Schemat projektu wysokiej precyzji obwodu pomiaru oporności termicznej na podstawie systemu trzech-przewodowych

Czujnik termistora jest czujnikiem temperatury, którego wartość rezystancyjna zmienia się wraz z temperaturą otoczenia. Wśród nich termistor wykonany z metalowej platyny jest szeroko stosowany ze względu na dobrą stabilność, wysoką dokładność i szeroki zakres pomiaru temperatury. Termometry termistorowe do pomiaru temperatury składają się głównie z czujników termometru, pomiaru przyrządów do wyświetlania i przewodów łączących. Ponieważ czułość temperatury samego czujnika termometru jest niska, opór linii drutu łączącego ma wpływ na wynik pomiaru, którego nie można zignorować. Aby wyeliminować wpływ oporu drutu, termometr szeroko wykorzystuje metodę połączenia zrównoważonego mostu. Ta metoda może w pewnym stopniu zrekompensować błąd temperatury, ale wpływ oporu linii nadal istnieje. Zaproponowano metodę kompensacji oporności na trzy przewody opartą na stałym napięciu i dzielniku napięcia. Obwód jest prosty i łatwy do wdrożenia, a wpływ oporu drutu można całkowicie wyeliminować. W porównaniu z metodą kompensacji oporności na drut zaproponowaną w literaturze, która wykorzystuje więcej obwodów sprzętowych do kompensacji oporności na drut, ta metoda ma prostszy obwód kompensacji rezystancji drutu.

1 Analiza powszechnie stosowanych metod pomiaru termometru

W przypadku termometru platynowego PT100 związek między jego rezystancją a temperaturą podano w międzynarodowej skali temperatury BS -90, jak pokazano w wzorze (1).

W wzorze RT jest rezystancją rezystora termicznego w temperaturze t stopnia t, r {0}}} jest rezystancją rezystora termicznego w temperaturze 0 stopnia, r 0=100}, a =3. 96847 × 10-3 0=100, a =3. 96847 × 10-3 0=100, a =3. 96847 × 10-3}, B =-5. 847X 10-7 stopień -2, c =-4. 22x 10-12 stopień -3 są współczynnikami powiązanymi z samym czujnikiem.
Z Formuły (1) widać, że czułość PT1 0 0 rezystor termiczny wynosi około 0. 38Ω/ stopień. W celu zmniejszenia wpływu odporności linii przewodu łączącego na wynik pomiaru, metoda mostu z trzema przewodami jest ogólnie stosowana do pomiaru. VR =1 V. Zasada obwodu pokazano na rysunku 1. RT jest rezystorem pomiaru temperatury, R jest rezystancją drutu łączącą, R1, R2, R3 są stałymi ramionami mostowymi, r 1= r 2=1 000} ω, r 3=100 Ω, VR jest napięciem odniesienia, a g jest instrument pomiarowy. W tym obwodzie trzy przewody są podłączone do ramienia mostu czujnika, odpowiedniego ramienia mostu rezystorowego i końca wyjściowego. Ta metoda może łatwo zmierzyć oporność RT do zmierzenia. Jednak w rzeczywistości często istnieje pewna odległość między czujnikiem temperatury a obwodem pomiaru temperatury, a rezystywność przewodu łączącego wynosi około 0,1 ~ 0,5 Ω/m. Błąd pomiaru spowodowany odpornością na drut łączące R nie można zignorować.

Jak pokazano na rycinie 1, Gdy opór linii R nie jest uwzględniony, wyjście mostu wynosi:, gdy rozważany jest opór linii, wyjście mostu VC=Vr (rt+r) ／ (r 1+ rt+r) -vr (r 3+ r) ／ (r 2+} r), ASMISICTS Most jest zrównoważony, gdy rt=rx, to znaczy, r2rx=r1r3, a oporność na ramię mostu r 1= r 2= r 3= rx=r, gdy rt zmienia się przez △ r, this, to jest, to jest, to jest, to jest, to jest, this, to jest, this, to jest, this is, to △ △ r, this jest. RT=r+△ r, błąd spowodowany istnieniem oporu linii r można obliczyć jako:

Można zauważyć, że rezystancja drutu R wpływa na wynik pomiaru RT i nie można go całkowicie wyeliminować przez obwód zerowania. Na podstawie powyższej analizy zaproponowano stały obwód przedwzmacniacza stałego napięcia, który może całkowicie wyeliminować błędy drutu.

