Повышение точности цифровых датчиков температуры DS18B20 Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

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.

© С. А. Казанцев, 2015