Designdiagram over høye presisjon Termisk motstandsmålingskrets basert på tretrådssystem

Termistorsensor er en temperatursensor hvis motstandsverdi endres med omgivelsestemperaturen. Blant dem er termistor laget av metallplatina mye brukt på grunn av dens gode stabilitet, høy nøyaktighet og bredt temperaturmålingsområde. Termistortermometre for målingstemperatur er hovedsakelig sammensatt av termometer sensorer, måling av skjerminstrumenter og koblingsledninger. Siden temperaturfølsomheten til selve termometerets sensor er lav, har linjemotstanden til tilkoblingsledningen innflytelse på målesultatet som ikke kan ignoreres. For å eliminere påvirkningen av trådmotstanden bruker termometeret bredt den balanserte broen med tre ledningstilkoblinger. Denne metoden kan kompensere temperaturfeilen til en viss grad, men påvirkningen av linjemotstanden eksisterer fortsatt. Det foreslås en tretrådstrålmotstandskompensasjonsmetode basert på konstant spenning og spenningsdelere. Kretsen er enkel og enkel å implementere, og påvirkningen av trådmotstanden kan elimineres fullstendig. Sammenlignet med metoden for trådmotstandskompensasjon som er foreslått i litteraturen som bruker flere maskinvarekretser for trådmotstandskompensasjon, har denne metoden en enklere trådmotstandskompensasjonskrets.

1 Analyse av ofte brukte termometermålemetoder

For PT100 -platina -termometer er forholdet mellom dens motstand og temperatur gitt i den internasjonale temperaturskalaen BS -90 som vist i formel (1).

I formelen er RT motstanden til den termiske motstanden i en temperatur i T -grad, r {{0}} er motstanden til den termiske motstanden ved en temperatur på 0 grader, r {{2} ω, a {}}}}. B =-5. 847x 10-7 grad -2, c =-4. 22x 10-12 grad -3 er koeffisienter relatert til sensoren i seg selv.
Fra formel (1) kan det sees at følsomheten til PT1 0 0 termisk motstand er omtrent 0. 38Ω/ grad. For å redusere påvirkningen av linjemotstanden til tilkoblingsledningen på målesultatet, brukes tre-tråds bridge-metoden vanligvis for måling. VR =1 V. Kretsprinsippet er vist i figur 1. RT er temperaturmålingsmotstanden, R er tilkoblingstrådmotstanden, R1, R2, R3 er faste broarm, R 1= {{11} ω, R {{{{{}} ω, VR. I denne kretsen er tre ledninger koblet til henholdsvis sensorbro -armen, motstandsbro -armen og utgangsenden. Denne metoden kan enkelt måle motstanden RT som skal måles. Imidlertid er det ofte en viss avstand mellom temperatursensoren og temperaturmålingskretsen, og resistiviteten til tilkoblingsledningen er imidlertid omtrent 0,1 ~ 0,5 ω/m. Målefeilen forårsaket av tilkoblingstrådmotstanden R kan ikke ignoreres.

Som vist i figur 1, når linjemotstanden R ikke vurderes, er utgangen til broen:, når linjemotstanden blir vurdert, er broutgangen Vc=Vr (RT+R) ／ (r 1+ rt+{r {3+} rt}}}}}} rt}}}} rt} rt} rt}}}} rt} rt} rt}} rt} rt} rt {r {6}} rt} rt}} rt} rt}}}} rt} rt. Broen er balansert når rt=rx, det vil si r2rx=r1r3, og broens arm motstand r 1= r 2= r 3= rx=r, når rt endres)}}} rx=Rt RT -endringer i rx} Rx { RT=r+△ r, feilen forårsaket av eksistensen av linjemotstanden r kan beregnes som:

Det kan sees at ledningsmotstanden R påvirker målesultatet av RT, og det kan ikke elimineres fullstendig av nullkretsen. Basert på analysen ovenfor foreslås en konstant spenningsdeler med tre ledning med høy presisjon forforsterkerkrets som kan eliminere ledningsfeil fullstendig.

2 Konstant spenning Divider tre-tråds målekrets

2.1 Måleprinsipp

Den konstante spenningsdelende tre-trådsmetoden som brukes her for å måle motstand kan eliminere forstyrrelsen av ledningsmotstanden. Dets ekvivalente skjematiske diagram er vist i figur 2. hvor RT er den termiske motstanden. R er ledningens tilsvarende motstand. VR er referansespenning, VAD er referansespenningen til A/D -omformeren, og er spenningsforstørrelsesfaktoren.

Det grunnleggende forholdet kan fås fra Ohms lov:

Fra formel (3) kan det sees at når RV og VR er kjent, for å oppnå RT, må bare V2 og V1 måles, og det har ingenting å gjøre med trådmotstanden r. Og målingsnøyaktigheten avhenger bare av nøyaktigheten til RV og målingens nøyaktighet av V1 og V2. Ledningsmotstanden som ikke kan elimineres i brometoden elimineres fullstendig i den konstante spenningsdeleren tre-trådsmetoden.
Siden temperaturen på den termiske motstanden vil stige når strømmen går gjennom den, må dens egen selvoppvarmingsfeil vurderes, det vil si at temperaturøkningsfeilen forårsaket av strømmen som strømmer gjennom den termiske motstanden, må vurderes. Den ofte brukte pt1 0 0 termisk motstandsdrevet er omtrent 1 ma. Ved 0 grad tilsvarer det en selvoppvarmingskraft på omtrent 0,1 MW. Når du måler med høy presisjon, bør den selvoppvarmingskraften reduseres ytterligere for å redusere selvoppvarmingsfeilen. Her er VR =2. 5V og RV =10 kω satt, og selvoppvarmingskraften er omtrent 0,006 MW.

2.2 Tiltak for å forbedre målingens nøyaktighet

I likhet med den tre-tråds balanserte brometoden, er utgangsspenningene V1 og V2 i kretsen vist i figur 2 små i verdi, og en første nivåspenningsforsterkning bør legges til før A/D-konvertering. Referansespenningen VR er vanligvis gitt av en presisjonskonstant spenningskilde for å gi et stabilt spenningssignal. I tillegg, når mikrokontrollerprogramvaren velger en passende algoritme og ordlengde i matematiske beregninger, kan beregningsfeilen også ignoreres. Imidlertid vil amplifiseringsfaktoren og RV for forsterkerkretsen variere fra komponent til komponent, spesielt i masseproduksjon, er nøyaktigheten av komponenter vanskelig å sikre enhetlighet. Derfor, for en spesifikk inngangskrets, må feilen forårsaket av og RV også vurderes.
For å eliminere feilen forårsaket av og RV, kan kalibreringsmetoden brukes til å automatisk kalibrere og beregne den faktiske kretsen og RV -verdiene under instrumentproduksjon. Disse to parametrene blir deretter registrert i det ikke-flyktige minnet om instrumentet. Når instrumentet måler temperaturen, leses og beregnes parametrene i henhold til formel (1) for å oppnå nøyaktig målt temperatur.
Hvis den lange ledningen i figur 2 erstattes av den korteste ledningen som mulig (dvs. r =0), og den termiske motstanden RT erstattes av en presisjonsmotstand R, er VAD referansespenningen til A/D -omformeren, er spenningsforstørrelsesfaktoren, og resten forblir ukjent, da:

I formel (4) er R en presisjonsmotstand med en kjent motstandsverdi; D er resultatet av A/D -konvertering, som enkelt kan leses fra instrumentskjermanordningen; VR og VAD er referansespenninger, som er konstanter; er den totale forstørrelsesfaktoren til kretsen; K er den proporsjonale faktoren til a/d -konvertering, for eksempel k =214 for en 14- bit a/d omformer. Da er det bare to ukjente RV og i formel (2). For en spesifikk inngangskrets, hvis to presisjonsmotstander R1 og R2 med kjente motstandsverdier er koblet til kretsen vist i figur 2 for kalibrering (når du kalibrerer, kan du prøve å lage R =0), kan et sett med to-variabelt lineære ligninger oppnås. For en spesifikk inngangskrets, og RV kan løses fra ligningene, og resultatene er som følger:

Ovennevnte kalibreringsmetode kan oppsummeres som følger: to presisjonsstandardmotstander R1 og R2 med kjente motstandsverdier er koblet til henholdsvis inngangsterminalene til instrumentet, og motstanden til tilkoblingsledningen minimeres så mye som mulig. På dette tidspunktet blir instrumentavlesningene D1 og D2 registrert, og de ukjente parametrene og RV for det kalibrerte instrumentet kan beregnes ved å erstatte dem i formel (5). I bruk anbefales det å bruke den samme referansekilden for VR og VAD, slik at beregningen av i formel (5) er uavhengig av nøyaktigheten til referansespenningen. Denne metoden reduserer forskjellene mellom forskjellige referansekilder, spesielt påvirkningen av tidsdrift og temperaturdrift av forskjellige referanser.
2.3 Målkrets
Figur 3 er den fremre inngangskretsen til høye presisjon PT100 temperaturmålesystem, der PT100-referansespenningen og referansespenningen til A/D-omformeren ICL7135 er den samme spenningsreferansekilden. De to måleinngangssignalene V1 og V2 av PT100 forsterkes med samme operasjonsforsterker (1+ R3/R4) ganger og deretter angi A/D -omformeren. Mikroreléet K1 brukes til kanalvalg. Denne metoden deler den operasjonelle forsterkeren, A/D -omformeren og referansespenningskilden, noe som reduserer virkningen av forskjeller mellom forskjellige enheter på målesultatene. A/D -konverteringsresultatet av ICL7135 er koblet til mikrokontrolleren i seriemodus, som i stor grad kan redde IO -porten til mikrokontrolleren. Ved kalibrering av kretsen brukes standardmotstander 100Ω og 300Ω for kalibrering, og kalibreringsresultatene og RV lagres i EEPROM for mikrokontrollersystemet. Ved faktisk måling tar mikrokontrollersystemet ut og RV som kjente verdier, og beregner Resistance RT -verdien med formel (3).

2.4 Analyse av målingskretstest

Sammenlignet med den tre-tråds balanserte brometoden, har deteksjonsresultatene av denne kretsen blitt kraftig forbedret. Tabell 1 er en sammenligning av standardmotstandsverdiene målt ved to forskjellige metoder. Blant dem er R linjemotstanden.

Det kan sees fra tabell 1 at de teoretiske måleresultatene fra den tre-tråds balanserte brometoden har store feil, og feilen forårsaket av økningen av linjemotstanden R er større. Når motstandsverdien til den termiske motstanden som skal måles øker, øker også den absolutte feilen. I tabell 1 er den absolutte feilen 2,57% når den målte motstanden RT =300 ω og linjemotstanden R {{6} ω ω. De faktiske målingsresultatene av den forbedrede tre-trådsmetoden som ble brukt i denne artikkelen har en absolutt feil på bare 0. 3 Ω og en relativ feil på ± 0. 1% innenfor det målte dataområdet. A/D -omformeren som brukes i kretsen tilsvarer bare 14- bit A/D -konverteringsnøyaktighet. Hvis en A/D-omformer med høyere presisjon brukes, kan oppnås høyere målingsnøyaktighet. I det faktiske måleinstrumentet for termisk motstandssensortemperatur er det også nødvendig å legge til et beslektet program som konverterer den målte motstanden til den tilsvarende temperaturen. Det vil si at etter at RT er målt, kan den faktiske temperaturverdien løses nøyaktig ved formel (1).

3 Konklusjon

Den tre-tråds balanserte brometoden er mye brukt i måling av termisk motstand, men det er et problem at målefeilen forårsaket av sensorens blymotstand ikke kan elimineres. Denne artikkelen analyserer problemene som eksisterer i den balanserte brometoden for å måle termiske motstander, foreslår en konstant spenningsdelere tre-ledningsmålingsmetode, analyserer årsakene og påvirkende faktorer i målekretsfeilen, stammer og etablerer påvirkningsparametere og formater av motstanden til å bli målt, og design som en komplett måling og form for å være en signal som en signal som en signal som er signalisert, og viser en fullstendig måling som en signal for å bli en signal som en signal. Krets med en enkeltbrikke mikrodatamaskin. Til slutt testes og bestemt testnøyaktigheten til den designet kretsen. Testen viser at når den tre-tråds balanserte brometoden måler standardmotstandsverdien på 1 0 0 ~ 300Ω og linjemotstanden er 0 ~ 20Ω, når **** målefeilen 2,57%, mens den balanserte tre-trådsmålingsfeilen bare er ± 0,1%. Dermed oppnås en høypresisjon tre-tråds termisk motstandsmålingskrets.