Точность датчиков температуры

В докладе описывается методика дополнительной градуировки термометрических кос на основе цифровых датчиков DS18B20 с целью повышения точности измерения температуры.

Abstract 2015 year, author — Kazantsev Sergey Alekseevich

научной работы на тему "ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ ЦИФРОВЫХ ДАТЧИКОВ ТЕМПЕРАТУРЫ DS18B20". Научная статья по специальности "Общие и комплексные проблемы технических и прикладных наук и отраслей народного хозяйства"

УДК 550.36; 551.24

ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ

ЦИФРОВЫХ ДАТЧИКОВ ТЕМПЕРАТУРЫ DS18B20

Сергей Алексеевич Казанцев

Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)330-25-91, e-mail: KazantsevSA@ipgg.sbras.ru

В докладе описывается методика дополнительной градуировки термометрических кос на основе цифровых датчиков DS18B20 с целью повышения точности измерения температуры.

Ключевые слова: датчики температуры, термостат, калибровка, разрешающая способность, поправки.

IMPROVING THE ACCURACY OF DIGITAL TEMPERATURE SENSORS DS18B20

Sergey A. Kazantsev

Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 3 Koptyug Prospect, Ph. D. Senior Research Scientist, tel. (383)330-25-91, e-mail: Ka-zantsevSA@ipgg.sbras.ru

The report describes how the additional calibration of wire sensors based on digital temperature DS18B20 to improve the accuracy of temperature measurement.

Key words: digital temperature, thermostat, calibration, resolution, correction.

Научная и практическая важность температурного мониторинга в последнее десятилетие значительно выросла. Давно известна высокая информативность временных характеристик теплового поля Земли при решении задач современной геодинамики. Практический же интерес данные о температуре грунтов представляют при проектировании и строительстве оснований и фундаментов сооружений на многолетнемерзлых грунтах, находящихся в мерзлом состоянии.

Для целей высокоточного температурного мониторинга в ИНГГ СО РАН разработан и активно используется аппаратурный комплекс для долгопериодных измерений и регистрации температуры. Одной из составных частей комплекса являются высокоточные многоканальные автономные регистраторы температуры. Как правило, они работают в комплексе с длинными геотермическими косами, располагаемыми в скважинах

В последнее время для монтажа термокос все большее распространение получают цифровые датчики фирмы Dallas Semiconductor DS18B20. Их достоинствами являются: широкая доступность; датчики сертифицированы в России как средство измерения; выходные температурные данные датчика калиброваны в градусах Цельсия; прибор использует исключительно 1-Wire протокол обмена. Это позволяет собирать датчики DS18B20 в косы, состоящие всего из трех проводов. Поскольку каждый прибор имеет уникальный 64-битовый код,

число датчиков, к которым можно обратиться на одной шине, фактически не ограниченно.

В геотермических исследованиях применение DS18B20 ограничено их сравнительно низкой точностью градуировки производителем. Она устанавливается на уровне 0,5°C. Максимальная же разрешающая способность температурного преобразователя DS18B20 в 12-битном режиме составляет 0,0625°C [1]. Такое разрешение можно использовать, применив дополнительную высокоточную калибровку приборов.

В температурном мониторинге скважин измеряемая температура меняется, как правило, незначительно, в подавляющем числе случаев это первые градусы. В таком диапазоне датчики DS18B20 имеют практически линейную характеристику. Поэтому достаточно определить корректировочные поправки в одной температурной точке. Такую градуировку можно провести в высокоточном жидкостном термостате [2]. На практике самой доступной температурной точкой является точка таяния льда. Тогда, имея термоизолированную емкость, можно отградуировать уже смонтированную температурную косу. К тому же датчики, имеющие уникальный код, должны быть однозначно привязаны в косе по глубинам. Эти задачи решаются специально созданной программой «Meridian». Работает программа следующим образом. Термокоса подключается к компьютеру через адаптер шины однопроводного интерфейса DS9490R. Адаптер USB-1-WIRE DS9490R служит основным элементом для создания микросети 1-wire и необходим для связи компьютера и датчиков, подключается в USB-разъем компьютера. На первом этапе программа «Meridian» распознаёт датчики, считывает их температуру и выстраивает в порядке возрастания их номерного кода (нижний левый угол рис. 1). На рис. 1 приведен пример с распознаванием 10 датчиков.

