Дистанционное измерение сверхмалых разностей температуры посредством дифференциальных резисторных термодатчиков

Рассмотрен вариант мостовой измерительной цепи, работающей на переменном токе, с применением дифференциальных датчиков на основе миниатюрных тонкопленочных термопреобразователей сопротивления. Устройство обладает повышенной помехоустойчивостью при измерении слабых тепловых потоков....

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2014
Hauptverfasser:	Мельник, В.Г., Новик, А.И., Рубанчук, М.П., Василенко, А.Д.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут електродинаміки НАН України 2014
Schriftenreihe:	Технічна електродинаміка
Schlagworte:	Інформаційно-вимірювальні системи в електроенергетиці
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/135588
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Дистанционное измерение сверхмалых разностей температуры посредством дифференциальных резисторных термодатчиков / В.Г. Мельник, А.И. Новик, М.П. Рубанчук, А.Д. Василенко // Технічна електродинаміка. — 2014. — № 3. — С. 82-85. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-135588
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1355882018-06-16T03:09:09Z Дистанционное измерение сверхмалых разностей температуры посредством дифференциальных резисторных термодатчиков Мельник, В.Г. Новик, А.И. Рубанчук, М.П. Василенко, А.Д. Інформаційно-вимірювальні системи в електроенергетиці Рассмотрен вариант мостовой измерительной цепи, работающей на переменном токе, с применением дифференциальных датчиков на основе миниатюрных тонкопленочных термопреобразователей сопротивления. Устройство обладает повышенной помехоустойчивостью при измерении слабых тепловых потоков. Розглянуто варіант мостового вимірювального кола, що працює на змінному струмі, із застосуванням диференційних датчиків на основі мініатюрних тонкоплівкових термоперетворювачів опору. Пристрій має підвищену завадостійкість при вимірюванні слабких теплових потоків. An actual task is fixing and quantitative estimation of small difference of temperatures in the nearby areas of space in some branches of science and technique. A purpose of this work is consideration of circuit solutions directed on minimization of influence of noise (fields), parasite impedances, and also analysis of basic errors, accompanying the similar measuring. A bridge measuring circuit, working on an alternating current with the use of differential sensors on the basis of miniature thinfilm resistance thermotransducers, providing the best noise stability for the measuring of weak thermal streams, is offered. Analysis of the obtained expressions shows that in the investigated scheme resistance of cable wires are not entered additive errors in the measurement. A relatively small multiplicative error (about 0,1 %), arising from the impact of these and other resistance on the currents in the bridge branches, is constant and can be considerably reduced well-known methods of errors correction. 2014 Article Дистанционное измерение сверхмалых разностей температуры посредством дифференциальных резисторных термодатчиков / В.Г. Мельник, А.И. Новик, М.П. Рубанчук, А.Д. Василенко // Технічна електродинаміка. — 2014. — № 3. — С. 82-85. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 1607-7970 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/135588 681.5; 621.5 ru Технічна електродинаміка Інститут електродинаміки НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Інформаційно-вимірювальні системи в електроенергетиці Інформаційно-вимірювальні системи в електроенергетиці
spellingShingle	Інформаційно-вимірювальні системи в електроенергетиці Інформаційно-вимірювальні системи в електроенергетиці Мельник, В.Г. Новик, А.И. Рубанчук, М.П. Василенко, А.Д. Дистанционное измерение сверхмалых разностей температуры посредством дифференциальных резисторных термодатчиков Технічна електродинаміка
description	Рассмотрен вариант мостовой измерительной цепи, работающей на переменном токе, с применением дифференциальных датчиков на основе миниатюрных тонкопленочных термопреобразователей сопротивления. Устройство обладает повышенной помехоустойчивостью при измерении слабых тепловых потоков.
format	Article
author	Мельник, В.Г. Новик, А.И. Рубанчук, М.П. Василенко, А.Д.
author_facet	Мельник, В.Г. Новик, А.И. Рубанчук, М.П. Василенко, А.Д.
author_sort	Мельник, В.Г.
