RU2389984C2 - Thermometric cable and calibration method thereof - Google Patents
Thermometric cable and calibration method thereof Download PDFInfo
- Publication number
- RU2389984C2 RU2389984C2 RU2008132748/28A RU2008132748A RU2389984C2 RU 2389984 C2 RU2389984 C2 RU 2389984C2 RU 2008132748/28 A RU2008132748/28 A RU 2008132748/28A RU 2008132748 A RU2008132748 A RU 2008132748A RU 2389984 C2 RU2389984 C2 RU 2389984C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- thermometric
- temperature
- sensors
- sensor
- braid
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 20
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims abstract description 8
- 238000002955 isolation Methods 0.000 claims abstract description 8
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims abstract description 7
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 claims abstract description 5
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 12
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 11
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 9
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 5
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 claims description 4
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 4
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 230000004044 response Effects 0.000 claims description 4
- 230000000712 assembly Effects 0.000 claims description 3
- 238000000429 assembly Methods 0.000 claims description 3
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims description 3
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 claims description 3
- 230000008054 signal transmission Effects 0.000 claims description 3
- 238000003860 storage Methods 0.000 claims description 2
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 claims 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 20
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 4
- 238000009529 body temperature measurement Methods 0.000 abstract 1
- YBIDYTOJOXKBLO-USLOAXSXSA-N (4-nitrophenyl)methyl (5r,6s)-6-[(1r)-1-hydroxyethyl]-3,7-dioxo-1-azabicyclo[3.2.0]heptane-2-carboxylate Chemical compound C([C@@H]1[C@H](C(N11)=O)[C@H](O)C)C(=O)C1C(=O)OCC1=CC=C([N+]([O-])=O)C=C1 YBIDYTOJOXKBLO-USLOAXSXSA-N 0.000 description 8
- 230000008859 change Effects 0.000 description 7
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000005476 soldering Methods 0.000 description 6
- 239000003381 stabilizer Substances 0.000 description 6
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 4
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- 229910000679 solder Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- 238000012886 linear function Methods 0.000 description 2
- 239000000565 sealant Substances 0.000 description 2
- 239000002689 soil Substances 0.000 description 2
- 229910001369 Brass Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004831 Hot glue Substances 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010951 brass Substances 0.000 description 1
- 238000005266 casting Methods 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000007765 extrusion coating Methods 0.000 description 1
- 230000005669 field effect Effects 0.000 description 1
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 1
- 230000007274 generation of a signal involved in cell-cell signaling Effects 0.000 description 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- VYMDGNCVAMGZFE-UHFFFAOYSA-N phenylbutazonum Chemical compound O=C1C(CCCC)C(=O)N(C=2C=CC=CC=2)N1C1=CC=CC=C1 VYMDGNCVAMGZFE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002861 polymer material Substances 0.000 description 1
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 1
- 238000004861 thermometry Methods 0.000 description 1
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Arrangements For Transmission Of Measured Signals (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к термометрии и предназначено для измерения температуры контактным способом одновременно в группе местоположений, по которым может быть проложен измерительный шнур термометрической косы. Изобретение может быть использовано в геофизических изысканиях, в агро- и химической промышленности для измерения распределения температуры по глубине скважины, по поверхности грунта, в объеме газообразных, жидких либо сыпучих сред, по длине трубопровода, в объеме помещения, например, теплицы. Измерение обеспечивается оцифровкой сигналов с группы термодатчиков, расположенных в различных точках по длине измерительного шнура.The invention relates to thermometry and is intended to measure temperature in a contact manner simultaneously in a group of locations along which a measuring cord of a thermometric braid can be laid. The invention can be used in geophysical surveys, in the agricultural and chemical industries for measuring the temperature distribution along the depth of the well, on the surface of the soil, in the volume of gaseous, liquid or granular media, along the length of the pipeline, in the volume of the room, for example, a greenhouse. The measurement is provided by digitizing the signals from a group of temperature sensors located at various points along the length of the measuring cord.
ТЕРМИНОЛОГИЧЕСКИЕ ОБОЗНАЧЕНИЯTERMINOLOGICAL DESIGNATIONS
-- измерительный шнур - группа термодатчиков, соединенных электрическими проводами в измерительную схему и смонтированных так, что каждый датчик расположен на заданной длине от начала косы, а электрическое подключение проводов к измерительному блоку либо прибору расположено в начале косы;- measuring cord - a group of temperature sensors connected by electric wires to the measuring circuit and mounted so that each sensor is located at a given length from the beginning of the spit, and the electrical connection of the wires to the measuring unit or device is located at the beginning of the spit;
-- электронный блок - электрическая схема, конструктивно оформленная в корпусе и имеющая, как минимум, разъем для подключения к внешнему устройству, например к отображающему измерительному прибору;- electronic unit - an electrical circuit structurally designed in the housing and having at least a connector for connecting to an external device, for example, to a display measuring device;
-- термометрическая коса - один или более измерительных шнуров, подключенных к электронному блоку;- thermometric braid - one or more measuring cords connected to an electronic unit;
-- ПК - персональный компьютер;- PC - personal computer;
-- АЦП - аналого-цифровой преобразователь;- ADC - analog-to-digital converter;
-- ПЗУ - электронное цифровое энергонезависимое (постоянное) запоминающее устройство;- ROM - electronic digital non-volatile (permanent) storage device;
-- ППЗУ - перезаписываемое ПЗУ;- EPROM - rewritable ROM;
-- ТКС - температурный коэффициент сопротивления [%/°C];- TKS - temperature coefficient of resistance [% / ° C];
-- динамический диапазон - в данном описании подразумевается абсолютный динамический диапазон, например динамический диапазон сигнала датчика - это приращение сигнала датчика, выраженное в единицах измерения сигнала, например, милливольтах (Umax-Umin), соответствующее изменению измеряемой величины, например температуры, во всем рабочем диапазоне. Вычисление относительного динамического диапазона, выраженного в децибелах, с линейным допущением зависимости сигнала датчика от измеряемой величины возможно по формуле:- dynamic range - in this description means the absolute dynamic range, for example, the dynamic range of the sensor signal - this is the increment of the sensor signal, expressed in units of the signal, for example, millivolts (Umax-Umin), corresponding to the change in the measured value, for example temperature, in the entire operating range. The calculation of the relative dynamic range, expressed in decibels, with a linear assumption of the dependence of the sensor signal on the measured value is possible by the formula:
D=20lg((Umax-Umin)/U0) [дБ],D = 20lg ((Umax-Umin) / U0) [dB],
где U0 - это минимальная величина напряжения, регистрируемого конкретным оборудованием. В зависимости от требуемого варианта относительного динамического диапазона в качестве U0, например, может быть принята величина напряжения, соответствующего значению младшего разряда АЦП, или в качестве U0 может быть принята величина шума. В последнем случае результатом будет отношение “сигнал/шум”, выраженное в децибелах.where U0 is the minimum voltage value recorded by a particular equipment. Depending on the required variant of the relative dynamic range, for example, the voltage value corresponding to the value of the least significant bit of the ADC can be taken as U0, or the noise value can be taken as U0. In the latter case, the result will be the signal-to-noise ratio, expressed in decibels.
