Διάγραμμα σχεδιασμού του κυκλώματος μέτρησης θερμικής αντίστασης υψηλής ακρίβειας με βάση το σύστημα τριών συρμάτων

Ο αισθητήρας θερμίστορ είναι ένας αισθητήρας θερμοκρασίας του οποίου η τιμή αντίστασης αλλάζει με τη θερμοκρασία περιβάλλοντος. Μεταξύ αυτών, ο θερμίστορ από μεταλλικό πλατίνα χρησιμοποιείται ευρέως λόγω της καλής σταθερότητας, της υψηλής ακρίβειας και της ευρείας μέτρησης της θερμοκρασίας. Τα θερμίστορ θερμόμετρα για τη μέτρηση της θερμοκρασίας αποτελούνται κυρίως από αισθητήρες θερμόμετρου, μέτρησης οργάνων οθόνης και καλώδια σύνδεσης. Δεδομένου ότι η ευαισθησία της θερμοκρασίας του ίδιου του αισθητήρα θερμόμετρου είναι χαμηλή, η αντίσταση της γραμμής του καλωδίου σύνδεσης επηρεάζει το αποτέλεσμα μέτρησης που δεν μπορεί να αγνοηθεί. Προκειμένου να εξαλειφθεί η επίδραση της αντίστασης των καλωδίων, το θερμόμετρο χρησιμοποιεί ευρέως την ισορροπημένη μέθοδο σύνδεσης τριών συρμάτων. Αυτή η μέθοδος μπορεί να αντισταθμίσει το σφάλμα θερμοκρασίας σε κάποιο βαθμό, αλλά εξακολουθεί να υπάρχει η επίδραση της αντίστασης της γραμμής. Προτείνεται μια μέθοδος αντιστάθμισης αντίστασης τριών συρμάτων με βάση τη σταθερή τάση και διαιρέτη τάσης. Το κύκλωμα είναι απλό και εύκολο στην υλοποίηση και η επίδραση της αντίστασης των καλωδίων μπορεί να εξαλειφθεί πλήρως. Σε σύγκριση με τη μέθοδο αντιστάθμισης αντίστασης των καλωδίων που προτείνεται στη βιβλιογραφία που χρησιμοποιεί περισσότερα κυκλώματα υλικού για αντιστάθμιση αντοχής σε σύρμα, αυτή η μέθοδος έχει ένα απλούστερο κύκλωμα αντιστάθμισης αντίστασης καλωδίων.

1 Ανάλυση των μεθόδων μέτρησης που χρησιμοποιούνται συνήθως θερμόμετρου

Για το θερμόμετρο PT100 Platinum, η σχέση μεταξύ της αντίστασης και της θερμοκρασίας του δίνεται στη διεθνή κλίμακα θερμοκρασίας BS -90 όπως φαίνεται στον τύπο (1).

Στον τύπο, η RT είναι η αντίσταση της θερμικής αντίστασης σε θερμοκρασία Τ βαθμού Τ, R {0}} είναι η αντίσταση της θερμικής αντίστασης σε θερμοκρασία 0 βαθμού, R {{2} ω, {{3}. B =-5. 847x 10-7 βαθμός -2, c =-4. 22x 10-12 βαθμός -3
Από τη φόρμουλα (1), μπορεί να φανεί ότι η ευαισθησία του PT1 0 0 θερμική αντίσταση είναι περίπου 0. 38Ω/ βαθμός. Προκειμένου να μειωθεί η επίδραση της αντίστασης της γραμμής του καλωδίου σύνδεσης στο αποτέλεσμα μέτρησης, η μέθοδος γέφυρας τριών συρμάτων χρησιμοποιείται γενικά για τη μέτρηση. VR =1 V. Η αρχή του κυκλώματος παρουσιάζεται στο σχήμα 1. RT είναι η αντίσταση μέτρησης θερμοκρασίας, r είναι η αντίσταση καλωδίου σύνδεσης, R1, R2, R3 είναι σταθεροί βραχίονες, R 1= r 2=1 000 Ω, r 3=100}} { Σε αυτό το κύκλωμα, τρία καλώδια συνδέονται με τον βραχίονα της γέφυρας του αισθητήρα, τον βραχίονα της γέφυρας αντίστασης και το άκρο εξόδου αντίστοιχα. Αυτή η μέθοδος μπορεί εύκολα να μετρήσει την αντίσταση RT που θα μετρηθεί. Ωστόσο, στην πραγματική χρήση, υπάρχει συχνά μια ορισμένη απόσταση μεταξύ του αισθητήρα θερμοκρασίας και του κυκλώματος μέτρησης της θερμοκρασίας και η αντίσταση του καλωδίου σύνδεσης είναι περίπου 0,1 ~ 0,5 Ω/m. Το σφάλμα μέτρησης που προκαλείται από την αντίσταση σύρματος R δεν μπορεί να αγνοηθεί.

Όπως φαίνεται στο σχήμα 1, όταν δεν λαμβάνεται υπόψη η αντίσταση γραμμής r, η έξοδος της γέφυρας είναι:, όταν εξετάζεται η αντίσταση γραμμής, η γέφυρα VC {}}}}}} {} {} {} {} Υποθέτοντας ότι η γέφυρα είναι ισορροπημένη όταν rt=rx, δηλαδή, r2rx=r1r3, και η αντίσταση του βραχίονα γέφυρας r 1= r {15}} r 3= {{17} r, όταν rT αλλάζει με {r r, αυτό είναι, αυτό είναι, αυτό είναι. RT=r+△ r, το σφάλμα που προκαλείται από την ύπαρξη της αντίστασης γραμμής R μπορεί να υπολογιστεί ως:

Μπορεί να φανεί ότι η αντίσταση του καλωδίου r επηρεάζει το αποτέλεσμα μέτρησης της RT και δεν μπορεί να εξαλειφθεί πλήρως από το κύκλωμα μηδενικού. Βάσει της παραπάνω ανάλυσης, προτείνεται ένα κύκλωμα προενισχυτή σταθερού διαιρέτη τάσης τριών συρμάτων που μπορεί να εξαλείψει πλήρως τα σύρματα σύρματος.

