Покращання метрологічних характеристик цифрових перетворювачів температури в робочих умовах експлуатації

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

05.11.04 - прилади та методи вимірювання теплових величин

Покращання метрологічних характеристик цифрових перетворювачів температури в робочих умовах експлуатації

Виконав Яцук Юрій Васильович

Львів - 2008

АНОТАЦІЯ

Яцук Ю.В. Покращання метрологічних характеристик цифрових перетворювачів температури в робочих умовах експлуатації. - Рукопис

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.04 - прилади та методи вимірювання теплових величин. - Львів, 2008.

Дисертація присвячена вдосконаленню методик підвищення метрологічної надійності на місці експлуатації цифрових термометрів, які можуть працювати в комплекті зі стандартними та напівпровідниковими сенсорами.

Проведено аналітичний огляд існуючих методів та засобів побудови сучасних цифрових термометрів, детально проаналізовано похибки вимірювального кола цифрових резистивних термометрів, уточнено методику визначення розмірів чутливих елементів малогабаритних резистивних сенсорів температури, запропоновано структури та алгоритми роботи для підвищення точності цифрових термометрів з тридротовою лінією зв'язку та автоматичним коригуванням похибок, досліджено можливості калібрування цифрових резистивних термометрів на місці експлуатації.

Розглянуто питання уніфікації характеристик перетворення цифрових термометрів з сенсорами на основі pn переходу, проведено аналіз метрологічних характеристик термометрів з модуляцією струму сенсорів з pn переходом та детально проаналізовано похибки цифрового термометра з сенсорами на основі pn переходу, запропоновано структури, алгоритм калібрування та проведено аналіз похибок інтелектуальних цифрових термометрів з діодними сенсорами та автоматичним коригуванням похибок.

Подано результати експериментальних досліджень визначення розмірів чутливих елементів малогабаритних терморезистивних сенсорів, результати дослідження принципіальної схеми дослідного зразка цифрового напівпровідникового термометра та результати експериментальних досліджень взаємозамінності сенсорів температури з pn переходом.

Ключові слова: сенсори температури, pn перехід, уніфікація характеристик перетворення, цифровий термометр, калібрування на місці експлуатації, аналіз похибок інтелектуальний термометр

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

термометр метрологічний терморезистивний фізичний

Актуальність проблеми. На результати вимірювань температури суттєво впливають умови вимірювань механічні навантаження, кліматичні впливи, наявність чи відсутність активно шкідливого середовища, в якому експлуатуються термометри або їх елементи. Тому в сучасних умовах одним із найважливіших параметрів термометрів є їх метрологічна надійність, для забезпечення якої на практиці постійно контролюють процеси вимірювань. В багатьох випадках вимога достовірності отримуваної вимірювальної інформації суттєво ускладнюється просторовою розпорошеністю термометрів, а поступові деградаційні зміни компонентів та деталей термометрів можуть призводити до метрологічних відмов в межах міжперевірного інтервалу.

Вітчизняні та міжнародні нормативні документи ДСТУ 3921 (ISO 10012) рекомендують впроваджувати методи контролю процесів вимірювання, які базуються на регулярному перевірянні та відповідному регулярному аналізуванні контролю даних вимірювання і застосування на всіх рівнях вимірювань від калібрування еталонів зовнішньою метрологічною лабораторією до власних регулярних перевірок. Незважаючи на велику кількість робіт з реалізації оперативного метрологічного контролю за такими напрямками як розроблення основ конструювання приладів та методів опрацювання сигналу інтелектуальних перетворювачів температури при розгляді задач комплексного контролю якості протікання технологічних процесів, головні задачі розв'язані лише для стандартних сенсорів.

Аналіз інтелектуальних перетворювачів температури, показав, що їх застосування без обмежень взаємозамінності перетворювачів, досягнення автоматичного самоналаштування, коли перетворювач під'єднано, автокалібрування перетворювачів, в тому числі і дистанційного, здійснюється не завжди коректно, не охоплює всього вимірювального каналу. Це обмежує вимоги високої метрологічної надійності та точності контролю, продуктивності здійснення таких операцій.

Розвиток способів для покращання метрологічних характеристик цифрових перетворювачів температури в робочих умовах експлуатації, методик здійснення оперативного метрологічного контролю дасть змогу сформувати єдиний методологічний підхід до дослідження методів калібрування інтелектуальних цифрових перетворювачів температури, створити основи для метрологічної перевірки цифрових термометрів на місці експлуатації.

Мета дисертаційної роботи полягає у вдосконаленні методик підвищення метрологічної надійності цифрових термометрів на місці експлуатації.

Для ефективного розв'язання цієї задачі потрібно провести:

- аналіз існуючих методів побудови сучасних цифрових термометрів для роботи із стандартними та іншими промислового використання первинними вимірювальними перетворювачами та можливостей автокалібрування в розпорошених системах вимірювання температури;

- вдосконалення фізико-математичних моделей температурних сенсорів на основі алгоритму роботи, створення структур цифрових напівпровідникових термометрів для підвищення їх метрологічної надійності з використанням кодокерованих мір;

- розроблення методик та засобів здійснення оперативного метрологічного контролю цифрових терморезистивних термометрів на місці експлуатації та аналіз особливостей побудови цифрових терморезистивних термометрів підвищеної метрологічної надійності з використанням кодокерованих мір, які можуть працювати з ТО, що під'єднуються три та чотиридротовими лініями зв'язку;

- вдосконалення методу визначення геометричних розмірів чутливих елементів малогабаритних ТО та їх експериментальна перевірка;

- аналіз можливостей метрологічної перевірки цифрових термометрів для роботи з малогабаритними сенсорами на місці експлуатації з використанням калібраторів температури;

- розроблення та експериментальна перевірка зразків цифрових термометрів для роботи з малогабаритними сенсорами.

Об'єкт досліджень - процес покращання метрологічних властивостей цифрових термометрів для роботи з малогабаритними сенсорами з використанням кодокерованих мір.

