RESISTIVE TEMPERATURE SENSOR WITH METROLOGICAL SELF-CONTROL
Ларионов Владимир Александрович
д-р техн. наук, доцент, профессор Е-mail: larionov1953@mail.ru
Южно-Уральский государственный университет (Национальный исследовательский университет), г. Челябинск
Аннотация: Предложен метод метрологического самоконтроля датчика температуры с термопреобразователем сопротивления на основе операции саморазогрева.
Ключевые слова: метрологический самоконтроль, датчик температуры.
Larionov Vladimir A.
D. Sc. (Tech.), Associate Professor, Professor Е-mail: larionov1953@mail.ru
South Ural State University (National research university), Chelyabinsk city
Abstract: The method of metrological control temperature sensor with thermocouple resistance based on the activity of self-heating.
Keywords: metrological self-control, temperature sensor.
ВВЕДЕНИЕ
Метрологический самоконтроль датчиков может быть реализован в форме метрологического прямого или метрологического диагностического самоконтроля [1]. Метрологический прямой самоконтроль датчика осуществляется путем оценки отклонения значения измеряемой величины от принятого опорного значения, формируемого встроенным средством (измерительным преобразователем или мерой) более высокой точности. Метрологический диагностический самоконтроль датчика осуществляется путем оценки отклонения параметра, характеризующего критическую (доминирующую или склонную к быстрому росту) составляющую погрешности от принятого опорного значения этого параметра.
В данной статье рассматриваются только методы метрологического диагностического самоконтроля датчиков, так как методы прямого метрологического самоконтроля предполагают разработку и изготовление нестандартных первичных измерительных преобразователей (сенсоров), не выпускаемых серийно. К тому же "встраивание эталона в рабочее средство реально лишь для малого числа видов измерений. При этом нередко характеристики проверяемого рабочего средства ухудшаются, а интервал времени между операциями контроля метрологической исправности сократить до требуемых значений не удается" [2].
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Наиболее метрологически ненадежной частью датчиков температуры является термопреобразователь сопротивления (термометр сопротивления ТС), так как он эксплуатируется в значительно более жестких внеш-
них условиях, чем электронный преобразователь (ЭП) датчика.
Известен способ метрологического самоконтроля [3], заключающийся в изготовлении ТС в виде двух последовательно соединенных частей проволоки разного диаметра, но одинакового материала. Зависимость сопротивления Я любой из частей ТС от изменения температуры А Т в первом приближении представлена формулой:
Я = Яо(1 + аоАТ); Яо = ро- ,
где А Т = Т — То; Т — температура, при которой измеряется Я; То — температура, относительно которой измеряется изменение сопротивления; Яо — сопротивление при температуре То; ао — температурный коэффициент материала проводника; ро — удельное сопротивление материала проводника; I — длина проводника; ^о — площадь поперечного сечения проводника.
Принимается допущение, что скорость изменения сопротивления поверхностного слоя у проводников каждой части ТС слабо зависит от геометрических параметров самих проводников, а глубина а слоя, в котором произошла деструкция, одинакова для обеих частей ТС и мала в сравнении с линейными размерами поперечного сечения проводников. Тогда относительные изменения сопротивлений частей ТС в процессе эксплуатации будут выражены следующими приближенными выражениями:
R « 1 - aPoi
R S s01
« 1 P02 — a—
R2 s02
где — значения сопротивления первой части ТС
в момент % и в момент ? > т. е. после деструкции поверхностного слоя на глубину а; Л2, Л2 — значения сопротивления второй части ТС в момент % и в момент I > % — после деструкции поверхностного слоя на глубину а; Р01, Р02 — периметры поперечных сечений проводников первой и второй частей ТС. Так как Р01А>1 *■ Р02Л02 вследствие разного диаметра проводников первой и второй частей ТС, то диагностическая функция р = Л1/Л2 будет изменяться при изменении глубины а деструкции поверхностного слоя проводников ТС. В процессе эксплуатации контроль метрологической исправности осуществляют путем определения относительного отклонения 8р диагностической функции р:
Sß =
ß - ßo
ßo
где ß — ßo — диагностическая функция, полученная на этапе первоначальной калибровки ТС.
Недостатком данного способа является нестандартность конструкции ТС и соответственно невозможность применения серийно изготавливаемых ТС.
СПОСОБ МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО САМОКОНТРОЛЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОПЕРАЦИИ САМОРАЗОГРЕВА ТС
Предлагается следующий способ метрологического диагностического самоконтроля ТС, использующий операцию саморазогрева ТС [4]. Функциональная схема датчика представлена на рисунке.
Перед первичной поверкой (обычно осуществляемой на предприятии-изготовителе) под управлением микроконтроллера выполняются следующие операции (назовем их режимом диагностики). На управляющий вход источника тока подается сигнал, соответствующий формированию на выходе источника тока измерительного тока (например, 1 мА), а на управляющий вход коммутатора подается сигнал, соответствующий подключению Rt к образцовому резистору Rp. Измеряется напряжение, подаваемое на Rt и вычисляется сопротивление Rt. Полученное значение Rio запоминается в микроконтроллере.
