izvestswsuИзвестия Юго-Западного государственного университетаProceedings of the Southwest State University2223-15602686-6757ЮЗГУ10.21869/2223-1560-2024-28-1-71-87izvestswsu-1217Research ArticleИнформатика, вычислительная техника и управлениеComputer science, computer engineering and IT managmentИсследование метода измерения температуры при двухпроводном подключении термометра сопротивленияResearch of the Method For Measuring Temperature with a Two-Wire Connection of a Resistance ThermometerБондарьО. Г.BondarO. G.

Бондарь Олег Григорьевич, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры космического приборостроения и систем связи

ул. 50 лет Октября, д. 94, г. Курск 305040, Российская Федерация

Oleg G. Bondar, Cand. of Sci. (Engineering), Associate Professor, Associate Professor of Space Instrumentation and Communication Systems Department

50 Let Oktyabrya str. 94, Kursk 305040, Russian Federation

b.og@mail.ruБрежневаЕ. О.BrezhnevaE. O.

Брежнева Екатерина Олеговна, кандидат технических наук, доцент кафедры космического приборостроения и систем связи,

ул. 50 лет Октября, д. 94, г. Курск 305040, Российская Федерация

Ekaterina O. Brezhneva, Cand. of Sci. (Engineering), Associate Professor of Space Instrumentation and Communication Systems Department

50 Let Oktyabrya str. 94, Kursk 305040, Russian Federation

bregnevaeo@mail.ruБотиковК. А.BotikovK. A.

Ботиков Константин Алексеевич, студент кафедры космического приборостроения и систем связи

ул. 50 лет Октября, д. 94, г. Курск 305040, Российская Федерация

Konstantin A. Botikov, Student of Space Instrumentation and Communication Systems Department

50 Let Oktyabrya str. 94, Kursk 305040, Russian Federation

botikov.03@mail.ruЮго-Западный государственный университетSouthwest State University2024070420242817187Copyright © Бондарь О.Г., Брежнева Е.О., Ботиков К.А., 20242024Бондарь О.Г., Брежнева Е.О., Ботиков К.А.Bondar O.G., Brezhneva E.O., Botikov K.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://izvestswsu.elpub.ru/jour/article/view/1217Цель работы

Цель работы: исследование метода измерения температуры при двухпроводном подключении термометра сопротивления (ТС) с использованием его математической модели. Провести апробацию модели и исследования, позволяющие оценить потенциальные возможности метода обработки измерительной информации, в основу которого положено определение сопротивления ТС по результатам интегрирования переходного процесса в измерительной схеме после отключения её источника питания, определить параметры измерительной цепи и алгоритма, положенных в основу метода. Для заданного диапазона измеряемых температур определить вид и параметры модели адаптивного алгоритма измерения.

Методы

Методы: методы математического моделирования, численные методы. При разработке математической модели метода использовалась теория электрических цепей, в частности, анализ переходных процессов. При анализе предложенных решений учитывалось воздействие электромагнитных помех и эффектов квантования, а эффективность оценивалась по относительной погрешности () измерения сопротивления ТС и сравнению с аналогами. Моделирование осуществлялось в среде MATLAB.

Результаты

Результаты. Разработана математическая модель интегрирующего метода измерения температуры с помощью ТС, осуществлен выбор оптимальной величины шунтирующей емкости для диапазона измеряемых температур 0 … 660 оС, обеспечивающий в пределах диапазона расчётную величину среднеквадратичной погрешности (СКО) 0.02% -0.04%, определена оптимальная величина первого интервала интегрирования (4 мс). Показано, что для адаптивного алгоритма измерения возможен выбор линейной модели. Проведена оценка эффективности метода в сравнении с методом определения сопротивления ТС по двум отсчётам переходного процесса.

Заключение

Заключение. Представлены результаты математического моделирования метода измерения температуры на основе оценки величины сопротивления ТС по результатам численного интегрирования переходного процесса разряда конденсатора, подключенного параллельно резистору, позволяющие оптимизировать алгоритмы, лежащие в основе его функционирования, а также судить об эффективности предложенного решения. Двухпроводный метод, основанный на определении сопротивления ТС по результатам интегри-рования переходного процесса при выключении питания измерительной цепи позволяет повысить достичь точности измерения температуры сопоставимой с точностью трех и четырехпроводных схем, исключив недостатки, связанные с их сложностью и высокой стоимостью.

