Konstrukční diagram vysoce přesného obvodu měření tepelného odporu založeného na třívodičovém systému

Senzor termistoru je teplotní senzor, jehož hodnota odporu se mění s okolní teplotou. Mezi nimi je termistor vyrobený z kovové platiny široce používán kvůli své dobré stabilitě, vysoké přesnosti a rozsahu měření teploty. Termistorové teploměry pro měření teploty jsou složeny hlavně ze senzorů teploměru, měření zobrazovacích přístrojů a spojovacích vodičů. Vzhledem k tomu, že citlivost teploty samotného senzoru teploměru je nízká, má odpor linky spojovacího drátu vliv na výsledek měření, který nelze ignorovat. Aby se odstranil vliv odporu drátu, teploměr široce používá metodu třívodičového připojení vyváženého můstku. Tato metoda může do jisté míry kompenzovat chybu teploty, ale vliv odporu linky stále existuje. Je navržena metoda kompenzace odporu třívodiče založená na konstantním napětí a napěťovém děliči. Obvod je jednoduchý a snadno implementovatelný a vliv odporu drátu může být zcela eliminován. Ve srovnání s metodou kompenzace odporu drátu navrženou v literatuře, která pro kompenzaci odporu drátu používá více hardwarových obvodů, má tato metoda jednodušší obvod kompenzace odporu drátu.

1 Analýza běžně používaných metod měření teploměru

U platinometru PT100 je vztah mezi jeho odporem a teplotou uveden v mezinárodní teplotní stupnici BS -90, jak je uvedeno ve vzorci (1).

Ve vzorci je RT odporem tepelného rezistoru při teplotě t stupně, r {{0}} je odpor tepelného rezistoru při teplotě 0 stupně, r 0=100 Ω, a =3. 96847 {{{{{}}}}}}}}}} {{{{5 {{5 {5 {5 {5 {5 {5 {5 {5 {5 {5 {5 {5 {5 {5 {5 {5 {5 {5 {5 {5 {5 {5 B =-5. 847X 10-7 stupeň -2, C =-4. 22x 10-12 stupeň -3 jsou koeficienty související se samotným senzorem.
Z vzorce (1) je vidět, že citlivost PT1 0 0 je asi 0. 38Ω/ stupeň. Aby se snížil vliv odporu linky spojovacího drátu na výsledek měření, metoda třívodičového můstku se obecně používá pro měření. VR =1 V. Princip obvodu je znázorněn na obrázku 1. RT je rezistor měření teploty, R je odpor spojovacího drátu, R1, R2, R3 jsou pevná můstková ramena, R 1= r 2=1 000 Ω, R {{12} É, VR je měřicí přístroje a G je měřicí přístroje. V tomto obvodu jsou připojeny tři dráty s ramenem senzorového můstku, ramene rezistorového můstku a výstupního konce. Tato metoda může snadno měřit RT rezistenci, která má být změřena. Ve skutečném použití však často existuje určitá vzdálenost mezi teplotním senzorem a obvodem měření teploty a odpor spojovacího drátu je asi 0,1 ~ 0,5 Ω/m. Chyba měření způsobená odporem spojovacího vodiče R nelze ignorovat.

Jak je znázorněno na obrázku 1, když se nezohledňuje liniový odpor r, výstup mostu je:, když je zvažován odpor linky, výstup můstku vc=Vr (rt+r) ／ (r 1+}}} {}}}}}} r {{}}}}}}}}} r {}} r {{} r {} r {} r}}} 1+} 1+} {{ Most je vyvážený, když rt=rx, tj. R2rx=r1r3, a odolnost proti můstku r 1= r 2= r 3==r, to je, to je Rt=r+△ r, chyba způsobená existencí liniového odporu r lze vypočítat jako:

Je vidět, že odpor drátu R ovlivňuje výsledek měření RT a nemůže být zcela eliminován nulovým obvodem. Na základě výše uvedené analýzy je navržen konstantní dělič napětí třívodičový vysokohodinový předzesilovač, který může zcela eliminovat chyby drátu.

