Designdiagram over højpræcisions termisk resistensmålingskredsløb baseret på tre-ledningssystem

Termistorsensor er en temperatursensor, hvis modstandsværdi ændres med omgivelsestemperaturen. Blandt dem er termistor lavet af metalplatin i vid udstrækning brugt på grund af dets gode stabilitet, høj nøjagtighed og bredt temperaturmålingsområde. Termistor -termometre til måling af temperatur er hovedsageligt sammensat af termometersensorer, måling af displayinstrumenter og tilslutning af ledninger. Da temperaturfølsomheden for selve termometersensoren er lav, har linjemodstanden for forbindelsestråden indflydelse på måleesultatet, der ikke kan ignoreres. For at eliminere indflydelsen af ​​trådmodstanden bruger termometeret bredt den afbalancerede bro-tre-ledningsforbindelsesmetode. Denne metode kan kompensere temperaturfejlen til en vis grad, men indflydelsen af ​​linjemodstanden eksisterer stadig. Der foreslås en tre-ledig trådresistenskompensationsmetode baseret på konstant spænding og spændingsdelere. Kredsløbet er enkelt og let at implementere, og indflydelsen af ​​trådmodstanden kan fjernes fuldstændigt. Sammenlignet med den trådmodstandskompensationsmetode, der er foreslået i litteraturen, der bruger flere hardware -kredsløb til trådmodstandskompensation, har denne metode et enklere trådmodstandskompensationskredsløb.

1 Analyse af almindeligt anvendte termometermålemetoder

For PT100 -platin -termometer er forholdet mellem dets modstand og temperatur angivet i den internationale temperaturskala BS -90 som vist i formel (1).

I formlen er RT modstanden for den termiske modstand ved en temperatur i t -grad, r {{0}} er modstanden for den termiske modstand ved en temperatur på 0 grad, r 0=100 ω, en =3. 96847 × 10-3} grad {{{{{{}},, B =-5. 847x 10-7 grad -2, c =-4. 22x 10-12 grad -3 er koefficienter relateret til selve sensoren.
Fra formel (1) kan det ses, at følsomheden af ​​PT1 0 0 termisk modstand handler om {15}}. 38Ω/ grad. For at reducere påvirkningen af ​​linjemodstanden for forbindelsestråden på måleresultatet bruges den tre-ledningsbro-metode generelt til måling. VR =1 V. Kredsløbsprincippet er vist i figur 1. RT er temperaturmålingsmodstanden, R er forbindelsestrådmodstanden, R1, R2, R3 er faste broarme, R 1= R 2=1 000 Ω, R 3=100 ω, VR er referencevoltaget og G er målet. I dette kredsløb er tre ledninger forbundet til henholdsvis sensorbroarmen, modstandens broarm og udgangsenden. Denne metode kan let måle den modstand RT, der skal måles. Imidlertid er der ofte en vis afstand mellem temperaturføleren og temperaturmålingskredsløbet, og resistiviteten af ​​forbindelsestråden er ca. 0,1 ~ 0,5 Ω/m. Målefejlen forårsaget af forbindelsestrådresistensen R kan ikke ignoreres.

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 Broen er afbalanceret, når rt=rx, det vil sige r2rx=r1r3, og broarmen modstand r 1= r 2= r 3= rx=r, når rt ændres af △ r, det er, det er, det er, det er, det er, Rt=r+△ r, fejlen forårsaget af eksistensen af ​​linjemodstanden r kan beregnes som:

Det kan ses, at trådmodstanden r påvirker måleesultatet af RT, og det kan ikke fjernes fuldstændigt af nulstartskredsløbet. Baseret på ovennævnte analyse foreslås en konstant spændingsdelere tre-lednings højpræcisionsforforstærkerkredsløb, der kan eliminere trådfejl fuldstændigt.

2 Konstant spændingsdelere Tre-ledningsmålingskredsløb

2.1 Målingsprincip

Den konstante spændingsdelere-tre-ledningsmetode, der er anvendt her til måling af modstand, kan eliminere interferensen af ​​trådmodstand. Dets ækvivalente skematiske diagram er vist i figur 2. hvor RT er den termiske modstand. R er den ækvivalente modstand af ledningen. VR er referencespændingen, VAD er referencespændingen for A/D -konverteren og er spændingsforstørrelsesfaktoren.

