ÓÄÊ 681.2.08:53.083.62
М. Г. САМЫНИНА, к. с.-х. н. В. А. ШИГИМАГА
Óêðàèíà, ã. Хàðьêîâ, Иíñòèòóò жèâîòíîâîдñòâà НААН E-mail: radugadata@mail.ru, vash105@gmail.com
ИССЛЕÄОВАНИЕ МЕÒРОЛОГИЧЕСÊИХ
ХАРАÊÒЕРИСÒИÊ СИСÒЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ
МАЛЫХ ИЗМЕНЕНИЙ ÒЕМПЕРАÒÓРЫ
Оòêðыòèå Фàðàдååм â 1833 ãîдó îòðèцàòåëь-íîãî òåмïåðàòóðîòðèцàòåëь-íîãî êîýффèцèåíòà ñîïðîòèâëå-íèÿ ó ñóëьфèдà ñåðåбðà ïîëîжèëî íàчàëî ðàз-âèòèю íîâîãî êëàññà дàòчèêîâ òåмïåðàòóðы íà îñíîâå ïîëóïðîâîдíèêîâыõ òåðмîðåзèñòîðîâ. Иõ ïðåèмóщåñòâîм ÿâëÿюòñÿ âыñîêàÿ чóâñòâè-òåëьíîñòь ýëåêòðèчåñêîãî ñîïðîòèâëåíèÿ ê èз-мåíåíèю òåмïåðàòóðы (â 6—10 ðàз бîëьшå, чåм ó мåòàëëèчåñêèõ òåðмîмåòðîâ ñîïðîòèâëåíèÿ), мàëàÿ èíåðцèîííîñòь, îбóñëîâëåííàÿ мàëîé òå-ïëîåмêîñòью, è мàëыå ðàзмåðы [1]. Òàêèå дàò-чèêè îòëèчàюòñÿ âыñîêîé ñòàбèëьíîñòью è бîëь-шèм íîмèíàëьíым ñîïðîòèâëåíèåм, чòî ïîзâî-ëÿåò èñïîëьзîâàòь ïðîñòыå âòîðèчíыå èзмåðè-òåëьíыå ïðèбîðы è íå óчèòыâàòь âëèÿíèå ñî-ïðîòèâëåíèÿ ñîåдèíèòåëьíыõ ïðîâîдîâ [1, 2]. Пîëóïðîâîдíèêîâыå òåðмîðåзèñòîðы íàõîдÿò шèðîêîå ïðèмåíåíèå â ïðîмышëåííîé ýëåêòðî-íèêå â ñèñòåмàõ èзмåðåíèÿ, ðåãóëèðîâàíèÿ è êîмïåíñàцèè òåмïåðàòóðы, òåïëîâîãî êîíòðîëÿ [3], à òàêжå â ñфåðå бèîмåдèцèíы [1, 4].
Сóщåñòâåííîé îñîбåííîñòью è îòëèчèåм ïîëó-ïðîâîдíèêîâыõ òåðмîðåзèñòîðîâ ÿâëÿåòñÿ бîëь-шîé ðàзбðîñ ïàðàмåòðîâ è íåëèíåéíîñòь èõ òåм-ïåðàòóðíîé õàðàêòåðèñòèêè. Пðè ýòîм дëÿ ðàñ-чåòà òåмïåðàòóðы íåîбõîдèмî èñïîëьзîâàòь èз-âåñòíóю фîðмóëó [5], чòî âåñьмà òðóдîåмêî. В ñâÿзè ñ ýòèм ïðèмåíÿюò ñõåмы ëèíåàðèзàцèè ñ ïîмîщью ïàðàëëåëьíîãî èëè ïîñëåдîâàòåëьíî-ãî âêëючåíèÿ ïàññèâíыõ ðåзèñòîðîâ ñ ñîïðîòèâ-ëåíèÿмè, ïðàêòèчåñêè íå зàâèñÿщèмè îò òåмïå-ðàòóðы [5]. Пðè ýòîм êðóòèзíà ãðàдóèðîâîчíîé õàðàêòåðèñòèêè ñóщåñòâåííî ñíèжàåòñÿ, à ñëåдî-âàòåëьíî, ñíèжàåòñÿ â ðàзы è чóâñòâèòåëьíîñòь ñõåмы, êîòîðàÿ зàчàñòóю ïðèбëèжàåòñÿ ê чóâ-ñòâèòåëьíîñòè ïðîâîëîчíыõ òåðмîмåòðîâ ñîïðî-òèâëåíèÿ. Пîýòîмó â цåëîм ïîëóïðîâîдíèêîâыå
Предложено нестандартное устройство на основе полупроводниковых терморезисторов с отрица-тельным температурным коэффициентом сопротивления для контактного измерения изменений температуры в установленном диапазоне. Показано влияние количества последовательно включен-ных термоэлементов на параметры измерительной системы, исследованы ее метрологические ха-рактеристики.
Ключевые слова: измерение изменения температуры, полупроводниковые терморезисторы, разре-шающая способность, метрологические параметры.
òåðмîðåзèñòîðы íå èñïîëьзóюòñÿ дëÿ ïðåцèзè-îííîãî èзмåðåíèÿ òåмïåðàòóðы è ïðèмåíÿюòñÿ дëÿ òåðмîмåòðîâ îãðàíèчåííîãî дèàïàзîíà èз-мåðåíèÿ [1, 4, 6].