title	Дистанционное измерение сверхмалых разностей температуры посредством дифференциальных резисторных термодатчиков
title_short	Дистанционное измерение сверхмалых разностей температуры посредством дифференциальных резисторных термодатчиков
title_full	Дистанционное измерение сверхмалых разностей температуры посредством дифференциальных резисторных термодатчиков
title_fullStr	Дистанционное измерение сверхмалых разностей температуры посредством дифференциальных резисторных термодатчиков
title_full_unstemmed	Дистанционное измерение сверхмалых разностей температуры посредством дифференциальных резисторных термодатчиков
title_sort	дистанционное измерение сверхмалых разностей температуры посредством дифференциальных резисторных термодатчиков
publisher	Інститут електродинаміки НАН України
publishDate	2014
topic_facet	Інформаційно-вимірювальні системи в електроенергетиці
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/135588
citation_txt	Дистанционное измерение сверхмалых разностей температуры посредством дифференциальных резисторных термодатчиков / В.Г. Мельник, А.И. Новик, М.П. Рубанчук, А.Д. Василенко // Технічна електродинаміка. — 2014. — № 3. — С. 82-85. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.
series	Технічна електродинаміка
work_keys_str_mv	AT melʹnikvg distancionnoeizmereniesverhmalyhraznostejtemperaturyposredstvomdifferencialʹnyhrezistornyhtermodatčikov AT novikai distancionnoeizmereniesverhmalyhraznostejtemperaturyposredstvomdifferencialʹnyhrezistornyhtermodatčikov AT rubančukmp distancionnoeizmereniesverhmalyhraznostejtemperaturyposredstvomdifferencialʹnyhrezistornyhtermodatčikov AT vasilenkoad distancionnoeizmereniesverhmalyhraznostejtemperaturyposredstvomdifferencialʹnyhrezistornyhtermodatčikov
first_indexed	2025-07-09T23:39:21Z
last_indexed	2025-07-09T23:39:21Z
_version_	1837214584778260480
fulltext	82 ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2014. № 3 ШНФОРМАЦІЙНО-ВИМІРЮВАЛЬНІ СИСТЕМИ В ЕЛЕКТРОЕНЕРГЕТИЦІ УДК 681.5; 621.5 ДИСТАНЦИОННОЕ ИЗМЕРЕНИЕ СВЕРХМАЛЫХ РАЗНОСТЕЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ПОСРЕДСТВОМ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ РЕЗИСТОРНЫХ ТЕРМОДАТЧИКОВ В.Г.Мельник, канд.техн.наук, А.И.Новик, докт.техн.наук, М.П.Рубанчук, А.Д.Василенко, канд.техн.наук Институт электродинамики НАН Украины, пр. Победы, 56, Киев-57, 03680, Украина. e-mail: melnik@ied.org.ua Рассмотрен вариант мостовой измерительной цепи, работающей на переменном токе, с применением диффе- ренциальных датчиков на основе миниатюрных тонкопленочных термопреобразователей сопротивления. Уст- ройство обладает повышенной помехоустойчивостью при измерении слабых тепловых потоков. Библ. 7, рис. 2. Ключевые слова: мостовая измерительная цепь, дифференциальный датчик, терморезистор, погрешность, импеданс. В ряде отраслей науки и техники актуальной задачей является фиксация и количественная оценка малой разности температур в близкорасположенных областях пространства [3−5]. Примерами таких задач могут быть измерения слабых тепловых потоков, фиксация и оценка интенсивности протекания химиче- ских и биохимических реакций, определение конфигурации тепловых полей вокруг охлаждаемого/на- греваемого объекта и т.