Рис. 1. Работает программа «Meridian»

Далее, прогревая поочередно датчики в косе, отмечаем их на экране, программа сортирует датчики по порядку расположения в косе. Затем вводим в соответствующее окно температуру, при которой производим вычисление поправки. После соответствующей команды программа начинает калибровку. Значение поправок усредняется, и их значения выводятся на экран. В завершении работы по команде программа «Meridian» записывает порядок датчиков в косе и поправки каждого из них в энергонезависимую память DS28EC20. Эта память является неотъемлемым компонентом, своего рода ярлыком каждой косы.

Таким образом, каждая из кос несет в себе и порядок расположения датчиков, и температурную поправку каждого из датчиков. Этим достигается полная взаимозаменяемость кос для Станций температурного мониторинга [3], а точность измерения температуры повышается по сравнению с декларированной почти в десять раз и совпадает с практической разрешающей способностью датчиков, и составляет 0,0625°C.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Казанцев С. А. Датчики в геотермии, сравнительный анализ // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2014. Х Междунар. науч. конгр. Междунар. науч. конф. «Недропользование. Горное дело. Направления и технологии поиска, разведки и разработки месторождений полезных ископаемых. Геоэкология». сб. материалов в 4 т. (Новосибирск, 8-18 апреля 2014 г.). -Новосибирск: СГГА, 2014. Т. 4. - С. 97-100.

2. Казанцев С.А. Дучков А.Д. Аппаратура для мониторинга температуры и измерения теплофизических свойств мерзлых и талых пород // Криогенные ресурсы полярных и горных регионов. Состояние и перспективы инженерного мерзлотоведения: материалы Междунар. конф. - Тюмень: Институт криосферы Земли СО РАН, 2008. - С. 236-239.

3. Казанцев С. А. Пермяков М. Е. Дучков А. Д. Устройство для оперативного температурного мониторинга // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2013. IX Междунар. науч. конгр. Междунар. науч. конф. «Недропользование. Горное дело. Новые направления и технологии поиска, разведки и разработки месторождений полезных ископаемых. Геоэкология». сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 15-26 апреля 2013 г.). - Новосибирск: СГГА, 2013. Т. 2. -С.203-207.

Взрывозащищенные термосенсоры M-TERMOSENSOR

НАЗНАЧЕНИЕ И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

Взрывозащищенный термосенсор M-TERMOSENSOR –   термоэлемент, применяемый в измерительных и преобразовательных устройствах, загерметизированный во взрывонепроницаемой цилиндрической оболочке из металла. Стандартная конструкция термосенсора M-TERMOSENSOR имеет резьбу. Можно выбрать исполнение термосенсора с кабелем необходимой длиной или непосредственно смонтированным во взрывозащищенной клеммной коробке. Есть специальное исполнение с фланцевым креплением, на котором проверяется температура. Возможно использование для температурного контроля в воздухе, жидкостях или на поверхностях. Если температура сенсора превышает заданный параметр, цепь незамкнута.  Как и биметаллический термостат М-TERMOSTAT, термосенсоры M-TERMOSENSOR могут используется как для контроля за внешней температурой обогревательных систем, так и для регулирования внутренней температуры обогреваемых приборных шкафов, распределительных шкафов и шкафов управления или как контакт аварийной цепи.

Область применения - взрывоопасные зоны помещений и наружных установок, согласно маркировке взрывозащиты, ГОСТ 30852.13-2002 (МЭК 60079-14:1996) и зоны, опасные по воспламенению горючей пыли, по ГОСТ IEC 61241-3-2011, опасные производственные объекты I, II, III, IV классов опасности, поднадзорные Ростехнадзору РФ и национальным техническим надзорам стран ТС и СНГ.