Сíèжåíèÿ чóâñòâèòåëьíîñòè èзмåðèòåëьíîé ñèñòåмы ïðè èñïîëьзîâàíèè ñõåмы ëèíåàðèзàцèè мîжíî èзбåжàòь, åñëè ïðèмåíèòь ïîñëåдîâàòåëь-íîå âêëючåíèå íåñêîëьêèõ îдèíàêîâыõ òåðмîðå-зèñòîðîâ. Пîдîбíыé ïîдõîд âíåдðåí â ïðàêòèêó ïðè êîíñòðóèðîâàíèè дàòчèêîâ â âèдå òåðмîбà-òàðåé èз òåðмîïàð [7, 8]. Пðè ýòîм â дîñòóïíîé íàм ëèòåðàòóðå íå íàéдåíî èíфîðмàцèè î òîм, êàê òàêîé ñïîñîб мîжåò âëèÿòь íà мåòðîëîãèчå-ñêèå õàðàêòåðèñòèêè èзмåðèòåëьíыõ óñòðîéñòâ íà îñíîâå ïîëóïðîâîдíèêîâыõ òåðмîðåзèñòîðîâ ñ îòðèцàòåëьíым òåмïåðàòóðíым êîýффèцèåí-òîм ñîïðîòèâëåíèÿ (ÒКÑ) è, ñëåдîâàòåëьíî, íà âыбîð îïòèмàëьíыõ ïàðàмåòðîâ èзмåðèòåëьíîé àïïàðàòóðы.
Цåëью дàííîé ðàбîòы ÿâëÿëîñь èзóчåíèå âëèÿíèÿ êîëèчåñòâà ïîñëåдîâàòåëьíî âêëючåí-íыõ ïîëóïðîâîдíèêîâыõ òåðмîðåзèñòîðîâ ñ îò-ðèцàòåëьíым ÒÊС è ëèíåàðèзîâàííîé òåмïå-ðàòóðíîé зàâèñèмîñòью íà ðàзðåшàющóю ñïî-ñîбíîñòь èзмåðèòåëьíîé ñõåмы è îñíîâíóю îò-íîñèòåëьíóю ïîãðåшíîñòь îïðåдåëåíèÿ èзмåíå-íèé òåмïåðàòóðы íåñòàíдàðòíîãî ñðåдñòâà èзмå-ðèòåëьíîé òåõíèêè.
Конструкция измерительной схемы и расчет ее параметров
Иññëåдîâàíèå ïðîâîдèëè дëÿ ñõåмы, ñîñòî-ÿщåé èз íåñêîëьêèõ ïîñëåдîâàòåëьíî âêëючåí-íыõ îдèíàêîâыõ òåðмîðåзèñòîðîâ ñ îòðèцàòåëь-íым ÒÊС è âêëючåííîãî ïàðàëëåëьíî èм ðåзè-ñòîðà дëÿ ëèíåàðèзàцèè òåмïåðàòóðíîé õàðàêòå-ðèñòèêè òåðмîðåзèñòîðîâ, à òàêжå ñòàíдàðòíîãî
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2014, ¹ 1
èзмåðèòåëьíîãî ïðèбîðà òèïà îммåòðà (мóëьòè-мåòðà). В ñîñòàâ èзмåðèòåëьíîé ñèñòåмы âõîдÿò: ïîëóïðîâîдíèêîâыå òåðмîðåзèñòîðы бóñèíêîâî-ãî òèïà СÒ3-14В íîмèíàëîм 2,2 êОм; мóëьòèмåòð UNI-T M890G; ïðåцèзèîííыå ðåзèñòîðы С2-29В íîмèíàëьíым ñîïðîòèâëåíèåм 500 Ом — 3 ÊОм.
Сîïðîòèâëåíèå ïðåцèзèîííîãî ðåзèñòîðà Rë, êîòîðыé ïîдêëючàëè ïàðàëëåëьíî òåðмîýëåмåí-òàм дëÿ ëèíåàðèзàцèè òåмïåðàòóðíîé õàðàêòå-ðèñòèêè ñõåмы îïðåдåëÿëè ïî фîðмóëå, êîòîðàÿ àíàëîãèчíà òîé, чòî ïðèмåíÿåòñÿ â ðàñчåòàõ дëÿ îдíîãî òåðмîðåзèñòîðà [4, 5]:
– ,
R R
B T
B T
2 2
ë
c c
TM
M M
=
+ (1)
ãдå RТМ— ñîïðîòèâëåíèå ñõåмы òåðмîðåзèñòî-ðîâ ïðè ñðåдíåм зíàчåíèè òåмïåðàòóðы ТМ (Ê) зàдàííîãî дèàïàзîíà.
Äëÿ íàõîждåíèÿ âõîдÿщåé â фîðмóëó êîí-ñòàíòы Вñ ñõåмы ïîñëåдîâàòåëьíî ñîåдèíåííыõ òåðмîðåзèñòîðîâ (åå ðàзмåðíîñòь Ê) ïðîâîдèëè êàëèбðîâêó ñõåмы ïðè дâóõ зíàчåíèÿõ òåмïå-ðàòóðы, à зàòåм дëÿ ðàñчåòà èñïîëьзîâàëè фîð-мóëó, êîòîðàÿ îбычíî ïðèмåíÿåòñÿ дëÿ îдíîãî òåðмîðåзèñòîðà [4, 5]:
2, 303
/ – / –
, lg lg B
T T
R R
1 1
ñ
1 2 1 2
= (2)
ãдå R1, R2 — ñîïðîòèâëåíèå (â Ом) ïîñëåдîâà-òåëьíî ñîåдèíåííыõ òåðмîðåзèñòîðîâ ïðè òåм-ïåðàòóðå, ñîîòâåòñòâåííî, Т1 è Т2 (â Ê).