п. Одним из способов измерения малых разностей температуры является приме- нение дифференциальных датчиков на основе миниатюрных тонкопленочных термопреобразователей сопротивления (терморезисторов), включаемых в плечи какой-либо измерительной цепи сравнения. Наи- более приемлемыми для этой цели представляются мостовые измерительные цепи переменного тока с операционными усилителями [1, 6, 7]. Сложным и недостаточно изученным вопросом, возникающим при реализации таких устройств, остается обеспечение помехоустойчивости, особенно с учетом весьма мало- го уровня полезного сигнала, а также значительной дистанционности, поскольку термопреобразователи подключаются к измерительной цепи (ИЦ) относительно длинными проводниками. Кроме того, мало ис- следовано влияние технологических разбросов элементов ИЦ, влияние внешней (фоновой) температуры. Цель настоящей работы – обсуждение предложенных схемотехнических особенностей, на- правленных на минимизацию влияния помех (полей) и паразитных импедансов, а также анализ ос- новных погрешностей, сопровождающих дифференциальное измерение разности температур. Приведем некоторые количественные оценки. Описываемое измерение сводится к определе- нию относительных разностей сопротивлений порядка десятимиллионных долей (10-7) от полного импеданса терморезистора. При этом подводимая мощность сигнала на датчике не должна превы- шать сотых долей мВт (по условиям работы). Простой расчет показывает, что при сопротивлениях термодатчиков порядка единиц кОм (реально достижимое значение) порог чувствительности схемы должен быть на уровне десятков нВ. Это, кстати, среди прочего определяет жесткие требования к выбору операционных усилителей по шумовым характеристикам. На рис. 1 и 2 представлен один из возможных вариантов ИЦ для измерения сверхмалых раз- ностей температуры посредством двух дифференциальных резистивных термодатчиков (термосопро- тивлений). На рис. 1 условно показано расположение соединяющих проводов, с помощью которых используемые терморезисторы подключаются к ИЦ. Для минимизации влияния наводок от электри- ческих и магнитных полей применен известный принцип попарного бифилирования проводников с прямым и обратным током (на рис. 1 бифилированные провода обозначены символом "∞"). На рис. 2 изображены те же элементы цепи в традиционном для принципиальных схем начертании, обозначе- ны токи и напряжения, а также паразитные сопротивления подключающих проводов. Мостовая изме- рительная цепь содержит два одинаковых термопреобразователя сопротивления RТ1 и RТ2, которые образуют дифференциальный термодатчик, два идентичных высокостабильных резистора 0R′ и 0R′′ , операционный усилитель ОУ и инструментальный дифференциальный усилитель ДУ с высокоомным входом. Термодатчик соединяется с остальными элементами схемы с помощью восьмипроводного кабеля. Сопротивление каждого из его проводников равно r. Питание мостовой цепи осуществляется напряжением UГ от генератора измерительного сигнала Г, частота которого выбирается относительно невысокой (обычно в звуковом диапазоне), но не кратной частоте сети и ее гармоник. Собственно © Мельник В.Г., Новик А.И., Рубанчук М.П., Василенко А.Д., 2014 ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2014. № 3 83 мостовая цепь состоит из двух ветвей, включенных между выходом генератора и точкой нулевого потенциала (землей). Первая из них включает резистор 0R′ , термопреобразователь RТ1 и выходную цепь ОУ. Вторая ветвь включает резистор 0R′′ и термопреобразователь RТ2. Входы операционного усилителя подключены практически обесточенными проводниками к диагонали ab моста, что позво- ляет благодаря глубокой отрицательной обратной связи поддерживать на этой диагонали практиче- ски нулевую разницу потенциалов. При условии 0R′ = 0R′′ , RТ1=RТ2 напряжение на выходе ОУ равно нулю, в процессе работы оно изменяется пропорционально разности RТ1 и RТ2. Сигнал с выхода мос- товой цепи снимается с помощью ДУ, имеющего высокоомные входы, через обесточенные сопротив- ления кабеля r. Особенностью данной схемы является четырехзажимное подключение каждого чув- ствительного элемента дифференциального