8.2. Термопреобразователи сопротивления (термометры сопротивления).

Эти термины исторически закрепились за измерительными преобразователями на основе терморезистивного эффекта, изготовленными из чистых металлов, имеющих положительный температурный коэффициент сопротивления (ТКС). Металлы имеют достаточно простую зависимость удельного сопротивления от температуры, легко описываемую аналитически. Массовое распространение получили термопреобразователи сопротивления (ТС) на основе платины, меди и никеля, характеристики которых приведены в таблице 1. Зависимость сопротивления ТС от температуры описывается номинальными статическими характеристиками (НСХ), полученными статистической обработкой результатов многократных измерений, проведенных в разных странах. НСХ и аналитические зависимости сопротивления от температуры для платиновых, медных и никелевых ТС приведены в [5].

Таблица 2. Характеристики термопреобразователей сопротивления

Платиновые ТС имеют широкий диапазон рабочих температур и высокую стабильность характеристик, что позволяет использовать образцовые платиновые ТС в качестве эталонов при калибровке и проверке измерительных преобразователей всех других типов. Медные ТС имеют линейную зависимость сопротивления от температуры, однако, наряду с никелевыми, имеют существенно более узкий температурный диапазон и худшую стабильность из-за невысокой стойкости к окислению. Термопреобразователи, предназначенные для применения в сложных условиях эксплуатации, как правило, имеют защитную арматуру и относительно большие размеры и большей частью изготавливаются по традиционной технологии с проволочным чувствительным элементом.

Сведения о большинстве отечественных изготовителях первичных преобразователей и датчиков температуры на их основе можно найти на сайте www.eworld.ru/support/sgsns.htm.

Фирмами Heraeus Sensor Technology, Honeywell выпускается большая номенклатура платиновых тонкопленочных ТС, в том числе и миниатюрных, характеристики которых представлены в таблице 2.

Таблица 3. Платиновые термопреобразователи сопротивления

Из курса электротехники известны двухпроводная и четырехпроводная схемы измерения сопротивления. В практике использования термопреобразователей сопротивления наиболее распространена трехпроводная схема подключения. В случае удаленного размещения первичного преобразователя сопротивление подключающих проводов и его изменение с изменением температуры окружающей среды вносят неконтролируемую дополнительную погрешность.

8.3. Модуль для измерения температуры среды и объекта измерений.

Одной из важнейших характеристик интерференционных методов измерения параметров вибрации является высокая чувствительность порядка длины волны света. Однако, чтобы действительно реализовать такую чувствительность, необходимо учитывать такие влияющие факторы, как колебания температуры окружающей среды, атмосферного давления и влажности. Эти параметры оказывают самое разностороннее влияние на результаты измерения. Так, в первую очередь от характеристик атмосферы зависит показатель преломления n, который определяет величину длины волны света λ при распространении в воздушной среде

Где – скорость распространения электромагнитной волны в вакууме, – частота излучения лазера.

Зависимость показателя преломления от температуры T, давления P и влажности выражается эмпирическим законом Эдлена

Отсюда можно получить зависимости, описывающие изменение показателя преломления при изменении влияющего параметра на единицу при нормальных условиях (T = 293 K, P = 1000 гПа,

Очевидно, что в первую очередь необходимо отслеживать изменения температуры и атмосферного давления. Необходимо отметить, что важно измерять не только изменение температуры воздуха, но и колебания температуры поверхности, на которой устанавливается интерферометр, поскольку измерительная установка «почувствует» изменение своего положения из-за температурного колебания размеров поверхности. По этой же причине, в некоторых случаях также необходимо отслеживать колебания температуры объекта измерения.

Поскольку влияние температуры наиболее существенно, необходимо также разработать измеритель температуры, обладающий достаточной чувствительностью. Этот измеритель следует выполнить в виде отдельного модуля, который будет передавать данные по беспроводному интерфейсу на измерительную установку. Конструкция модуля должна быть максимально универсальна, чтобы ее можно было легко перестроить для измерения атмосферного давления и влажности.