Общåå ñîïðîòèâëåíèå ñõåмы, зàâèñÿщåå îò èзмåðÿåмîé òåмïåðàòóðы, ñîñòàâëÿåò
/ / ( ... )
R
R R R
1 1
1
ñ
ë T1 Tn
=
+ + + , (3)
ãдå RТ1, …, RТn — ñîïðîòèâëåíèå òåðмîðåзèñòî-ðîâ ïðè òåмïåðàòóðå Т.
Измåíåíèÿ òåмïåðàòóðы, фèêñèðóåмыå ñè-ñòåмîé èзмåðåíèÿ, âычèñëÿюòñÿ ïóòåм óмíîжå-íèÿ ðàзðåшàющåé ñïîñîбíîñòè èзмåðèòåëьíîé ñõåмы íà âåëèчèíó èзмåíåíèÿ îбщåãî ñîïðîòèâ-ëåíèÿ ñèñòåмы, îïðåдåëÿåмóю êàê ðàзíîñòь ïî-êàзàíèé èзмåðèòåëьíîãî ïðèбîðà, дåëåííóю íà цåíó мëàдшåãî ðàзðÿдà цèфðîâîãî èзмåðèòåëь-íîãî ïðèбîðà.
Экспериментальная часть
Óчèòыâàÿ òî, чòî ñфåðà бèîмåдèцèíы ÿâëÿ-åòñÿ îдíèм èз îñíîâíыõ íàïðàâëåíèé ïðèмåíå-íèÿ ïîëóïðîâîдíèêîâыõ òåðмîðåзèñòîðîâ ñ îò-ðèцàòåëьíым ÒÊС, è ðåшàÿ èññëåдîâàòåëьñêóю ïðîбëåмó [9], дëÿ êîòîðîé âîзíèêëà íåîбõîмîñòь ðàññмîòðåíèÿ ïîдîбíîãî óñòðîéñòâà, дè-àïàзîí òåмïåðàòóðы дëÿ ïðîâåдåíèÿ ïðåдâàðè-òåëьíîé îцåíêè ïàðàмåòðîâ ñõåмы быë
фèêñè-рован: от 36 до 42°С.
Сîãëàñíî ñõåмå èзмåðåíèÿ быëè îïðåдåëåíы мåòðîëîãèчåñêèå õàðàêòåðèñòèêè, êîòîðыå
ïîд-ëåжàò èññëåдîâàíèю: ðàзðåшàющàÿ ñïîñîбíîñòь èзмåðèòåëьíîé ñõåмы, îñíîâíàÿ îòíîñèòåëьíàÿ ïîãðåшíîñòь îïðåдåëåíèÿ èзмåíåíèé òåмïåðàòó-ðы è åå ñîñòàâëÿющèå — îòíîñèòåëьíàÿ ïîãðåш-íîñòь îïðåдåëåíèÿ ðàзíîñòè ñîïðîòèâëåíèé, îò-íîñèòåëьíàÿ ïîãðåшíîñòь ðàзðåшàющåé ñïîñîб-íîñòè ñõåмы è ïîãðåшíîñòь êâàíòîâàíèÿ.
С цåëью îïðåдåëåíèÿ òåîðåòèчåñêè âîзмîжíîãî зíàчåíèÿ ðàзðåшàющåé ñïîñîбíîñòè èзмåðèòåëь-íîé ñõåмы быëî èññëåдîâàíî 18 îдèíàêîâыõ ïîëóïðîâîдíèêîâыõ òåðмîðåзèñòîðîâ, êîòîðыå èмåëè îòêëîíåíèå ±7,8% îò íîмèíàëà. Иõ ñëó-чàéíым îбðàзîм âêëючàëè â èзмåðèòåëьíóю ñõå-мó ïîñëåдîâàòåëьíî â êîëèчåñòâå дî ïÿòè шòóê. Рàзðåшàющóю ñïîñîбíîñòь ñõåмы К âычèñëÿëè êàê К=∆d/E,
ãдå ∆d, E — цåíà дåëåíèÿ мëàдшåãî ðàзðÿдà цèф-ðîâîãî èзмåðèòåëьíîãî ïðèбîðà è åãî чóâñòâè-òåëьíîñòь ñîîòâåòñòâåííî, Е=∆Rñ/∆Т.
Оñíîâíóю îòíîñèòåëьíóю ïîãðåшíîñòь îïðå-дåëåíèÿ èзмåíåíèÿ òåмïåðàòóðы âычèñëÿëè êàê [11]
êâ
t R K
2 2 2
!
δ∆ = δ∆ +δ +δ , (4)
ãдå δ∆R — îòíîñèòåëьíîå îòêëîíåíèå ðåзóëьòàòà âы-чèòàíèÿ ïîêàзàíèé èзмåðèòåëьíîãî ïðè-бîðà;
δK — îòíîñèòåëьíîå îòêëîíåíèå зàдàííîé ðàз-ðåшàющåé ñïîñîбíîñòè îò дåéñòâèòåëьíî-ãî зíàчåíèÿ;
δêâ — îòíîñèòåëьíàÿ îшèбêà êâàíòîâàíèÿ, âîз-íèêàющàÿ â ðåзóëьòàòå òîãî, чòî èзмåíå-íèÿ òåмïåðàòóðы фèêñèðóюòñÿ ñ îïðåдå-ëåííым шàãîм.
Пðè ýòîм
δêâ=(∆êâ/∆tmax)•100%, (5) ãдå ∆tmax — дèàïàзîí òåмïåðàòóðы, â êîòîðîм òåмïåðàòóðíàÿ õàðàêòåðèñòèêà ñõåмы ëèíåàðè-зîâàíà.