Предмет досліджень - принципи, методи та засоби побудови цифрових термометрів підвищеної метрологічної надійності для роботи з малогабаритними термоелектричними, терморезистивними та діодними сенсорами температури.

Наукова новизна основних результатів і положень, що виносяться на захист, полягає в розробленні методів технічної реалізації, здійснення оперативного метрологічного контролю за протіканням вимірювальних процесів на місці експлуатації інтелектуальних цифрових перетворювачів температури:

1. Установлена залежність методичної похибки діодних температурних сенсорів як функції основних конструктивних та електрофізичних параметрів - вимірювального струму, опорів бази та виводів, концентрації домішок, конфігурації pn переходу та його опору ізоляції, що дало можливість уточнити їх фізикоматематичну модель та усунути вплив нестабільних параметрів на результат вимірювання температури.

2. Вперше запропоновано алгоритм адитивномультиплікативного калібрування цифрових діодних термометрів з модуляцією вимірювальних струмів на основі використання кодокерованих мір напруги, що уможливлює їх перевірку на місці експлуатації.

3. Виявлено, що завдяки використанню кодокерованих мір опору є можливість реалізації оперативного метрологічного контролю протікання процесів вимірювання температури цифровими терморезистивними термометрами, які працюють за диференційним методом вимірювання та зменшити похибки, зумовлені тридротовою лінією зв'язку, практично до значень притаманних термометрам з чотиридротовою лінією зв'язку.

4. Експериментально показано, що на основі нагріву та поступового переміщення з газового у рідинне середовище чутливого елементу термометра можна зменшити до +1% похибку неруйнівного визначення геометричних розмірів чутливого елементу і, таким чином, зменшити методичні похибки під час їх метрологічної перевірки з допомогою малогабаритних калібраторів температури.

Основні теоретичні результати перевірені на макетах цифрових термометрів.

Практична цінність дисертації полягає в розробленні теоретичних та інженерних положень, спрямованих на забезпечення метрологічної надійності та забезпечення можливостей метрологічної перевірки цифрових термометрів з малогабаритними термометрами на місці експлуатації з використанням кодокерованих мір, а також у експериментальній та практичній перевірці деяких основних теоретичних постулатів:

- розроблена методика експериментальних досліджень геометричних розмірів чутливих елементів термоперетворювачів опору дає можливість зменшити методичну похибку їх метрологічної перевірки з використанням малогабаритних калібраторів температури завдяки коректному визначенню глибини занурення, а також слугувати вихідними даними під час розроблення конструкції таких калібраторів температури, що дасть можливість забезпечити мінімально можливі габарити при максимально можливому часі відтворення зразкових значень температури;

- результати дослідження показали високу ступінь збіжності з теоретичними постулатами і можуть бути рекомендовані до виконання дослідноконструкторських робіт з проектування цифрових діодних термометрів на основі уточненої фізикоматематичної моделі, алгоритму роботи та їх структури;

- розроблений адитивномультиплікативний алгоритм калібрування цифрових діодних термометрів дає можливість коректного калібрування таких термометрів, у тому числі і віддаленого, наприклад, через інтерфейс ІЕЕЕ Р1451, з оперативним віддаленим контролем результатів калібрування;

- уведення в структуру цифрових терморезистивних термометрів для роботи з тридротовими ТО кодокерованих мір опору дає змогу зменшити похибку, зумовлену різницями опорів струмових ліній зв'язку, до значень притаманних термометрам з чотиридротовою лінією, причому це може бути використане у вже розроблених мікропроцесорних пристроях шляхом певних змін їх програмного забезпечення;

- результати дисертаційної роботи можуть бути використані в житловокомунальному господарстві України для розроблення систем індивідуального обліку спожитого тепла на основі матричних вимірювальних систем, в яких діодні сенсори температури також виконуватимуть роль комутаторів вимірювальних каналів;

- розроблений алгоритм роботи та структура діодних сенсорів температури може бути використана для побудови термоанемометричних лічильників природного газу, холодної і гарячої води.

Наукові результати можуть бути використані у навчальному процесі кафедри «Інформаційновимірювальних технологій», а саме, в курсі «Основи термометрії». Результати роботи можуть використовуватись при проведенні науководослідних та дослідноконструкторських робіт і також можуть бути корисними аспірантам, магістрам та спеціалістам з вимірювальної техніки та якості продукції.

Реалізація результатів досліджень. Результати досліджень, отриманих в дисертаційній роботі використані при виконанні держбюджетних робіт, які проводились протягом 2004-2007 років:

- «Розроблення будинкових систем для індивідуального обліку спожитого тепла, води, газу з оцінкою їх якості”, (ДБ/СТЕП). (№ держреєстрації 0104U002312), виконаної у 20042006 рр. у Національному університеті „Львівська політехніка”;

- «Дослідження методів і створення науковометодичних основ для розробки засобів гранулометрії”, (ДБ/Гранулометр). (№ держреєстрації 0105U000610), виконаної у 20052006 рр. у Національному університеті „Львівська політехніка”.

Апробація роботи. Результати досліджень, що включені до дисертації, оприлюднені на таких наукових конференціях та симпозіумах:

- VIII міжнародна конференція “Температура2003”. - Львів, 1719 вересня 2003 р.;

- міжнародна конференція “Метрологія та вимірювальна техніка” (Метрологія2006). 1315 жовтня 2006 р., Харків;

- XIII міжнародна конференція з автоматичного управління (Автоматика2006). - Вінниця, 2528 вересня 2006 р.;

- 4th IEEE Workshop on Intelligent Data Acquisition and Advanced Computing Systems: Technology and Applications. - Dortmund, Germany, September 68, 2007;

- SAS2007 IEEE Sensors Applications Symposium, San Diego, California USA, 68 February 2007.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, показано зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами, сформульовано мету та задачі досліджень, вказані об'єкт, предмет та методи дослідження, окреслено наукову новизну та практичне значення отриманих результатів, вказано особистий внесок здобувача у результатах досліджень, на основі яких побудована дисертація, подано апробацію результатів дисертації, а також перелік публікацій, у яких висвітлені основні результати дисертаційних досліджень.