-- цифровая шина - один или более электрических проводов, не считая общего провода и провода для подачи питания (как вариант шины с подачей питания), соединяющих одно или более устройств, способных производить обмен данными посредством такого электрического соединения;- digital bus - one or more electrical wires, not counting the common wires and wires for supplying power (as an option bus with power supply) connecting one or more devices capable of exchanging data through such an electrical connection;
-- контроллер цифровой шины - электронная схема для формирования требуемых уровней электрических сигналов приема/передачи данных по цифровой шине;- digital bus controller - an electronic circuit for generating the required levels of electrical signals for receiving / transmitting data on a digital bus;
-- термосигнал - сигнал, полученный с датчика температуры, аналоговый, напряжение которого соответствует измеряемой температуре, либо цифровой сигнал, несущий численное значение, которое соответствует измеряемой температуре;- thermosignal - a signal received from a temperature sensor, analog, the voltage of which corresponds to the measured temperature, or a digital signal that carries a numerical value that corresponds to the measured temperature;
-- дискретная функция - имеется в виду вариант представления дискретной функции в виде набора пар термосигнал-температура;- discrete function - this refers to the option of representing the discrete function in the form of a set of thermosignal-temperature pairs;
-- калибровка термометрической косы - процедура, включающая определение последовательности расположения датчиков в измерительном шнуре, а также калибровку датчиков;- calibration of the thermometric braid - a procedure that includes determining the sequence of sensors in the measuring cord, as well as calibrating the sensors;
-- калибровка датчика - процедура определения калибровочных коэффициентов для температурной зависимости термосигнала;- sensor calibration - the procedure for determining calibration coefficients for the temperature dependence of the thermal signal;
-- калибровочные коэффициенты - ряд численных значений, по которым возможно восстановить температурную зависимость термосигнала как непрерывную функцию.- calibration coefficients - a series of numerical values by which it is possible to restore the temperature dependence of the thermosignal as a continuous function.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИBACKGROUND
Известны варианты электрического подключения группы датчиков температуры в гирлянду с целью измерения температуры в различных точках, соответствующих расположению датчиков [1…4]. Часто на практике требуется, чтобы данная гирлянда датчиков с соединительными проводами была гибкой [1, 3]. Такая гирлянда датчиков в литературе из области геофизических изысканий получила наименование - термометрическая коса, или термокоса. Датчики, соединяемые в гирлянду, могут быть аналоговые [1…5] или имеющие цифровой выход [8, 9]. В качестве вторичных преобразователей для аналоговых датчиков применяют стрелочные [4] и цифровые [2] приборы, измеряющие напряжение. Стрелочные приборы требуют линейной характеристики термосигнала, тарировки шкалы прибора либо применения линеаризующих усилителей [5], что в настоящее время ограничивает их применение. Цифровые отображающие приборы, содержащие микроконтроллер, позволяют регистрировать данные измерения и производить математическую обработку термосигнала, оцифрованного с помощью АЦП, с целью вычисления температуры в градусах. К недостаткам схем с аналоговыми датчиками относятся погрешности измерения из-за нелинейности вольт-температурной характеристики термосигнала, серийным разбросом параметров датчиков; погрешности из-за паразитных ЭДС в точках соединений, например соединительных проводов, а также разъемов, взаимным влиянием датчиков, подключенных к общему проводу; потеря точности с увеличением длины соединительных проводов. Недостатком может являться большое количество проводов в термометрической косе, например, в случае применения 4-проводной схемы подключения каждого датчика [4, 5], что приводит к увеличению псевдодиаметра группы проводов в косе и к усложнению процесса ее изготовления. К недостаткам схем с цифровыми датчиками относится ограничение по количеству датчиков, подключенных к цифровой шине [9], по максимальной длине проводов цифровой шины [8] и по времени преобразования температуры в цифровой код [8, 9].Known options for electrical connection of a group of temperature sensors in a garland with the aim of measuring temperature at various points corresponding to the location of the sensors [1 ... 4]. Often in practice it is required that this garland of sensors with connecting wires be flexible [1, 3]. Such a garland of sensors in the literature from the field of geophysical surveys has received the name - thermometric braid, or thermocosa. The sensors connected in a garland can be analog [1 ... 5] or having a digital output [8, 9]. As secondary converters for analog sensors, switch [4] and digital [2] voltage measuring instruments are used. Switch devices require a linear characteristic of the thermal signal, calibration of the scale of the device, or the use of linearizing amplifiers [5], which currently limits their use. Digital imaging devices containing a microcontroller allow you to register measurement data and perform mathematical processing of the thermal signal digitized using the ADC in order to calculate the temperature in degrees. The disadvantages of circuits with analog sensors include measurement errors due to the non-linearity of the volt-temperature characteristics of the thermosignal, a serial spread of the parameters of the sensors; errors due to spurious EMF at connection points, for example, connecting wires, as well as connectors, by the mutual influence of sensors connected to a common wire; loss of accuracy with increasing length of connecting wires. The disadvantage may be a large number of wires in the thermometric braid, for example, in the case of using a 4-wire connection scheme for each sensor [4, 5], which leads to an increase in the pseudo-diameter of the group of wires in the braid and complicates the process of its manufacture. The disadvantages of circuits with digital sensors include a limitation on the number of sensors connected to the digital bus [9], the maximum length of the wires of the digital bus [8] and the time it takes to convert the temperature into a digital code [8, 9].
Схема подключения датчиков, рекомендованная ГОСТ 25358-82 [1] наиболее близка к предложенной в настоящем изобретении и выбрана в качестве прототипа.The sensor connection scheme recommended by GOST 25358-82 [1] is the closest to that proposed in the present invention and is selected as a prototype.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности измерения, увеличение компактности, упрощение изготовления и эксплуатации, в частности - возможность подключения термометрических кос к общей цифровой шине с целью удаленного обмена данными.The technical result of the present invention is to improve measurement accuracy, increase compactness, simplify manufacturing and operation, in particular, the ability to connect thermometric braids to a common digital bus for the purpose of remote data exchange.
Повышение точности измерения достигается одновременно несколькими элементами принципиального построения термометрической косы:Improving the measurement accuracy is achieved simultaneously by several elements of the fundamental construction of the thermometric braid:
1. Нелинейность и разброс характеристик группы датчиков компенсируются математической обработкой термосигнала с использованием заранее известной зависимости термосигнала от температуры. Данные зависимости, примеры которых представлены на фиг.6, для каждого датчика определяются в процессе калибровки термометрической косы.1. The non-linearity and variation in the characteristics of the group of sensors are compensated by the mathematical processing of the thermosignal using a previously known temperature dependence of the thermosignal. These dependencies, examples of which are presented in Fig.6, for each sensor are determined during the calibration of the thermometric braid.
2. Цепь прохождения всех аналоговых сигналов построена так, что исключено прохождение тока через аналоговый коммутатор и разъем. В разъеме, через который проходили бы аналоговые сигналы, нет необходимости, поскольку непосредственно в электронном блоке термометрической косы установлен АЦП (фиг.1), и обмен данными с внешним устройством, например с прибором, отображающим результаты измерения на дисплее, производится по цифровой шине приема/передачи посредством микроконтроллера и контроллера цифровой шины. Аналоговый коммутатор, подключая какой-либо вход к аналоговому выходу, переносит лишь ЭДС термосигнала, т.е. лишь потенциал напряжения. При этом ток, проходящий через аналоговый коммутатор, присутствует лишь в момент переключения канала в результате переходного процесса перезаряда суммарных емкости канала коммутатора и емкости входа АЦП. Постоянный же ток, проходящий через коммутатор, ограничивается лишь током утечки, который чрезвычайно мал для внесения ощутимой погрешности в измерение термосигнала, т.к. входное сопротивление АЦП может быть порядка 1000 [МОм], что документировано в [7]. Таким образом сведено к минимуму влияние проходного сопротивления канала аналогового коммутатора, температурный дрейф которого сопоставим с ТКС термистора. Например для мультиплексора ADG508A дрейф равен 0.6 [%/°C] при сопротивлении открытого канала 280 [Ом], что документировано в [6].2. The circuit of the passage of all analog signals is constructed so that the passage of current through the analog switch and connector is excluded. There is no need for a connector through which analog signals would pass, since an ADC is installed directly in the electronic block of the thermometric braid (Fig. 1), and data is exchanged with an external device, such as a device that displays the measurement results on the display, via a digital receive bus / Transmission via microcontroller and digital bus controller. The analog switch, connecting any input to the analog output, transfers only the EMF of the thermal signal, i.e. only voltage potential. In this case, the current passing through the analog switch is present only at the time of switching the channel as a result of the transient process of recharging the total capacitance of the channel of the switch and the input capacitance of the ADC. The direct current passing through the switch is limited only by the leakage current, which is extremely small for making a noticeable error in the measurement of the thermal signal, because ADC input resistance can be of the order of 1000 [MΩ], which is documented in [7]. Thus, the influence of the channel impedance of the analog switch channel, the temperature drift of which is comparable to the thermistor TCS, is minimized. For example, for the ADG508A multiplexer, the drift is 0.6 [% / ° C] with an open channel resistance of 280 [Ohms], which is documented in [6].
Пример: Изменение проходного сопротивления канала аналогового коммутатора при нагреве корпуса микросхемы на 20 [°C] может составить 2 [Ом]. При ТКС термистора 0.4 [%/°C], сопротивлении термистора 1000 [Ом], погрешность, вносимая коммутатором, канал которого включен последовательно с термосопротивлением, оценочно составит:Example: A change in the channel impedance of an analog switch channel when heating the housing of the microcircuit by 20 [° C] can be 2 [Ohm]. When the thermistor TCS 0.4 [% / ° C], the thermistor resistance 1000 [Ohm], the error introduced by the switch, the channel of which is connected in series with the thermal resistance, is estimated to be:
2[Ом]/(1000[Ом]·0.4[%/°C]/100[%])=0.5[°C].2 [Ohm] / (1000 [Ohm] · 0.4 [% / ° C] / 100 [%]) = 0.5 [° C].