Äëÿ ðàñчåòà îòíîñèòåëьíîé ïîãðåшíîñòè îïðåдåëåíèÿ ðàзíîñòè дâóõ зíàчåíèé ñîïðîòèâ-ëåíèÿ Rñ, êîòîðàÿ õàðàêòåðèзóåò èзмåíåíèå îб-щåãî ñîïðîòèâëåíèÿ ñõåмы ïðè èзмåíåíèè òåм-ïåðàòóðы, быëè èñïîëьзîâàíы âыðàжåíèÿ Rñ1èзм=Rñ1+Rñ1(δR/100%);
Rñ2èзм=Rñ2+Rñ2(δR/100%),
ãдå Rñ1èзм,Rñ2èзм— ðåзóëьòàòы èзмåðåíèé;
Rñ1, Rñ2 — дåéñòâèòåëьíыå зíàчåíèÿ
èзмå-ðÿåмîé âåëèчèíы Rñ, êîòîðыå
èзмåðåíы ñ ïîãðåшíîñòью ±δR;
δR —îñíîâíàÿ îòíîñèòåëьíàÿ ïîãðåш-íîñòь èзмåðèòåëьíîãî ïðèбîðà (â %).
% – % – – – 100% – .
R R
R R R R
1
100 1 100
R c
R c
R
c c c c
1 2
1 2 $ 1 2
δ∆ =^ c + δ c + δ
^ ^
m m
hh h
(6)
ïîñëå óïðîщåíèÿ êîòîðîãî ïîëóчàåм, чòî δ∆R=δR. (7)
Äëÿ òîãî, чòîбы îïðåдåëèòь îòíîñèòåëьíîå îò-êëîíåíèå òåîðåòèчåñêîãî зíàчåíèÿ ðàзðåшàющåé ñïîñîбíîñòè èзмåðèòåëьíîé ñõåмы îò åå дåéñòâè-òåëьíîãî зíàчåíèÿ, íåîбõîдèмî óñòàíîâèòь фàê-òèчåñêîå зíàчåíèå чóâñòâèòåëьíîñòè ñõåмы ê èз-мåíåíèÿм òåмïåðàòóðы. С ýòîé цåëью ïî ðåïåð-íîé òîчêå, â êàчåñòâå êîòîðîé âыбðàíà
òåмïåðà-тура плавления галлия (29,76°С) как наиболее
бëèзêàÿ ê зàдàííîмó òåмïåðàòóðíîмó дèàïàзî-íó, è ïðè âыбðàííîé ïðîèзâîëьíî òåмïåðàòóðå èз ýòîãî дèàïàзîíà ïðîâîдèëè êàëèбðîâêó ñõå-мы ñ ïîñëåдîâàòåëьíым ñîåдèíåíèåм òåðмîðå-зèñòîðîâ бåз âêëючåíèÿ â ñõåмó ïðåцèзèîííî-ãî ðåзèñòîðà, ïðåдíàзíàчåííîïðåцèзèîííî-ãî дëÿ ëèíåàðèзà-цèè òåмïåðàòóðíîé õàðàêòåðèñòèêè. Пî фîðмó-ëå (2) быëî îïðåдåфîðмó-ëåíî дåéñòâèòåëьíîå зíàчå-íèå êîýффèцèåíòà Вñ. Иñïîëьзóÿ èзâåñòíîå âы-ðàжåíèå [5], êîòîðîå ïðèмåíÿåòñÿ дëÿ îïèñàíèÿ òåмïåðàòóðíîé õàðàêòåðèñòèêè òåðмîðåзèñòîðîâ ñ îòðèцàòåëьíым ÒÊС, быëè îïðåдåëåíы зíàчå-íèÿ ñîïðîòèâëåзíàчå-íèÿ ïîñëåдîâàòåëьíî ñîåдèíåí-íыõ òåðмîðåзèñòîðîâ, ñîîòâåòñòâóющèå íàчà-ëó è êîíцó óñòàíîâëåííîãî òåмïåðàòóðíîãî дè-àïàзîíà. Äàëåå ïðè ýòèõ òåмïåðàòóðàõ ïî фîð-мóëå (3) быëè âычèñëåíы зíàчåíèÿ îбщåãî ïðîòèâëåíèÿ èзмåðèòåëьíîé ñõåмы ñ óчåòîм ñî-ïðîòèâëåíèÿ ëèíåàðèзàцèè, à зàòåм — фàêòè-чåñêèå зíàчåíèÿ чóâñòâèòåëьíîñòè è ðàзðåшàю-щåé ñïîñîбíîñòè ñõåмы.
Нåîбõîдèмыå дëÿ èññëåдîâàíèÿ èзмåðåíèÿ ïðîâîдèëè íà бàзå îòдåëà òåмïåðàòóðíыõ è òå-ïëîфèзèчåñêèõ èзмåðåíèé ННЦ Иíñòèòóòà мå-òðîëîãèè (ã. Хàðьêîâ). Рåïåðíàÿ òîчêà òåмïåðà-òóðы ïëàâëåíèÿ ãàëëèÿ è òåмïåðàòóðà èз зàдàí-íîãî дèàïàзîíà быëè âîñïðîèзâåдåíы ñ ïîмîщью êàëèбðàòîðà òåмïåðàòóðы ÒС-660 (ðàбîчåãî ýòà-ëîíà 3-ãî ðàзðÿдà). Быëà ïðåдóñмîòðåíà ïîâåð-êà èзмåðèòåëьíîãî ïðèбîðà (мóëьòèмåòðà), êî-òîðóю îñóщåñòâëÿëè ñ ïîмîщью мåðы (мàãàзè-íà) ýëåêòðèчåñêîãî ñîïðîòèâëåíèÿ ïîñòîÿííîãî òîêà ММЭС Р3026 0,4.1 (êëàññ òîчíîñòè 0,002).