У першому розділі розглядаються сучасні методи побудови інтелектуальних цифрових термометрів (ЦТ), які використовуються як традиційними стандартними вимірювальними перетворювачами (СВПТ), так і сенсорами, виготовленими за мікроелектронними технологіями - мікросенсорами МСТ. В промисловості використовуються усі типи СВПТ, за винятком шумових, а номінальні статичні характеристики перетворення (НСХ) стандартизовані тільки для ТП та ТО, що свідчить про добру відтворюваність їх реальних статичних характеристик перетворення від зразка до зразка під час промислового виробництва, задовільну для практики точність та стабільність перетворення в умовах промислової експлуатації. НСХ термісторів, термодіодів та термотранзисторів на сьогодні не стандартизовані через їх неприпустимо великий для практики розкид характериситк перетворення від зразка до зразка. Однак, порівняно із стандартними СВПТ їх незаперечними перевагами є високі швидкодія, малі масогабаритні показники, що дає можливість практично точкових вимірювань температури, невисока вартість. Тому, в діапазоні від -50 до +200⁰С, де зосереджена велика кількість технічних вимірювань температури, такі СВПТ постійно приваблюють розробників та споживачів засобів вимірювань та спонукають до активних пошуків стосовно покращання метрологічних характеристик термометрів. Можливості покращання характеристик термісторних термометрів у першу чергу пов'язані з технологічними чинниками, особливо з успіхами мікроелектроніки, та, на даний час, реалізуються достатньо повільно.

Провідні світові виробники, зокрема фірма Analog Device, виготовляють низку інтегральних АЦП, на базі яких з використанням додаткового мікропроцесорного блоку керування та блоку відображення цифрової інформації легко може бути побудований інтелектуальний термоелектричний термометр. Однак, навіть під час використання інтелектуальних цифрових термоелектричних термометрів практично не можливо здійснювати оперативне метрологічне контролювання протікання процесів вимірювання температури та забезпечити в подальшому можливість метрологічної перевірки на місці їх експлуатації.

Стандартні металеві термоперетворювачі опору ТО на сьогодні забезпечують найвищу точність вимірювання температури в діапазоні від -200 до +750⁰С. ТО під'єднуються до вторинних приладів з допомогою дво, три або чотиридротових ліній зв'язку. Тільки чотиридротова схема під'єднання ТО до ВП забезпечуватиме інваріантність результату вимірювання до опорів за умов, якщо пара дротів, через які протікає вимірювальний струм, увімкнена послідовно з високим вихідним опором генератора струму, а пара потенціальних - послідовно з високим вхідним опором ВП. Під час використання тридротових ліній зв'язку на результат вимірювання температури впливатиме тільки різниця опорів двох дротів, через які протікає вимірювальний струм. Для зменшення впливу цієї різниці використовують або зменшення значення цієї різниці до нуля, або операцію зміни значень певних елементів в тракті перетворення сигналу у вторинних приладах (ВП). Однак, в обох випадках під час зміни температури довкілля виникатиме складова похибки, зумовлена як різницею опорів цих двох дротів, так і узагалі різними температурами дротів, а також їх температурними коефіцієнтами опору (ТКО).

З урахуванням зробленого аналізу, можна зробити висновок про відсутність засобів оперативного контролю протікання вимірювальних процесів в сучасних АЦП для роботи з ТО, особливо з тридротовими лініями зв'язку. Окрім цього, в таких ЦТ не передбачена можливість автоматичного коригування АСП, що суттєво погіршуватиме його метрологічні властивості в робочих умовах експлуатації. Метрологічна надійність таких ЦТ може забезпечуватись тільки традиційними методами достатньо частими метрологічними перевірками, що вкрай незручно на практиці.

У найширше використовуваному діапазоні вимірювання (50...+150)⁰С на сьогодні конкурентами металевих ТО стають напівпровідникові сенсори НСТ, особливо діодні. Точність таких температурних сенсорів практично визначається методичною похибкою, з якою встановлена температурна залежність напівпровідникового сенсора, похибкою коефіцієнта перетворення АЦП та похибкою встановлення значень вимірювальних струмів. Для вимірювального діапазону від -55 до +150⁰С серійно виготовляються НСТ з межею допустимих значень похибки ±(0,5...0,9)⁰С, чутливістю 10 мВ/K, сталою часу 50 мс та вартістю $ (0,5...1,0). Однак, до недоліків таких ЦТ треба віднести насамперед недостатню для багатьох практичних застосувань точність (похибка у кращому випадку складає одиниці Кельвіна).

Для підвищення метрологічної надійності вимірювальні перетворювачі температури на сьогодні стають все більш інтелектуальними - коригують похибки вимірювань завдяки наявності функції автокалібрування, розраховують значення результату вимірювань шляхом опрацювання низки результатів проміжних перетворень, програмуються або автоматично налаштовуються на роботу з потрібними типами температурних сенсорів, обмін інформацією через стандартні інтерфейси тощо. До недоліків сучасних розпорошених вимірювальних систем температури необхідно віднести малу метрологічну надійність через некоректність здійснення процедури автокалібрування та неможливість здійснення оперативного метрологічного контролю вимірювальних каналів. При цьому змінюється і конфігурація вимірювального кола, і проявляється небажаний вплив залишкових параметрів комутаційних елементів. Автокалібруванням практично не охоплюється частина вимірювального кола від формування вимірювальних струмів для ТО та НСТ до отримання на них сигналів вимірювальної інформації, зазвичай напруги постійного струму. Тому, на сьогодні однією із найактуальніших завдань вимірювальної техніки є розроблення коректних систем автоматичного калібрування вимірювального тракту. Це дасть можливість забезпечити задану метрологічну надійність засобів вимірювання, проводити оперативне контролювання протікання вимірювальних процесів, уможливити процедуру метрологічної перевірки вимірювальних засобів безпосередньо на місці експлуатації.

