Діаграма проектування високоточної схеми вимірювання теплового опору на основі трипровідної системи

Датчик термістора - це датчик температури, значення опору якого змінюється з температурою навколишнього середовища. Серед них термістор, виготовлений з металевої платини, широко використовується через її хорошу стабільність, високу точність та широкий діапазон вимірювання температури. Термісторні термометри для вимірювання температури в основному складаються з датчиків термометра, вимірювальних інструментів дисплея та з'єднувальних проводів. Оскільки чутливість температури самого датчика термометра низька, лінійний опір сполучного дроту впливає на результат вимірювання, який неможливо ігнорувати. Для того, щоб усунути вплив опору дроту, термометр широко використовує метод збалансованого мостового трипровідного з'єднання. Цей метод може певною мірою компенсувати температурну помилку, але вплив опору лінії все ще існує. Пропонується трипровідний метод компенсації опору проводу на основі постійної напруги та роздільника напруги. Схема проста і проста в реалізації, а вплив опору дроту можна повністю усунути. Порівняно з методом компенсації опору проводу, запропонованого в літературі, який використовує більше апаратних схем для компенсації опору дроту, цей метод має більш простий ланцюг компенсації опору проводу.

1 Аналіз зазвичай використовуваних методів вимірювання термометра

Для термометра PT100 Platinum залежність між його стійкістю та температурою наведена в міжнародній шкалі температури BS -90, як показано у формулі (1).

У формулі RT - опір теплового резистора при температурі t ступеня, r {{0}} - опір теплового резистора при температурі 0 градусів, r 0=100 ω, a {3}}. B =-5. 847x 10-7 градус -2, c =-4. 22x 10-12 градус -3 - коефіцієнти, пов'язані з самим сенсором.
З формули (1) видно, що чутливість PT1 0 0 Тепловий резистор - приблизно 0. 38ω/ градус. Для того, щоб зменшити вплив лінійного опору сполучного дроту на результат вимірювання, метод трипровідного мосту, як правило, використовується для вимірювання. Vr =1 V. Принцип схеми показаний на малюнку 1. RT - резистор вимірювання температури, R - опір підключення дротяного дроту, R1, R2, R3 - це фіксовані мостові руки, r 1= r 2=1 000 ω, r 3=100 ω, vr - це довідник, і g - це вимірювання. У цій схемі три дроти підключені до руки датчика мосту, резисторну мостову руку та вихідний кінець відповідно. Цей метод може легко виміряти опір RT для вимірювання. Однак у фактичному використанні часто спостерігається певна відстань між датчиком температури та ланцюгом вимірювання температури, а опір з'єднувального дроту становить приблизно 0,1 ~ 0,5 Ом/м. Помилка вимірювання, викликана підключеним опором дроту R, не може бути ігнорована.

As shown in Figure 1, when the line resistance r is not considered, the output of the bridge is:, when the line resistance is considered, the bridge output Vc=VR(Rt+r)／(R1+Rt+r)-VR(R3+r)／(R2+R3+r), assuming that the bridge is balanced when Rt=Rx, that is, R2Rx=R1R3, and the bridge arm resistance R1=R2=R3=Rx=R, when Rt changes by △R, that is, Rt=R+△R, Помилка, спричинена існуванням лінійного опору R, може бути обчислена як:

Видно, що опір дроту R впливає на результат вимірювання RT, і його не можна повністю усунути за допомогою нульових ланцюгів. Виходячи з наведеного вище аналізу, пропонується постійний трипровідний високоточний схема підсилювача, яка може повністю усунути помилки дроту.

2 Постійна схема вимірювання дільника напруги

2.1 Принцип вимірювання

Постійний трипровідний метод роздільника напруги, що використовується тут для вимірювання опору, може усунути перешкоди опору дроту. Його еквівалентна схематична схема показана на малюнку 2. Де RT - тепловий резистор. r - еквівалентний опір дроту. VR - це опорна напруга, VAD - опорна напруга перетворювача A/D і є коефіцієнтом збільшення напруги.

Основні відносини можна отримати із закону Ома:

З формули (3) видно, що коли відомі RV і VR, для отримання RT, потрібно виміряти лише V2 і V1, і це не має нічого спільного з опором дроту r. І точність вимірювання лише залежить від точності RV та точності вимірювання V1 та V2. Опір дроту, який неможливо усунути в методі мосту, повністю усунута в постійному трипровідному методі роздільника напруги.
Оскільки температура теплового резистора підніметься, коли струм проходить через нього, необхідно враховувати власну помилку самогрівання, тобто похибка підвищення температури, спричинена струмом, що протікає через тепловий резистор. Загальноприйнятий PT1 0 0 струм приводу термічного резистора становить приблизно 1 мА. При 0 градусів він еквівалентний силою самогрівання приблизно 0,1 МВт. При вимірюванні з високою точністю потужність самогрівання повинна бути додатково зменшена, щоб зменшити помилку самогрівання. Тут, Vr =2.