Ðезультаты и их обсуждение
Измåíåíèå ðàзðåшàющåé ñïîñîбíîñòè ñõåмы ïðè óâåëèчåíèè êîëèчåñòâà ïîëóïðîâîдíèêîâыõ òåðмîðåзèñòîðîâ, âêëючåííыõ â ñõåмó ëèíåàðè-зàцèè, êîòîðîå мîжíî ïîëóчèòь ïðè ∆d=1 Ом, ïîêàзàíî íà рисунке. Эêñïåðèмåíòàëьíыå òîчêè õîðîшî àïïðîêñèмèðóюòñÿ ñòåïåííîé фóíêцè-åé y=0,1595x–1,0018 (êîýффèцèåíò дåòåðмèíàцèè
фàêòèчåñêè ðàâåí åдèíèцå). Иñïîëьзóÿ ýòó зà-âèñèмîñòь, мîжíî ïîêàзàòь, чòî ïîñëåдîâàòåëь-íîå âêëючåíèå ñåмè è бîëåå ïîëóïðîâîдíèêîâыõ òåðмîðåзèñòîðîâ â ñõåмó ëèíåàðèзàцèè ïðèâå-дåò ê ïîëóчåíèю бîëьшåé чóâñòâèòåëьíîñòè
ñî-противления к температуре, около 38 Ом/°С,
чåм â ñðåдíåм ó îдíîãî òåðмîðåзèñòîðà дàííîãî òèïà дî ëèíåàðèзàцèè. Пðè ýòîм мèíèмàëьíîå
разрешение составит 0,03°С.
Êàê âèдíî èз ðèñóíêà, чóâñòâèòåëьíîñòь ñõå-мы ñóщåñòâåííî óâåëèчèâàåòñÿ ïðè âêëючåíèè âòîðîãî òåðмîðåзèñòîðà — ðàзðåшàющàÿ
ñïî-собность улучшается на 0,08°С (в 2 раза), а при включении третьего еще на 0,03°С (в 1,5 раза).
Äàëьíåéшåå óâåëèчåíèå óжå íå ïðîèñõîдèò ñòîëь ñòðåмèòåëьíî, è дëÿ ïîëóчåíèÿ ðàзðåшåíèÿ â
0,01°С необходимо последовательное включе -íèå îêîëî 16 òåðмîðåзèñòîðîâ дàííîãî òèïà, чòî óжå âðÿд ëè цåëåñîîбðàзíî è ÿâëÿåòñÿ îдíèм èз îãðàíèчèâàющèõ фàêòîðîâ ïðè ïîдбîðå îïòè-мàëьíыõ ïàðàмåòðîâ óñòðîéñòâà. Одíîâðåмåííî ñ óâåëèчåíèåм êîëèчåñòâà âêëючàåмыõ òåðмîðå-зèñòîðîâ îòмåчàåòñÿ è óмåíьшåíèå âåëèчèíы ðàз-бðîñà зíàчåíèé К, êîòîðыé âîзíèêàåò èз-зà ðàз-бðîñà õàðàêòåðèñòèê òåðмîðåзèñòîðîâ.
Оцåíêó мåòðîëîãèчåñêèõ õàðàêòåðèñòèê ñè-ñòåмы èзмåðåíèÿ ïðîâåëè дëÿ ñõåмы ñ чåòыðь-мÿ ïîñëåдîâàòåëьíî âêëючåííымè òåðмîðåзè-ñòîðàмè ñ ñîïðîòèâëåíèåм ñîãëàñíî èõ ïàñïîð-òîâ 2453, 2221, 2266 è 2015 Ом ïðè
òåмïåðàòó-ре 20°С (относительное отклонение сопротив -ëåíèÿ îò íîмèíàëьíîãî зíàчåíèÿ дëÿ дàííîãî òèïà òåðмîñîïðîòèâëåíèé ñîñòàâëÿåò ±8,4%). Рàññчèòàííыå ïî фîðмóëàм (1), (2) ïàðàмå-òðы èзмåðèòåëьíîé ñõåмы ñîñòàâèëè Вñ=3273 Ê è Rë=3089 Ом. С óчåòîм ýòèõ ïàðàмåòðîâ, ïî фîðмóëå (3) быëè óñòàíîâëåíы зíàчåíèÿ îбщå-ãî ñîïðîòèâëåíèÿ ñõåмы, ñîîòâåòñòâóющèå ãðà-íèцàм зàдàííîãî дèàïàзîíà, è îïðåдåëåíà ðàзðå-шàющàÿ ñïîñîбíîñòь ñõåмы, êîòîðàÿ мîжåò быòь ðåàëèзîâàíà, à èмåííî: К=0,040085°С. В соот -âåòñòâèè ñ ðèñóíêîм, ðàзðåшàющàÿ ñïîñîбíîñòь
схемы теоретически может составлять 0,04°С,
ïîýòîмó îòíîñèòåëьíàÿ ïîãðåшíîñòь ðàñчåòíîãî зíàчåíèÿ ïî îòíîшåíèю ê òåîðåòèчåñêîмó îïðå-дåëåíà êàê δК=0,2%.