В другому розділі наголошено, що метрологічні характеристики сучасних промислових термометрів переважно визначаються параметрами первинних вимірювальних перетворювачів температури. Наприклад, навіть для найточнішого із серійних сенсорів платинових ТО класу А при температурах декілька сотень градусів Цельсія межа допустимих значень похибки може сягати ±1,5 К. Певною мірою покращити параметри цифрових термометрів ЦТ можна, використовуючи структурні методи підвищення точності з автоматичною корекцією похибок всього вимірювального тракту. Така корекція базується на застосуванні калібраторів температури, які можуть конструктивно виконуватись або вбудовуваними в захисну арматуру ТО, або знімними, що встановлюється лише на час калібрування. Знімні калібратори температури (КТ), порівняно із вбудованими не погіршують динамічних властивостей ТО.

Однак, для їх коректного використання доцільно знати геометричні розміри чутливого елемента ТО з метою зменшення методичних похибок, пов'язаних із глибиною занурення ТО. Очевидно, що обґрунтовано можна вибрати метод дослідження цих методичних похибок на основі рівняння теплового балансу ТО при незмінному агрегатному стані вимірюваного середовища і постійній температурі тіл та розроблено методику, що базується на розігріві ТО вимірювальним струмом, який поміщений у пасивний термостат. Суть цього методу визначення необхідної глибини занурення термометра в середовище, полягає в тому, що ТО повільно або маленькими кроками занурюється в середовище і спостерігають, як буде змінюватись вимірювана величина).

Коли вимірювана величина перестане змінюватись, за умови, що температура середовища, температура якого вимірюється, є сталою, то це і визначатиме мінімально не обхідну глибину занурення. Ідеальний перебіг температури можливий за наступних умов: температура повітря є незмінною, відсутні градієнти температури у рідині і газі, площа поверхні сенсора дорівнює нулеві (точковий сенсор), відсутня передача тепла всередині термометра. Цей метод не є складним, тому що для його реалізації необхідно лише джерело струму, вольтметр, термостат (для того, щоб забезпечити сталу температуру середовища, наприклад рідини) і пристрій, з допомогою якого можна міліметр за міліметром занурювати термометр у середовище з вимірюваною температурою. Опрацювання даних здійснювалось на комп'ютері з допомогою програмного пакету Mathlab. Були використані такі ТО три ТО фірми Conatex Mess und Regelungstechnik GmbH, St. Wendel, чотири ТО фірми H. Heinz Messwiderstдnde GmbH, Elgersburg, три ТО ВАТ “НВО “Термоприлад” ім. В. Лаха”. Зовнішній діаметр всіх ТО складає 1 мм і довжина ТО Conatex 520 мм, Heinz 535 мм, Термоприлад 525 мм. Результати проведених експериментальних досліджень для одного ТО підтвердили теоретичні припущення. З аналізу графіків на рис. 2 можна зробити висновок про можливість визначення геометричних розмірів ТО з допомогою термічних методів. На графіках може бути декілька точок перегину. Відстань до “другої точки перегину” показує початок чутливого елемента. Коли графік температурного перебігу термоперетворювача не має цієї точки, то можливо, що відстань від чутливого елементу до початку захисної трубки є меншою від 1 мм (дискретність встановлення глибини занурення).

Коли різниця між температурами на сусідніх позиціях є меншою від 1 К, то це означає, що термічним способом знайдено закінчення чутливого елементу.

Під час використання тридротової з'єднувальної лінії АСП ДU_L інтегральних АЦП (як різницю вхідних напруг) визначимо за співвідношенням

, (1)



де R_L1(и_L), R_L2(и_L) - опори обох дротів, через які протікає вимірювальний струм; и_L температура довкілля;

R_L1(и_L)?R_LН[1+д_L2+б_Hи_L·(1+д_L2+д_б2)];

R_LН, б_H - відповідно, номінальні значення опорів R_L1 та R_L2 обох ліній зв'язку, і номінальні значення їх ТКО; д_L1, д_L2 - відносні похибки опорів R_L1 та R_L2 обох ліній зв'язку; д_б1, д_б2 відносні похибки ТКО опорів R_L1 та R_L2 обох ліній зв'язку; д₀₁, д₀₂ - відносні похибки обох вимірювальних струмів I_OUT1 та I_OUT2.

Для суттєвого зменшення похибки, зумовленої цією різницею необхідно здійснювати підгонку значень одного з опорів R_L1 або ж R_L2 залежно від знаку цієї різниці. Окрім значної трудомісткості та незручності такої підгонки, здійснюваної безпосередньо на вимірюваному об'єкті та для фіксованого значення температури, зі зміною значень цієї температури виникатиме похибка, зумовлена неідентичністю параметрів обох дротів ліній зв'язку

, (2)

де Дд₀₁, Дд₀₂ - відносна часова та температурна зміна значень обох вимірювальних струмів.

З метою оцінювання максимально можливого діапазону зміни опорів ліній зв'язку приймемо їх значення такими ж, як і для більшості вторинних приладів, що вимірюють температуру в комплекті з ТО (R_C1?R_C2=10 Ом), розкид значень питомих опорів мідних дротів відповідно до рекомендацій МЕК в межах с=(1,709...1,739) 10⁴ Ом·м, розкид ТКО міді Дб=4·10⁵ 1/К і допуск на діаметр мідних дротів згідно з вимогами чинних нормативних документів, визначимо різницю опорів з'єднувальних ліній при температурі довкілля 20⁰С ДR_С=1,25 Ом. Під час зміни температури довкілля на 20⁰С різниця опорів з'єднувальних ліній відповідно зміниться на ДДR_С(ДИ_двк=20⁰С)=0,13 Ом.