При меньших значениях термосопротивления и ТКС, характерных для металлических термосопротивлений, погрешность будет большей.At lower values of thermal resistance and TCS, characteristic of metal thermal resistance, the error will be greater.
3. Поскольку все датчики постоянно включены в измерительную цепь, то при переключении канала аналогового коммутатора не происходит подключения или отключения датчиков от питающего напряжения. Таким образом, датчики находятся в установившемся электрическом и тепловом режиме, что исключает погрешность измерения, которая может быть вызвана, например, изменением температуры чувствительного элемента датчика, например, полупроводникового кристалла термистора или кристалла интегральной микросхемы в результате подачи на датчик напряжения питания или тока измерительной цепи.3. Since all sensors are constantly included in the measuring circuit, when switching the channel of the analog switch, the sensors do not connect or disconnect from the supply voltage. Thus, the sensors are in a steady electric and thermal mode, which eliminates the measurement error, which can be caused, for example, by a change in the temperature of the sensor element of the sensor, for example, a semiconductor crystal of a thermistor or an integrated circuit chip as a result of supplying a voltage or current to the sensor .
4. Поскольку термосигналы коммутируются напрямую к АЦП, то цепь прохождения аналоговых сигналов не содержит активных элементов для аналоговой обработки термосигнала. В частности схема не содержит усилителя сигналов с датчиков, который мог бы внести дополнительную погрешность, например, связанную с дрейфом нуля операционного либо инструментального усилителя.4. Since the thermal signals are switched directly to the ADC, the analog signal transmission circuit does not contain active elements for analog processing of the thermal signal. In particular, the circuit does not contain an amplifier of signals from sensors, which could introduce an additional error, for example, related to the zero drift of an operational or instrumental amplifier.
5. Отсутствие разъема в цепи прохождения аналоговых сигналов исключает возможные девиации сопротивлений контактов, а также возможные паразитные сопротивления, например, при образовании конденсата воды в виде росы, образующей резистивную поверхность на диэлектрическом материале разъема. Кроме перечисленного появляется возможность полной герметизации как элементов аналоговой цепи, так и всех элементов электронной схемы за исключением разъема подключения термометрической косы к цифровой шине. Герметизация электронного блока может быть выполнена заполнением корпуса заливочным компаундом, а герметизация измерительного шнура использованием герметичной трубки в качестве оболочки для шнура, в частности - термоусадочной, и ее герметизацией по концам, например, при помощи легкоплавкого полимера (термоклея) или полимеризующегося герметика. Герметизация измерительного шнура также возможна путем экструзионного нанесения полимерного материала, например полимеризующегося герметика, на провода с датчиками с целью получения монолитной структуры. Для защиты измерительного шнура от механических повреждений целесообразно дополнительно обрамить его оболочку металлическим либо полимерным гибким рукавом в виде гофрированной трубки, проволочной оплетки либо проволочной или ленточной спирали. Поскольку все провода и датчики находятся в единой оболочке, то измерительный шнур становится более компактным по сравнению со шнуром, выполненным из отдельных проводов в собственной оболочке, идущих от каждого датчика. Измерительный шнур меньшего сечения может быть проложен, например, внутри обсадочной трубы термометрической скважины меньшего диаметра, что снижает стоимость последней. Вариант конструктивного исполнения термометрической косы представлен на фиг.5. Шпилька 21 служит для крепления съемного груза на конце косы с целью погружения косы в термоскважину под собственным весом.5. The absence of a connector in the path of analog signals eliminates possible deviations of the contact resistances, as well as possible parasitic resistances, for example, when water condensates in the form of dew, which forms a resistive surface on the dielectric material of the connector. In addition to the above, it becomes possible to completely seal both the elements of the analog circuit and all elements of the electronic circuit, with the exception of the connector for connecting the thermometric spit to the digital bus. Sealing of the electronic unit can be done by filling the case with a casting compound, and sealing the measuring cord using a sealed tube as a sheath for the cord, in particular, heat-shrink, and sealing it at the ends, for example, using fusible polymer (hot melt adhesive) or polymerizable sealant. Sealing the measuring cord is also possible by extrusion coating a polymer material, for example a polymerizable sealant, on wires with sensors in order to obtain a monolithic structure. To protect the measuring cord from mechanical damage, it is advisable to additionally frame its shell with a metal or polymer flexible sleeve in the form of a corrugated tube, a wire braid or a wire or tape spiral. Since all wires and sensors are in a single shell, the measuring cord becomes more compact compared to a cord made of separate wires in its own shell, coming from each sensor. A measuring cord of a smaller cross-section can be laid, for example, inside a casing of a thermometer well of a smaller diameter, which reduces the cost of the latter. An embodiment of the thermometric braid is presented in Fig.5.
6. Цепь прохождения аналоговых сигналов не содержит точек соединения, в которых может возникнуть паразитная ЭДС непредсказуемой величины, которую было бы невозможно скомпенсировать. Как правило, паразитной является ЭДС, которая возникает в точках соединения контактов разъема и в точках подпайки проводов и прочих элементов электрической цепи. Природа такой ЭДС - эффект термопары, возникающей в точках соединения проводников из материалов, отличающихся по составу. В данном случае такими материалами могут быть припой и медный провод. В идеальном случае ЭДС термопары может быть скомпенсирована такой же ЭДС противоположной полярности от другой термопары в этой же точке соединения. Например при подпайке медного провода к медной контактной площадке на печатной плате образуется структура “медь-припой-медь”. В такой структуре возникают две ЭДС противоположной полярности, которые полностью скомпенсируются, если химические составы и кристаллическая структура материала медного провода и медной контактной площадки идентичны. Аналогичная термоЭДС возникает в местах пайки выводов микросхем к контактным площадкам на печатной плате с образованием структуры “сталь-припой-медь”. В последнем случае суммарное значение ЭДС намного больше [4, 5]. Также значительное значение термоЭДС возникает в точках пайки проводов к контактам разъема, выполненных, например, из серебреной либо золоченой латуни. Причиной изменения химического состава и структуры материала контактов разъема также может служить их износ, что приведет к дополнительному изменению термоЭДС.6. The analog signal path does not contain connection points at which spurious emf of unpredictable magnitude could occur, which could not be compensated. As a rule, the emf is parasitic, which occurs at the connection points of the connector contacts and at the soldering points of the wires and other elements of the electrical circuit. The nature of such an EMF is the effect of a thermocouple that occurs at the connection points of conductors made of materials that differ in composition. In this case, such materials may be solder and copper wire. In the ideal case, the EMF of a thermocouple can be compensated for by the same EMF of opposite polarity from another thermocouple at the same connection point. For example, when soldering a copper wire to a copper contact pad, a copper-solder-copper structure is formed on the printed circuit board. In this structure, two EMFs of opposite polarity arise, which are completely compensated if the chemical compositions and crystal structure of the material of the copper wire and the copper contact pad are identical. A similar thermoEMF occurs at the places of soldering the microcircuit leads to the contact pads on the printed circuit board with the formation of the steel-solder-copper structure. In the latter case, the total EMF value is much larger [4, 5]. Also, a significant value of thermoEMF occurs at the soldering points of the wires to the connector pins made, for example, of silver or gilded brass. The reason for the change in the chemical composition and structure of the material of the contacts of the connector can also be their wear, which will lead to an additional change in thermopower.
Пример: изменение паразитной ЭДС при нагреве на 20 [°C] точки пайки припоем ПОС-61 медного провода к стальному луженому выводу микросхемы либо контакта разъема может составить 500 [мкВ]; при динамическом диапазоне термосигнала, равном 250 [мВ], соответствующем диапазону измеряемых температур -50…+50 [°C], погрешность, вносимая данной паразитной ЭДС, составит:Example: a change in the parasitic EMF when heated by 20 [° C] soldering points with POS-61 solder of a copper wire to a tinned steel terminal of a microcircuit or a connector pin can be 500 [μV]; with a dynamic range of a thermal signal equal to 250 [mV], corresponding to a range of measured temperatures of -50 ... + 50 [° C], the error introduced by this parasitic EMF will be:
(500[мкВ]/1000)[мВ]/250[мВ]·(50-(-50))[°C]=0.2[°C].(500 [μV] / 1000) [mV] / 250 [mV] · (50 - (- 50)) [° C] = 0.2 [° C].