Рàñчåò îòíîñèòåëьíîé ïîãðåшíîñòè êâàíòî-âàíèÿ ïðîâåдåí ñ óчåòîм òîãî, чòî зàâèñèмîñòь
Зàâèñèмîñòь ðàзðåшàющåé ñïîñîбíîñòè ñõåмы ëèíå-àðèзàцèè òåðмîðåзèñòîðîâ îò êîëèчåñòâà
ïîñëåдîâà-òåëьíî ñîåдèíåííыõ òåðмîýëåмåíòîâ
1 2 3 4 n, шò К, °С
0,16
0,12
0,08
0,04
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2014, ¹ 1
àбñîëюòíîé ïîãðåшíîñòè êâàíòîâàíèÿ îò èз-мåðÿåмîé ðàзíîñòè òåмïåðàòóð ïðåдñòàâëÿåò ñîбîé ïèëîîбðàзíóю фóíêцèю [11], à åå мàê-ñèмàëьíîå зíàчåíèå мîжåò дîñòèãàòь цåëîãî шàãà êâàíòîâàíèÿ, ò. å. |∆êâ|≤0,04°С. Таким
îбðàзîм, ñîãëàñíî фîðмóëå (5) îòíîñèòåëьíàÿ ïîãðåшíîñòь êâàíòîâàíèÿ ñîñòàâèëà δêâ=0,7%.
Оòíîñèòåëьíàÿ ïîãðåшíîñòь îïðåдåëåíèÿ ðàзíîñòè ñîïðîòèâëåíèé ñõåмы â ñîîòâåòñòâèè ñ фîðмóëîé (7) îïðåдåëÿåòñÿ îñíîâíîé îòíîñè-òåëьíîé ïîãðåшíîñòью èзмåðèòåëьíîãî ïðèбî-ðà. Еå âåëèчèíà ñîãëàñíî ïàñïîðòíым дàííым ðàâíà 0,8%, ïîýòîмó δ∆R=0,8%. Пîâåðêà мóëь-òèмåòðà ïîдòâåðдèëà ñîîòâåòñòâèå мåòðîëîãèчå-ñêèõ õàðàêòåðèñòèê óñòàíîâëåííым â ïàñïîðòå. Сëåдîâàòåëьíî, ïî ïðåдâàðèòåëьíîé îцåíêå ñî-ãëàñíî фîðмóëå (4) îñíîâíàÿ îòíîñèòåëьíàÿ ïî-ãðåшíîñòь îïðåдåëåíèÿ èзмåíåíèÿ òåмïåðàòóðы дîëжíà ñîñòàâèòь 1,1%.
Äëÿ îïðåдåëåíèÿ дåéñòâèòåëьíîãî зíàчåíèÿ ðàзðåшàющåé ñïîñîбíîñòè èзмåðèòåëьíîé ñõåмы ïðè ïîñëåдîâàòåëьíîм ñîåдèíåíèè чåòыðåõ òåð-мîðåзèñòîðîâ быëà ïðîâåдåíà åå êàëèбðîâêà ïî ðåïåðíîé òîчêå — òåмïåðàòóðå ïëàâëåíèÿ ãàë-ëèÿ è ïðè òåмïåðàòóðå èз зàдàííîãî дèàïàзîíà бåз âêëючåíèÿ â ñõåмó ïðåцèзèîííîãî ðåзèñòî-ðà. В таблице ïðèâåдåíы ðåзóëьòàòы èзмåðåíèé è îòíîñèòåëьíыå îòêëîíåíèÿ ýêñïåðèмåíòàëьíыõ дàííыõ îò зíàчåíèé, ïîëóчåííыõ ðàñчåòíым ïó-òåм ñîãëàñíî дàííым ïàñïîðòîâ.
Иñõîдÿ èз ýêñïåðèмåíòàëьíыõ дàííыõ, быëî îïðåдåëåíî дåéñòâèòåëьíîå зíàчåíèå êîýффèцè-åíòà Вñ, êîòîðîå ñîñòàâèëî 3271 Ê.
Пðè âêëючåíèè ñîïðîòèâëåíèÿ ëèíåàðèзà-цèè â èзмåðèòåëьíóю ñõåмó фàêòèчåñêîå зíàчå-íèå åå îбщåãî ñîïðîòèâëåíèÿ Rñ,
ñîîòâåòñòâóю-щее температуре 38,00°С, составило 1867 Ом.
Нàéдåííыå ñ óчåòîм ïîëóчåííîãî зíàчåíèÿ êî-ýффèцèåíòà Вñ зíàчåíèÿ îбщåãî ñîïðîòèâëåíèÿ ñõåмы, ñîîòâåòñòâóющèå íàчàëó è êîíцó дèàïà-зîíà, â êîòîðîм òåмïåðàòóðíàÿ õàðàêòåðèñòè-êà ëèíåàðèзîâàíà, ñîñòàâèëè 1916 è 1763 Ом. Сëåдîâàòåëьíî, дåéñòâèòåëьíîå зíàчåíèå ðàз-ðåшàющåé ñïîñîбíîñòè èзмåðèòåëьíîé ñõåмы К=0,040092°С, а его относительное отклонение от теоретического (0,04°С) δК=0,2%. Сîãëàñíî фîðмóëå (4) îñíîâíàÿ îòíîñèòåëьíàÿ ïîãðåш-íîñòь îïðåдåëåíèÿ èзмåíåíèÿ òåмïåðàòóðы ñî-ñòàâèëà 1,1%.
