Анализ возможностей двухпроводного способа подключения резистивного датчика температуры

Цель исследования. Широкое применение в промышленности средств измерения температуры с резистивными датчиками, подключаемыми по трёхпроводной или четырёхпроводной схемам, в системах управления технологическими процессами приводит к усложнению кабельных сетей, коммутаторов и существенно ограничивает количество измерительных каналов единичного модуля аналогового ввода. Двухпроводная схема подключения, минимизирующая эти недостатки, вносит в результаты измерения значительные погрешности за счёт дополнительного нестабильного вносимого сопротивления проводников соединительной линии. Исследуется предложенный авторами способ уменьшения вносимой соединительной линией погрешности, основанный на оценке сопротивления по результатам интегрирования переходного процесса разряда шунтирующего датчик конденсатора. Оценивается степень влияния эффекта квантования, шумов и интервалов интегрирования реакции измерительной цепи на погрешность определения сопротивления.

Методы. Оценка влияния факторов проведена моделированием в среде MATLAB и экспериментальной апробацией предложенного решения на макетном образце.

Результаты. Показано существенное преимущество интегрирования методом трапеций, позволяющим получить в условиях эксперимента погрешности более чем в 300 раз меньшие, чем методом левых прямоугольников. Определено оптимальное время интегрирования, уменьшающее влияние шумов квантования и помех на погрешность измерения в диапазоне изменения сопротивления датчика. Выявлено, что оптимальные значения времени интегрирования изменяются пропорционально величине сопротивления резистивного датчика, а отклонение от оптимального значения до 50% некритично увеличивает погрешность оценки его сопротивления.

Заключение. Погрешность измерения сопротивления резистивного датчика предложенным способом в одинаковых условиях сопоставима с погрешностями способа, базирующегося на интегрировании всего переходного процесса разряда конденсатора. Максимальная погрешность в условиях эксперимента не превышает 0,12% при измерении сопротивления, равного 2 кОм, а при остальных значениях – существенно меньше. При этом применение предложенного решения позволяет существенно повысить быстродействие за счет уменьшения времени интегрирования и уменьшить объём оборудования за счёт исключения сложного коммутатора в сканирующих системах.

1. Development of Method of Low-Perturbation Multichannel Temperature Diagnostics in Vortex Tube / I. K. Kabardin, M. K. Pravdina, M. R. Gordienko [et al.] // J. Engin. Thermophys. 2022. N 31. P. 309–314. https://doi.org/10.1134/S1810232822020114

2. Malinarič S. The Application of the Finite Elements Method in the Transient Measurements of Thermophysical Parameters // Int. J. Thermophys. 2024. N 45. P. 22. https://doi.org/10.1007/s10765-023-03311-1

3. Распределенное измерение температуры в непрерывных гольмиевых волоконных лазерах / В. А. Камынин, А. А. Вольф, М. И. Скворцов, С. А. Филатова, М. С. Копьева, В. Б. Цветков, С. А. Бабин // Фотон-экспресс. 2021. № 6. С. 347–348. https:/doi.org/10.24412/2308-6920-2021-6-347-348

4. Reihani A., Meyhofer E., Reddy P. Nanokelvin-resolution thermometry with a photonic microscale sensor at room temperature // Nat. Photon. 2022. Vol. 16. P. 422–427. https://doi.org/10.1038/s41566-022-01011-0

5. Скорик И. В., Иванченко Ю. А. Разработка резистивного датчика влажности почвы // Современные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций. 2021. № 4. С. 181.

6. José Antonio Hidalgo-López. A simple digital readout circuit for differential resistive or capacitive sensors // Meas. Sci. Technol. 2023. Vol. 34, N 8. P. 085117. https://doi.org/10.1088/1361-6501/acd139

7. Reverter F. A Microcontroller-Based Interface Circuit for Three-Wire Connected Resistive Sensors // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. 2022. N 71. P. 1– 4. https://doi.org/10.1109/TIM.2022.3219492

8. Филатов А. В., Сердюков К. А., Новикова А. А. Перспективы использования модифицированного нулевого метода измерений температуры датчиками сопротивления // Измерительная техника. 2020. № 7. С. 51–55. https:/doi.org/10.32446/0368-1025it.2020-7-51-55

9. Piechowski L., Muc A., Iwaszkiewicz J. The Precise Temperature Measurement System with Compensation of Measuring Cable Influence // Energies. 2021. N 14(24). P. 8214. https://doi.org/10.3390/en14248214

10. Nagarajan P. R., George B., Kumar V. J. Improved Single-Element Resistive Sensorto-Microcontroller Interface // IEEE Trans. Instrum. Meas. 2017. N 66. P. 2736–2743. https://doi.org/10.1109/TIM.2017.2712918

11. A Procedure for Precise Determination and Compensation of Lead-Wire Resistance of a Two-Wire Resistance Temperature Detector / A. Rerkratn, S. Prombut, T. Kamsri, V. Riewruja, W. Petchmaneelumka // Sensors. 2022. N 22(11). P. 4176. https://doi.org/10.3390/s22114176

12. Li W., Xiong S., Zhou X. Lead-Wire-Resistance Compensation Technique Using a Single Zener Diode for Two-Wire Resistance Temperature Detectors (RTDs) // Sensors. 2020. N 20(9). P. 2742. https://doi.org/10.3390/s2009274

13. Jos´ e A. Hidalgo-Lopez. Direct interface circuits for resistive sensors affected by lead wire resistances // Measurement. 2023. N 218. P. 113250. https://doi.org/10.1016/j.measurement.2023.113250

14. Бондарь О. Г., Брежнева Е. О., Родионов П. С. Многоканальный преобразователь температуры // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2022. № 65(4). С. 254–261. https://doi.org/10.17586/0021-3454-2022-65-4-254-261

15. Бондарь О. Г., Брежнева Е. О., Ботиков К. А. Исследование метода измерения температуры при двухпроводном подключении термометра сопротивления // Известия Юго-Западного государственного университета. 2024. № 28(1). С. 71–87. https://doi.org/10.21869/2223-1560-2024-28-1-71-87

16. Бондарь О. Г., Брежнева Е. О., Ботиков К. А. Автоматическая подстройка параметров алгоритма измерения температуры в широком диапазоне // Измерительная техника. 2024. № 4. С. 46-53. https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2024-4-46-53