Поскольку в реальных условиях эксплуатации термометрической косы нет возможности термостатировать корпус электронного блока, то необходимо скомпенсировать влияние термоЭДС путем включения непосредственно в аналоговую измерительную цепь специальных термочувствительных элементов [4, 5] либо скомпенсировать влияние термоЭДС математической обработкой цифровых данных измерений термосигнала, заранее имея информацию о величинах паразитных термоЭДС.Since it is not possible to thermostat the body of the electronic unit under the actual operating conditions of the thermometer, it is necessary to compensate for the effect of thermopower by directly incorporating special thermosensitive elements into the analog measuring circuit [4, 5] or to compensate for the effect of thermopower by mathematical processing of digital data of measurements of the thermal signal, having information on the values in advance spurious thermoEMF.
В настоящем изобретении проблема влияния паразитных ЭДС решается путем калибровки термометрической косы, в процессе которой учитывается суммарное влияние всех элементов аналоговой цепи, как ЭДС, так и сопротивлений, например, сопротивлений соединительных проводов. Цель калибровки - получение в цифровом формате температурных зависимостей термосигналов с каждого датчика, а также при необходимости, - получение дополнительных температурных зависимостей термосигналов от температуры электронного блока. Для измерения температуры электронного блока в нем устанавливают дополнительный аналоговый либо цифровой датчик температуры, который подключают к АЦП либо к микроконтроллеру термометрической косы. Таким образом, появляется возможность скомпенсировать влияние паразитных ЭДС математической обработкой цифровых данных измерений при помощи микроконтроллера в электронном блоке термометрической косы либо средствами внешнего устройства, к которому подключена коса.In the present invention, the problem of the influence of spurious EMF is solved by calibrating the thermometric braid, during which the total effect of all elements of the analog circuit, both the EMF and the resistances, for example, the resistances of the connecting wires, is taken into account. The purpose of calibration is to obtain in digital format the temperature dependences of the thermal signals from each sensor, and also, if necessary, to obtain additional temperature dependences of the thermal signals on the temperature of the electronic unit. To measure the temperature of the electronic unit, an additional analog or digital temperature sensor is installed in it, which is connected to the ADC or to the microcontroller of the thermometric braid. Thus, it becomes possible to compensate for the influence of spurious EMFs by mathematical processing of digital measurement data using a microcontroller in the electronic unit of the thermometric spit or by means of an external device to which the spit is connected.
7. Предусмотрена возможность обнаружения градиента температуры в объеме корпуса электронного блока. Неравномерность температуры в электронном блоке вносит дополнительную погрешность измерения. Наличие градиента температуры свидетельствует о происходящем процессе неравномерного нагрева или охлаждения корпуса электронного блока, что приведет к изменению характеристик микросхем, оперирующих с аналоговыми сигналами. В таком случае необходимо выдержать электронный блок до установления теплового режима и выполнить автокалибровку АЦП по напряжению. Для обнаружения градиента температуры целесообразно установить в различных местоположениях электронного блока несколько датчиков температуры.7. It is possible to detect a temperature gradient in the body volume of the electronic unit. The uneven temperature in the electronic unit introduces an additional measurement error. The presence of a temperature gradient indicates the ongoing process of uneven heating or cooling of the housing of the electronic unit, which will lead to a change in the characteristics of microcircuits operating with analog signals. In this case, it is necessary to withstand the electronic unit until the thermal regime is established and the ADC is automatically calibrated by voltage. To detect the temperature gradient, it is advisable to install several temperature sensors in various locations of the electronic unit.
8. Номинал и ТКС терморезистора или чувствительность интегрального датчика выбраны обеспечивающими максимальное значение отношения “сигнал/шум”. Как отмечено выше, данное отношение зависит от абсолютного значения динамического диапазона термосигнала. Оптимальной является величина динамического диапазона аналогового термосигнала, сопоставимая с диапазоном входного напряжения АЦП, который, как правило, равен напряжению питания АЦП. Для исключения возможных искажений сигнала аналоговым коммутатором целесообразно дополнительно ограничить диапазон аналогового термосигнала. Например при напряжении питания АЦП, равном 5 [В], оптимальным диапазоном термосигнала будет интервал от 1 до 4 [В]. В схеме полумоста резистивного делителя (фиг.1) из термосопротивления 1 и постоянного резистора 5 диапазон термосигнала будет зависеть от величины эталонного напряжения Uref, номинала резисторов и ТКС терморезистора. Минимальное значение сопротивления терморезистора ограничено током потребления питания, максимальным током источника эталонного напряжения, мощностью, выделяемой на датчике в виде тепла, а также сопротивлением соединительных проводов, которое обуславливает величину взаимного влияния датчиков, подключенных к общему проводу в измерительном шнуре. Максимальное значение сопротивления терморезистора ограничено сопротивлением изоляции, входным сопротивлением аналогового коммутатора и АЦП, а также величиной паразитных наводок на провода в измерительном шнуре. Для измерительного шнура длиной от 10 до 50 м с диапазоном рабочих температур от минус 50 до 50 [°C] оптимальным является сопротивление терморезистора от 1 до 50 [кОм] или чувствительность интегрального датчика от 2.5 до 20 [мВ/°C].8. The nominal value and TCS of the thermistor or the sensitivity of the integrated sensor are selected providing the maximum value of the signal-to-noise ratio. As noted above, this ratio depends on the absolute value of the dynamic range of the thermal signal. The optimal value is the dynamic range of the analog thermosignal, comparable with the range of the input voltage of the ADC, which, as a rule, is equal to the supply voltage of the ADC. To eliminate possible signal distortion by the analog switch, it is advisable to further limit the range of the analog thermal signal. For example, with the ADC supply voltage equal to 5 [V], the optimal range of the thermal signal will be the interval from 1 to 4 [V]. In the circuit of the half-bridge resistive divider (Fig. 1) from the
9. Поскольку одно и то же эталонное напряжение используется в качестве опорного для АЦП и для питания полумостов резистивных делителей из терморезисторов 1 и постоянных сопротивлений 5, то схема мало чувствительна к девиациям эталонного напряжения.9. Since the same reference voltage is used as a reference for the ADC and for supplying half-bridges of resistive dividers from
10. Для подавления паразитных наводок на аналоговую цепь применяется АЦП интегрирующего типа и/или интегрирующий каскад на входе АЦП, например интегрирующая RC-цепочка.10. To suppress spurious interference to the analog circuit, an integrating type ADC and / or an integrating stage at the input of the ADC are used, for example, an integrating RC circuit.
11. Для уменьшения паразитных наводок от цифровой шины применяется гальваническая развязка электрического соединения термометрической косы. Передача цифровых сигналов осуществляется посредством индуктивной либо оптической связи с использованием трансформатора либо оптопары соответственно, а питание термометрический косы - через гальванически развязанный преобразователь напряжения.11. To reduce spurious interference from the digital bus, galvanic isolation of the electrical connection of the thermometric spit is used. Digital signals are transmitted via inductive or optical communication using a transformer or optocoupler, respectively, and thermometric spit power is supplied through a galvanically isolated voltage converter.
12. Цифровой формат передачи данных измерения от термометрической косы к регистрирующему/отображающему прибору исключает потерю точности с увеличением длины соединительного провода.12. The digital format for transmitting measurement data from a thermometric spit to a recording / display instrument eliminates the loss of accuracy with increasing length of the connecting wire.
Упрощение изготовления термометрической косы связано с отсутствием необходимости отслеживать порядок следования проводов от каждого датчика, что существенно упрощает и ускоряет процесс изготовления измерительного шнура. Порядок следования датчиков определяется в процессе калибровки термометрической косы.Simplification of the manufacture of the thermometric braid is associated with the absence of the need to monitor the sequence of wires from each sensor, which greatly simplifies and speeds up the manufacturing process of the measuring cord. The order of the sensors is determined during the calibration of the thermometric spit.