СООТВЕТСТВИЕ СТАНДАРТАМ

ТЕПЛОВОЙ ДАТЧИК PT100

Для точного измерения температуры в тепловых датчиках  PT100 используется особо чувствительный платиновый термометр сопротивления. Высокая точность датчиков позволяет использовать их без дополнительной калибровки измерительного оборудования. Для датчиков PTC не устанавливается нижняя граница тока измерения. Ток измерения зависит в значительной мере от условий применения датчика. Максимально рекомендуемый ток  для 100 Ом: 1 мА; для 500 Ом: 0,7 мА.  Датчики температуры практически не вырабатывают электропотенциала (индуктивность: < 1µГн; емкость: 1 до 6 пФ), имеют высокую ударную и вибрационную прочность. Отличаются высокой стабильностью значений выходного сигнала. В зависимости от температурных условий изменение сопротивления после 5 лет эксплуатации при 200°C обычно составляет менее 0,04 %. Изменение климатических условий и колебания влажности не оказывают влияния на точность измерения датчиков.Вследствие химической стабильности и гомогенной структуры применяемого материала, платиновые датчики температуры являются чрезвычайно стабильными температурными элементами.

Подключение:

Датчики температуры, как правило, нагружаются постоянным током со стандартным 2-х проводным подсоединением. Для экономии электроэнергии (аккумулятор или батарея) можно использовать также и переменный ток.

Из-за простой квадратичной характеристики датчиков температуры, а также возможности простой линейной аппроксимации, обработка измеренного сигнала не представляет собой никаких проблем.

Стандартное 2-х проводное подсоединение иногда может привести к потере точности.

По требованию заказчика изготавливаются датчики  3-х или 4-х проводного подключения, которое рекомендуется использовать в случаях:

- при длинных кабелях и низких значениях номинального сопротивления, как PT100, при которых сопротивление и температурнозависимое сопротивление кабеля достигают сравнимых величин

- для датчиков температуры с узким допуском

- если предполагаются значительные электромагнитные помехи и используются скрученные или защищенные кабели

Изменение сопротивления теплового датчика PT100 относительно температуры

ТЕПЛОВОЙ ДАТЧИК PTC

РТС датчики – это термисторы, сопротивление которых нелинейно зависит от температуры. Датчики выпускаются с положительным температурным коэффициентом сопротивления. Температурная зависимость сопротивления термистора с положительным температурным коэффициентом сопротивления характеризуется значительным увеличением сопротивления при достижении определенной температуры.

Принцип действия основан на том, что нагревание или охлаждение контактов между проводниками, с различными химическими или физическими свойствами, сопровождается возникновением термоэлектродвижущей силы (термоэдс). Термопара состоит из двух металлов, сваренных на одном конце. Эта часть ее помещается в месте замера температуры. Биметаллический термодатчик предотвращает перегрев двигателя, производя его аварийное отключение при достижении температуры двигателя верхнего предела значения.

Измерители температуры цифровые портативные IT-8 повышенной точности

Дополнительные

Измерители температуры цифровые портативные IT-8 имеют два канала измерения. Каждый из каналов рассчитан на работу с определённым типом датчиков (термопреобразователей). Датчики подключаются к прибору при помощи соединителей. Для подключения термопар используются плоские мини соединители (L2) с двумя ножевыми контактами. Цвет соединителя говорит о типе подключаемой термопары: зелёный или жёлтый- ХА(К), оранжевый – ТПП(S), ТПП(R).

Для подключения термосопротивлений к измерителю температуры используется или плоский мини соединитель (L3) с тремя ножевыми контактами белого цвета, или круглый герметичный соединитель (R) с четырьмя контактами. Плоские мини соединители расположены на верхней торцевой поверхности прибора, круглый - на нижней торцевой поверхности.

В зависимости от типа входа каждого канала и конструкции соединителей имеются восемь модификаций измерителя IT-8.