Затем на управляющий вход коммутатора подается сигнал, соответствующий подключению Rt к общему проводу питания, а на управляющий вход источника тока подается сигнал, соответствующий току перегрева (например, 25 мА). После фиксированного интервала времени (задаваемого программно в микроконтроллере) на управляющий вход источника тока подается сигнал, соответствующий измерительному току, а затем на управляющий вход коммутатора подается сигнал, соответствующий подключению Rt к резистору Rp, после чего повторно измеряется сопротивление Rt и полученное значение R20 запоминается в микроконтроллере. Микроконтроллер вычитает из кода R20 код Rio и полученную разность А Rc запоминает.
Функциональная схема датчика температуры:
ИТ — управляемый источник тока, Я( — ТС, ЭП — электронный преобразователь, Ком — аналоговый коммутатор, Яр — образцовый резистор
При подаче тока перегрева на Rt происходит его саморазогрев. В результате экспериментальных исследований [5] было определено, что перегрев ТС не зависит от конструкции его арматуры, окружающей среды и величины Ro, а следовательно, и мощности ТС. Этот перегрев в основном определяется диаметром проволоки, от которого зависит поверхность охлаждения. Поэтому правильнее определять перегрев ТС по величине протекающего тока, а не по выделяемой им мощности.
Сопротивление Rt перед подачей тока перегрева в первом приближении можно выразить в следующем виде:
Rio = Ro(1 + at),
где Ro — сопротивление Rt при 0 °С; a — температурный коэффициент сопротивления, t — температура окружающей Rt среды.
После подачи в течение фиксированного интервала времени тока перегрева сопротивление Rt будет иметь следующее значение:
R20 = Ro(1 + a(t + Atc), где Atc — температура саморазогрева. Тогда:
А Rc0 = R20 - Rio = RoaAtc. (1)
В результате старения и воздействия неблагоприятных факторов на Rt его параметры изменяются. Перед проведением очередного режима диагностики сопротивление Rt равно:
Rti = (Ro + ARo)[1 + (a + Aa)t],
где ARo — отклонение Ro от исходного значения, Aa — отклонение a от исходного значения, а после подачи и снятия тока перегрева сопротивление Rt будет равно:
Rt2 = (Ro + ARo)[1 + (a + Aa)(t + Atc)].
Так как ЭП находится в значительно более благоприятных внешних условиях, чем Rt, то изменением
Датчики и Системы • № 9-10.2015
77
величины тока перегрева от времени в сравнении с величиной изменения параметров можно пренебречь и считать, что температура перегрева А?с от времени не меняется.
Тогда, учитывая (1), получим:
А*с = ^й - = = ЛдаАгс + АЛдаА^ + ЛдАаА^ + АЛцАаА^.
Введем функцию диагностики у:
ARo + Аа + AR0 Аа R0 а
ARc - ARc c c0 =
AR- c0
R
0а
или, пренебрегая величинами второй степени малости, получим:
Y
ARo + Аа
R а
ВЫВОД
Таким образом, периодически проводя режим диагностики и вычисляя изменение функции диагностики в данный момент времени от значения при первичной поверке, можно оценить величину отклонения параметров ТС от исходных значений.
ЛИТЕРАТУРА
1. ГОСТ Р 8.673—2009. Государственная система обеспечения единства измерений. Датчики интеллектуальные и системы измерительные интеллектуальные. Основные термины и определения. [SIST P 8. 673—2009. State system for ensuring the uniformity of measurements. The intelligent sensors and intelligent measurement system. The substance of the terms and definitions. (In Russian)]
2. Тайманов Р. Е., Сапожникова К. В. Метрологический самоконтроль датчиков // Датчики и системы. — 2011. — № 2. — С. 58—66. [Taimanov R. E., Sapozhnikova K. V. Met-rological self-checking sensors // Sensors and systems. — 2011. — № 2. — P. 58—66. (In Russian)]
3. Бакшеева, Ю. В., Сапожникова К. В., Тайманов Р. Е. Ре-зистивные датчики температуры с метрологическим самоконтролем // Датчики и системы. — 2011. — № 4. — С. 62—70. [Baksheeva J. V., Sapozhnikova K. V., Taimanov R. E. Resistive temperature sensors with metrological self-control // Sensors and systems. — 2011. — № 4. — P. 62—70. (In Russian)]
4. Пат. 2358245 РФ, МПК G 01 K 7/16. Способ и устройство измерения температуры / В. А. Ларионов // Бюл. — 2009. — № 17. [Pat. 2358245 Russian Federation, G 01 K 7/16. The method and apparatus of measuring temperature / V. A. Larionov // Bul. — 2009. — № 17. (In Russian)]
5. Лах В. И. Повышение точности и расширение пределов измерения // Приборы и системы управления. — 1971. — № 9. — С. 23—28. [Lah V. I. Improving the accuracy and expand the limits of measurement // Instruments and control systems. — 1971. — № 9. — P. 23—28. (In Russian)]
ПРАВИЛА ОФОРМЛЕНИЯ СТАТЕЙ
Статья высылается по e-mail в электронной форме или по почте в одном эк
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.