Устройство для измерения криогенных температур

Известно устройство для измерения температуры [2], содержащее термометр сопротивления, источник тока, генератор прямоугольных импульсов, ключи, два образцовых резистора, операционные усилители, фильтр нижних частот. В известном устройстве парируется дрейф усилителей, что несколько снижает погрешность преобразования температуры в электрический сигнал, но не устраняет воздействия влияющих факторов, указанных выше.

Решение, в котором сделана попытка преодолеть трудности измерений температуры при малых значениях сопротивления платинового чувствительного элемента, описано в устройстве для измерения температуры [3]. В указанном устройстве [3], содержащем термометр сопротивления, к которому через мультиплексор подключен источник тока с двумя токоустанавливающими сопротивлениями и аналого-цифровой преобразователь, два образцовых сопротивления, процессор и группу ключей, подключающих по командам процессора те или иные образцовые сопротивления к мультиплексору и токоустанавливающие сопротивления к источнику тока. Снижение погрешности преобразования низких (криогенных) температур достигается в устройстве за счет задания в процессоре уровня напряжения, с которым сравнивается текущий сигнал с термометра сопротивления. Если сигнал оказывается ниже заданного уровня, по команде процессора срабатывают ключи и с генератора тока на питание термометра подается ток как минимум в 10 раз больший предыдущего режима. Большой ток при малых сопротивлениях термометра увеличивает его выходное напряжение, тем самым улучшая соотношение между полезным сигналом и паразитными термоэдс, шумами и помехами, что, в конечном итоге, ведет к снижению погрешности измерения криогенных температур.

Однако предложенное решение, исключая одни составляющие погрешности, ведет к росту других, а именно:

● десятикратный (и более) рост тока в цепи термометра сопротивления ведет к десятикратному росту падения напряжения на подводящих цепях, сопротивление которых точно не известно, но сопоставимо с сопротивлением термометра при криогенных температурах; в рассматриваемом устройстве не представляется возможным оценить какая часть напряжения определяется сопротивлением термометра, а какая подводящими цепями (сопротивлением мультиплексора, подводящих проводов, переходными контактами);

● большой ток в цепи термометра сопротивления при очень малых значениях сопротивления чувствительного элемента, например, при 0,5 Ом, может быть вполне приемлем, но с ростом сопротивления, например, при 1 Ом, джоулево тепло приведет к недопустимому разогреву чувствительного элемента и росту систематической погрешности измерений.

Кроме того, устройство сложно с точки зрения количества электронных компонентов и программирования. Остановимся на последнем, неочевидном, недостатке.

Дело в том, что после переключения устройства на увеличенный ток питания термометра сопротивления, его выходное напряжение скачком превысит порог переключения и процессор должен дать команду на возврат к малому току питания. После этого напряжение с термометра упадет ниже порога переключения и процессор вновь даст команду на увеличение тока питания термометра. Возникает релаксационный автоколебательный процесс, не позволяющий получить достоверные результаты измерений. Чтобы исключить указанный режим, необходимо задать второй порог (порог возврата к малому току), до достижения которого термометр будет греться джоулевым теплом большого тока, что, как было указано выше, ведет к большой систематической погрешности измерений температуры.

Для преодоления указанных выше технических сложностей и, в то же время, реализации измерения криогенных температур с малой погрешностью (не более 0,1 К) было предложено следующее решение [4], защищенное патентом на изобретение.

Целью изобретения является повышение точности измерения криогенных температур и упрощение схемы устройства.

Согласно схеме, источник образцового напряжения (например, микросхема AD780 BNZ с резистивным делителем напряжения на выходе) 1 подключен к не инвертирующему входу операционного усилителя 2, выход которого соединен с токовым входом термометра сопротивления 3. Потенциальный выход термометра сопротивления 3 подключен к инвертирующему входу усилителя 2. Токовый выход термометра сопротивления подключен к образцовому сопротивлению 4, падение напряжения на котором является выходным сигналом схемы. Второй потенциальный выход термометра сопротивления 3 через повторитель 5 на базе операционного усилителя подключен к общей точке источника образцового напряжения 1. Все электронные элементы смонтированы в электронном узле, обозначенном на схеме пунктирными линиями, а места подключения соединительных проводов к электронному узлу и термометру сопротивления 3 обозначены кружками.

Схема работает следующим образом. Источник образцового напряжения 1 задает на не инвертирующем входе усилителя 2 постоянное образцовое напряжение U₀. Указанное напряжение создает на выходе усилителя 2 ток I_d, протекающий через сопротивление термометра 3 и образцовое сопротивление 4. В каждый момент времени величина тока I_d имеет такое значение, что падение напряжения на сопротивлении термометра 3 точно равно образцовому напряжению U₀. Следовательно, зависимость между величиной тока I_d и текущим значением сопротивления термометра R_d, функционально связанным с измеряемой температурой, равна:

Поскольку числитель правой части выражения является постоянной величиной, то получается однозначная зависимость тока через сопротивление термометра I_d и величиной сопротивления R_d. При этом выходной ток тем больше, чем меньше сопротивление термометра, другими словами, в области криогенных температур, когда сопротивление термометра R_d мало, выходной сигнал преобразователя сопротивления в ток максимален.

Ток I_d, протекая через образцовое сопротивление 4, создает на нем падение напряжения U_ВЫХ, являющееся выходным сигналом устройства. Если номинальное значение образцового сопротивления равно Ток R₀, то выходной сигнал устройства, с учетом выражения (1), равен:

Выражение (2) точно описывает выходной сигнал устройства только в том случае, когда образцовое напряжение U₀ сравнивается только с падением напряжения на сопротивлении термометра R_d, исключая падение напряжения на образцовом сопротивлении 4 и сопротивлении провода, соединяющего токовый выход термометра 3 с образцовым сопротивлением 4. Для реализации указанного требования второй потенциальный выход термометра сопротивления через повторитель 5 подключен к общему выходу источника опорного напряжения 1, создавая на не инвертирующем входе операционного усилителя 1 образцовое напряжение U₀ не относительно общей шины устройства, а относительно второго потенциального выхода термометра 3.

Как видно из выражения (2), выходной сигнал устройства обратно пропорционален сопротивлению термометра и при криогенных температурах выходной сигнал имеет максимальное значение и чувствительность преобразования. Для примера, предположим, что измеряются криогенные температуры платиновым термометром сопротивления с сопротивлением 100 Ом при 273,15 К. Зададим образцовое напряжение U₀ равным 40 мВ и образцовое сопротивление R₀ равным 50 Ом. При температуре термометра 13,15К сопротивление R_d = 0,4 Ом и, согласно выражению (2), выходной сигнал схемы равен:

При температуре 20,15 К и сопротивлении R_d = 0,745 Ом

Таким образом, предлагаемое устройство для измерения криогенных температур обеспечивает большой выходной сигнал при низких температурах, существенно улучшая отношение сигнала к помехам, шумам и паразитным термоэдс, снижая тем самым погрешность измерения температур.

Работоспособность предложенного решения проверялась в лаборатории ООО «Метроник». Для этой цели был собран макет схемы на двух микросхемах (источник образцового напряжения AD780 BNZ и два операционных усилителя в одном корпусе AD8532AR) и нескольких образцовых резисторах. Роль платинового термометра сопротивления выполнял магазин сопротивлений Р 33. Результаты экспериментов полностью подтвердили работоспособность и целесообразность предложенного технического решения.