Òàêèм îбðàзîм, îñíîâíîé âêëàд â фîðмèðî-âàíèå îбщåé ïîãðåшíîñòè èзмåðåíèÿ мàëыõ èз-мåíåíèé òåмïåðàòóðы âíîñÿò ïîãðåшíîñòь êâàí-òîâàíèÿ, îïðåдåëÿåмàÿ ðàзðåшàющåé ñïîñîб-íîñòью èзмåðèòåëьíîé ñõåмы, è îòíîñèòåëьíàÿ îшèбêà èзмåðåíèÿ ñîïðîòèâëåíèÿ ñòàíдàðòíым èзмåðèòåëьíым ïðèбîðîм òèïà îммåòðà (мóëь-òèмåòðà). Очåâèдíî, чòî óâåëèчåíèå êîëèчå-ñòâà òåðмîðåзèñòîðîâ ïðèâåдåò ê óëóчшåíèю ðàзðåшàющåé ñïîñîбíîñòè è óмåíьшåíèю ïî-ãðåшíîñòè êâàíòîâàíèÿ, ïðè ýòîм èзмåðèòåëь-íыé ïðèбîð, âîзмîжíî, цåëåñîîбðàзíî âыбèðàòь ñ мåíьшåé ïîãðåшíîñòью èзмåðåíèÿ ñîïðîòèâ-ëåíèÿ, чòîбы ðåàëèзîâàòь мàêñèмàëьíóю òîч-íîñòь ñõåмы.
Сëåдóåò îòмåòèòь, чòî ïðè èñïîëьзîâàíèè ñõåмы ëèíåàðèзàцèè дëÿ èзмåðåíèÿ èзмåíåíèé
температуры в диапазоне от 36 до 42°С с помо -щью îдíîãî ïîëóïðîâîдíèêîâîãî òåðмîðåзèñòî-ðà дàííîãî òèïà дîñòèãàåòñÿ òîчíîñòь íà óðîâíå îêîëî 3—4%. В ýòîм ñëóчàå âîзмîжíîñòь êîí-òðîëèðîâàòь èзмåíåíèÿ òåмïåðàòóðы îãðàíèчå-íà óðîâíåм дåñÿòыõ дîëåé ãðàдóñà.
Выводы
Пðîâåдåííыå èññëåдîâàíèÿ íåñòàíдàðòíîãî èзмåðèòåëьíîãî óñòðîéñòâà íà îñíîâå ïîëóïðî-âîдíèêîâыõ òåðмîðåзèñòîðîâ ñ îòðèцàòåëьíым òåмïåðàòóðíым êîýффèцèåíòîм ñîïðîòèâëåíèÿ ïîêàзàëè, чòî âыñîêîå ðàзðåшåíèå ïî òåмïåðàòó-ðå â îãðàíèчåííîм дèàïàзîíå òåмïåðàòóð мîжåò быòь дîñòèãíóòî ïðè ïðèмåíåíèè ñõåмы ëèíåà-ðèзàцèè. Сõåмà ñ ïîñëåдîâàòåëьíым âêëючåíè-åм îдíîòèïíыõ òåðмîðåзèñòîðîâ ïîзâîëÿåò èзмå-ðÿòь èзмåíåíèÿ òåмïåðàòóðы ñ бîëьшîé òîчíî-ñòью, ïîýòîмó ïîдîбíыé ïîдõîд мîжíî èñïîëь-зîâàòь ïðè ðàзðàбîòêå àïïàðàòóðы дëÿ âыñîêî-òîчíыõ èзмåðåíèé è ñèñòåм òîчíîãî ðåãóëèðî-âàíèÿ òåмïåðàòóðы â îïðåдåëåííыõ дèàïàзîíàõ. В ýòîм ñëóчàå îбëàñòь ïðèмåíåíèÿ ïîëóïðîâî-дíèêîâыõ òåðмîðåзèñòîðîâ â ñèñòåмàõ, ðàбîòà-ющèõ â óзêèõ дèàïàзîíàõ òåмïåðàòóðы, бóдåò ðàñшèðÿòьñÿ.
ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСÒОЧНИÊИ
1. Еâòèõèåâ Н.Н., Êóïåðшмèдò Я.А., Пàïóëîâñêèé В.Ф., Сêóãîðîâ В.Н. Измåðåíèå ýëåêòðèчåñêèõ è íåýëåê-òðèчåñêèõ âåëèчèí: Óчåб. ïîñîбèå дëÿ âóзîâ.— Мîñêâà: Эíåðãîàòîмèздàò, 1990.
2. Зàéцåâ Ю.В. Пîëóïðîâîдíèêîâыå ðåзèñòîðы.— Мîñêâà: Эíåðãèÿ, 1969.
3. Мýêëèí Э.Ä. Òåðмîðåзèñòîðы.— Мîñêâà: Рàдèî è ñâÿзь, 1983.
4. Фðàéдåí Äж. Сîâðåмåííыå дàòчèêè. Сïðàâîчíèê.— Мîñêâà: Òåõíîñфåðà, 2005.
5. Вèãëåб Г. Äàòчèêè.— Мîñêâà: Мèð, 1989.
6. Äжåêñîí Р.Г. Нîâåéшèå дàòчèêè.— Мîñêâà: Òåõíîñфåðà, 2007.
7. Гåðàщåíêî О.А., Фåдîðîâ В.Г. Òåïëîâыå è òåмïå-ðàòóðíыå èзмåðåíèÿ: Сïðàâîчíîå ðóêîâîдñòâî.— Êèåâ: Нàóêîâà дóмêà, 1965.
8. Мåéздà Ф. Эëåêòðîííыå èзмåðèòåëьíыå ïðèбîðы è мåòîды èзмåðåíèé.— Мîñêâà: Мèð, 1990.