В одиницях вимірюваної температури при R₀=100 Ом різниця опорів з'єднувальних ліній призводитиме до зміни показів ЦТ на 1,25 Ом/0,4 Ом/К?3,1 К, а її температурна зміна 0,13 Ом/20⁰С /0,4 Ом/К?0,3 К, що вимагатиме проведення додаткового коригування в ЦТ. Для коригування похибок в розробленій структурі ІЦТ, призначених для роботи як з три, так і з чотиридротовими лініями зв'язку, використані подані в другому розділі рекомендації (рис. 3). Значення коду N_3X результату вимірювання опору R_X для тридротової лінії зв'язку

(3)

де Е₀ - значення опорної напруги; _АЦП - еквівалентна АСП АЦП цифрового вольтметра, зведена до входу опорної напруги; К_А - коефіцієнт перетворення аналогової величини в код у цифровому вольтметрі; к₁, к₂, к₃ - коефіцієнти передачі суматора відповідно для кожного із трьох його входів; m₁, m₂ - коефіцієнти передачі подільника ПД перетворювача ПОН відповідно в першому та другому циклах перетворення; R_Х, R_N - відповідно, опір ТО та струмозадавального резистора; R_C1, R_C2 - відповідно опори першого та другого струмового дротів лінії зв'язку; µ₂₁, µ₂₂ - коди керування першим та другим подільниками напруги КН1, КН2.

При налагодженні ЦТ для роботи з тридротовою лінією зв'язку замість ТО встановлюється одно значна міра опору з номінальним значенням, що дорівнює початковому значенню опору ТО при 0⁰С. У залежності від знаку різниці опорів ДR_С встановлюється значення суми кодів µ₂₁+µ₂₂ більшим, або ж меншим від одиниці (µ₂₁=µ₂₂) і таким, щоб виконувалась рівність



.

Оскільки, коефіцієнт передачі інтегральних ЦАП практично не залежить від змін температури довкілля, то в широкому температурному діапазоні практично можна очікувати дуже незначних змін цієї рівності. Це означатиме, що результати вимірювань запропонованими інтелектуальними ЦТ для роботи з тридротовими лініями зв'язку практично не залежатимуть від різниці з'єднувальних дротів, по яких протікає вимірювальний струм, в широкому діапазоні зміни температури довкілля.

Проблему підвищення метрологічної надійності ЦТ запропоновано вирішувати по елементним способом - шляхом забезпечення оперативного метрологічного контролю як первинного вимірювального перетворювача, так і ВП. Якщо значення вимірюваної та компенсаційної величин приблизно однакові ХХ_к, то похибка диференційного методу в основному визначатиметься похибкою міри, яка у цьому випадку повинна бути лінійною і точною, але не обов`язково багаторозрядною. Ще однією суттєвою перевагою диференційного методу вимірювань є можливість забезпечення малого часу вимірювань за умови використання швидкодійних АЦП. І, нарешті, дуже привабливою у практичному аспекті рисою цього методу є відносно невеликі апаратні затрати. Треба відмітити, що диференційний метод вимірювання можна реалізувати лише за умови наявності точного зворотного перетворювача коду у фізичну величину, однорідну з вимірюваною. З появою прецизійних мірімітаторів електричного опору з`явилась можливість його реалізації і при вимірюванні температури з резистивними первинними вимірювальними перетворювачами. Вимірювання опору ТО здійснюється за чотири цикли роботи (рис. 4). У першому циклі блок керування БК встановлює нульовий код в КПН, певне значення коефіцієнта поділу опорної напруги у компенсаційному m_k каналі, під`єднує до приладу опорну напругу та встановлює коефіцієнт к₁ передачі диференційного підсилювача ДП і значення опорної для АЦП напруги n₁Е₀. Для коригування похибок, зумовлених напругами зміщення у вимірювальному колі, в другому циклі до вимірювального каналу під'єднується опорна напруга m_R2E₀. У третьому циклі перетворення до обох входів термометра під'єднується опорна напруга, подається до КПН код N_1к, який встановлює на виході компенсаційного каналу напругу

,

де відносна похибка КПН; m_к, е_МК - відповідно, значення коефіцієнта поділу опорної напруги та напруга зміщення блоку МК в компенсаційному каналі на даному діапазоні вимірювання опору ТО;

номінальне значення коду КПН, яке відповідає максимальному вимірюваному значенню опору R_xm. ТО. У цьому ж третьому циклі перетворення збільшується чутливість перетворення шляхом збільшення коефіцієнта передачі к₂ ДП і(або) зменшення значення опорної для АЦП напруги n₂U_T. В четвертому циклі визначається код N₄, значення якого зумовлене напругами зміщення вимірювального кола при підвищеній чутливості перетворення термометра, і знаходиться скориговане значення коду N_2к. Значення коду N_х виміряного опору ТО знаходиться за умови підсумовування кодів, одержаних при однаковій чутливості перетворення, за співвідношенням (складовими другого порядку малості нехтуємо)

. (4)



Як видно із рівності (4), похибка вимірювання опору ТО цифровим диференційним термометром визначатиметься лише похибками подільників опорної напруги для вимірювального _mR1, _mR2 та компенсаційного _mк каналів перетворення, резистора , що задає значення вимірювального струму ТО, КПН . Як КПН в розглянутій структурі термометра можна використовувати принципово будьякі подільники напруги, наприклад, інтегральні ЦАП, подільники із широтноімпульсною модуляцією, на основі магнітних компараторів постійного струму тощо. За цих умов результуюча похибка вимірювання опору ТО може визначатися тільки похибками резисторів, що задають значення вимірювального струму ТО. Їх мала кількість, а також невеликі габарити дають можливість їх конструктивної реалізації як малогабаритного вставного блоку і для забезпечення високої часової стабільності термометра проводити частішу метрологічну перевірку такого блоку.

У третьому розділі проведений детальний аналіз особливостей побудови цифрових діодних термометрів із врахуванням основних конструктивних і електрофізичних параметрів pn переходів. У першу чергу розглянуті питання розроблення уточненої математичної моделі функції перетворення діодних сенсорів температури (ДСТ) із врахуванням основних параметрів реальних діодів, насамперід таких як вплив теплових, рекомбінаційних та дрейфових струмів, об'ємних опорів, опорів виводів та опорів ізоляції pn переходу, концентрації акцепторних та донорних домішок, конструкції pn переходів, коефіцієнта інжекції pn переходу, коефіцієнта дифузії, рухливості носіїв як функції концентрації домішок та температури, ефекту модуляції опору бази, значення вимірювального струму на нагрів pn переходу та значення методичної похибки.