Упрощение эксплуатации термометрической косы связано с использованием цифрового формата обмена данных косы и внешнего прибора, что дает возможность удаленного доступа, подключения группы кос к общей цифровой шине, записи данных измерений во внешнем приборе, и при выборе соответствующего протокола передачи данных и подключения радиомодема, - осуществления передачи данных по радиоканалу. Радиомодем также может находиться в составе электронного блока, например при подключении микроконтроллера к трансиверу.Simplification of operation of the thermometric braid is associated with the use of a digital format for exchanging data of the braid and an external device, which makes it possible to remotely access, connect a group of braids to a common digital bus, record measurement data in an external device, and when choosing the appropriate data transfer protocol and connect a radio modem data transmission over the air. A radio modem can also be part of an electronic unit, for example, when connecting a microcontroller to a transceiver.
На фиг.1 приведен вариант электрической схемы термометрической косы с аналоговыми датчиками температуры. Количество каналов коммутатора для примера выбрано равным четырем. В измерительном шнуре 10 размещены термосопротивления 1, один вывод каждого из которых подключен к общему проводу. В электронном блоке 20 каждый из постоянных резисторов 5 включен с соответствующим термосопротивлением 1 в полумостовую схему резистивного делителя эталонного напряжения Uref, формируемого источником опорного напряжения 17. Напряжение термосигнала с каждого резистивного делителя поступает на соответствующий вход X0…X3 аналогового коммутатора 15. Номер канала аналогового коммутатора 15, соответствующий вход которого подключается к выходу Y, выбирается цифровым сигналом с микроконтроллера 14, например в виде двоичного кода по адресным входам A0, A1, подключенным к выводам PA0, PA1 порта ввода/вывода микроконтроллера 14. При соответствующем типе аналогового коммутатора данный цифровой сигнал с микроконтроллера может передаваться в последовательном формате, например, соответствующем стандарту SPI или I2C, а также в формате позиционного кода. Позиционный код целесообразно использовать в случае применения аналогового коммутатора, собранного на дискретных элементах, например, если каждый канал коммутируется одним или парой комплиментарных полевых транзисторов. Выход Y аналогового коммутатора 15 через интегрирующий каскад 18, выполненный на RC-цепочке, поступает в АЦП 13 на вход Ain1. Выход аналогового коммутатора 15 может быть подключен непосредственно к АЦП 13 без интегрирующего каскада 18 в случае отсутствия необходимости дополнительного подавления шума термосигнала, например в случае применения АЦП интегрирующего типа и/или вследствие достаточно большой паразитной емкости канала коммутатора, которая вместе с сопротивлениями 1 и 5 также создает интегрирующую RC-цепочку. Терморезистор 6, расположенный в электронном блоке 20, включен в аналогичную схему формирования термосигнала, поступающего в АЦП 13 на его второй вход Ain2. Термосигнал с терморезистора 6 может быть также подключен к свободному входу аналогового коммутатора 15. Терморезистор 6 служит для определения температуры электронного блока с целью компенсации влияния паразитных термоЭДС путем математической обработки оцифрованных термосигналов. Вместо терморезистора возможно использовать цифровой датчик температуры, подключаемый непосредственно к микроконтроллеру 14. Непосредственно к микроконтроллеру 14 могут быть подключены также сигналы с аналоговых датчиков, если микроконтроллер имеет встроенный АЦП, как показано на фиг.2. Для определения градиента температуры по объему электронного блока необходимо в нем установить два или более цифровых или аналоговых датчиков, аналогичных датчику 6. Обмен данными между АЦП 13 и микроконтроллером 14 осуществляется по цифровому интерфейсу, например по двухпроводному последовательному синхронному протоколу типа SPI посредством сигналов C и D, подключенных к выводам PB0 и PB1 порта ввода/вывода микроконтроллера 14, как показано на фиг.1. ППЗУ 16 аналогично АЦП 13 подключается к микроконтроллеру 14 для обмена данными посредством любого цифрового протокола, например I2C. Для обеспечения необходимого объема данных в схему могут быть включены несколько микросхем ППЗУ. ППЗУ 16 необходимо в том случае, если микроконтроллер 14 не имеет встроенного пользовательского ППЗУ, например типа Flash, или его объема недостаточно. ППЗУ в отдельной микросхеме или в составе микроконтроллера необходимо для хранения калибровочных коэффициентов и прочей информации, необходимой для эксплуатации термометрической косы, например, серийный номер косы, текстовые комментарии и др. Для подключения термометрической косы к внешнему устройству предусмотрен разъем 7, который имеет контакты для цифровой шины данных, например, стандарта RS485, а также контакты для подачи питания к термометрической косе. На фиг.1 представлен вариант схемы электронного блока с гальванической развязкой по питанию и цифровым сигналам. Гальваническая развязка по питанию выполнена на преобразователе напряжения 11, на входные выводы которого подается питающее напряжение с разъема 7, а выходные выводы преобразователя 11 подключены к общему проводу и внутренней шине питания Vcc. Преобразователь 11 также должен обеспечивать стабилизацию напряжения на своем выходе. Гальваническая развязка цифровых сигналов выполнена на оптопарах 12, вместо которых также могут быть применены трансформаторы для индуктивной передачи сигналов. Микроконтроллер 14 посредством сигналов T×D и R×D через оптопары 12 и контроллер цифровой шины 9 осуществляет обмен данными с внешним устройством. Контроллер цифровой шины 9 служит для преобразования сигналов стандарта RS232 в RS485 и обеспечивает обмен данными по внешней цифровой шине, подключенной к разъему 7. Управление сигналом направления передачи данных, необходимого для работы контроллера 9, выполняется микроконтроллером 14 аналогично сигналу T×D и на схеме не показано. В случае обмена данными по цифровой шине по стандарту RS232 сигналы T×D и R×D могут быть подключены к разъему 7 через оптопары или непосредственно в случае отсутствия гальванической развязки. Стандарты RS232 и RS485 являются асинхронными и в отличие от синхронных, например I2C и SPI, требуют точного соответствия скорости передачи данных. Однако поскольку в RS485 используется дифференциальная пара в качестве шины данных, то данный стандарт обеспечивает передачу данных на более значительные расстояния. Питающее напряжение для контроллера 9 формирует стабилизатор напряжения 8, который может быть выполнен как на интегральной микросхеме, так и на дискретных элементах, например на цепочке из резистора и стабилитрона, подключенного к общему проводу. Стабилизатор 8 необходим в случае завышенного напряжения, поступающего с разъема 7, что может быть специально предусмотрено для компенсации падения напряжения по длине провода при подключении группы термометрических кос к одной шине данных и питания. На фиг.2 приведен упрощенный вариант электрической схемы термометрической косы без гальванической развязки. АЦП с аналоговым коммутатором, ППЗУ и источник опорного напряжения находятся в составе микроконтроллера 14. Функции контроллера цифровой шины также выполняет микроконтроллер 14, с порта ввода/вывода которого сигналы PB0 и PB1 через каскад 19 из сопротивлений и стабилитронов, ограничивающих напряжение, подключаются к цифровой шине через разъем 7. Формат передачи по цифровой шине может соответствовать синхронному двухпроводному протоколу типа I2C [9] или SPI, или однопроводному типа Micro-LAN [8]. В последнем случае для подключения к цифровой шине достаточно одного вывода PB0. Стабилизатор напряжения 8 обеспечивает питание микроконтроллера, а также используется как источник эталонного напряжения для схемы формирования термосигналов. Стабилизатор 8 может быть выполнен на интегральной микросхеме, например, линейного стабилизатора напряжения общего назначения или на дискретных элементах. Стабилизатор 8 может отсутствовать в случае подачи на разъем 7 стабилизированного питающего напряжения. На фиг.2 в качестве датчиков температуры, размещенных в измерительном шнуре 10, применены интегральные микросхемы 2, включаемые в измерительную цепь аналогично термосопротивлениям 1. Кроме этого измерительный шнур 10 на фиг.2 отличается тем, что непосредственно в нем расположены постоянные резисторы 5, подключенные к проводу с эталонным напряжением, проходящим по длине измерительного шнура. На фиг.3 приведен вариант схемы измерительного шнура 10, в котором в качестве датчиков температуры применены интегральные микросхемы 3, которые двумя выводами подключаются к шине питания и на отдельном выводе формируют напряжение термосигнала. Вместо интегральных микросхем могут быть применены гибридные микросхемы или сборки на дискретных элементах, состоящие из термосопротивления и усилителя аналогового сигнала. В зависимости от требуемой точности измерения для питания датчиков 3 может быть использовано то же напряжение Vcc, что и для питания микроконтроллера 14 или специально стабилизированное опорное напряжение Uref. Аналоговый коммутатор находится в составе АЦП 13, поэтому термосигналы с датчиков 3 подключены к выводам АЦП 13, управляемого микроконтроллером 14.Figure 1 shows a variant of the electrical circuit thermometric braids with analog temperature sensors. The number of switch channels for an example is chosen equal to four.