датчика, что позволяет свести к минимуму влияние со- противлений проводников соединительного кабеля. Проанализируем зависимость выходного сигнала мостового преобразователя от параметров его элементов с помощью схемы на рис. 2. Левая часть этой схемы (до входов ДУ) может рассмат- риваться как дифференциальный (вычитающий) усилитель [2], на оба входа которого подано одно и то же напряжение UГ. При этом, согласно формуле, приведенной в [2], выходное напряжение ОУ равно ( )1 1 1 4 3 4 2 1 2 1( ) 1выхОУ ГU U R R R R R R R− − −⎡ ⎤= + + −⎣ ⎦ . (1) Рис. 1 Рис. 2 Подставим вместо 1 4R R÷ соответствующие им величины из схемы рис. 2 rRR +′= 01 ; 12 TRR = ; rRR +′′= 03 ; rRR T += 24 . Влиянием сопротивлений проводников r на входах усилителей ОУ и ДУ можно пренебречь в силу того, что они находятся в практически обесточенных цепях. Влиянием сопротивления r в вы- ходной цепи ОУ (как и внутреннего выходного сопротивления ОУ) также пренебрегаем, поскольку напряжение в точке "с" мало отличается от выходного напряжения ОУ ( 1TRr << ), и это уменьшение может рассматриваться как незначительное снижение КОУ (коэффициент усиления КОУ современных ОУ достигает нескольких десятков тысяч). Полагаем также, что все восемь подводящих проводов терморезисторов одинаковы, и их сопротивления r равны друг другу. С указанными допущениями напряжение в точке "с" относительно земли будет определяться выражением ( )( ) ( ) ( )( )rRRrR rRRrRrRUU T TT Гc 2200 0120 ++′′+′ +′′−++′ = . (2) Номинальные сопротивления резисторов равны R0, однако за счет технологического разброса они могут отличаться (обычно не более чем на 0,1 %); считаем, что 00 RR =′ , RRR Δ+=′′ 00 , где ΔR – отклонение за счет технологического разброса. Тогда из (2), исключив величины 2-го порядка мало- сти, получим ( ) rRRR rRR UU T RTT Гc 2 1 20 12 0 +Δ++ ++− ≈ δ , (3) где 0 0R R Rδ = Δ − относительное неравенство величин 0R′ и 0R′′ . Напряжение в точке "d" относительно земли за счет протекания тока нижней ветви схемы че- рез сопротивление r d ГU U r RΣ= , (4) 84 ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2014. № 3 где через ΣR обозначена сумма сопротивлений, представленная в знаменателе выражения (3). Подаваемое на вход ДУ напряжение cdU является разностью ( dc UU − ), оно же выхU (для уп- рощения считаем коэффициент передачи ДУ равным единице) ( )0 1 2 1[ 1 ]вых Г T T RU U R R R− Σ≈ − + δ . (5) При фоновой температуре в идеальном случае TнTT RRR == 12 , в реальном – за счет разброса параметров терморезисторов ( ) TRTT RR δ+= 112 , где TRδ − относительное неравенство сопротивле- ний терморезисторов при фоновой температуре (обычно %1,0≤ TRδ ). Поскольку задачей является измерение не абсолютной температуры, а лишь небольшой разности температур, можем принять, что TнT RR =1 (номинальное значение сопротивления при фоновой температуре). Тогда из (5) следует ( )0 1 Tвыхфон Г Tн R RU U R R− Σ= δ − δ . (6) Последним выражением определяется аддитивный сдвиг характеристики преобразования рас- сматриваемой цепи (смещение нуля) за счет технологических отклонений от номинала параметров используемых элементов. Очевидно, что значение TRδ и 0Rδ не коррелированы друг с другом, в вы- ражении (6) их модули могут складываться либо вычитаться. В частном случае это выражение обра- щается в нуль, в остальных случаях коррекция нуля может выполняться с помощью добавочных ре- зисторов или посредством дополнительного ЦАП, не показанного на схеме. При этом в процессе коррекции оба терморезистора должны иметь строго одинаковую температуру. Представим сумму ΣR в виде двух слагаемых – суммы нRΣ номинальных (паспортных) зна- чений R0, RТ2 и суммы RΣΔ значений искажающих параметров RΔ , r, т.