Oblikovalni diagram visoko natančnega merilnega vezja toplotne odpornosti na podlagi tri živega sistema

Termistorski senzor je temperaturni senzor, katerega odpornost se spreminja s temperaturo okolice. Med njimi se termistor iz kovinske platine pogosto uporablja zaradi dobre stabilnosti, visoke natančnosti in širokega območja merjenja temperature. Termistorski termometri za merjenje temperature so sestavljeni predvsem iz senzorjev termometra, merjenja prikazovalnih instrumentov in povezovalnih žic. Ker je temperaturna občutljivost samega senzorja termometra nizka, odpornost linijske povezave vpliva na rezultat merjenja, ki ga ni mogoče prezreti. Za odpravo vpliva žične odpornosti termometer široko uporablja metodo uravnoteženega mostu s tri živo povezavo. Ta metoda lahko do določene mere kompenzira temperaturno napako, vendar še vedno obstaja vpliv odpornosti na črto. Predlagana je trižična metoda kompenzacije za upornost, ki temelji na konstantni napetosti in delitvi napetosti. Vezje je preprosto in enostavno za izvedbo, vpliv upornosti žice pa je mogoče v celoti odpraviti. V primerjavi z metodo kompenzacije žice, ki je predlagana v literaturi, ki uporablja več strojnih vezij za kompenzacijo žične odpornosti, ima ta metoda enostavnejšo vezje za odpornost na žico.

1 Analiza pogosto uporabljenih metod merjenja termometra

Za PT100 Platinum termometer je razmerje med njegovo odpornostjo in temperaturo podano v mednarodni temperaturni lestvici BS -90, kot je prikazano v formuli (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 stopinja -2, c =-4.
Iz formule (1) je razvidno, da je občutljivost PT1 0 0 toplotni upor približno 0. 38Ω/ stopinja. Da bi zmanjšali vpliv linijske odpornosti povezovalne žice na rezultat merjenja, se za merjenje običajno uporablja metoda tri živega mostu. VR =1 V. Načelo vezja je prikazano na sliki 1. RT je temperaturni merilni upor, R je priključni upor žice, R1, R2, R3 so fiksne mostne ročice, r 1= r 2=1 000}}}} {12}}, v merilniku in g. 3=100, VR. V tem vezju so tri žice povezane z roko senzorja, roko upornega mostu in izhodnim koncem. Ta metoda zlahka izmeri odpornost RT, ki ga je treba izmeriti. Vendar pa je v dejanski uporabi pogosto določena razdalja med temperaturnim senzorjem in temperaturnim merilnim vezjem, upornost povezovalne žice pa je približno 0,1 ~ 0,5 Ω/m. Napaka merjenja, ki jo povzroči priključna žična odpornost r, ni mogoče prezreti.

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, Napaka, ki jo povzroči obstoj linijske odpornosti r, se lahko izračuna kot:

Vidimo, da odpornost žice R vpliva na rezultat merjenja RT in ga ni mogoče popolnoma izločiti z ničelnim vezjem. Na podlagi zgornje analize je predlagano tri živo visoko predor-predojačevalni vezje s konstantnim napetostim, ki lahko popolnoma odpravi napake žice.

2 Tri-žični merilni vezje s konstantno napetostjo

2.1 Načelo merjenja

Tri živa metoda konstantne napetosti, ki se uporablja za merjenje upora, lahko odpravi motnje upornosti žice. Njen enakovredni shematični diagram je prikazan na sliki 2. Kadar je RT toplotni upor. r je enakovredna odpornost žice. VR je referenčna napetost, VAD je referenčna napetost pretvornika A/D in je faktor povečave napetosti.