На фиг.4 приведен вариант электрической схемы термометрической косы с цифровыми датчиками температуры, подключенными к микроконтроллеру 14 по однопроводному интерфейсу с форматом передачи данных, обеспечивающим подключение группы датчиков к общей цифровой шине. В случае применения цифровых датчиков погрешность измерения будет определяться дискретностью цифрового формата, в котором датчик передает термосигнал, а также шумом термосигнала, включая воспроизводимость измерений. Нелинейность термосигнала цифровых датчиков существенна в диапазоне отрицательных температур и в отличие от температурной зависимости термосигнала аналоговых датчиков характеризуется наличием множества экстремумов. Нелинейность термосигнала цифровых датчиков также может быть скомпенсирована математической обработкой с использованием заранее известной температурной зависимости термосигнала. При этом для хранения калибровочных коэффициентов также необходимо отдельное ППЗУ, размещенное в электронном блоке, т.к. в цифровых датчиках пользовательское ППЗУ либо отсутствует, либо его объема недостаточно. Возможно использовать цифровые датчики с различными форматами, обеспечивающими подключение к общей цифровой шине, например I2C [9]. Однако в последнем случае, как правило, формат данных датчиков не допускает подключения к одной шине более 8 датчиков. Проблема ограничения количества датчиков может быть решена применением цифровых датчиков, обеспечивающих цепной режим выбора датчика. ППЗУ 16, размещенное в электронном блоке, может быть подключено к микроконтроллеру 14 по той же цифровой шине, что и датчики 4, или к отдельным выводам микроконтроллера 14. Питание датчиков 4 может осуществляться по отдельному проводу, проложенному в измерительном шнуре, или паразитивно по цифровой шине.Figure 4 shows a variant of the electrical circuit of a thermometric braid with digital temperature sensors connected to the
Варианты подключения микроконтроллера 14 к остальным элементам электрической схемы электронного блока 20, которые не показаны на фиг.3, 4, аналогичны вышеописанным вариантам, показанным на фиг.1, 2. Во всех описанных вариантах вместо микроконтроллера 14 может быть применена микросхема программируемой логики ПЛИС, выполняющая те же функции.The options for connecting the
Процесс взаимодействия термометрической косы с внешним устройством происходит путем выполнения команд, которые посылает внешнее устройство, таких как запрос на чтение данных ППЗУ, запись в ППЗУ, чтение результата оцифровки АЦП, запуск внутренней автокалибровки АЦП по напряжению, выбор требуемого канала аналогового коммутатора, включение/выключение режима энергосбережения. Причем термометрическая коса отвечает только на запрос, в котором присутствует ее серийный номер, что дает возможность построения сети из термометрических кос путем их подключения к общей цифровой шине.The process of interaction of the thermometric braid with an external device occurs by executing commands that the external device sends, such as a request to read the EPROM data, write to the EPROM, read the result of ADC digitization, start the ADC internal auto-calibration by voltage, select the required analog switch channel, turn on / off power saving mode. Moreover, the thermometric braid answers only a request in which its serial number is present, which makes it possible to build a network of thermometric braids by connecting them to a common digital bus.
В процессе эксплуатации термометрической косы, чтобы получить результат измерений в градусах, необходима численная математическая обработка оцифрованного термосигнала, в процессе которой вычисляется температура по заранее известной функциональной зависимости для каждого датчика. Данные функциональные зависимости должны храниться в цифровом формате в ППЗУ термометрической косы. Вычисления может выполнять микроконтроллер термометрической косы либо микроконтроллер или микропроцессор внешнего прибора. Функциональные зависимости температуры от напряжения термосигнала определяют в процессе калибровки термометрической косы. Размерность и цифровой формат напряжения термосигнала может быть в вольтах или милливольтах, оцифрованных в формате с плавающей точкой или других единицах, например, в формате целочисленных данных, которые микроконтроллер 14 получает с АЦП 13, либо в формате, который посылает цифровой датчик температуры 4.During operation of the thermometric spit, in order to obtain the measurement result in degrees, numerical mathematical processing of the digitized thermosignal is required, during which the temperature is calculated using the previously known functional dependence for each sensor. These functional dependencies should be stored digitally in the ROM of the thermometric spit. Calculations can be performed by the microcontroller of the thermometric braid or the microcontroller or microprocessor of an external device. The functional dependence of temperature on the voltage of the thermosignal is determined during the calibration of the thermometric braid. The dimension and digital format of the thermal signal voltage can be in volts or millivolts, digitized in a floating-point format or other units, for example, in the format of integer data that
На фиг.6 представлены примеры вольт-температурных характеристик термосигналов, полученных с различных аналоговых датчиков в процессе калибровки двух термометрических кос. Группа кривых 1 получена при калибровке косы, в измерительном шнуре которой были размещены полупроводниковые термисторы с отрицательным ТКС, включенные по схеме на фиг.1. Линейная зависимость 3 получена с одной из интегральных микросхем 3, включенных по схеме измерительного шнура 10 на фиг.3.Figure 6 presents examples of volt-temperature characteristics of thermal signals obtained from various analog sensors during the calibration of two thermometric braids. The group of
Калибровка термометрической косы включает в себя определение последовательности расположения датчиков в измерительном шнуре и калибровку датчиков, в процессе которой определяют вольт-температурные характеристики термосигналов с датчиков.Calibration of the thermometric braid includes determining the sequence of sensors in the measuring cord and calibrating the sensors, during which the volt-temperature characteristics of the thermal signals from the sensors are determined.
Для определения температурных зависимостей термосигналов все измерительные шнуры термометрической косы помещают в камеру термостата, в которой устанавливают необходимую температуру, и получают оцифрованные значения термосигналов со всех датчиков. Цикл получения термосигналов с датчиков и соответствующей им температуры в камере термостата повторяют, каждый раз изменяя температуру, и тем самым получают температурные зависимости термосигналов каждого датчика в виде дискретных функций в экспериментально исследованном диапазоне температур. В случае получения термосигналов только при двух температурах камеры термостата температурные зависимости термосигналов будут получены в приближении линейной функции. Термометрическую косу подключают по цифровой шине к регистрирующему прибору, посредством которого получают оцифрованное значение термосигнала с каждого датчика. Процессом калибровки может управлять внешний регистрирующий и/или отображающий прибор либо подключенный к нему ПК. Значение температуры, установившейся в камере термостата на момент опроса АЦП, получают либо путем ручного ввода с клавиатуры регистрирующего прибора или с клавиатуры ПК, либо путем получения в цифровом формате значения температуры с аналогично подключенной по цифровой шине к регистрирующему прибору заранее откалиброванной образцовой термометрической косы.To determine the temperature dependences of the thermosignals, all the measuring cords of the thermometric braid are placed in the thermostat chamber, in which the required temperature is set, and the digitized values of the thermosignals are obtained from all sensors. The cycle of receiving thermal signals from the sensors and the corresponding temperature in the thermostat chamber is repeated, each time changing the temperature, and thereby the temperature dependences of the thermal signals of each sensor are obtained in the form of discrete functions in the experimentally studied temperature range. In the case of receiving thermal signals only at two temperatures of the thermostat chamber, the temperature dependences of the thermal signals will be obtained in the approximation of a linear function. The thermometric braid is connected via a digital bus to a recording device, by means of which a digitized value of the thermosignal is obtained from each sensor. The calibration process can be controlled by an external recording and / or display device or a PC connected to it. The temperature value established in the thermostat chamber at the time of the ADC survey is obtained either by manually entering from the keyboard of the recording device or from the PC keyboard, or by obtaining in digital format the temperature value from the previously calibrated reference thermometer, similarly connected via a digital bus to the recording device.
Полученные температурные зависимости термосигналов записывают в ППЗУ термометрической косы в виде ряда калибровочных коэффициентов в цифровом формате, структура которого может быть различной. Ряд численных значений, по которым возможно восстановить температурную зависимость термосигнала как непрерывную функцию, в настоящем описании названы калибровочными коэффициентами.The obtained temperature dependences of the thermosignals are recorded in the EPROM of the thermometric braid in the form of a series of calibration coefficients in a digital format, the structure of which can be different. A number of numerical values by which it is possible to restore the temperature dependence of the thermosignal as a continuous function are called calibration coefficients in the present description.