2.2 Заходи щодо підвищення точності вимірювання

Подібно до методу трипровідного збалансованого мосту, вихідні напруги v1 та v2 схеми, показані на малюнку 2, мають значення невеликого, а до перетворення A/D слід додати ампліфікацію напруги першого рівня. Еталонна напруга VR, як правило, забезпечується точним джерелом постійної напруги для забезпечення стабільного сигналу напруги. Крім того, коли програмне забезпечення Microcontroller вибирає відповідний алгоритм та довжину слів у математичних розрахунках, похибку обчислення також можна ігнорувати. Однак коефіцієнт посилення та RV схеми підсилювача будуть змінюватися від компонента до компонента, особливо при масовій виробництві, точність компонентів важко забезпечити рівномірність. Тому для конкретної ланцюга введення також слід враховувати помилку, спричинену та RV.
Для усунення помилки, спричиненої та RV, метод калібрування може бути використаний для автоматичного калібрування та обчислення фактичних значень схеми та RV під час виробництва приладів. Потім ці два параметри записуються в нелалітній пам’яті інструменту. Коли прилад вимірює температуру, параметри зчитуються та обчислюються відповідно до формули (1) для отримання точної вимірюваної температури.
Якщо довгий дріт на малюнку 2 замінений на найкоротший провід (тобто R =0), а тепловий резистор RT замінюється на точний резистор R, VAD - це опорна напруга перетворювача A/D, є коефіцієнтом збільшення напруги, а решта залишається незмінною, тоді:

У формулі (4) R - точний резистор із відомим значенням опору; D - результат перетворення A/D, який можна легко прочитати з пристрою відображення приладу; VR і VAD - це опорні напруги, які є константами; - загальний коефіцієнт збільшення ланцюга; K - пропорційний коефіцієнт перетворення A/D, наприклад K =214 для A 14- Біт A/D перетворювача. Тоді є лише два невідомі RV та у формулі (2). Для конкретного вхідного ланцюга, якщо два точні резистори R1 і R2 із відомими значеннями опору підключені до схеми, показаної на малюнку 2 для калібрування (при калібруванні, спробуйте зробити R =0), можна отримати набір двозначних лінійних рівнянь. Таким чином, для конкретного вхідного ланцюга та RV можна вирішити з рівнянь, а результати такі:

Наведений вище метод калібрування може бути узагальнений наступним чином: Два стандартних точних резисторів R1 і R2 із відомими значеннями опору підключені до вхідних клем приладу відповідно, а опір з'єднувального проводу мінімізовано максимально мінімізується. У цей час записуються показання інструменту D1 і D2, і невідомі параметри та RV каліброваного інструменту можна обчислити шляхом заміни їх у формулу (5). У використанні рекомендується використовувати одне і те ж еталонне джерело для VR та VAD, щоб розрахунок у формулі (5) не залежить від точності опорної напруги. Цей метод зменшує відмінності між різними еталонними джерелами, особливо впливом часового дрейфу та температурного дрейфу різних посилань.
2,3 Ліжок вимірювання
Малюнок 3-передня вхідна схема високоточної системи вимірювання температури PT100, в якій опорна напруга PT100 та опорна напруга перетворювача A/D ICL7135-це те саме опорне джерело напруги. Два вхідні сигнали вимірювання v1 і v2 PT100 ампліфікуються тим же оперативним підсилювачем (1+ r3/r4) разів, а потім входять до перетворювача A/D. Мікро реле K1 використовується для вибору каналу. Цей метод поділяє оперативний підсилювач, конвертер A/D та джерело еталонної напруги, зменшуючи вплив відмінностей між різними пристроями на результати вимірювання. Результат перетворення A/D ICL7135 підключений до мікроконтролера в серійному режимі, який може значно зберегти порт IO мікроконтролера. При калібруванні ланцюга стандартні резистори 100 Ом і 300 Ом використовуються для калібрування, а результати калібрування та RV зберігаються в EEPROM системи мікроконтролера. У фактичному вимірюванні система мікроконтролерів виймає і RV як відомі значення, і обчислює значення RT опору за формулою (3).

2.4 Аналіз випробування ланцюга вимірювання

Порівняно з методом трипровідного збалансованого мосту, результати виявлення цієї схеми були значно вдосконалені. Таблиця 1 - це порівняння стандартних значень опору, виміряних двома різними методами. Серед них R - стійкість до лінії.

З таблиці 1 видно, що теоретичні результати вимірювання методу трипровідного збалансованого мосту мають великі помилки, а похибка, спричинена збільшенням опору лінії R, більша. Зі збільшенням значення опору термічного резистора для вимірювання, абсолютна помилка збільшується. У таблиці 1 абсолютна помилка становить 2,57%, коли вимірюваний опір rt =300 ω та опір лінії r =20 ω. Фактичні результати вимірювання вдосконаленого трипровідного методу, що використовується в цій роботі, мають абсолютну помилку лише 0. 3 ω та відносної похибки ± 0. 1% у межах вимірюваного діапазону даних. Перетворювач A/D, що використовується в ланцюзі, еквівалентний лише точній точністю перетворення A/D. Якщо використовується більш висока точна конвертер A/D, може бути досягнута більш висока точність вимірювання. У фактичному приладі вимірювання температури датчика термічного резистора необхідно також додати споріднену програму, яка перетворює вимірюваний опір у відповідну температуру. Тобто після вимірювання RT фактичне значення температури може бути точно вирішене формулою (1).

3 Висновок

Трипровідний збалансований метод мосту широко застосовується при вимірюванні теплового резистора, але існує проблема, що помилка вимірювання, викликана опором датчика свинцю, не може бути усунена. 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 with a Мікрокомп'ютер з однією мікросхемою. Нарешті, точність тесту розробленої схеми перевіряється та визначається. Тест показує, що коли трипровідний збалансований метод мосту вимірює стандартне значення опору 1 0 0 ~ 300ω, а опір лінії становить 0 ~ 20ω, помилка вимірювання **** досягає 2,57%, тоді як збалансована трипровідна помилка вимірювання становить лише ± 0,1%. Таким чином, отримується високоточна трипровідна схема вимірювання термічного резистора.