Diagrama de proiectare a circuitului de măsurare a rezistenței termice de înaltă precizie pe baza unui sistem cu trei fire

Senzorul termistor este un senzor de temperatură a cărui valoare de rezistență se modifică cu temperatura ambiantă. Printre ele, termistorul din platină metalică este utilizat pe scară largă datorită stabilității sale bune, a preciziei ridicate și a intervalului larg de măsurare a temperaturii. Termometrele termistor pentru măsurarea temperaturii sunt compuse în principal din senzori de termometru, de măsurare a instrumentelor de afișare și de conectare a firelor. Deoarece sensibilitatea la temperatură a senzorului termometrului în sine este scăzută, rezistența la linie a firului de conectare are o influență asupra rezultatului de măsurare care nu poate fi ignorat. Pentru a elimina influența rezistenței la sârmă, termometrul folosește pe scară largă metoda de conectare cu trei fire a podului echilibrat. Această metodă poate compensa eroarea de temperatură într -o anumită măsură, dar există încă influența rezistenței liniei. Se propune o metodă de compensare a rezistenței la sârmă cu trei fire bazată pe tensiune constantă și divizor de tensiune. Circuitul este simplu și ușor de implementat, iar influența rezistenței la sârmă poate fi eliminată complet. În comparație cu metoda de compensare a rezistenței la sârmă propusă în literatura de specialitate care utilizează mai multe circuite hardware pentru compensarea rezistenței la sârmă, această metodă are un circuit mai simplu de compensare a rezistenței la sârmă.

1 Analiza metodelor de măsurare a termometrului utilizat frecvent

Pentru termometrul de platină PT100, relația dintre rezistența și temperatura sa este dată în scala internațională de temperatură BS -90, așa cum se arată în formula (1).

În formulă, RT este rezistența rezistenței termice la o temperatură de grad T, r {{0}} este rezistența rezistenței termice la o temperatură de 0 grad, r 0=100 Ω, a =3. B =-5. 847x 10-7 gradul -2, c =-4. 22x 10-12 gradul -3 sunt coeficienți legați de senzorul în sine.
Din formula (1), se poate observa că sensibilitatea PT1 0} 0 rezistență termică este aproximativ 0. 38ω/ grad. Pentru a reduce influența rezistenței liniei a firului de conectare asupra rezultatului măsurării, metoda podului cu trei fire este utilizată în general pentru măsurare. VR =1 V. Principiul circuitului este prezentat în figura 1. RT este rezistența de măsurare a temperaturii, R este rezistența la sârmă de conectare, R1, R2, R3 sunt brațe fixe fixe, r 1= r 2=1 000 ω, r {{12} ω Ω, VR este tensiunea de referință, iar G este instrumentul de măsurare. În acest circuit, trei fire sunt conectate la brațul de punte al senzorului, la brațul podului de rezistență și, respectiv, la capătul de ieșire. Această metodă poate măsura cu ușurință rezistența RT care trebuie măsurată. Cu toate acestea, în utilizare efectivă, există adesea o anumită distanță între senzorul de temperatură și circuitul de măsurare a temperaturii, iar rezistivitatea firului de conectare este de aproximativ 0,1 ~ 0,5 Ω/m. Eroarea de măsurare cauzată de rezistența la sârmă de conectare R nu poate fi ignorată.

Așa cum se arată în figura 1, atunci când rezistența la linie r nu este luată în considerare, ieșirea podului este:, atunci când este luată în considerare rezistența liniei, ieșirea podului vc=vr (rt+r) ／ (r 1+ rt+r) -vr (r 3+ r) ／ (r 2+ r {}} r) ／ (r), presupune că podul este echilibrat atunci când rt=rx, adică r2rx=r1r3, și rezistența brațului bridge r 1= r 2= r 3= rx=r, când RT se schimbă prin △ r, Rt=r+△ r, eroarea cauzată de existența rezistenței liniei r poate fi calculată ca:

Se poate observa că rezistența la sârmă R afectează rezultatul de măsurare al RT și nu poate fi eliminat complet de circuitul zero. Pe baza analizei de mai sus, este propus un circuit de preamplificator de înaltă precizie cu trei fire de tensiune care poate elimina complet erorile de sârmă.

2 Circuit de măsurare cu trei fire de tensiune constantă de tensiune

2.1 Principiul măsurării

Metoda constantă a divizorului de tensiune cu trei fire folosită aici pentru a măsura rezistența poate elimina interferența rezistenței la sârmă. Diagrama sa schematică echivalentă este prezentată în figura 2. În cazul în care RT este rezistența termică. R este rezistența echivalentă a firului. VR este tensiunea de referință, VAD este tensiunea de referință a convertorului A/D și este factorul de mărire a tensiunii.

Relația de bază poate fi obținută din legea lui Ohm:

Din formula (3), se poate observa că atunci când RV și VR sunt cunoscute, pentru a obține RT, doar V2 și V1 trebuie măsurate și nu are nicio legătură cu rezistența la sârmă r. Iar precizia măsurării depinde doar de exactitatea RV și de precizia de măsurare a V1 și V2. Rezistența la sârmă care nu poate fi eliminată în metoda podului este eliminată complet în metoda constantă a divizorului de tensiune cu trei fire.
Deoarece temperatura rezistenței termice va crește atunci când curentul trece prin ea, trebuie luată în considerare propria sa eroare de auto-încălzire, adică trebuie luată în considerare eroarea de creștere a temperaturii cauzată de curentul care curge prin rezistența termică. PT1 0 {0 curentul de acționare a rezistenței termice este de aproximativ 1 mA. La gradul 0, este echivalent cu o putere de auto-încălzire de aproximativ 0,1 MW. Atunci când se măsoară cu o precizie ridicată, puterea de auto-încălzire ar trebui să fie redusă în continuare pentru a reduce eroarea de auto-încălzire. Aici, vr =2. 5v și rv =10 kΩ sunt setate, iar puterea de auto-încălzire este de aproximativ 0,006 MW.

2.2 Măsuri pentru îmbunătățirea preciziei de măsurare

Similar cu metoda puntelor echilibrate cu trei fire, tensiunile de ieșire V1 și V2 ale circuitului prezentat în figura 2 au o valoare mică și trebuie adăugată o amplificare a tensiunii de prim nivel înainte de conversia A/D. Tensiunea de referință VR este, în general, furnizată de o sursă de tensiune constantă de precizie pentru a oferi un semnal de tensiune stabil. În plus, atunci când software -ul microcontroller selectează un algoritm adecvat și lungimea cuvântului în calcule matematice, eroarea de calcul poate fi, de asemenea, ignorată. Cu toate acestea, factorul de amplificare și RV al circuitului amplificatorului vor varia de la componentă la componentă, în special în producția de masă, precizia componentelor este dificil de asigurat uniformității. Prin urmare, pentru un circuit de intrare specific, trebuie luată în considerare și eroarea cauzată de și RV.
Pentru a elimina eroarea cauzată de și RV, metoda de calibrare poate fi utilizată pentru a calibra automat și a calcula valorile efective ale circuitului și RV în timpul producției de instrumente. Acești doi parametri sunt apoi înregistrați în memoria non-volatilă a instrumentului. Când instrumentul măsoară temperatura, parametrii sunt citiți și calculați în funcție de formula (1) pentru a obține temperatura măsurată exactă.
Dacă firul lung din figura 2 este înlocuit cu cel mai scurt fir posibil (adică r =0), iar rezistența termică RT este înlocuită de un rezistor de precizie R, VAD este tensiunea de referință a convertorului A/D, este factorul de mărire a tensiunii, iar restul rămâne neschimbat, apoi::

În Formula (4), R este un rezistor de precizie cu o valoare de rezistență cunoscută; D este rezultatul conversiei A/D, care poate fi citită cu ușurință de pe dispozitivul de afișare a instrumentului; VR și VAD sunt tensiuni de referință, care sunt constante; este factorul total de mărire a circuitului; K este factorul proporțional al conversiei A/D, cum ar fi K =214 pentru un convertor 14- bit a/d. Apoi, există doar două necunoscute RV și în formula (2). Pentru un circuit de intrare specific, dacă două rezistențe de precizie R1 și R2 cu valori de rezistență cunoscute sunt conectate la circuitul prezentat în figura 2 pentru calibrare (atunci când se calibrează, încercați să faceți r =0), se poate obține un set de ecuații liniare cu două variații. Astfel, pentru un circuit de intrare specific, iar RV poate fi rezolvat din ecuații, iar rezultatele sunt următoarele:

Metoda de calibrare de mai sus poate fi rezumată după cum urmează: Două rezistențe standard de precizie R1 și R2 cu valori de rezistență cunoscute sunt conectate la terminalele de intrare ale instrumentului, iar rezistența firului de conectare este minimizată pe cât posibil. În acest moment, sunt înregistrate citirile instrumentului D1 și D2, iar parametrii necunoscuți și RV -ul instrumentului calibrat pot fi calculați prin înlocuirea lor în formula (5). În utilizare, se recomandă utilizarea aceleiași surse de referință pentru VR și VAD, astfel încât calculul în formula (5) este independent de exactitatea tensiunii de referință. Această metodă reduce diferențele dintre diferite surse de referință, în special influența derivării timpului și a derivării temperaturii diferitelor referințe.
2.3 Circuit de măsurare
Figura 3 este circuitul de intrare frontal al sistemului de măsurare a temperaturii PT100 de înaltă precizie, în care tensiunea de referință PT100 și tensiunea de referință a convertorului A/D ICL7135 sunt aceeași sursă de referință de tensiune. Cele două semnale de intrare de măsurare V1 și V2 ale PT100 sunt amplificate de același amplificator operațional (1+ R3/R4) și apoi introduceți convertorul A/D. Micro Releul K1 este utilizat pentru selecția canalului. Această metodă împărtășește amplificatorul operațional, convertorul A/D și sursa de tensiune de referință, reducând impactul diferențelor dintre diferite dispozitive asupra rezultatelor măsurării. Rezultatul de conversie A/D al ICL7135 este conectat la microcontroller în modul serial, care poate salva foarte mult portul IO al microcontrolerului. Atunci când calibrează circuitul, sunt utilizate rezistențe standard 100Ω și 300Ω pentru calibrare, iar rezultatele calibrării și RV sunt stocate în EEPROM -ul sistemului microcontroller. În măsurarea efectivă, sistemul microcontroller preia și RV ca valori cunoscute și calculează valoarea RT de rezistență după formula (3).

2.4 Analiza testului circuitului de măsurare

În comparație cu metoda puntelor echilibrate cu trei fire, rezultatele de detectare ale acestui circuit au fost mult îmbunătățite. Tabelul 1 este o comparație a valorilor de rezistență standard măsurate prin două metode diferite. Printre ele, R este rezistența la linie.

Din tabelul 1 se poate observa că rezultatele teoretice de măsurare ale metodei de punte echilibrate cu trei fire au erori mari, iar eroarea cauzată de creșterea rezistenței la linie R este mai mare. Pe măsură ce valoarea de rezistență a rezistenței termice va fi măsurată, crește și eroarea absolută. În tabelul 1, eroarea absolută este de 2,57% atunci când rezistența măsurată RT =300 Ω și rezistența liniei r =20 ω. Rezultatele efective de măsurare a metodei îmbunătățite cu trei fire utilizate în această lucrare au o eroare absolută de doar 0. 3 Ω și o eroare relativă de ± 0. 1% în intervalul de date măsurat. Convertorul A/D utilizat în circuit este echivalent doar cu {14- Bit A/D Precizie de conversie. Dacă se utilizează un convertor A/D cu precizie mai mare, se poate obține o precizie de măsurare mai mare. În instrumentul real de măsurare a temperaturii senzorului de rezistență termică, este necesar să se adauge și un program aferent care să transforme rezistența măsurată în temperatura corespunzătoare. Adică, după măsurarea RT, valoarea reală a temperaturii poate fi rezolvată cu exactitate prin formula (1).

3 Concluzie

Metoda de punte echilibrată cu trei fire este utilizată pe scară largă în măsurarea rezistenței termice, dar există o problemă că eroarea de măsurare cauzată de rezistența la plumb senzor nu poate fi eliminată. This paper analyzes the problems existing in the balanced bridge method for measuring thermal resistors, proposes a constant voltage divider three-wire measurement method, analyzes the causes and influencing factors of the measurement circuit error, derives and establishes the influencing parameters and formulas of the resistance to be measured, and designs a complete measurement circuit, including a signal amplifier and an A/D converter as well as an interface circuit cu un microcomputer cu un singur cip. În cele din urmă, precizia testului circuitului proiectat este testată și determinată. Testul arată că atunci când metoda puntelor echilibrate cu trei fire măsoară valoarea de rezistență standard de 1 0 0 ~ 300Ω, iar rezistența la linie este 0 ~ 20Ω, eroarea de măsurare **** ajunge la 2,57%, în timp ce eroarea de măsurare echilibrată cu trei fire este doar ± 0,1%. Astfel, se obține un circuit de măsurare a rezistenței termice cu trei fire de înaltă precizie.