Purpose

Purpose: study of a method for measuring temperature with a two-wire connection of a resistance thermometer (RT) using its mathematical model. Conduct model testing and research to evaluate the potential capabilities of the measurement information processing method, which is based on determining the resistance of the vehicle based on the results of integrating the transient process in the measuring circuit after turning off its power source, determine the parameters of the measuring circuit and the algorithm underlying the method . For a given range of measured temperatures, determine the type and parameters of the adaptive measurement algorithm model.

Methods

Methods: methods of mathematical modeling, numerical methods. When developing a mathematical model of the method, the theory of electrical circuits was used, in particular, the analysis of transient processes. When analyzing the proposed solutions, the impact of electromagnetic interference and quantization effects was taken into account, and the effectiveness was assessed by the relative error () of measuring the resistance of the vehicle and comparison with analogues. The simulation was carried out in the MATLAB environment.

Results

Results: a mathematical model of an integrating method for measuring temperature using a TS was developed, the optimal value of the shunt capacitance was selected for the range of measured temperatures 0 ... 660 °C, providing within the range the calculated value of the root-mean-square error (RMS) of 0.02% -0.04%, the optimal value was determined first integration interval (4 ms). It is shown that for the adaptive measurement algorithm it is possible to select a linear model. The effectiveness of the method was assessed in comparison with the method of determining the resistance of the vehicle using two readings of the transient process.

Conclusion

Conclusion: The results of mathematical modeling of a method for measuring temperature based on estimating the resistance value of a vehicle based on the results of numerical integration of the transient discharge process of a capacitor connected in parallel with a resistor are presented, making it possible to optimize the algorithms underlying its operation, as well as to judge the effectiveness of the proposed solution. The two-wire method, based on determining the resistance of the vehicle based on the results of integrating the transient process when the power of the measuring circuit is turned off, makes it possible to increase the accuracy of temperature measurement comparable to the accuracy of three and four-wire circuits, eliminating the disadvantages associated with their complexity and high cost.