Детальний аналіз показав, що математичну модель реального ДСТ як функцію багатьох електрофізичних та конструктивних параметрів рn переходу, серед яких, слід виділити концентрацію донорних домішок N_d, значення вимірювального струму І та опір витоку R_v можна подати трансцендентним рівнянням

, (5)

де U_d спад напруги на ДСТ;

еквівалентне значення дифузійного та дрейфового струмів; I_R струм рекомбінації; k_ig - коефіцієнт інжекції;

R_АК=R_А+R_В+R_К

еквівалентне значення опору діода;

ц_т=kT_x/q

температурний потенціал; k, q - стала Больцмана та заряд електрона.

З метою уніфікації характеристик перетворення термометрів, що працюють в комплекті з реальними ДСТ (розкид їх характеристик від зразка до зразка за напругою до ±10%, що за чутливості Si ДСТ -2 мВ/К може сягати ±30 К в температурному еквіваленті в околі кімнатних температур), доцільно використовувати метод модуляції вимірювальних струмів. Оскільки, під час модуляції вимірювального струму для трьох його значень чутливість перетворення слабко (як логарифмічна функція) залежить від співвідношення “а” між вимірювальними струмами (І₁/І₂=а, І₃=(2а1)/аІ₁), то при розрахунках прийняте зручне для практичної реалізації генератора імпульсного струму значення а=10. Під час модуляції вимірювального струму результат перетворення ДU спаду напруги на ДСТ подамо як

,

де U₁, U₂, U₃ - спади напруги на ДСТ під час протікання струмів, відповідно, І₁, І₂, І₃. За виконання умови

забезпечуватиметься інваріантність результату вимірювання до впливу опорів бази, виводів бази, емітера та з'єднувальних ліній R_AK. Для подання результату вимірювання у шкалі Цельсія від напруги ДU слід відняти напругу, значення якої дорівнюватиме

,

де Т₀₀=273,15 К=0⁰С. Тоді, номінальна функція перетворення визначатиметься співвідношенням

, (6)

вимірювана температура за шкалою Цельсія; k_ADC - коефіцієнт перетворення АЦП.

Подані залежності методичних похибок цифрового термометра ЦТ, відповідно, як функції основних параметрів діодних сенсорів вимірювального струму, концентрації донорних (акцепторних) домішок та опору ізоляції. За допустимого значення методичної похибки цифрового термометра Д_М?0,1 К та фіксованих значень концентрації домішок N_d=10²⁵ м³ і вимірювального струму І₁=10 мА діапазон вимірюваних температур може становити (150...430) К. Основною проблемою побудови прецизійних та метрологічно надійних ДСТ є забезпечення взаємозамінності їх характеристик. Простим в реалізації та дуже ефективним є метод уніфікації, що базується на модуляції вимірювального струму ДСТ. Аналіз показав, що при використанні подільників напруги, значення результатів перетворення не залежатиме від абсолютних значень вимірювальних струмів через pn перехід, а тільки від їх відношення. Ця властивість забезпечує інваріантність результатів вимірювання до значення напруги живлення генератора струму. Не менш важливим є забезпечення незмінності у часі та температурної стабільності розрахункових співвідношень між значеннями усіх трьох струмів. Аналіз показує, що для вирішення цього питання можна використати інтегральну технологію побудови мікроелектронних ЦАП, в якій температурні зміни та зміни у часі відношення опорів резисторів набагато менші від зміни значень їх опорів. Отже, як показує аналіз похибок та результати математичного моделювання за виконання умов та , значення модуляційних струмів І_і практично визначатиметься тільки параметрами ЦАП та описуватиметься таким виразом

,

З рівняння (7) визначимо номінальне значення коду N_XH вимірюваної температури И_Х розробленим ЦТ з сенсорами на основі pn переходу

.(7)



З аналізу рівняння (7) видно, що код вимірюваного значення температури _х пропорційний до логарифму відношення модуляційних струмів та опорної напруги Е₀ і не залежить ні від технологічних розкидів параметрів напівпровідникових діодів, ні від типу напівпровідникового матеріалу. Залежність (8) є принципово лінійною, її точність визначається, окрім похибок коефіцієнтів поділу прецизійної напруги і коефіцієнта підсилення, які на сучасному етапі розвитку мікроелектроніки можуть бути реалізовані дуже точно, і бути стабільними в часі і при зміні умов довкілля, ще й низкою інших складових похибки. Тому, для підвищення точності, температурної стабільності та незмінності характеристик у часі слід передбачити автоматичне коригування складових похибки ДН_Х, або періодичне автоматичне калібрування ЦТ.

Адитивне калібрування здійснюється при розімкнених ключах потенціальнострумових комутаторів СС, РС. У трьох циклах перетворення з виходу DAC2 формуються три значення напруги

, , ,

де , , коефіцієнти перетворення DAC2. При цьому код результату вимірювання дорівнюватиме

. (8)

Оскільки із зміною температури можуть суттєво змінюватись лише коефіцієнти k_ADC та k_DA, то блок керування так змінює код k₁₀ керування DAC3, щоб виконувалась умова

.



таким чином коригується адитивна температурна похибка ЦТ. Мультиплікативне калібрування здійснюється подібно до мультиплікативного з формуванням напруг

,

,

.

Код результату вимірювання знаходиться як

.(9)

Знаходять значення мультиплікативного коефіцієнта, на який помножується результат вимірювання температури

,(10)

де , , значення величин, встановлене при нормальній температурі довкілля 20⁰С.