Общее сопротивление цепи при различных Т
Т, °С
Сîïðîòèâëåíèå цåïè,
Ом
Оòíîñèòåëь-íîå îòêëîíå-íèå, % ñðåдíåå
ðåзóëьòàòîâ èзмåðåíèé
ðàñчåò-íîå
29,76 6277 6248 0,46
9. Сàмыíèíà М.Г. Пðèмåíåíèå дèффåðåíцèàëьíîé òåð-мîмåòðèè дëÿ ïîâышåíèÿ дîñòîâåðíîñòè îцåíêè òåмïåðàòó-ðы òåëà // Вîñòîчíî-Еâðîïåéñêèé жóðíàë ïåðåдîâыõ òåõ-íîëîãèé.—2011.— ¹6/5(54)— С. 30—33.
10. Сàмыíèíà М.Г. Сïîñîб ïîñòðîåíèÿ èзмåðèòåëьíîé ñèñòåмы дëÿ ðåãèñòðàцèè мàëыõ èзмåíåíèé òåмïåðàòóðы // Бèîíèêà èíòåëëåêòà.—2008. — ¹1(68).— С. 123—127.
11. Хðîмîé Б.П., Êàíдèíîâ А.В., Сåíÿâñêèé А.Л. è дð. Мåòðîëîãèÿ, ñòàíдàðòèзàцèÿ è èзмåðåíèÿ â òåõíèêå ñâÿзè: Óчåб. ïîñîбèå дëÿ âóзîâ.— Мîñêâà: Рàдèî è ñâÿзь, 1986.
Äата поступления рукописи в редакцию 03.09 2013 г.
M. G. SAMYNINA, V. A. SHIGIMAGA
Ukraine, Kharkov, Institute of animal science of NAAS E-mail: radugadata@mail.ru, vash105@gmail.com
INVESTIGATION OF METROLOGICAL PARAMETERS OF MEASURING
SYSTEM FOR SMALL TEMPERATURE CHANGES
Metrological parameters of the non-standard contact device were investigated to characterize its performance in temperature change measurements in the specified temperature range. Several series thermistors with a negative temperature coefficient of resistance connected into a linearization circuit were used as the sensing element of the semiconductor device. Increasing the number of thermistors leads to improved circuitry resolving power and reduced dispersion of this parameter. However, there is the question of optimal ratio of the number of thermistors and implemented temperature resolution, due to the nonlinear resolution dependence of the number of series-connected thermoelements. An example of scheme of four similar thermistors as the primary sensor and of a standard measuring instrument, which is working in ohmmeter mode, shows the ability to measure temperature changes at the level of hundredth of a Celsius degree. In this case, a quantization error, which is determined by a resolution of the measuring system, and the ohmmeter accuracy make the main contribution to the overall accuracy of measuring small temperature changes.
Keywords: temperature change measuring, semiconductor thermoresistors, resolution, metrological parameters. М. Г. САМИНІНА, В. А. ШИГІМАГА
Óêðàїíà, м. Хàðêіâ, Іíñòèòóò òâàðèííèцòâà НААН E-mail: radugadata@mail.ru, vash105@gmail.com
ÄОСЛІÄЖЕННЯ МЕÒРОЛОГІЧНИХ ХАРАÊÒЕРИСÒИÊ СИСÒЕМИ
ВИМІРЮВАННЯ МАЛИХ ЗМІН ÒЕМПЕРАÒÓРИ
Запропоновано нестандартний пристрій на основі напівпровідникових терморезисторів з негативним температурним коефіцієнтом опору для контактного вимірювання змін температури в установленому діапазоні. Показано вплив кількості послідовно включених термоелементів на параметри вимірювальної системи, досліджено її метрологічні характеристики.
Ключові слова: вимір зміни температури, напівпровідникові терморезистори, роздільність, метрологічні параметри.
REFERENCES
1. Evtikhiev N.N., Kupershmidt Ya.A., Papulovskii V.F., Skugorov V.N. Izmerenie elektricheskikh i neelektricheskikh velichin [Measurement of electrical and non-electrical quantities] Moskow, Energoatomizdat, 1990.
2. Zaitsev Yu.V. Poluprovodnikovye rezistory
[Semiconductor resistors] Moskow, Energiya, 1969.
3. Meklin E.D. Termorezistory [Thermistors] Moskow, Radio i svyaz', 1983.
4. Fraiden Dzh. Sovremennye datchiki. Spravochnik
[Modern sensors. A hand-book] Moskow, Tekhnosfera, 2005. 5. Vigleb G. Datchiki [Sensors] Moskow, Mir, 1989. 6. Jackson R.G. Novel sensors and sensing, CRC Press, 2004. 7. Gerashchenko O.A., Fedorov V.G. Teplovye i temperaturnye izmereniya. Spravochnoe rukovodstvo [Heat
and temperature measurement. Handbook] Kiev, Naukova dumka, 1965.
8. Maizda F. Elelectronic techniques, instruments and measurement, Cambridge University Press, 1987.
9. Samynina M.G. [Application of differential thermometry to improve the reliability assessment of body temperature]
Vostochno-Evropeiskii zhurnal peredovykh tekhnologii, 2011, no 6/5 (54), pp. 30-33.
10. Samynina M.G. [The method of constructing the measuring system for detecting small changes in temperature]
Bionika intellekta, 2008, no 1(68), pp. 123-127.
11. Khromoi B.P., Kandinov A.V., Senyavskii A.L. i dr. Metrologiya, standartizatsiya i izmereniya v tekhnike svyazi [Metrology, standardization and measurement in communications technology] Moskow, Radio i svyaz', 1986. DOI: 10.15222/TKEA2014.1.52