Структурная схема канала измерения температуры

Терморезистор преобразует измеряемую температуру в электрическое сопротивление, которое посредством канала нормализации преобразуется в напряжение, соответствующее входному диапазону АЦП. Аналого-цифровой преобразователь двухканальный и измеряет не только величину напряжения на терморезисторе, но и величину напряжения на батарее питания, что позволяет контролировать энергопотребление модуля.

Преобразованные в цифровой код величины передаются на контроллер интерфейса, который управляет передачей данных по беспроводному интерфейсу. Контроллер управляет АЦП (подает на него тактовую частоту, переключает каналы), а также осуществляет управление энергопотреблением, что необходимо для эффективного расхода заряда батареи источника питания.

Посредством контроллера интерфейса данные о температуре передаются по беспроводному каналу связи на контроллер измерителя параметров вибрации, где уже высчитывается поправка. Важно отметить, что необходимо согласовать размещение в модуле памяти данных о вибрации с данными, полученными из канала коррекции температуры. То есть для коррекции измеренных в момент времени t параметров вибрации необходимо использовать величину температуры, полученную в тот же самый момент времени t. Однако температура обычно изменяется довольно медленно, поэтому частота дискретизации температуры может быть относительно небольшой (не более 1 кГц). Это позволит уменьшить требования по быстродействию основного микроконтроллера, сократить энергопотребления модуля измерения температуры, а также сэкономить пространство памяти.

Рабочий диапазон терморезистора должен соответствовать реально возможному диапазону температур (0 – 40 0С), т.е. быть адекватным измеряемой величине. Также необходимо обеспечить высокую степень точности измерения температуры, чтобы вычисленная поправка была как можно более точной, поэтому следует выбирать терморезистор с НСХ класса А. Также, желательно, чтобы характеристики терморезистора «не уплывали» со временем. На мой взгляд наиболее подходящим будет терморезистор Honeywell 700 A 1000 со следующими параметрами: номинальное сопротивление 1000 Ом, НСХ класса А, тепловое сопротивление 0,4 К/мВт, долговременная стабильность 0,04% (1000 ч, 500 0С).

Схема, теоретически позволяющая исключить влияние сопротивления подключающих проводов и его изменения с температурой, приведена на рис. 1. Ток через термопреобразователь сопротивления Rtобеспечивается источником тока на операционном усилителе DA1. Падение напряжения на проводе RL3 усиливается с коэффициентом усиления –2, а затем суммируется с падением напряжения на сумме сопротивлений RL1, Rt и RL3. При равенстве сопротивлений проводов RL1 = RL3 (что просто реализовать практически, отрезав два провода одинаковой длины из одной бухты) выходное напряжение сумматора равно падению напряжения на Rt . Сигнал с выхода сумматора усиливается усилителем с коэффициентом усиления - K. Через резистор R2 в схеме реализована линеаризация характеристики ТС. Такое решение с изменением питания первичного преобразователя часто используется при зависимости его функции преобразования, близкой к квадратичной. На рис. 2 показаны графики нелинейности характеристики платинового ТС в диапазоне температур от 0 до +600 °С без коррекции нелинейности и с коррекцией, построенные по значениям НСХ. Нелинейность передаточной характеристики схемы до коррекции 2,43%, после коррекции — 0,046%. Передаточная характеристика схемы по полезному сигналу описывается выражением:

а оптимальная коррекция нелинейности достигается при сопротивлении резистора R2, определяемом по формуле:

где Rt1, Rt2, Rt3 — сопротивление ТС при нижней, средней и верхней температурах рабочего диапазона температур соответственно. Прибор будет работать в температурном диапазоне 0 – 50 0С, тогда для выбранного терморезистора Rt1=1000 Ом, Rt2=1130 Ом, Rt3=1290 Ом.

Тогда , , К = 0,5.

Рис. 37. Схема подключения ТС, исключающая влияние сопротивления соединительных проводов

Тогда принципиальная схема данного модуля будет выглядеть следующим образом: