Введение к работе
Актуальность исследования. Тепловые процессы характерны для всех областей деятельности человека и окружающего его мира. Одним из важнейших параметров этих процессов, характеризующим термодинамическое состояние объекта, является температура. Соответственно задачи измерения и контроля температуры имеют большое значение для всех отраслей народного хозяйства. В настоящее время наиболее применимыми в качестве чувствительных элементов (ЧЭ) средств измерения температуры являются термопары, термометры сопротивления, полупроводниковые терморезисторы и чувствительные элементы на базе p-n перехода. Применяемые сегодня измерители температуры, построенные на базе термометров сопротивления (ТС) и термопар, обеспечивают требуемый диапазон и точность измерений. Однако они обладают низкими динамическими характеристиками и невысокой чувствительностью. В то время как терморезисторы с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (NTC терморезисторы) обладают высокими динамическими показателями (время реакции 0,4 сек. - сравнимо с термопарами), устойчивы к химическим и механическим воздействиям, имеют высокую чувствительность (до 7 %/С - выше чем у любых других термопреобразователей), имеют высокое электрическое сопротивление, а так же относительно низкую стоимость. Все это определяет возможность их использования в качестве чувствительных элементов средств измерения в диапазоне низких и средних температур в таких областях как: медицина, пищевая и фармацевтическая промышленность, автомобильная техника, сельское хозяйство, бытовая техника, нефтяная и газовая промышленность, коммунальное хозяйство и др.
Со времени изобретения NTC терморезистора в 1930 г. Сэмюэлем Рубеном (Патент США № 2,021,491 от 19 ноября 1935 г.) и по настоящий момент было проведено большое количество фундаментальных исследований по совершенствованию технологии их производства и методов применения в электронной аппаратуре. В трудах Шашкова А.Г. «Динамические свойства цепей с термисторами» (1961 г.) и «Терморезисторы и их применение» (1967 г.) описываются статические и динамические характеристики NTC терморезисторов, представлены схемы их практического применения, а так же изложен обобщающий материал по работам Б.С. Сотскова, Б.Т. Коломийца, И.Г. Шефтеля, И.Ф. Волошина, А.С. Касперовича и др. Исследования, проведенные Стейнхартом (J.S. Steinhart) и Хартом (S.R. Hart), дали возможность использования NTC терморезисторов для высокоточного измерения температуры в области океанографических исследований. В дальнейшем их работы были подтверждены и дополнены Мэнгамом (B.W. Mangum) из Национального бюро стандартов США и Келером (R. Koehler) из Вудсхолского океанографического института. Существенный вклад в разработку и исследование отечественных NTC терморезисторов внесен И.Т. Шефтелем и Б.Т. Коломийцем. Первой фундаментальной работой, содержащей четкую систематизацию исследований и анализ основных физических и технологических особенностей полупроводниковых терморезисторов является монография И.Т. Шефтеля «Терморезисторы» (1973 г.).
Несмотря на длительную историю развития и большое количество работ по данному направлению, в настоящее время NTC терморезисторы не используются для прецизионного измерения температур в широких диапазонах. Данная ситуация обусловлена существенной нелинейностью температурной зависимости сопротивления NTC терморезисторов и разбросом их характеристик, что требует выбора градуировочной характеристики в зависимости от необходимой точности измерения, расчета ее параметров, а так же индивидуальной калибровки. Представленные в настоящее время на рынке термоизмерители на NTC терморезисторах имеют узкий интервал измеряемых температур: обычно от 0 до +100 С с погрешностью 0,1 С (реже от -40 до +150 С, с погрешностью 0,2 С) и могут работать с ограниченным набором номиналов (обычно 2-3 номинала). Таким образом возникает необходимость исследования и разработки средств проектирования устройств преобразования сигналов NTC терморезисторов, которые обеспечат расширение интервала измеряемых температур и диапазон используемых номиналов этих датчиков, а так же погрешность измерения сопоставимую с термоизмерителями на термопарах и ТС. В связи с этим необходимо создать комплекс программ обеспечивающий системный уровень проектирования термоизмерителей на NTC терморезисторах, включающий модели датчика (NTC терморезистора) и узлов устройства его преобразования. Назначение комплекса состоит в формировании параметров узлов устройства преобразования для нижних уровней проектирования, а так же выборе датчика и расчете коэффициентов градуировочной характеристики.
Цель диссертационного исследования состоит в разработке и исследовании математических моделей NTC терморезистора и узлов устройства преобразования его сигналов, предназначенных для создания инструментальных средств системного уровня проектирования термоизмерителей на NTC терморезисторах, обладающих высокой динамикой и погрешностью измерения не хуже чем у аналогов на других датчиках. Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:
-
Разработка непрерывной математической модели NTC терморезистора, учитывающей его тепловые динамические характеристики, а так же моделей узлов устройства преобразования его сигналов.
-
Разработка дискретных моделей NTC терморезистора и узлов устройства преобразования его сигналов, предназначенных для компьютерного моделирования.