2 Okruh měření třívodivového měření konstantního napětí

2.1 Princip měření

Metoda třívodičového děliče konstantního napětí, která se zde používá k měření odporu, může eliminovat rušení odporu drátu. Jeho ekvivalentní schematický diagram je znázorněn na obrázku 2. Kde je RT tepelným odporem. r je ekvivalentní odpor drátu. VR je referenční napětí, VAD je referenční napětí převodníku A/D a je faktorem zvětšení napětí.

Základní vztah lze získat ze zákona OHM:

Z vzorce (3) je vidět, že když jsou známy RV a VR, pro získání RT je třeba měřit pouze V2 a V1 a nemá nic společného s odporem drátu r. A přesnost měření závisí pouze na přesnosti RV a přesnosti měření V1 a V2. Odpor drátu, který nelze vyloučit v metodě můstku, je zcela eliminován ve třídivovém třívodičovém napětí konstantního napětí.
Protože teplota tepelného rezistoru vzroste, když projde proud skrz něj, musí být zvážena jeho vlastní chyba sebezahnutí, tj. Je třeba zvážit chybu zvýšení teploty způsobené proudem tepelným rezistorem. Běžně používaný PT1 0 0 proud tepelného odporu je asi 1 mA. Při 0 stupně je ekvivalentní samohlněné síle asi 0,1 MW. Při měření s vysokou přesností by měla být samohlněná síla dále snížena, aby se snížila chyba samohry. Zde jsou nastaveny VR =2.

2.2 Opatření pro zlepšení přesnosti měření

Podobně jako u třívodičové vyvážené můstkové metody, výstupní napětí V1 a V2 obvodu znázorněného na obrázku 2 jsou malé v hodnotě a před převodem A/D by mělo být přidáno zesílení napětí první úrovně. Referenční napětí VR je obecně poskytováno zdrojem přesného konstantního napětí, který poskytuje stabilní signál napětí. Kromě toho, když software MicroController vybere v matematických výpočtech vhodný algoritmus a délku slov, lze také ignorovat chybu výpočtu. Amplifikační faktor a RV obvodu zesilovače se však budou lišit od komponenty ke složce, zejména při hmotnostní produkci, je obtížné zajistit uniformitu přesnost složek. Proto je třeba zvážit pro konkrétní vstupní obvod také chybu způsobenou a RV.
Za účelem eliminace chyby způsobené a RV může být metoda kalibrace použita k automatickému kalibraci a výpočtu skutečných hodnot obvodu a RV během výroby přístroje. Tyto dva parametry jsou poté zaznamenány v nezávislé paměti nástroje. Když přístroj měří teplotu, parametry se čte a vypočítají podle vzorce (1), aby se získala přesná naměřená teplota.
Pokud je dlouhý vodič na obrázku 2 nahrazen nejkratším možným vodičem (tj. R =0) a tepelný rezistor RT je nahrazen přesným odporem r, VAD je referenčním napětím A/D převodníku, je faktorem zvětšení napětí a zbytek zůstává nezměněn, pak:

Ve vzorci (4) je R přesný rezistor se známou hodnotou odporu; D je výsledek konverze A/D, kterou lze snadno přečíst ze zařízení zobrazení nástroje; VR a VAD jsou referenční napětí, což jsou konstanty; je celkový faktor zvětšení obvodu; K je proporcionální faktor konverze A/D, jako je k =214 pro 14- bit A/D Converter. Pak existují pouze dva neznámé RV a ve vzorci (2). Pro konkrétní vstupní obvod, pokud jsou k obvodu zobrazeny na obrázku 2 pro kalibraci (při kalibraci, pokuste se vytvořit r =0), lze získat sadu dvou proměnných lineárních rovnic, pokud jsou k kalibraci (při kalibraci, připojeny k kalibraci (při kalibraci, lze získat sadu dvou proměnných lineárních rovnic. Pro konkrétní vstupní obvod tedy lze vyřešit RV z rovnic a výsledky jsou následující:

Výše uvedenou kalibrační metodu lze shrnout následovně: Dva přesné standardní rezistory R1 a R2 se známými hodnotami odporu jsou spojeny se vstupními terminály nástroje a odpor spojovacího drátu je co nejvíce minimalizován. V této době jsou zaznamenány hodnoty přístrojů D1 a D2 a neznámé parametry a RV kalibrovaného přístroje lze vypočítat jejich nahrazením do vzorce (5). Při použití se doporučuje použít stejný referenční zdroj pro VR a VAD, takže výpočet ve vzorci (5) je nezávislý na přesnosti referenčního napětí. Tato metoda snižuje rozdíly mezi různými referenčními zdroji, zejména vliv driftu času a driftu teploty různých odkazů.
2.3 Měřicí obvod
Obrázek 3 je přední vstupní obvod vysoce přesného systému měření teploty PT100, ve kterém referenční napětí PT100 a referenční napětí převodníku A/D ICL7135 jsou stejným referenčním zdrojem napětí. Dva vstupní signály měření V1 a V2 PT100 jsou amplifikovány stejným operačním zesilovačem (1+ r3/r4) časy a poté vstoupí do převodníku A/D. Pro výběr kanálu se používá mikro relé K1. Tato metoda sdílí operační zesilovač, převodník A/D a zdroj referenčního napětí, což snižuje dopad rozdílů mezi různými zařízeními na výsledky měření. Výsledek převodu A/D ICL7135 je připojen k mikrokontroléru v sériovém režimu, který může výrazně uložit io portu mikrokontroléru. Při kalibraci obvodu se pro kalibraci používají standardní rezistory 100Ω a 300Ω a výsledky kalibrace a RV jsou uloženy v EEPROM mikrokontroléru. Při skutečném měření se systém mikrokontroléru vytáhne a RV jako známé hodnoty a vypočítá hodnotu RT odporu podle vzorce (3).

2.4 Analýza testu měření

Ve srovnání s metodou třívodičového vyváženého můstku byly výsledky detekce tohoto obvodu výrazně zlepšeny. Tabulka 1 je srovnání standardních hodnot odporu měřené dvěma různými metodami. Mezi nimi je R liniový odpor.

Z tabulky 1 je patrné, že výsledky teoretického měření metody třívodičového vyváženého můstku mají velké chyby a chyba způsobená zvýšením odolnosti linie R je větší. Jak se zvyšuje hodnota odporu tepelného rezistoru, který má být měřen, zvyšuje se také absolutní chyba. V tabulce 1 je absolutní chyba 2,57%, když měřený odpor RT =300 Ω a liniový odpor R =20 Ω. Skutečné výsledky měření vylepšené třívodičové metody použité v tomto článku mají absolutní chybu pouze 0. 3 Ω a relativní chybu ± 0. 1% v měřeném rozsahu dat. Převodník A/D použitý v obvodu je ekvivalentní pouze 14- Bit A/D Převodové přesnosti. Pokud je použit převodník A/D s vyšší přesností, lze dosáhnout vyšší přesnosti měření. Ve skutečném přístroji pro měření teploty senzoru tepelného rezistoru je také nutné přidat související program, který převádí naměřený odpor na odpovídající teplotu. To znamená, že po změně RT lze skutečnou teplotu přesně vyřešit vzorem (1).

3 Závěr

Metoda vyváženého můstku se třívodičovým vyvážením se široce používá při měření tepelného rezistoru, ale existuje problém, že nelze eliminovat chybu měření způsobené odporem olova senzoru. 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 s mikropočítačem s jedním čipem. Nakonec je testována a stanovena přesnost testu navrženého obvodu. Test ukazuje, že když metoda třívodičového vyváženého můstku měří standardní hodnotu odporu 1 0 0 ~ 300Ω a liniový odpor je 0 ~ 20Ω, chyba měření **** dosáhne 2,57%, zatímco vyvážená chyba měření tří dýchání je pouze ± 0,1%. Získá se tedy vysoce přesný třívodičový měřicí obvod tepelného rezistoru.