2 stałe obwód pomiarowy dzielący napięcie

2.1 Zasada pomiaru

Stałą metodę dzielnika napięcia zastosowana tutaj do pomiaru rezystancji może wyeliminować zakłócenia rezystancji drutu. Jego równoważny schemat schematyczny pokazano na ryc. 2. Gdzie RT jest rezystorem termicznym. R jest równoważną rezystancją drutu. VR jest napięciem odniesienia, VAD jest napięciem odniesienia konwertera A/D i jest współczynnikiem powiększenia napięcia.

Podstawowy związek można uzyskać z prawa Ohma:

Ze wzoru (3) widać, że gdy znane są RV i VR, aby uzyskać RT, należy mierzyć tylko V2 i V1 i nie ma to nic wspólnego z odpornością na drut R. A dokładność pomiaru zależy tylko od dokładności RV i dokładności pomiaru V1 i V2. Oporność drutu, której nie można wyeliminować w metodzie mostu, jest całkowicie wyeliminowana w metodzie trzyosobowej dzielnicy stałego napięcia.
Ponieważ temperatura rezystora termicznego wzrośnie, gdy przechodzi przez niego prąd, należy wziąć pod uwagę jego własny błąd samongonowania, to znaczy błąd wzrostu temperatury spowodowany prądem przepływającym przez rezystor termiczny. Powszechnie używany PT1 0 0 prąd napędu rezystora termicznego wynosi około 1 Ma. W stopniu 0 jest to równoważne z samowystarczalną mocą około 0,1 MW. Podczas pomiaru z wysoką precyzją moc samongalowania należy dalej zmniejszyć, aby zmniejszyć błąd samongalowania. Tutaj ustawiane są VR =2. 5V i RV =10 KΩ, a moc samongonowania wynosi około 0,006 MW.

2.2 Środki w celu poprawy dokładności pomiaru

Podobnie jak w trzech przewodach zrównoważonych mostu, napięcia wyjściowe V1 i V2 obwodu pokazanego na rysunku 2 są niewielkie, a przed konwersją A/D należy dodać amplifikację napięcia pierwszego poziomu. Napięcie odniesienia VR jest ogólnie dostarczane przez precyzyjne źródło napięcia stałego w celu zapewnienia stabilnego sygnału napięcia. Ponadto, gdy oprogramowanie MicroController wybiera odpowiedni algorytm i długość słów w obliczeniach matematycznych, błąd obliczeniowy można również zignorować. Jednak współczynnik wzmocnienia i RV obwodu wzmacniacza będą się różnić w zależności od składnika, szczególnie w produkcji masowej, dokładność komponentów jest trudna do zapewnienia jednolitości. Dlatego w przypadku określonego obwodu wejściowego należy również wziąć pod uwagę błąd spowodowany przez i RV.
Aby wyeliminować błąd spowodowany przez i RV, metodę kalibracji można zastosować do automatycznego kalibracji i obliczenia wartości obwodu i RV podczas produkcji instrumentów. Te dwa parametry są następnie rejestrowane w nieulotnej pamięci instrumentu. Gdy przyrząd mierzy temperaturę, parametry są odczytywane i obliczane zgodnie z wzorem (1) w celu uzyskania dokładnej zmierzonej temperatury.
Jeśli długi drut na ryc. 2 zostanie zastąpiony najkrótszym możliwym drutem (tj. R =0), a rezystor termiczny RT jest zastąpiony precyzyjnym rezystorem R, VAD jest napięciem odniesienia konwertera A/D, jest współczynnikiem powiększenia napięcia, a reszta pozostaje niezmieniona::

W wzorze (4) r jest precyzyjnym rezystorem o znanej wartości oporności; D jest wynikiem konwersji A/D, którą można łatwo odczytać z urządzenia wyświetlania instrumentu; VR i VAD są napięciami odniesienia, które są stałymi; to całkowity współczynnik powiększenia obwodu; K jest współczynnikiem proporcjonalnym konwersji A/D, takiego jak K =214 dla konwertera bit A/D. Następnie są tylko dwa niewiadome RV i w wzorze (2). W przypadku specyficznego obwodu wejściowego, jeśli dwa precyzyjne rezystory R1 i R2 ze znanymi wartościami rezystancyjnymi są podłączone do obwodu pokazanego na ryc. 2 do kalibracji (podczas kalibracji, spróbuj utworzyć R =0), można uzyskać zestaw dwóch równań liniowych. Zatem dla określonego obwodu wejściowego i RV można rozwiązać z równań, a wyniki są następujące:

Powyższą metodę kalibracji można podsumować w następujący sposób: Dwa precyzyjne standardowe rezystory R1 i R2 ze znanymi wartościami rezystancyjnymi są podłączone odpowiednio z zaciskami wejściowymi przyrządu, a rezystancja przewodu łączącego jest minimalizowana tak bardzo, jak to możliwe. W tym czasie rejestrowane są odczyty instrumentów D1 i D2, a nieznane parametry i RV skalibrowanego instrumentu można obliczyć, zastępując je na wzorem (5). W użyciu zaleca się użycie tego samego źródła odniesienia dla VR i VAD, aby obliczenia w wzorze (5) było niezależne od dokładności napięcia odniesienia. Ta metoda zmniejsza różnice między różnymi źródłami odniesienia, zwłaszcza wpływ dryfu czasu i dryfu temperatury różnych odniesień.
2.3 Obwód pomiarowy
Rycina 3 jest przednim obwodem wejściowym systemu pomiaru temperatury PT100 PT100, w którym napięcie odniesienia PT100 i napięcie odniesienia konwertera A/D ICL7135 są tym samym źródłem odniesienia napięcia. Dwa sygnały wejściowe pomiaru V1 i V2 PT100 są wzmacniane przez ten sam wzmacniacz operacyjny (1+ R3/R4), a następnie wprowadzają konwerter A/D. Do wyboru kanału używany jest mikro przekaźnik K1. Ta metoda podziela wzmacniacz operacyjny, konwerter A/D i źródło napięcia odniesienia, zmniejszając wpływ różnic między różnymi urządzeniami na wyniki pomiaru. Wynik konwersji A/D ICL7135 jest podłączony do mikrokontrolera w trybie szeregowym, który może znacznie zapisać port IO mikrokontrolera. Podczas kalibracji obwodu do kalibracji stosuje się rezystory standardowe 100 Ω i 300 Ω, a wyniki kalibracji i RV są przechowywane w EEPROM układu mikrokontrolera. W rzeczywistym pomiarze system mikrokontrolera usuwa i RV jako znane wartości i oblicza wartość RT rezystancji według wzoru (3).

2.4 Analiza testu obwodu pomiarowego

W porównaniu z trzyosobową metodą zrównoważonego mostu, wyniki wykrywania tego obwodu zostały znacznie ulepszone. Tabela 1 jest porównaniem standardowych wartości oporności mierzonych dwiema różnymi metodami. Wśród nich R jest odpornością na linię.

Z tabeli 1 można zauważyć, że teoretyczne wyniki pomiaru trójprzewodowej metody zrównoważonego mostu mają duże błędy, a błąd spowodowany wzrostem oporu linii R jest większy. Wraz ze wzrostem wartości rezystancji opornego oporu termicznego wzrasta również błąd bezwzględny. W tabeli 1 błąd bezwzględny wynosi 2,57%, gdy zmierzona rezystancja RT =300 ω i rezystancja linii r =20 ω. Rzeczywiste wyniki pomiaru ulepszonej metody trzyosobowej zastosowanej w tym artykule mają bezwzględny błąd tylko 0. 3 Ω i błąd względny ± 0. 1% w mierzonym zakresie danych. Konwerter A/D zastosowany w obwodzie jest jedynie równoważny z dokładnością konwersji Bit A/D. Jeśli zastosowano większą precyzję konwerter A/D, można osiągnąć wyższą dokładność pomiaru. W rzeczywistym przyrządu do pomiaru temperatury czujnika termicznego konieczne jest również dodanie powiązanego programu, który przekształca zmierzoną rezystancję w odpowiednią temperaturę. Oznacza to, że po mierzeniu RT rzeczywistą wartość temperatury można dokładnie rozwiązać według wzoru (1).

3 Wniosek

Metoda zrównoważonego mostu z trzyosobowego mostu jest szeroko stosowana w pomiarze rezystora termicznego, ale istnieje problem, że nie można wyeliminować błędu pomiaru spowodowanego rezystancją ołowiu czujnika. W niniejszym dokumencie analizuje problemy istniejące w zrównoważonej metodzie mostu do pomiaru rezystorów termicznych, proponuje metodę pomiaru trójrejowego podziału napięcia, analizuje przyczyny i czynniki wpływające na błąd obwodu pomiarowego, wyprowadza i ustanawia wpływające parametry i formuły oporności, które mają być pomiarowe. Mikrokomputer z pojedynczym układem. Wreszcie dokładność testu zaprojektowanego obwodu jest testowana i określana. Test pokazuje, że gdy trzy-przewodowa zrównoważona metoda mostu mierzy standardową wartość rezystancyjną 1 0 0 ~ 300}, a rezystancja linii wynosi 0 ~ 20 Ω, błąd pomiaru **** osiąga 2,57%, podczas gdy zrównoważony błąd pomiaru trzech wire wynosi tylko ± 0,1%. Zatem uzyskuje się wysokowydajny obwód pomiaru rezystora termicznego.