Osnovni odnos je mogoče dobiti iz Ohmovega zakona:

Iz formule (3) je razvidno, da je treba meriti samo V2 in V1, ko sta RV in VR znana, da pridobita RT, in nima nobene zveze z žično odpornostjo r. In natančnost merjenja je odvisna le od natančnosti RV in natančnosti merjenja V1 in V2. Zvočni upor, ki je ni mogoče izločiti v mostu metodi, je v celoti odpravljen v trižični metodi konstantne napetostne delitve.
Ker se bo temperatura toplotnega upora dvignila, ko tok prehaja skozi njega, je treba upoštevati svojo lastno napako samogrevanja, to je, da je treba upoštevati napako v zvišanju temperature, ki jo povzroča tok, ki teče skozi toplotni upor. Pogosto uporabljen pt1 0 0 tok termičnega upora je približno 1 mA. Pri 0 stopnji je enakovredna moči za samogrevanje približno 0,1 MW. Pri merjenju z visoko natančnostjo je treba moč samogrevanja nadalje zmanjšati, da se zmanjša napaka samogrevanja. Tu sta nastavljena VR =2. 5V in RV =10 kΩ, moč samogrevanja pa je približno 0,006 mW.

2.2 Ukrepi za izboljšanje natančnosti meritve

Podobno kot trižična uravnotežena metoda mostu sta tudi izhodna napetosti V1 in V2 vezja, prikazana na sliki 2, majhna, pred pretvorbo A/D pa je treba dodati ojačitev na prvi stopnji. Referenčna napetost VR na splošno zagotavlja vir natančne konstantne napetosti, da se zagotovi stabilen napetostni signal. Poleg tega, ko programska oprema za mikrokontroler izbere ustrezen algoritem in dolžino besed v matematičnih izračunih, lahko napako izračuna tudi prezremo. Vendar pa se ojačevalni faktor in RV ojačevalnega vezja razlikujeta od komponente do komponente, zlasti pri množični proizvodnji, natančnost komponent je težko zagotoviti enotnost. Zato je treba za določeno vhodno vezje upoštevati tudi napako, ki jo povzroči in RV.
Za odpravo napake, ki jo povzroča in RV, lahko kalibracijsko metodo samodejno kalibrirate in izračunate dejanske vrednosti vezja in RV med proizvodnjo instrumentov. Ta dva parametra se nato zabeležita v nehlapni spomin instrumenta. Ko instrument meri temperaturo, se parametri odčitajo in izračunajo v skladu s formulo (1), da dobimo natančno izmerjeno temperaturo.
Če je dolga žica na sliki 2 nadomeščena s najkrajšo možno žico (tj. R =0), termični upor RT pa je nadomeščen z natančnim uporom R, je VAD referenčna napetost pretvornika A/D, je faktor povečevanja napetosti, ostali pa ostanejo nespremenjeni, potem pa:

V formuli (4) je R natančen upor z znano vrednostjo upornosti; D je rezultat pretvorbe A/D, ki jo je mogoče enostavno brati iz naprave za prikaz instrumenta; VR in VAD sta referenčni napetosti, ki sta konstante; je skupni faktor povečave vezja; K je proporcionalni faktor konverzije A/D, kot je k =214 za 14- bitni a/d pretvornik. Potem sta na voljo samo dva neznanka RV in v formuli (2). Če sta za določeno vhodno vezje, če sta dva natančna upori R1 in R2 z znanimi vrednostmi upora, povezana s vezjem, prikazanim na sliki 2 za kalibracijo (pri kalibraciji, poskusite narediti R =0), lahko dobite niz dvonabilnih linearnih enačb. Tako lahko za določeno vhodno vezje in RV rešimo iz enačb, rezultati pa so naslednji:

Zgornjo kalibracijsko metodo je mogoče povzeti na naslednji način: Dva natančna standardna uporov R1 in R2 z znanimi vrednostmi uporov sta povezana z vhodnimi sponkami instrumenta, upornost povezovalne žice pa je čim bolj zmanjšana. Trenutno sta zabeleženi odčitki instrumentov D1 in D2, neznane parametre in RV kalibriranega instrumenta pa se lahko izračunajo tako, da jih nadomestimo v formulo (5). Pri uporabi je priporočljivo uporabiti isti referenčni vir za VR in VAD, tako da je izračun v formuli (5) neodvisen od natančnosti referenčne napetosti. Ta metoda zmanjšuje razlike med različnimi referenčnimi viri, zlasti vpliv časovnega premika in temperaturnega premika različnih referenc.
2.3 Merilno vezje
Slika 3 je sprednji vhodni vezje visoko natančnega merjenja temperature PT100, v katerem sta referenčna napetost PT100 in referenčna napetost A/D pretvornika ICL7135 isti referenčni vir napetosti. Dva merilna vhodna signala V1 in V2 iz PT100 se ojačata z istim operativnim ojačevalnikom (1+ r3/r4) krat in nato vnesete pretvornik A/D. Mikro rele K1 se uporablja za izbiro kanalov. Ta metoda deli operativni ojačevalnik, pretvornik A/D in vir referenčne napetosti, kar zmanjšuje vpliv razlik med različnimi napravami na rezultate meritev. Rezultat pretvorbe A/D iz ICL7135 je povezan z mikrokontrolerjem v serijskem načinu, ki lahko močno shrani IO vrata mikrokontrolerja. Pri kalibriranju vezja se za umerjanje uporabljata standardna upora 100Ω in 300Ω, rezultati umerjanja in RV pa se shranijo v EEPROM mikrokontrolerskega sistema. V dejanskih mestih sistem mikrokontrolerjev odvzame in RV kot znane vrednosti in izračuna vrednost RT upornosti po formuli (3).

2.4 Analiza testa merilnega vezja

V primerjavi s trižično uravnoteženo mostovsko metodo so bili rezultati zaznavanja tega vezja močno izboljšani. Tabela 1 je primerjava standardnih vrednosti odpornosti, izmerjenih z dvema različnima metodama. Med njimi je r odpornost na črto.

Iz preglednice 1 je razvidno, da imajo teoretični merilni rezultati trižične uravnotežene mostu velike napake, napaka, ki jo povzroči povečanje odpornosti linij R, je večja. Ko se vrednost upornosti toplotnega upora, ki ga je treba izmeriti, poveča, se poveča tudi absolutna napaka. V tabeli 1 je absolutna napaka 2,57%, ko izmerjeni upor RT =300 ω in linijski upor r =20 ω. Dejanski rezultati merjenja izboljšane tri žive metode, uporabljene v tem prispevku, imajo absolutno napako samo 0. 3 Ω in relativno napako ± 0. 1% znotraj izmerjenega območja podatkov. Pretvornik A/D, uporabljen v vezju, je enakovreden samo 14- bitni natančnosti A/D. Če se uporablja pretvornik A/D z večjo natančnostjo, je mogoče doseči večjo natančnost merjenja. V dejanskem instrumentu za merjenje temperature toplotnega upora senzorja je treba dodati tudi povezan program, ki izmerjeno upor pretvori v ustrezno temperaturo. To pomeni, da lahko po meri RT dejansko temperaturno vrednost natančno rešimo s formulo (1).

3 Zaključek

Tri živa uravnotežena metoda mostu se široko uporablja pri merjenju toplotnega upora, vendar obstaja težava, da napake merjenja, ki jo povzroči upornost senzorja, ni mogoče odpraviti. 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 vmesniški vezje z mikroračunalnikom z enim čipom. Končno se testira in določi preskusna natančnost oblikovanega vezja. Test kaže, da ko tri-žilna uravnotežena metoda mostu meri standardno uporno vrednost 1 0 0 ~ 300Ω in je odpornost črte 0 ~ 20Ω, napaka merjenja **** doseže 2,57%, medtem ko je uravnotežena tri-žična napaka le ± 0,1%. Tako dobimo visoko natančno trižično merilno vezje termičnega upora.