Покращання метрологічних характеристик цифрових перетворювачів температури в робочих умовах експлуатації

Abstract

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 p-n переходу, проведено аналіз метрологічних характеристик термометрів з модуляцією струму сенсорів з p-n переходом та детально проаналізовано похибки цифрового термометра з сенсорами на основі p-n 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 p-n переходом. Диссертация посвящена усовершенствованию методик повышения метрологической надёжности на месте эксплуатации цифровых термометров, которые могут работать в комплекте со стандартными термоэлектрическими и терморезистивными и полупроводниковыми сенсорами. Проведен аналитический обзор существующих методов и средств построения современных цифровых термометров, рассмотрены особенности реализации интелектуальных цифровых термоэлектрических термометров, цифровых терморезистивных термометров, цифровых полупроводниковых термометров, а также отмечены возможности калибровки измерительных преобразователей в современных интелектуальных сетях. Детально проанализированы погрешности измерительной цепи цифровых резистивных термометров, уточнена методика определения размеров чувствительных элементов малогабаритных резистивных сенсоров температуры, предложены структуры и алгоритмы работы повышения точности цифровых термометров с трипроводной линией связи и автоматической коррекцией погрешностей, исследованы возможности калибровки цифровых резистивных термометров на месте эксплуатации. Проведенный в работе анализ показал, что существующие методы и средства построения цифровых преобразователей температуры для работы с термоэлектрическими, терморезистивными и полупроводниковыми преобразователями не удовлетворяют современных потребностей практики по обеспечению метрологической надёжности, а также возможности осуществления оперативного метрологического контроля протекания процессов измерения температур в реальном масштабе времени. Используемые в интелектуальных розпределённых системах измерения температуры и в цифровых термометрах методы автокалибровки на основе встроеных в современные микроэлектронные АЦП источников постоянного напряжения не могут обеспечить их высокой метрологической надёжности и возможности осуществления оперативного контроля протекания процесса измерения, а также не предусмотрны корректные методы их поверки без демонтажа на месте эксплуатации. Показано, что в цифровых термометрах на основе микроэлектронных АЦП с автоматической коррекцией погрешностей и с трёхпроводным подсоединением ТС не разработаны методики коррекции погрешностей, вызванных разностью сопротивлений проводов при изменении температуры среды. Для коррекции этой погрешности предложено использовать в одном из каналов передачи преобразователя сопротивления активный имитатор электрического сопротивления разности сопротивлений линий связи, что даёт возможность в цифровых термометрах для работы с трёхпроводными ТС достичь практически одинаковых результатов по сравнению с прецизионными четырёхпроводными в широком диапазоне изменения температуры среды и на протяжении больших промежутков времени. Показана возможность и целесообразность построения цифровых термометров на основе дифференциального метода с использованием кодоуправляемых мер напряжения. Разработаны структура и алгоритм работы могут служить основой для построения интелектуальных цифровых термометров системного назначения, которые обеспечивают высокие метрологические характеристики при малых масогабаритных показателях средств измерений и в широком диапазоне изменения дестабилизирющих факторов на месте эксплуатации. Рассмотрены вопросы унификации характеристик преобразования цифровых термометров, работающих с сенсорами на основе p-n перехода, проведен анализ метрологических характеристик термометров с модуляцией тока сенсоров с p-n переходом и детально проанализированы погрешности цифрового термометра, предложены структуры, алгоритм калибровки и проведен анализ погрешностей интелектуальных цифровых термометров для работы с диодными сенсорами и автоматической коррекцией погрешностей. Сделаны выводы по результатам теоретических и экспериментальных исследований, проведенных в диссертационной работе. Представлены разработанные схемы экспериментальных устройств, результаты экспериментальных исследований для определения геометрических размеров чувствительных элементов термопреобразователей сопротивления различных типов и различных производителей, листинг программы для управления измерительной установкой и для расчета результатов измерений. The analytical observation of existing methods and devices for modern digital thermometer realization and specific features of thermoelectric and thermo resistive and semiconductor digital thermometers designing was done at the dissertation job. The problems and probability of measuring transducers calibration on modern intellectual network were made too. A thermo resistive digital thermometer measuring loop errors was detail analysed. The dimentions estimation methodic of miniature thermo resistive sensing elements was detailed. The structures and job algorithms of digital thermometer for threewire connecting line and for errors automation correction was proposed in this job also. The probabilities of resistive digital thermometer calibration on their working exploitation conditions were made too. The transfer function unification problem of the digital thermometer for semiconductor sensors based on p-n junction was discribed in this work. Metrological characteristic and errors of digital thermometer with sensor current modulation mode was analysed also. The structures and job and calibration algorithms of digital thermometer for p-n junction temperature sensor and for errors automation correction was proposed in this job also. The experimental investigation results for estimation dimensions of thermo resistive little-size sensing elements and investigation results of semiconductor digital thermometer experimental unit scheeme and the experimental investigation results for interchanging of a temperature sensor based on p-n junction was discribed. The theoretical and experimental investigation results based on dissertation job was made too. The designed scheeme of experimental unit and the experimental investigation results for estimation dimensions of thermo resistive little-size sensing elements which had defference dimensions and which made various producers and programm listing of experimental unit control and for measuring results calculation.