е. ( ) Σ +=Δ+= ΣΣΣΣ Rнн RRRR δ1 , R нR R Σ Σ Σδ = Δ . (7) Поскольку ΣRδ является малой величиной (доли процента), из (5) и (6) с учетом (7) можно найти общее выражение для выходного напряжения цепи в следующем виде: ( ) ( ) ( )0 0 11 1 Т нвых х Г Тн R R Тх R RU U R R R Σ Σ −⎡ ⎤≈ δ − δ − Δ + δ − δ⎣ ⎦ , (8) где ТхRΔ − изменение сопротивления RТ1 за счет измеряемой разности температур двух терморезисто- ров, 1Тх T TнR R RΔ = − . Учитывая, что первое слагаемое в квадратных скобках (рассмотренная выше аддитивная по- грешность) после процедуры компенсации обращается в нуль, получаем после несложных преобра- зований и отбрасывания членов 2-го порядка малости ( )0 11вых х Г Тх R R нU U R R Σ − Σ≈ Δ + δ − δ . (9) Абсолютное приращение температуры ΔТх терморезистора вызывает пропорциональное (в первом приближении) относительное изменение его сопротивления, т.е. Тх Tн xR R TΔ = α ⋅ Δ , (10) где α – температурный коэффициент сопротивления (ТКС) терморезистора. Окончательно получаем ( )0 1 1вых х Г x Тн н R RU U T R R Σ − Σ≈ ⋅ α ⋅ Δ + δ − δ . (11) Здесь Тн нR RΣα − крутизна характеристики преобразования цепи. Отличие выражения в скоб- ках от единицы показывает мультипликативную погрешность измерения, которая, как видно, являет- ся постоянной для конкретного экземпляра устройства величиной. С использованием выражения (11) можно, применив цифровую коррекцию с помощью встро- енного микроконтроллера, учесть влияние мультипликативной составляющей ( )0R RΣ δ − δ , для чего при изготовлении прибора необходимо внести в энергонезависимую память контроллера точные зна- чения соответствующих параметров элементов цепи. Выводы. Анализ полученных выражений показывает, что в исследуемой схеме сопротивле- ния r проводников кабеля не вносят в результат измерения аддитивных погрешностей. Сравнительно небольшая мультипликативная погрешность (порядка 0,1%), возникающая за счет влияния этих и ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2014. № 3 85 других сопротивлений на токи в ветвях моста, имеет постоянную величину и может быть существен- но уменьшена известными методами коррекции погрешностей. При значительном изменении фоновой температуры крутизна характеристики преобразова- ния может заметно меняться. Поэтому в реальных устройствах необходим контроль и учет отклоне- ния фоновой температуры от номинальной (при которой определено и зафиксировано в памяти зна- чение RТн), например, с помощью дополнительного термометра сопротивления. 1. Гриневич Ф.Б., Сурду М.Н. Высокоточные вариационные измерительные системы переменного тока. – К.: Наукова думка, 1989. – 192 с. 2. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. – Л.: Энергоатомиздат, 1988. – 304 с. 3. Дослідження у галузі сенсорних систем та технологій / За ред. Г.В. Єльської, В.Д. Походенка. – К.: Інститут молекулярної біології і генетики НАН України, 2006. – 408 с. 4. Мельник В.Г., Василенко О.Д., Стародуб М.Ф., Медведенко М.П. Високочутливі термометричні системи для біомедичних та технологічних вимірювань // Технічна електродинаміка. Тем. випуск "Проблеми сучасної електротехніки". – 2006. – Ч. 3. – С. 125–128. 5. Мельник В.Г., Рубанчук М.П., Мелкумян Р.Г. Термосенсорні системи на основі вимірювань параметрів теплових потоків // Зб. наук. праць Військового інституту Національного університету ім. Тараса Шевченка. – 2011. – № 33. – С. 167–171. 6. Новик А.И. Системы автоматического уравновешивания цифровых экстремальных мостов переменного тока. – К.: Наукова думка, 1983. – 224 с. 7. Shakil Awan, Bryan Kibble, Jurgen Schurr. Coaxial electrical circuits for interference-free measurements. – London: Institution of Engineering and Technology, 2011. – 321 p. УДК 681.5; 621.5 ДИСТАНЦІЙНЕ ВИМІРЮВАННЯ НАДМАЛИХ РІЗНИЦЬ ТЕМПЕРАТУРИ ЗА ДОПОМОГОЮ ДИФЕРЕНЦІЙНИХ РЕЗИСТОРНИХ ТЕРМОДАТЧИКІВ В.