Структура цифрового формата калибровочных коэффициентов может соответствовать упомянутой дискретной функции, в которой ряду температур сопоставлен ряд оцифрованных значений термосигналов. Такие пары термосигнала и температуры фактически являются экспериментальными данными. На фиг.6 они обозначены точками, через которые проходит непрерывная линия вольт-температурной характеристики сигнала с конкретного датчика, которую и требуется зафиксировать в ППЗУ термометрической косы.The structure of the digital format of the calibration coefficients may correspond to the aforementioned discrete function, in which a series of digitized values of thermal signals are compared to a number of temperatures. Such pairs of thermosignal and temperature are actually experimental data. In Fig.6 they are indicated by points through which a continuous line of the voltage-voltage characteristics of the signal from a particular sensor passes, which is required to be fixed in the ROM of the thermometric spit.
Структура цифрового формата калибровочных коэффициентов может соответствовать ряду коэффициентов непрерывной функции, в которой калибровочные коэффициенты представляют собой коэффициенты функциональной зависимости температуры от термосигнала. Например функциональная зависимость может быть полиномиальной:The structure of the digital format of the calibration coefficients may correspond to a series of coefficients of a continuous function in which the calibration coefficients are coefficients of the functional dependence of temperature on the thermal signal. For example, a functional relationship may be polynomial:
T=A0+A1·x+A2·x2+…+An·xn,T = A 0 + A 1 · x + A 2 · x 2 + ... + A n · x n ,
где T - температура, x - значение термосигнала, A0…An - калибровочные коэффициенты. В этом случае калибровочные коэффициенты являются коэффициентами уравнения. Получают коэффициенты регрессионной математической обработкой экспериментально полученной дискретной функции температурной зависимости термосигнала.where T is the temperature, x is the value of the thermal signal, A 0 ... A n are the calibration coefficients. In this case, the calibration coefficients are the coefficients of the equation. The coefficients are obtained by regression mathematical processing of the experimentally obtained discrete function of the temperature dependence of the thermal signal.
Для компенсации влияния паразитных ЭДС в точках электрических соединений, таких как места пайки проводов и выводов микросхем, а также влияния нежелательных температурных девиаций параметров элементов электрической схемы, таких как температурная девиация сопротивлений постоянных резисторов 5, находящихся в электронном блоке, необходимо экспериментально получить функциональную зависимость термосигналов от температуры электронного блока при неизменной температуре измерительного шнура. Целесообразно получить зависимости приращений термосигналов от температуры электронного блока, приняв за нулевые величины данные приращения при температуре электронного блока, при которой производилась калибровка датчиков в измерительном шнуре. Полученные зависимости температурных приращений будут являться арифметическими поправками для соответствующих термосигналов и при сложении образуют значения для более точного вычисления температур датчиков. Поскольку данное температурное приращение термосигнала по сравнению с динамическим диапазоном термосигнала незначительно, то можно принять зависимость приращения термосигнала от температуры электронного блока линейной и ограничиться двумя экспериментальными точками для двух температур электронного блока. При одной из этих температур, как сказано выше, температурные приращения равны нулю, поскольку при данной температуре электронного блока получают зависимости термосигналов от температуры датчиков. Таким образом, остается получить упомянутые температурные приращения при другой температуре электронного блока. Например, калибровка датчиков измерительного шнура произведена при комнатной температуре корпуса электронного блока 25 [°C], в камере термостата установлена температура 35 [°C]. Не вынимая измерительных шнуров из термостата, помещают электронный блок во второй термостат, устанавливают в нем температуру минус 30 [°C] и выдерживают до того, как градиент температуры в объеме корпуса электронного блока станет незначительным, что можно определять либо по времени выдержки, либо по разности температур с нескольких датчиков, установленных в различных точках электронного блока. Заново выполняют калибровку датчиков измерительного шнура при текущей температуре 35 [°C] и находят приращения термосигналов со всех датчиков как разности термосигналов при различных температурах электронного блока. Зная разность температур электронного блока 25-(-30)=55, определяют зависимость приращения термосигнала от температуры электронного блока как линейную функцию, представленную двумя коэффициентами. Данные коэффициенты для всех термосигналов записывают в ППЗУ. Без допущения линейности зависимости термосигналов от температуры электронного блока для получения коэффициентов функции двух переменных (двух температур: датчиков измерительного шнура и электронного блока) потребуется многократная калибровка датчиков измерительного шнура при ряде различных температур электронного блока и потребуется больший объем данных ППЗУ для записи калибровочных коэффициентов, что может быть применимо лишь в исключительных случаях.To compensate for the influence of parasitic EMFs at points of electrical connections, such as places of soldering wires and microchips, as well as the influence of undesirable temperature deviations of the parameters of circuit elements, such as the temperature deviation of the resistances of the constant resistors 5 located in the electronic unit, it is necessary to experimentally obtain the functional dependence of the thermal signals from the temperature of the electronic unit at a constant temperature of the measuring cord. It is advisable to obtain the dependence of the increments of the thermal signals on the temperature of the electronic unit, taking for zero values the increment data at the temperature of the electronic unit at which the sensors were calibrated in the measuring cord. The obtained dependences of the temperature increments will be arithmetic corrections for the corresponding thermal signals and, when added, will form values for a more accurate calculation of the sensor temperatures. Since this temperature increment of the thermosignal is insignificant compared to the dynamic range of the thermosignal, it is possible to take the dependence of the thermosignal increment on the temperature of the electronic unit linear and limit ourselves to two experimental points for the two temperatures of the electronic unit. At one of these temperatures, as mentioned above, the temperature increments are zero, because at a given temperature of the electronic unit, the dependences of the thermal signals on the temperature of the sensors are obtained. Thus, it remains to obtain the mentioned temperature increments at a different temperature of the electronic unit. For example, the calibration of the sensors of the measuring cord was performed at room temperature of the housing of the electronic unit 25 [° C], the temperature of 35 [° C] was set in the thermostat chamber. Without removing the measuring cords from the thermostat, place the electronic unit in the second thermostat, set the temperature in it to minus 30 [° C] and maintain until the temperature gradient in the volume of the body of the electronic unit becomes insignificant, which can be determined either by the exposure time or by temperature differences from several sensors installed at various points of the electronic unit. They re-calibrate the sensors of the measuring cord at the current temperature of 35 [° C] and find the increments of the thermal signals from all sensors as the difference of the thermal signals at different temperatures of the electronic unit. Knowing the temperature difference of the electronic unit 25 - (- 30) = 55, the dependence of the thermal signal increment on the temperature of the electronic unit is determined as a linear function represented by two coefficients. These coefficients for all thermal signals are recorded in the ROM. Without assuming the linear dependence of the thermal signals on the temperature of the electronic unit, to obtain the coefficients of the function of two variables (two temperatures: the sensors of the measuring cord and the electronic unit), multiple calibration of the sensors of the measuring cord at a number of different temperatures of the electronic unit will be required and a larger amount of ROM data will be required to record calibration coefficients, which may be applicable only in exceptional cases.