На основі теоретичних досліджень, проведених у цьому розділі запропоновано уточнену фізикоматематичну модель функції перетворення діодних сенсорів температури, у якій враховано вплив основних конструктивних та електрофізичних параметрів pn переходу теплових, рекомбінаційних та дрейфових струмів, об'ємних опорів, опорів виводів та опорів ізоляції pn переходу, концентрації акцепторних та донорних домішок, конструкції pn переходів, коефіцієнта інжекції, коефіцієнта дифузії, рухливості носіїв як функції концентрації домішок та температури, ефекту модуляції опору бази, значення вимірювального струму на перегрів pn переходу та значення методичної похибки. Детально проаналізовано похибки цифрового термометра з використанням діодних сенсорів та запропоновано структурноалгоритмічні способи автоматичного коригування складових похибки генератора вимірювальних струмів, які в основному визначають похибку цифрового термометра з модуляцією вимірювальних струмів pn переходу. Розроблено алгоритм та структурну схему пристрою для вимірювання температури, що дає можливість підвищення точності і стабільності, забезпечує взаємозамінність напівпровідникових сенсорів з pn переходом за рахунок виключення впливу нестабільних параметрів на результат вимірювання, інваріантність до впливу опорів бази і виводів бази та емітера вимірювального діода, а також опорів двопровідної з`єднувальної лінії зв`язку.

В четвертому розділі результати експериментальних досліджень визначення розмірів чутливих елементів малогабаритних резистивних сенсорів температури, які підтвердили основні теоретичні припущення про можливість вимірювання їх геометричних розмірів тепловими методами з похибкою не більшою від 1%.

Розроблена та досліджена принципіальна електрична схема інтелектуальних цифрових діодних термометрів Подальшого збільшення завадостійкості та зменшення випадкової складової похибки можна досягнути шляхом усереднення результатів перетворень.

Як напівпровідникові сенсори можна використовувати будьякі діоди, в тому числі безкорпусні, що дає можливість “точкових” вимірювань температури. Точність вимірювання температури визначається тільки похибками відношення резисторів, може сягати значень тисячних процента, причому стабільність цих відношень буде набагато вищою від стабільності окремого резистора. В експериментальних дослідженнях як сенсори температури використовувались довільним чином вибрані кремнієві транзистори pnp і npn типів, які за схемою транзисторного діода (із закороченими переходами бази та колектора) під'єднуються до ВП. Вихідні сигнали сенсорів вимірювались без і з послідовно під'єднаним резистором 200 Ом, а сенсори перемикались з допомогою звичайного роз'єму. З метою зменшення температурного градієнта в лабораторії сенсори температури були розміщені в пасивному термостаті.

Отже, дослідження показали, що перспективними як сенсори температури є серійні транзистори типу КТ3107Ж. Провівши всі необхідні експериментальні дослідження та отримавши певні результати можна зробити наступні висновки, що в розробленому макеті цифрового термометра забезпечена практична незалежність показів від впливу опорів ліній зв'язку. Важливо також відмітити те, що розкид його показів від зразка до зразка не перевищив +0,3 К, причому для 60% від всієї кількості транзисторів цього розкиду не було виявлено.



ВИСНОВКИ

1. Проведений в роботі аналіз показав, що існуючі методи та засоби побудови цифрових перетворювачів температури для роботи з термоелектричними, терморезистивними та напівпровідниковими перетворювачами не задовольняють сучасних потреб практики стосовно забезпечення метрологічної надійності, а також можливості здійснення оперативного метрологічного контролю протікання процесів вимірювання температур у реальному масштабі часу. Використовувані в інтелектуальних розпорошених системах вимірювання температури та в цифрових термометрах методи автокалібрування на основі вбудованих в сучасні мікроелектронні АЦП джерел опорної напруги, яким притаманні зміни параметрів в часі і під час зміни температури довкілля, не можуть забезпечити їх високої метрологічної надійності та можливості здійснення оперативного контролю протікання процесу вимірювань, а також не передбачені коректні методи їх перевірки без демонтажу на місці експлуатації.

2. Показано, що в цифрових термометрах на основі мікроелектронних АЦП з автоматичним коригуванням похибок та з тридротовим під'єднанням ТО не розроблено методик коригування похибок, зумовлених різницею опорів дротів, якими подається вимірювальний струм, під час зміни температури довкілля. З метою коригування цієї похибки запропоновано використовувати в одному із каналів передачі перетворювача опірнапруга, активний імітатор електричного опору різниці опорів ліній зв'язку, що дає можливість в цифрових термометрах для роботи з тридротовими ТО досягти практично однакових результатів з прецизійними чотиридротовими в широкому діапазоні зміни температури довкілля та на протязі великих проміжків часу.

3. На основі теоретичних досліджень, проведених в роботі запропоновано уточнену фізикоматематичну модель функції перетворення діодних сенсорів температури, у якій враховано вплив основних конструктивних та електрофізичних параметрів pn переходу теплових, рекомбінаційних та дрейфових струмів, об'ємних опорів, опорів виводів та опорів ізоляції pn переходу, концентрації акцепторних та донорних домішок, конструкції pn переходів, коефіцієнта інжекції, коефіцієнта дифузії, рухливості носіїв як функції концентрації домішок та температури, ефекту модуляції опору бази, значення вимірювального струму на перегрів pn переходу та значення методичної похибки. На основі аналізу розробленої фізикоматематичної моделі визначено допустимі діапазони зміни значень основних параметрів pn переходу, що працює у режимі модуляції вимірювальних струмів, для заданих значень методичної похибки вимірювання температури.

4. Детально проаналізовано похибки цифрового термометра з використанням діодних сенсорів та запропоновано структурноалгоритмічні способи автоматичного коригування складових похибки генератора вимірювальних струмів, які в основному визначають похибку цифрового термометра з модуляцією вимірювальних струмів pn переходу. Розроблено алгоритм та структурну схему пристрою для вимірювання температури, що дає можливість підвищення точності і стабільності, забезпечує взаємозамінність напівпровідникових сенсорів з pn переходом за рахунок виключення впливу нестабільних параметрів на результат вимірювання, інваріантність до впливу опорів бази і виводів бази та емітера вимірювального діода, а також опорів дводротової з`єднувальної лінії зв`язку. На базі цієї структури розроблена схема багатоканального цифрового термометра, у якій забезпечується інваріантність результатів вимірювання до впливу залишкових параметрів струмового та потенціального комутаторів вимірювальних каналів і яка може бути реалізована без надмірних порівняно з базовою структурою апаратних затрат.