Det grundlæggende forhold kan opnås fra Ohms lov:

Fra formel (3) kan det ses, at når RV og VR er kendt, for at opnå RT, skal kun V2 og V1 måles, og det har intet at gøre med trådmodstanden r. Og måleenøjagtigheden afhænger kun af nøjagtigheden af ​​RV og måleenøjagtigheden af ​​V1 og V2. Den trådmodstand, der ikke kan fjernes i bro-metoden, elimineres fuldstændigt i den konstante spændingsdelere-tre-ledningsmetode.
Da temperaturen på den termiske modstand vil stige, når strømmen passerer gennem den, skal dens egen selvopvarmende fejl overvejes, det vil sige, at temperaturstigningsfejlen forårsaget af strømmen, der strømmer gennem den termiske modstand, skal overvejes. Den almindeligt anvendte PT1 0 0 termisk modstandsdrevstrøm er ca. 1 mA. Ved 0 er det ækvivalent med en selvopvarmende kraft på ca. 0,1 mW. Når man måler med høj præcision, skal den selvopvarmende effekt reduceres yderligere for at reducere selvopvarmende fejl. Her er VR =2. 5V og RV =10 kΩ indstillet, og den selvopvarmende effekt er ca. 0,006 MW.

2.2 Foranstaltninger til forbedring af målingsnøjagtigheden

I lighed med den tre-ledige afbalancerede bro-metode er udgangsspændingerne V1 og V2 i kredsløbet vist i figur 2 små i værdi, og en første niveau spændingsforstærkning skal tilføjes før A/D-konvertering. Referencespændingen VR leveres generelt af en præcisionskonstant spændingskilde for at tilvejebringe et stabilt spændingssignal. Når mikrokontroller -softwaren vælger en passende algoritme og ordlængde i matematiske beregninger, kan beregningsfejlen også ignoreres. Imidlertid varierer amplificeringsfaktoren og RV for forstærkerkredsløbet fra komponent til komponent, især i masseproduktion, nøjagtigheden af ​​komponenter er vanskelig at sikre ensartethed. Derfor skal den fejl, der er forårsaget af og RV, også for et specifikt indgangskredsløb, der er forårsaget af og RV.
For at eliminere fejlen forårsaget af og RV kan kalibreringsmetoden bruges til automatisk at kalibrere og beregne det faktiske kredsløb og RV -værdier under instrumentproduktionen. Disse to parametre registreres derefter i instrumentets ikke-flygtige hukommelse. Når instrumentet måler temperatur, læses og beregnes parametrene i henhold til formlen (1) for at opnå den nøjagtige målte temperatur.
Hvis den lange ledning i figur 2 erstattes af den korteste ledning (dvs. R =0), og den termiske modstand RT erstattes af en præcisionsmodstand R, er VAD referencespændingen for A/D -konverteren, er spændingsforstørrelsesfaktoren, og resten forbliver uændret, derefter:: derefter:

I formel (4) er R en præcisionsmodstand med en kendt modstandsværdi; D er resultatet af A/D -konverteringen, som let kan læses fra instrumentdisplayenheden; VR og VAD er referencespændinger, som er konstanter; er den samlede forstørrelsesfaktor for kredsløbet; K er den proportionelle faktor af A/D -konvertering, såsom K =214 for en 14- bit A/D -konverter. Så er der kun to ukendte RV og i formel (2). For et specifikt indgangskredsløb, hvis to præcisionsmodstande R1 og R2 med kendte resistensværdier er forbundet til kredsløbet vist i figur 2 til kalibrering (når man kalibrerer, kan du prøve at fremstille R =0), et sæt to-variable lineære ligninger kan opnås. For et specifikt indgangskredsløb kan således løses fra ligningerne, og resultaterne er som følger:

Ovenstående kalibreringsmetode kan sammenfattes som følger: To præcisionsstandardmodstande R1 og R2 med kendte modstandsværdier er forbundet til henholdsvis inputterminalerne på instrumentet, og modstanden for forbindelsestråden minimeres så meget som muligt. På dette tidspunkt registreres instrumentlæsningerne D1 og D2, og de ukendte parametre og RV for det kalibrerede instrument kan beregnes ved at erstatte dem i formlen (5). I brug anbefales det at bruge den samme referencekilde til VR og VAD, så beregningen af ​​i formel (5) er uafhængig af nøjagtigheden af ​​referencespændingen. Denne metode reducerer forskellene mellem forskellige referencekilder, især påvirkningen af ​​tidsdrift og temperaturdrift af forskellige referencer.
2.3 Målekredsløb
Figur 3 er det forreste indgangskredsløb for High-præcision PT100-temperaturmålingssystem, hvor PT100-referencespændingen og referencespændingen for A/D-konverteren ICL7135 er den samme spændingsreferencekilde. De to måleindgangssignaler V1 og V2 af PT100 amplificeres af den samme operationelle forstærker (1+ R3/R4) gange og går derefter ind i A/D -konverteren. Mikro -relæet K1 bruges til valg af kanal. Denne metode deler den operationelle forstærker, A/D -konverter og referencespændingskilde, hvilket reducerer virkningen af ​​forskelle mellem forskellige enheder på måleresultaterne. A/D -konverteringsresultatet af ICL7135 er forbundet til mikrokontrolleren i seriel tilstand, hvilket i høj grad kan redde IO -porten på mikrokontrolleren. Ved kalibrering af kredsløbet anvendes standardmodstande 100Ω og 300Ω til kalibrering, og kalibreringsresultaterne og RV opbevares i EEPROM af mikrokontrolleresystemet. I den faktiske måling tager mikrokontrolleresystemet ud og RV som kendte værdier og beregner resistens RT -værdien med formel (3).

2.4 Analyse af målingskredsløbstest

Sammenlignet med den tre-ledige afbalancerede bro-metode er detektionsresultaterne af dette kredsløb blevet meget forbedret. Tabel 1 er en sammenligning af standardmodstandsværdierne målt ved to forskellige metoder. Blandt dem er R linjemodstanden.

Det kan ses fra tabel 1, at de teoretiske måleresultater af den tre-ledige afbalancerede bro-metode har store fejl, og fejlen forårsaget af stigningen i linjemodstanden R er større. Når modstandsværdien af ​​den termiske modstand, der skal måles, stiger den absolutte fejl også. I tabel 1 er den absolutte fejl 2,57%, når den målte modstand RT =300 ω og linjemodstanden r =20 ω. De faktiske måleresultater af den forbedrede tre-ledningsmetode, der anvendes i dette papir, har en absolut fejl på kun 0. 3 Ω og en relativ fejl på ± 0. 1% inden for det målte datainterval. A/D -konverteren, der er anvendt i kredsløbet, svarer kun til 14- bit A/D -konverteringsnøjagtighed. Hvis der anvendes en højere-præcision A/D-konverter, kan der opnås højere måleanøjagtighed. I den faktiske termiske modstandssensortemperaturmålingsinstrument er det også nødvendigt at tilføje et relateret program, der konverterer den målte modstand til den tilsvarende temperatur. Det vil sige, efter at RT er målt, kan den faktiske temperaturværdi løses nøjagtigt med formel (1).

3 Konklusion

Den tre-ledige afbalancerede bro-metode er vidt anvendt i termisk modstandsmåling, men der er et problem, at målefejlen forårsaget af sensorens blymodstand ikke kan fjernes. Denne artikel analyserer de problemer, der findes i den afbalancerede bro-metode til måling af termiske modstande, foreslår en konstant spændingsdelere-tre-ledningsmålemetode, analyserer årsagerne og påvirker faktorer for målekredsløbsfejlen, stammer og fastlægger påvirkningsparametre og formler med modstanden til at blive målt, og design af et komplet målekredsløb, herunder en signal amplifier og en og en en/dvs. En enkelt-chip mikrocomputer. Endelig testes og bestemmes testnøjagtigheden af ​​det designede kredsløb. Testen viser, at når den tre-ledige afbalancerede bro-metode måler standardmodstandsværdien på 1 0 0 ~ 300Ω, og linjemodstanden er 0 ~ 20Ω, når **** målefejlen 2,57%, mens den afbalancerede tre-wire målefejl kun er ± 0,1%. Således opnås et højpræcisions-tre-lednings-termisk modstandskredsløb.