Дизайнерска диаграма на верига за измерване на термично съпротивление с висока точност въз основа на трипроводна система

Термисторният сензор е температурен сензор, чиято стойност на съпротивлението се променя с температурата на околната среда. Сред тях термисторът, изработен от метална платина, се използва широко поради добрата си стабилност, висока точност и широк диапазон на измерване на температурата. Термисторните термометри за измерване на температурата са съставени главно от сензори за термометър, измерване на дисплейни инструменти и свързващи проводници. Тъй като температурната чувствителност на самия сензор за термометър е ниска, съпротивлението на линията на свързващия проводник оказва влияние върху резултата от измерването, който не може да бъде игнориран. За да елиминира влиянието на съпротивлението на проводника, термометърът широко използва метода на трижилната връзка на балансирания мост. Този метод може да компенсира температурната грешка до известна степен, но влиянието на съпротивлението на линията все още съществува. Предлага се метод за компенсация на трипроводното съпротивление на проводник, базиран на постоянно напрежение и разделител на напрежението. Схемата е проста и лесна за изпълнение и влиянието на съпротивлението на проводника може да бъде напълно елиминирано. В сравнение с метода за компенсация на съпротивлението на проводника, предложен в литературата, който използва повече хардуерни вериги за компенсация на съпротивлението на проводника, този метод има по -проста верига за компенсация на съпротивлението на проводника.

1 Анализ на често използваните методи за измерване на термометър

За PT100 платинен термометър връзката между неговата устойчивост и температура е дадена в международната температурна скала BS -90, както е показано във формула (1).

In the formula, Rt is the resistance of the thermal resistor at a temperature of t degree , R{{0}} is the resistance of the thermal resistor at a temperature of 0 degree , R0=100Ω, A=3.96847×10-3 degree -1, B =-5. 847x 10-7 степен -2, c =-4. 22x 10-12 градус -3 са коефициенти, свързани със самия сензор.
От формула (1) може да се види, че чувствителността на PT1 0 0 термичен резистор е около 0. 38Ω/ степен. За да се намали влиянието на устойчивостта на линията на свързващия проводник върху резултата от измерването, методът на трипроводника обикновено се използва за измерване. VR=1 V. The circuit principle is shown in Figure 1. Rt is the temperature measuring resistor, r is the connecting wire resistance, R1, R2, R3 are fixed bridge arms, R1=R2=1 000Ω, R3=100Ω, VR is the reference voltage, and G is the measuring instrument. В тази верига три проводника са свързани към рамото на моста на сензора, ръката на резистора и изходния край съответно. Този метод може лесно да измерва RT на съпротивлението, което трябва да бъде измерено. Въпреки това, при действителна употреба, често има определено разстояние между температурния сензор и веригата за измерване на температурата, а съпротивлението на свързващия проводник е около 0,1 ~ 0,5 Ω/m. Грешката на измерването, причинена от съпротивлението на свързващия проводник, не може да бъде игнорирана.

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 Мостът е балансиран, когато rt=rx, тоест r2rx=r1r3, и съпротивлението на ръката на моста r 1= r 2= r 3= rx=r, когато rt се променя по △ r, това е, RT=r+△ r, грешката, причинена от съществуването на съпротивлението на линията, може да бъде изчислена като:

Вижда се, че съпротивлението на проводника R влияе на резултата от измерването на RT и не може да бъде напълно елиминирано от веригата за нулева верига. Въз основа на горния анализ е предложена константираща верига за прецизен прециз на постоянно напрежение, която може напълно да елиминира грешките на проводниците.

2 Разделител за постоянно напрежение Три проводни измервателни вериги

2.1 Принцип на измерване

Трижийният метод за постоянно напрежение, използван тук за измерване на съпротивлението, може да елиминира смущения в съпротивлението на проводника. Еквивалентната му схематична диаграма е показана на фигура 2. Когато RT е топлинният резистор. R е еквивалентното съпротивление на жицата. VR е референтното напрежение, VAD е референтното напрежение на A/D конвертора и е коефициентът на увеличение на напрежението.