-
Синтез и исследование программных моделей на основании данных технической документации различных производителей.
-
Выполнение физического эксперимента для проверки достоверности математических моделей и подтверждения теоретических результатов
исследования.
5. Создание комплекса программ обеспечивающего моделирование датчика и узлов устройства преобразования его сигналов, предназначенного для проектирования термоизмерителей на NTC терморезисторах.
Методы исследования. Для решения поставленных в диссертации задач использовались методы математического и численного моделирования, методы регрессионного анализа, методы приближения функций. При описании моделей использовались основные законы термодинамики, теории теплопроводности и теории электротехники. Моделирование осуществлялось в среде разработки приложений LabView на основании данных технической документации, а так же данных, полученных экспериментально.
Научная новизна работы состоит в следующем:
-
-
Разработана непрерывная математическая модель NTC терморезистора, отличающаяся от известных возможностью моделирования нестационарных режимов теплообмена и учитывающая эффект саморазогрева чувствительного элемента.
-
Созданы непрерывные математические модели узлов устройства преобразования сигналов NTC терморезисторов, объединенные в интегральную модель устройства преобразования с целью оценки его метрологических характеристик.
-
Синтезированы дискретные модели NTC терморезистора и узлов устройств преобразования его сигналов, обеспечивающие численное решение соответствующих непрерывных моделей.
Основные положения выносимые на защиту:
-
-
-
Непрерывная математическая модель NTC терморезистора, описывающая нестационарные процессы теплообмена и учитывающая эффект саморазогрева чувствительного элемента.
-
Непрерывные математические модели узлов устройства преобразования сигналов NTC терморезисторов, позволяющие производить сквозное моделирование устройства преобразования сигналов NTC терморезисторов.
-
Дискретные модели, реализующие численные методы решения задач компьютерного моделирования NTC терморезисторов и узлов устройств преобразования их сигналов.
-
Комплекс программ для проектирования устройств преобразования сигналов NTC терморезисторов в конкретных измерительных задачах, реализующий модели датчика и узлов устройства преобразования.
Теоретическая значимость результатов исследования состоит в разработке:
-
-
-
-
математической модели NTC терморезистора описывающей нестационарные режимы теплообмена и учитывающей эффект саморазогрева термопреобразователя;
-
интегрального подхода к моделированию устройства преобразования сигналов NTC терморезисторов, позволившего производить оценку влияния погрешностей датчика и узлов устройства преобразования его сигналов на результирующую погрешность термоизмерителя;
-
метода оценки исходных данных для создания моделей нелинейных контактных термопреобразователей;
-
методов расчета параметров пассивных корректирующих цепей для NTC терморезисторов, позволяющие выполнять автоматизированные вычисления шунтирующего сопротивления при заданных параметрах измерительной задачи.
Практическая значимость работы состоит в возможности применения разработанного комплекса программ для моделирования NTC терморезисторов и узлов устройств преобразования их сигналов на этапе системного проектирования. На основании результатов моделирования может быть произведена оценка метрологических характеристик термоизмерителей на NTC терморезисторах. Разработанные методы расчета параметров пассивных корректирующих цепей позволяют автоматизировать процесс проектирования измерительных схем и расчет коэффициентов градуировочных характеристик. Интегральный подход к моделированию устройств преобразования сигналов NTC терморезисторов позволяет упростить подбор датчика и выбор параметров узлов для обеспечения требований конкретной измерительной задачи с учетом динамики измеряемого процесса.
Достоверность и обоснованность полученных результатов определяется использованием известных физических закономерностей и апробированных методик, а так же подтверждается сопоставлением полученных данных с результатами физических и компьютерных экспериментов. Достоверность данных, полученных в ходе эксперимента, подтверждается соответствующими свидетельствами и документацией на измерительные приборы и преобразователи.
Апробация работы. Результаты работы были представлены в докладах и обсуждены на конференциях:
-
-
-
-
-
III международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы биологии, нанотехнологий и медицины» (Ростов-на-Дону, 2009);
-
международной научной конференции «Методы и алгоритмы принятия эффективных решений» (Таганрог, 2009);
-
всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Компьютерные и информационные технологии в науке, инженирии и управлении» (Таганрог, 2011);
-
международной научно-технической конференции «Измерение, контроль, информатизация» (Барнаул, 2012);
-
X - XI всероссийских научных конференциях молодых ученых, аспирантов и студентов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления» (Таганрог, 2010; Таганрог 2012).
Публикации результатов. По теме диссертационной работы опубликовано 6 научных работ, из них 4 работы в профильных периодических научных изданиях, рекомендуемых ВАК РФ для публикации основных результатов кандидатских диссертаций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, имеющих параграфы и пункты, заключения, списка литературы из 117 наименований и 6 приложений. Общий объем диссертации составляет 195 страниц (из них 35 страниц приложений), включая 25 таблиц и 46 рисунков.
Похожие диссертации на Разработка и исследование моделей элементов и устройств сбора и обработки сигналов терморезисторов с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