5. На базі проведених теоретичних досліджень запропонований алгоритм адитивномультиплікативного калібрування цифрових діодних термометрів, який реалізується з використанням переносних кодокерованих мір напруги без додаткових прецизійних та стабільних елементів. Це дає можливості підвищення метрологічної надійності термометрів і забезпечення оперативного метрологічного контролю протікання процесу вимірювання температури.

6. Проведений аналіз похибок показує, що в цифрових термометрах з автоматичним коригуванням адитивної складової похибки методом модуляції вимірювального струму, похибка вимірювання електричного опору ТО, окрім мультиплікативних складових похибок базового цифрового вольтметра та генератора вимірювального струму, визначатиметься також мультиплікативними складовими похибки коефіцієнта передачі перетворювача опірнапруга та, під час використання тридротової лінії зв'язку і операції підлаштування коефіцієнта передачі перетворювача опірнапруга, складовою похибки, зумовленої змінами в часі та мінливістю умов довкілля різниці опорів з'єднувальних ліній та коефіцієнта передачі перетворювача опірнапруга. Це практично унеможливлює оперативний контроль процесу вимірювання електричного опору ТО у процесі експлуатації.

7. На основі аналізу методів вимірювання електричного опору ТО постійному струму показано можливість та доцільність побудови цифрових термометрів на основі диференційного методу з використанням кодокерованих мір напруги. Запропонована структура цифрового термометра, результат перетворення в якому інваріантний до значення вимірювального струму, адитивних складових тракту перетворення та параметрів АЦП в широкому діапазоні вимірювання. Розроблені структура та алгоритм роботи можуть служити основою для побудови інтелектуальних цифрових термометрів системного призначення, які забезпечують високі метрологічні характеристики при малих масогабаритних показниках засобів вимірювань та в широкому діапазоні зміни дестабілізуючих факторів на місці експлуатації.

8. Обґрунтовано вибір методу, який дозволяє термічними дослідженнями визначити геометричні параметри мініатюрних термоперетворювачів опору і, при цьому, дає можливість порівнювати між собою термометри за наступними параметрами: довжина чутливого елементу, його розташування по відношенню до каркасу, стала часу ТО. Суть методу полягає у нагріві чутливого елементу ТО вимірювальним струмом та його покроковому зануренню з газового у рідинне середовище. Проведений аналіз показав, що термічним способом можливо встановити геометричні розміри чутливого елементу з похибкою не більшою, ніж 1 %, що є достатнім для встановлення розмірів мініатюрних калібраторів температури на основі реперних матеріалів.

9. Розроблено експериментальний взірець цифрового термометра і проведено його лабораторні дослідження, які показали добру збіжність результатів з розробленими фізикоматематичними моделями діодних сенсорів. Важливо також відмітити те, що розкид його показів від зразка до зразка не перевищив +0,3 К, причому для 60% від всієї кількості транзисторів цього розкиду не було виявлено.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Яцук Ю. Особливості використання діодних сенсорів температури [текст] / Ю. Яцук // Вимірювальна техніка та метрологія. - №67. - С. 1923.

2. Stadnyk B. Problems of Temperature Sensor Checking at the Exploitation Place with the Calibrator's Usage [text] / B. Stadnyk, Yu. Yatsuk, V. Parakuda // “Pomiary. Automatyka. Kontrola” (Poland). №12. 2006. С. 3840.

3. Патент 59763А (UA), МПК⁷ G01K7/22. Спосіб вимірювання температури та пристрій для його здійснення / В.О. Яцук, Ю.В. Яцук. Заявл. 15.12.2002, №20021210112. Опубл. 15.09.2003. Бюл. №9. - 5 с.

4. Stolyarchuk P. Intelligent System of Temperature Field Ecological Monitoring [text] / P. Stolyarchuk, Yu. Yatsuk, M. Mikhaleva, V. Druziuk // Intelligent Data Acquisition and Advanced Computing System. - 2007. - Р 3133.

5. Столярчук П. Проблеми побудови систем екологічного моніторингу температурних полів [текст] / П. Столярчук, Ю. Яцук, М. Міхалєва, В. Друзюк // Вісник Національного Університету “Львівська політехніка” “Автоматика, вимірювання та керування”. Вип. 574 - 2007. С 6064

6. Яцук Ю.В. Вдосконалення системи температурного контролю робочих еталонів Вольта [текст] / Ю.В. Яцук, Г.І. Барило // Тези доповідей XIII Міжнародної конференції з автоматичного управління (Автоматика2006). - Вінниця, 2528 вересня 2006 р. - УніверсумВінниця. - 2006. - С. 160.

7. Яцук Ю. Вдосконалення системи температурного контролю робочих еталонів Вольта [текст] / Ю.В. Яцук, Г.І. Барило // Вісник Вінницького ДТУ, “Автоматика та інформаційновимірювальна техніка”. Вип. 6. 2006. - С. 7275.

8. Стадник, Б.І. Результати експериментальних досліджень розмірів чутливих елементів сенсорів температури [текст] / Стадник Б.І., Яцук Ю.В., Бернард Ф. // Вісник НУ Львівська політехніка “Автоматика, вимірювання та керування». Вип. 551. 2005. С. 37.

9. Стадник, Б.І. Порівняння методів визначення геометричних розмірів чутливих елементів сенсорів температури [текст] / Б.І. Стадник, Ю.В. Яцук, Ф. Бернгард // Вимірювальна техніка та метрологія. №66. - 2006. - С. 120125.

10. Yatsuk, V.O. New Method of Dispersion Minimization of Si pn Junction Temperature Sensors [text] / V.O. Yatsuk, O.Ye. Basalkevych, Yu.V. Yatsuk, A.O. Sachenko // Proceedings of SAS 2007 - IEEE Sensors Applications Symposium, San Diego, California USA, 68 February 2007. P. 14.

11. Стадник, Б. Особливості побудови цифрових резистивних термометрів [текст] / Б. Стадник, Ю. Яцук, Л. Сопільник, // Вимірювальна техніка та метрологія. №68. - 2008. - С. 111115.

Размещено на Allbest.ru