Ukrepi za izboljšanje natančnosti merjenja toplotnih uporov in termoelementov!

2.2 Ukrepi za izboljšanje meritve natančnosti termoelementov
Podobno kot trižična uravnotežena metoda mostu sta tudi izhodna napetosti V1 in V2 vezja, prikazana na sliki 2, relativno majhna, pred pretvorbo A/D pa je treba dodati ojačevalnik napetosti. 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 masni proizvodnji, kadar je natančnost komponent težko zagotoviti enotnost. Zato je treba za določeno vhodno vezje upoštevati tudi napake, ki jih povzročajo in RV.
Da bi odpravili napake, ki jih povzroča in RV, lahko kalibracijsko metodo uporabimo za samodejno umerjanje in izračun dejanskih vrednosti vezja in RV med proizvodnjo instrumentov, nato pa se ta dva parametra zabeležita v nehlapnem pomnilniku 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 pogosto 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.