Основните отношения могат да бъдат получени от закона на Ом:

От формула (3) се вижда, че когато са известни RV и VR, да се получат RT, трябва да се измерват само V2 и V1 и това няма нищо общо с съпротивлението на проводника r. И точността на измерване зависи само от точността на RV и точността на измерване на V1 и V2. Устойчивостта на проводника, която не може да бъде елиминирано в метода на моста, е напълно елиминирано в трижилния метод на постоянно напрежение.
Тъй като температурата на топлинния резистор ще се повиши, когато токът премине през него, трябва да се вземе предвид неговата собствена грешка в самогрупването, тоест грешката на повишаване на температурата, причинена от тока, преминаващ през топлинния резистор. Често използваният PT1 0 0 ток на термично резистор е около 1 mA. На 0 градус той е еквивалентен на мощност на самогрушаване от около 0,1 MW. При измерване с висока точност силата на самонагряване трябва да бъде допълнително намалена, за да се намали грешката в самогрона. Тук VR =2. 5V и RV =10 kΩ са зададени, а мощността на самогрона е около 0,006 MW.

2.2 Мерки за подобряване на точността на измерване

Подобно на трижилния балансиран метод на мост, изходните напрежения V1 и V2 на веригата, показани на фигура 2, са с малка стойност и трябва да се добави усилване на напрежението от първо ниво преди A/D преобразуване. Референтното напрежение VR обикновено се осигурява от източник на прецизно постоянно напрежение, за да осигури стабилен сигнал за напрежение. В допълнение, когато софтуерът за микроконтролер избере подходящ алгоритъм и дължина на думите при математически изчисления, грешката в изчислението също може да бъде игнорирана. Въпреки това, коефициентът на усилване и RV на веригата на усилвателя ще варират от компонент до компонент, особено при масово производство, точността на компонентите е трудна за осигуряване на еднаквост. Следователно, за конкретна входна верига, грешката, причинена от и RV, също трябва да се вземе предвид.
За да се елиминира грешката, причинена от и RV, методът за калибриране може да се използва за автоматично калибриране и изчисляване на действителните стойности на веригата и RV по време на производството на инструменти. След това тези два параметъра се записват в не-променливата памет на инструмента. Когато инструментът измерва температурата, параметрите се четат и изчисляват според формулата (1), за да се получи точната измерена температура.
Ако дългият проводник на фигура 2 е заменен от възможно най -краткия проводник (т.е. r =0), а топлинният резистор RT се заменя с прецизен резистор R, VAD е референтното напрежение на A/D конвертора, е коефициентът на увеличение на напрежението, а останалите остават непроменени, тогава:

Във формула (4), R е прецизен резистор с известна стойност на съпротивление; D е резултат от A/D преобразуването, което може лесно да се чете от устройството за показване на инструмента; VR и VAD са референтни напрежения, които са константи; е общият коефициент на увеличение на веригата; K е пропорционалният фактор на A/D конверсията, като K =214 за 14- бит A/D конвертор. Тогава има само две неизвестни RV и във формула (2). За специфична входна схема, ако два прецизни резистора R1 и R2 с известни стойности на съпротивление са свързани към веригата, показани на фигура 2 за калибриране (при калибриране, опитайте се да направите R =0), може да се получи набор от дву променливи линейни уравнения. По този начин, за конкретна входна верига и RV може да бъде решен от уравненията и резултатите са както следва:

Горният метод за калибриране може да бъде обобщен, както следва: Два прецизни стандартни резистора R1 и R2 с известни стойности на съпротивление са свързани съответно към входните клеми на инструмента и съпротивлението на свързващия проводник е сведено до минимум. Понастоящем се записват показанията на инструмента D1 и D2 и неизвестните параметри и RV на калибрирания инструмент могат да бъдат изчислени чрез заместване на тях във формула (5). При употреба се препоръчва да се използва един и същ референтен източник за VR и VAD, така че изчисляването на във формула (5) не зависи от точността на референтното напрежение. Този метод намалява разликите между различните референтни източници, особено влиянието на отклонението на времето и температурното отклонение от различни препратки.
2.3 Измервателна верига
Фигура 3 е предната входна верига на системата за измерване на температурата с висока точност PT100, в която референтното напрежение на PT100 и референтното напрежение на A/D конвертора ICL7135 са един и същ източник на напрежение. Двата измервателни входни сигнала V1 и V2 на PT100 се усилват от един и същ оперативен усилвател (1+ R3/R4) пъти и след това въвеждат A/D конвертора. Micro Relay K1 се използва за избор на канал. Този метод споделя оперативния усилвател, A/D конвертор и източник на референтно напрежение, намалявайки въздействието на разликите между различните устройства върху резултатите от измерванията. Резултатът за преобразуване на A/D на ICL7135 е свързан към микроконтролера в сериен режим, който може значително да запише IO порта на микроконтролера. При калибриране на веригата, стандартните резистори 100Ω и 300Ω се използват за калибриране, а резултатите от калибрирането и RV се съхраняват в EEPROM на микроконтролерната система. При действителното измерване системата на микроконтролерите изважда и RV като известни стойности и изчислява стойността на RT на съпротивлението по формула (3).

2.4 Анализ на теста за измерване на веригата

В сравнение с трижилния балансиран метод на мост, резултатите от откриването на тази верига са значително подобрени. Таблица 1 е сравнение на стандартните стойности на съпротивление, измерени по два различни метода. Сред тях R е съпротивлението на линията.

От таблица 1 може да се види, че теоретичните резултати от измерванията на метода на трипроводника балансиран мост имат големи грешки, а грешката, причинена от увеличаването на устойчивостта на линията, е по-голяма. С увеличаването на стойността на устойчивостта на топлинния резистор, абсолютната грешка също се увеличава. В таблица 1 абсолютната грешка е 2,57%, когато измереното съпротивление RT {{5} ω и съпротивлението на линията R =20 Ω. Резултатите от действителните измервания на подобрения трижилен метод, използван в този документ, имат абсолютна грешка само 0. 3 Ω и относителна грешка от ± 0. 1% в рамките на измерения диапазон на данни. A/D конверторът, използван във веригата, е само еквивалентен на 14- битова точност на преобразуване на A/d. Ако се използва по-висок прецизен A/D конвертор, може да се постигне по-висока точност на измерване. В действителния инструмент за измерване на температурата на термичния резистор е необходимо също да се добави свързана програма, която преобразува измереното съпротивление в съответната температура. Тоест, след като се измерва RT, действителната температурна стойност може да бъде точно решена по формула (1).

3 Заключение

Методът на трипроводника балансиран мост се използва широко при измерване на термичния резистор, но има проблем, че грешката на измерване, причинена от устойчивостта на олово на сензора, не може да бъде елиминирана. Настоящият документ анализира проблемите, съществуващи в балансирания метод на мост за измерване на термични резистори, предлага метод на трипроводното измерване с постоянно напрежение, анализира причините и влияещи на сигнала за грешката на измервателната верига, извлича и установява влияещите параметри и формулите на устойчивост Микрокомпютър с един чип. Накрая, тестовата точност на проектираната верига се тества и определя. Тестът показва, че когато трижилният балансиран метод на мост измерва стойността на стандартната съпротивление 1 0 0 ~ 300Ω, а съпротивлението на линията е 0 ~ 20Ω, грешката в измерването **** достига 2,57%, докато балансираната грешка в трипроводното измерване е само ± 0,1%. По този начин се получава високо прецизна трипроводна верига за измерване на термичен резистор.