термометр сопротивлениятемператураматематическая модельпогрешности измерениядвухпроводная линияresistance thermometertemperaturemathematical modelmeasurement errorstwo-wire lineReferencesКаспаров К. Н., Белозеров А. В. Измерение температуры быстропротекающих процессов // Измерительная техника. 2002. № 12. С. 34–38. https://doi.org/10.1023/A:1022985107345Kasparov K. N., Belozerov A. V. Izmerenie temperatury bystroprotekayushchikh protsessov [Temperature measurement of fast-flowing processes]. Izmeritel'naya tekhnika = Measurement Techniques, 2002, vol. 45, pp. 1256–1263. https://doi.org/10.1023/A:1022985107345.Ventura G., Giomi S. A Simple Method to Extend the Range of Low Temperature Resistance Thermometers // Int J Thermophys. 2019. vol. 40. https://doi.org/10.1007/s10765-019-2482-8.Ventura G., Giomi S. A Simple Method to Extend the Range of Low Temperature Resistance Thermometers. Int J Thermophys, 2019, vol. 40. https://doi.org/10.1007/s10765-019-2482-8Kowal A., Manuszkiewicz H., Kołodziej B. et al. Tests of the Stability of Chinese RhFe Resistance Thermometers at Low Temperatures // Int J Thermophys. 2017. Vol. 38. Pp. 38–95. https://doi.org/10.1007/s10765-017-2232-8.Kowal A., Manuszkiewicz H., Kołodziej B. et al. Tests of the Stability of Chinese RhFe Resistance Thermometers at Low Temperatures. Int J Thermophys, 2017, vol. 38, pp. 38–95. https://doi.org/10.1007/s10765-017-2232-8Лапшинов Б. А. Методы измерения температуры в технологиях сверхвысокочастотного нагрева // Измерительная техника. 2021. № 6. С. 20–28. https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2021-6-20-28.Lapshinov B.A. Metody izmereniya temperatury v tekhnologiyakh sverkhvysokochastotnogo nagreva [Methods of temperature measurement in ultrahigh-frequency heating technologies]. Izmeritel'naya tekhnika = Measurement Techniques, 2021, nо. 6, pp. 20–28. https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2021-6-20-28.Zhang M., Zhang J., Qiao L., Wang T. Distributed Fiber Optic Raman Thermometer and Applications // In: Novel Optical Fiber Sensing Technology and Systems. Progress in Optical Science and Photonics. 2024. Vol 28. https://doi.org/10.1007/978-981-99-7149-7-6.Zhang M., Zhang J., Qiao L., Wang T. Distributed Fiber Optic Raman Thermometer and Applications. In: Novel Optical Fiber Sensing Technology and Systems. Progress in Optical Science and Photonics, 2024, vol 28. https://doi.org/10.1007/978-981-99-7149-7-6.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.2020-7-51-55Filatov A. V., Serdyukov K. A., Novikova A. A. Perspektivy ispol'zovaniya modifitsirovannogo nulevogo metoda izmerenii temperatury datchikami soprotivleniya [Prospects for the use of a modified zero temperature measurement method by resistance sensors]. Izmeritel'naya tekhnika = Measurement Techniques, 2017, vol. 63, nо. 7, pp. 567–572. https://doi.org/10.1007/s11018-020-01824-xCheung Y., Jing Z., Liu Q. et al. Fast-Response Fiber-Optic FPI Temperature Sensing System Based on Modulated Grating Y-Branch Tunable Laser // Photonic Sens. 2024. Vol. 14. No. 1. https://doi.org/10.1007/s13320-023-0690-0.Cheung Y., Jing Z., Liu Q. et al. Fast-Response Fiber-Optic FPI Temperature Sensing System Based on Modulated Grating Y-Branch Tunable Laser. Photonic Sens, 2024, vol 14, no. 1. https://doi.org/10.1007/s13320-023-0690-0.Woo K.R., Kim H.B., Kim H.L. et al. An MMC-Based Temperature Control System for a Long-Term Data Collection // J Low Temp Phys. 2022. Vol. 209. Pp. 1218–1225 https://doi.org/10.1007/s10909-022-02805-w.Woo K.R., Kim H.B., Kim H.L. et al. An MMC-Based Temperature Control System for a Long-Term Data Collection. J Low Temp Phys, 2022, vol. 209, pp. 1218–1225 https://doi.org/10.1007/s10909-022-02805-w.Reihani A., Meyhofer E., Reddy, P. Nanokelvin-resolution thermometry with a photonic microscale sensor at room temperature // Nat. Photon. 2022. Vol. 16. Pp. 422–427 https://doi.org/10.1038/s41566-022-01011-0.Reihani A., Meyhofer E., Reddy P. Nanokelvin-resolution thermometry with a photonic microscale sensor at room temperature. Nat. Photon, 2022, vol. 16, pp. 422–427 https://doi.org/10.1038/s41566-022-01011-0.Способ многоканального измерения температуры: пат RU № 2775873. C1 / О. Г. Бондарь, Е. О. Брежнева // Изобретения. Полезные модели. 2022. № 20.Bondar’ O.G., Brezhneva E.O. Sposob mnogokanal'nogo izmereniya temperatury. Patent RU 2775873 C1 [Method of multichannel temperature measurement. Patent RU 2775873 C1]. Izobreteniya. Poleznye modeli = Inventions. Utility models, 2022. no. 20.