Г.Мельник, канд.техн.наук, А.І.Новік, докт.техн.наук, М.П.Рубанчук, О.Д.Василенко, канд.техн.наук Інститут електродинаміки НАН України, пр. Перемоги, 56, Київ-57, 03680, Україна. e-mail: melnik@ied.org.ua Розглянуто варіант мостового вимірювального кола, що працює на змінному струмі, із застосуванням диференційних дат- чиків на основі мініатюрних тонкоплівкових термоперетворювачів опору. Пристрій має підвищену завадостійкість при вимірюванні слабких теплових потоків. Бібл. 7, рис. 2. Ключові слова: мостове вимірювальне коло, диференційний датчик, терморезистор, похибка, імпеданс. TELEMETERING OF OVER SMALL TEMPERATURE DIFFERENCES BY MEANS OF THE DIFFERENTIAL RESISTOR THERMOSENSOR V.G.Melnyk, A.I.Novik, M.P.Rubanchuk, O.D.Vasylenko Institute of Electrodynamics National Academy of Science of Ukraine, pr. Peremohy, 56, Kyiv-57, 03680, Ukraine. e-mail: melnik@ied.org.ua An actual task is fixing and quantitative estimation of small difference of temperatures in the nearby areas of space in some branches of science and technique. A purpose of this work is consideration of circuit solutions directed on minimization of influence of noise (fields), parasite impedances, and also analysis of basic errors, accompanying the similar measuring. A bridge measuring circuit, working on an alternating current with the use of differential sensors on the basis of miniature thinfilm resistance thermotransducers, providing the best noise stability for the measuring of weak thermal streams, is offered. Analysis of the obtained expressions shows that in the investigated scheme resistance of cable wires are not entered additive errors in the measurement. A relatively small multiplicative error (about 0,1 %), arising from the impact of these and other resistance on the currents in the bridge branches, is constant and can be considerably reduced well-known methods of errors correction. References 7, figures 2. Key words: bridge measuring circuit, differential sensor, thermoresistor, error, impedance. 1. Grinevich F.B., Surdu M.N. High-accuracy variation measuring systems of alternating current. – Kiev: Naukova dumka, 1989. – 192 р. (Rus) 2. Gutnikov V.S. An integrated electronics in measuring devices. – Leningrad: Еnergoatomizdat, 1988. – 304 p. (Rus) 3. Investigations on sensor systems and technologies / Edited by H.V. Yelskaia, V.D. Pokhodenko. – Kyiv: Instytut molekuliarnoi biolohii i henetyky Natsionalnoi Akademii Nauk Ukrainy, 2006. – 408 p. (Ukr) 4. Melnyk V.G., Vasylenko O.D., Starodub M.F., Medvedenko M.P. The highly sensitive thermometric systems for the biomedical and technological measurings // Tekhnichna elektrodynamika. Tematychnyi vypusk "Problemy suchasnoi elektrotekhniky". – 2006. – Vol. 3. – Pp. 125–128. (Ukr) 5. Melnyk V.G., Rubanchuk M.P., Melkumian R.H. The termosensor system on the basis of measurings of thermal stream parameters // Zbirnyk naukovykh prats Viiskovoho instytutu Natsionalnoho universytetu im. Tarasa Shevchenka. – 2011. – № 33. – Pp. 167–171. (Ukr) 6. Novik A.I. Systems of the automatic balancing of digital extreme bridges of alternating current. – Kiev: Naukova dumka, 1983. – 224 p. (Rus) 7. Shakil Awan, Bryan Kibble, Jurgen Schurr. Coaxial electrical circuits for interference-free measurements. – London: Institution of Engineering and Technology, 2011. – 321 p. Надійшла 17.01.2014 Остаточний варіант 27.01.2014

Дистанционное измерение сверхмалых разностей температуры посредством дифференциальных резисторных термодатчиков

Institution

Ähnliche Einträge