В процессе изготовления измерительного шнура времяемким является процесс отслеживания очередности соединительных проводов, идущих от каждого аналогового датчика в электронный блок, либо процесс определения и отслеживания очередности серийных номеров цифровых датчиков. Для оптимизации производства целесообразно данные соединительные провода подключать (например, припаивать к контактным площадкам печатной платы) ко входам аналогового коммутатора в произвольном порядке либо монтировать цифровые датчики без отслеживания их серийных номеров. Вследствие произвольного порядка подключения датчиков ко входам аналогового коммутатора потребуется определение соответствия каналов аналогового коммутатора подключенным к ним датчикам либо определение очередности серийных номеров цифровых датчиков, что возможно выполнить по отклику термосигналов на изменение температуры датчиков, например, в результате нагрева участка измерительного шнура. Для этого последовательно нагревают датчики в порядке их расположения в измерительном шнуре путем локального нагрева участка измерительного шнура с длиной меньшей, чем расстояние между датчиками, и одновременно регистрируют изменения всех термосигналов. Термометрическую косу подключают по цифровой шине к регистрирующему прибору, посредством которого получают результат оцифровки термосигналов всех датчиков последовательно. Причем длительность сдвига участка нагрева измерительного шнура на величину, равную расстоянию между датчиками, должна быть, как минимум, вдвое больше длительности цикла получения оцифрованных значений всех термосигналов. Анализируют полученные данные с целью обнаружения отклика термосигнала на нагрев датчика. В процессе последовательного нагрева датчиков составляют численный ряд номеров каналов коммутатора либо ряд серийных номеров цифровых датчиков в той последовательности, в которой были зарегистрированы отклики термосигналов на нагрев, и записывают данный численный ряд в ППЗУ термометрической косы.In the manufacturing process of the measuring cord, the process of tracking the sequence of connecting wires coming from each analog sensor to the electronic unit is time-consuming, or the process of determining and tracking the sequence of serial numbers of digital sensors. To optimize production, it is advisable to connect these connecting wires (for example, solder to the pads of the printed circuit board) to the inputs of the analog switch in random order or mount digital sensors without tracking their serial numbers. Due to the arbitrary order of connecting the sensors to the inputs of the analog switch, it will be necessary to determine the correspondence of the channels of the analog switch to the sensors connected to them or to determine the sequence of serial numbers of digital sensors, which can be done by responding to the temperature signals of the sensors, for example, by heating a portion of the measuring cord. To do this, the sensors are sequentially heated in the order of their location in the measuring cord by locally heating a portion of the measuring cord with a length shorter than the distance between the sensors, and at the same time changes in all thermal signals are recorded. The thermometric braid is connected via a digital bus to a recording device, by which the result of digitizing the thermal signals of all sensors in series is obtained. Moreover, the duration of the shift of the heating section of the measuring cord by an amount equal to the distance between the sensors should be at least twice as long as the cycle for obtaining the digitized values of all thermal signals. Analyze the obtained data in order to detect the response of the thermal signal to the heating of the sensor. In the process of sequential heating of the sensors, a numerical series of channel numbers of the switch or a series of serial numbers of digital sensors are composed in the sequence in which the responses of the thermal signals to heating were recorded, and this numerical series is recorded in the ROM of the thermometer.
ЛИТЕРАТУРАLITERATURE
[1] ГОСТ 25358-82, Грунты, Метод полевого определения температуры (Приложение 3).[1] GOST 25358-82, Soils, Field method for temperature determination (Appendix 3).
[2] SU 1234730, 1986.05.30, МПК G01K 7/02, Многоканальный цифровой термометр.[2] SU 1234730, 1986.05.30,
[3] US 6431750, 2002.08.13, МПК G01K 7/00, Flexible temperature sensing probe.[3] US 6431750, 2002.08.13,
[4] Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы. - М.: Энергия, 1978, 704 с.[4] Preobrazhensky V.P. Thermotechnical measurements and devices. - M .: Energy, 1978, 704 p.
[5] Виглеб Г. Датчики - М.: Мир, 1989, 196 с.[5] Wigleb G. Sensors - M.: Mir, 1989, 196 p.
[6] Datasheet ADG508A, Analog Devices, www.analog.com[6] Datasheet ADG508A, Analog Devices, www.analog.com
[7] Datasheet AD7714, Analog Devices, www.analog.com[7] Datasheet AD7714, Analog Devices, www.analog.com
[8] Datasheet DS18S20, Dallas Semiconductor, www.dalsemi.com[8] Datasheet DS18S20, Dallas Semiconductor, www.dalsemi.com
[9] Datasheet DS1624, Dallas Semiconductor, www.dalsemi.com[9] Datasheet DS1624, Dallas Semiconductor, www.dalsemi.com
Claims (17)
T=A0+A1·x+A2·x2+…+An·xn,
где Т - температура, х - значение сигнала датчика, А0…An - калибровочные коэффициенты.16. The method for calibrating a thermometric spit according to claim 7, characterized in that the functional dependence is a polynomial dependence of the temperature on the sensor signal:
T = A 0 + A 1 · x + A 2 · x 2 + ... + A n · x n ,
where T is the temperature, x is the value of the sensor signal, A 0 ... A n are the calibration coefficients.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2008132748/28A RU2389984C2 (en) | 2008-08-08 | 2008-08-08 | Thermometric cable and calibration method thereof |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2008132748/28A RU2389984C2 (en) | 2008-08-08 | 2008-08-08 | Thermometric cable and calibration method thereof |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2008132748A RU2008132748A (en) | 2010-02-20 |
RU2389984C2 true RU2389984C2 (en) | 2010-05-20 |
Family
ID=42126636
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2008132748/28A RU2389984C2 (en) | 2008-08-08 | 2008-08-08 | Thermometric cable and calibration method thereof |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2389984C2 (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2660753C1 (en) * | 2017-07-25 | 2018-07-09 | Юрий Александрович Попов | Thermometrical chain (thermic chain) |
RU189722U1 (en) * | 2018-09-24 | 2019-05-31 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука Сибирского отделения Российской академии наук | TEMPERATURE MONITORING STATION |
RU195201U1 (en) * | 2019-07-05 | 2020-01-17 | Черняк Александр Владимирович | Thermometer braid |
RU216896U1 (en) * | 2022-12-14 | 2023-03-06 | Дмитрий Михайлович Егоров | thermometric braid |
Families Citing this family (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2550408C1 (en) * | 2014-03-12 | 2015-05-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "Резонанс" | Electromechanical transmission of self-propelled vehicle |
CN112504512B (en) * | 2020-10-30 | 2024-12-03 | 珠海一多智能科技有限公司 | Temperature sensor accuracy self-detection and self-calibration method, electronic device, and storage medium |
CN115112266A (en) * | 2022-07-04 | 2022-09-27 | 湖南艾酷生科技有限公司 | Multichannel temperature measurement correction method and system, storage medium and electronic equipment |
-
2008
- 2008-08-08 RU RU2008132748/28A patent/RU2389984C2/en active IP Right Revival
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Компоненты и технологии. № 2, 2001 и № 3, 2001, статья «Цифровые датчики температуры от Dallas Semiconductor». ПРЕОБРАЖЕНСКИЙ В.П. Теплотехнические измерения и приборы. - М.: Энергия, 1978. * |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2660753C1 (en) * | 2017-07-25 | 2018-07-09 | Юрий Александрович Попов | Thermometrical chain (thermic chain) |
RU189722U1 (en) * | 2018-09-24 | 2019-05-31 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука Сибирского отделения Российской академии наук | TEMPERATURE MONITORING STATION |
RU195201U1 (en) * | 2019-07-05 | 2020-01-17 | Черняк Александр Владимирович | Thermometer braid |
RU216896U1 (en) * | 2022-12-14 | 2023-03-06 | Дмитрий Михайлович Егоров | thermometric braid |
RU231782U1 (en) * | 2024-11-20 | 2025-02-11 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А.Трофимука Сибирского отделения Российской академии наук (ИНГГ СО РАН) | Temperature monitoring device |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2008132748A (en) | 2010-02-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US10119867B2 (en) | Multichannel thermocouple compensation for three dimensional temperature gradient | |
RU2757064C1 (en) | Heat flow sensor with increased heat exchange | |
JP5979876B2 (en) | Method and system for temperature compensated temperature measurement | |
RU2389984C2 (en) | Thermometric cable and calibration method thereof | |
US8303179B2 (en) | Temperature-sensing and transmitting assemblies, programmable temperature sensor units, and methods of making and using them | |
RU2521746C1 (en) | Transmitter of process parameters with determination of polarity of thermocouple | |
US6068400A (en) | Temperature compensated adapter for a DMM | |
JP2014529075A (en) | Differential current sensor | |
JP2019529928A (en) | Heat flux sensor | |
US7234864B2 (en) | Measurement of multi-channel cold junction temperature | |
CN102058398A (en) | Ear thermometer and measurement device body used for the same | |
US3966500A (en) | Temperature-measuring device | |
US5066140A (en) | Temperature measurement | |
RU2380666C2 (en) | Device for determining and/or controlling temperature | |
WO1999008494A1 (en) | Temperature measuring type outside connecting mechanism for printed wiring board | |
JP6373979B2 (en) | Infrared sensor | |
US20230194357A1 (en) | Temperature probe and method for manufacturing a temperature probe | |
CN114624283B (en) | Calibration method of high-precision heat flow parameter measurement equipment based on TMP117 | |
CN112798129B (en) | Temperature measuring device | |
CN112798130B (en) | Multi-path temperature measuring device and multi-path temperature measuring circuit thereof | |
KR20040072883A (en) | Thermometric sensor circuit | |
Metal et al. | Reference Temperatures | |
CLAGGETT et al. | 4.10 Resistance Temperature Detectors |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20120809 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20151127 |