Бондарь О. Г., Брежнева Е. О., Родионов П. С. Многоканальный преобразователь температуры // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2022. Т. 65. № 4. С. 254–26. https:/doi.org/10.17586/0021-3454-2022-65-4-254-261Bondar’ O.G., Brezhneva E.O., Rodionov P. S. Mnogokanal'nyj preobrazovatel' temperatury [Multi-channel temperature converter]. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Priborostroenie = Journal of Instrument Engineering, 2022, vol. 65, no. 4, pp. 254-261 (In Russ.). https://doi.org/10.17586/0021-3454-2019-62-7-668-674Kabardin I.K., Pravdina M.K., Gordienko M.R. et al. Development of Method of Low-Perturbation Multichannel Temperature Diagnostics in Vortex Tube // J. Engin. Thermophys. 2022. Vol. 31. Pp. 309–314 https://doi.org/10.1134/S1810232822020114.Kabardin I.K., Pravdina M.K., Gordienko M.R. et al. Development of Method of Low-Perturbation Multichannel Temperature Diagnostics in Vortex Tube. J. Engin. Thermophys, 2022, vol. 31, pp. 309–314. https://doi.org/10.1134/S1810232822020114.Malinarič, S. The Application of the Finite Elements Method in the Transient Measurements of Thermophysical Parameters // Int J Thermophys. 2024. Vol. 45, 22 https://doi.org/10.1007/s10765-023-03311-1.Malinarič S. The Application of the Finite Elements Method in the Transient Measurements of Thermophysical Parameters. Int J Thermophys, 2024, vol. 45, 22 https://doi.org/10.1007/s10765-023-03311-1.Ventura G., Giomi S. A Simple Method to Extend the Range of Low Temperature Resistance Thermometers // Int J Thermophys. 2019. Vol. 40. https://doi.org/10.1007/s10765-019-2482-8.Ventura G., Giomi S. A Simple Method to Extend the Range of Low Temperature Resistance Thermometers. Int J Thermophys, 2019, vol. 40. https://doi.org/10.1007/s10765-019-2482-8.Bondar O.G., Brezhneva E.O. & Pozdnyakov, V.V. Methods and Algorithms for Control of a Thermocatalytic Hydrogen Sensor // Meas Tech. 2018. Vol. 61. Pp. 514–519 https://doi.org/10.1007/s11018-018-1460-z.Bondar O.G., Brezhneva E.O., Pozdnyakov V.V. Methods and Algorithms for Control of a Thermocatalytic Hydrogen Sensor. Meas Tech, 2018, vol. 61, pp. 514–519 https://doi.org/10.1007/s11018-018-1460-zApinai Rerkratn, Supatsorn Prombut, Thawatchai Kamsri, et al. A Procedure for Precise Determination and Compensation of Lead-Wire Resistance of a Two-Wire Resistance Temperature Detector // Sensors. 2022. Vol. 22. https://doi.org/10.3390/s22114176.Apinai Rerkratn, Supatsorn Prombut, Thawatchai Kamsri, et al. A Procedure for Precise Determination and Compensation of Lead-Wire Resistance of a Two-Wire Resistance Temperature Detector. Sensors, 2022, vol. 22. https://doi.org/10.3390/s22114176.Бондарь О. Г., Брежнева Е. О., Двойных Е. С. Способ измерения температуры: пат RU № 2752132. C1 // Изобретения. Полезные модели. 2021. № 21.Bondar’ O.G., Brezhneva E.O., Dvoinykh E. S. Sposob izmereniya temperatury: pat RU № 2752132. C1 [Temperature measurement method: PAT RU No. 2752132. C1]. Izobreteniya. Poleznye modeli = Inventions. Utility models, 2021, no. 21.Bondar O.G., Brezhneva E.O., Kalmykov A.I. Increasing Temperature Measurement Accuracy: Method of Two-Wire Connection of a Resistance Thermometer // Meas Tech. 2022. Vol. 65. Pp. 206–212. https://doi.org/10.1007/s11018-022-02070-z.Bondar O.G., Brezhneva E.O., Kalmykov A.I. Increasing Temperature Measurement Accuracy: Method of Two-Wire Connection of a Resistance Thermometer. Meas Tech. 2022, vol. 65, pp. 206–212. https://doi.org/10.1007/s11018-022-02070-z.Бондарь О. Г., Брежнева Е. О., Поляков Н. В. Способ измерения температуры среды: пат RU № 2781754. C1 // Изобретения. Полезные модели. 2022. № 29.Bondar O.G., Brezhneva E.O., Polyakov N. V. Sposob izmereniya temperatury sredy: pat RU № 2781754. C1. [Temperature measurement method: PAT RU No. 2752132. C1]. Izobreteniya. Poleznye modeli = Inventions. Utility models, 2022, no. 29.Bondar O.G., Brezhneva E.O., Zubarev, A.Y. Improvement of Algorithms for Measuring Temperature with Two-Wire Connection of Resistance Thermometers // Meas Tech. 2023. Vol. 66, Pp. 273–278 https://doi.org/10.1007/s11018-023-02221-w.Bondar O.G., Brezhneva E.O., Zubarev, A.Y. Improvement of Algorithms for Measuring Temperature with Two-Wire Connection of Resistance Thermometers. Meas Tech, 2023, vol. 66, pp. 273–278. https://doi.org/10.1007/s11018-023-02221-w.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.