2 κύκλωμα μέτρησης διαχωριστή σταθερού τάσης

2.1 Αρχή μέτρησης

Η μέθοδος τριών συρμάτων διαιρέσεως σταθερής τάσης που χρησιμοποιείται εδώ για τη μέτρηση της αντίστασης μπορεί να εξαλείψει την παρεμβολή της αντίστασης των καλωδίων. Το ισοδύναμο σχηματικό του διάγραμμα παρουσιάζεται στο σχήμα 2 όπου η RT είναι η θερμική αντίσταση. Το R είναι η ισοδύναμη αντίσταση του καλωδίου. Το VR είναι η τάση αναφοράς, το VAD είναι η τάση αναφοράς του μετατροπέα A/D και είναι ο συντελεστής μεγέθυνσης τάσης.

Η βασική σχέση μπορεί να ληφθεί από το νόμο του Ohm:

Από τη Formula (3), μπορεί να φανεί ότι όταν είναι γνωστά όταν οι RV και VR είναι για να ληφθούν RT, μόνο V2 και V1 πρέπει να μετρηθούν και δεν έχει καμία σχέση με την αντίσταση του καλωδίου r. Και η ακρίβεια μέτρησης εξαρτάται μόνο από την ακρίβεια του RV και την ακρίβεια μέτρησης των V1 και V2. Η αντίσταση του καλωδίου που δεν μπορεί να εξαλειφθεί στη μέθοδο της γέφυρας εξαλείφεται πλήρως στη μέθοδο τριών συρμάτων διαιρέτη σταθερής τάσης.
Δεδομένου ότι η θερμοκρασία της θερμικής αντίστασης θα αυξηθεί όταν το ρεύμα διέρχεται από αυτό, πρέπει να ληφθεί υπόψη το δικό του σφάλμα αυτοθεραπείας, δηλαδή το σφάλμα αύξησης της θερμοκρασίας που προκαλείται από το ρεύμα που ρέει μέσω της θερμικής αντίστασης πρέπει να λαμβάνεται υπόψη. Το συνήθως χρησιμοποιούμενο PT1 0 0 ρεύμα κίνησης θερμικής αντίστασης είναι περίπου 1 mA. Στο 0 βαθμό, είναι ισοδύναμο με μια αυτοθεραπευτική ισχύ περίπου 0,1 MW. Κατά τη μέτρηση με υψηλή ακρίβεια, η αυτοθεραπεία θα πρέπει να μειωθεί περαιτέρω για να μειωθεί το σφάλμα αυτοθεραπείας. Εδώ, VR =2.

2.2 Μέτρα για τη βελτίωση της ακρίβειας μέτρησης

Παρόμοια με τη μέθοδο ισορροπημένης γέφυρας τριών συρμάτων, οι τάσεις εξόδου V1 και V2 του κυκλώματος που φαίνεται στο σχήμα 2 είναι μικρές σε τιμή και πρέπει να προστεθεί μια ενίσχυση τάσης πρώτου επιπέδου πριν από τη μετατροπή A/D. Η τάση αναφοράς VR παρέχεται γενικά από μια πηγή σταθερής τάσης ακριβείας για την παροχή ενός σταθερού σήματος τάσης. Επιπλέον, όταν το λογισμικό μικροελεγκτή επιλέγει έναν κατάλληλο αλγόριθμο και μήκος λέξεων σε μαθηματικούς υπολογισμούς, το σφάλμα υπολογισμού μπορεί επίσης να αγνοηθεί. Ωστόσο, ο συντελεστής ενίσχυσης και ο RV του κυκλώματος ενισχυτή θα ποικίλουν από συστατικό σε συστατικό, ειδικά στη μαζική παραγωγή, η ακρίβεια των συστατικών είναι δύσκολο να εξασφαλιστεί ομοιομορφία. Επομένως, για ένα συγκεκριμένο κύκλωμα εισόδου, πρέπει επίσης να ληφθεί υπόψη το σφάλμα που προκαλείται από και RV.
Προκειμένου να εξαλειφθεί το σφάλμα που προκαλείται από και RV, η μέθοδος βαθμονόμησης μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη αυτόματη βαθμονόμηση και τον υπολογισμό των πραγματικών τιμών κυκλώματος και RV κατά τη διάρκεια της παραγωγής οργάνων. Αυτές οι δύο παράμετροι καταγράφονται στη συνέχεια στη μη πτητική μνήμη του οργάνου. Όταν το όργανο μετρά τη θερμοκρασία, οι παράμετροι διαβάζονται και υπολογίζονται σύμφωνα με τον τύπο (1) για να ληφθεί η ακριβής μετρούμενη θερμοκρασία.
Εάν το μακρύ σύρμα στο σχήμα 2 αντικαθίσταται από το συντομότερο δυνατό καλώδιο (δηλαδή R =0) και η θερμική αντίσταση RT αντικαθίσταται από μια αντίσταση ακριβείας R, το VAD είναι η τάση αναφοράς του μετατροπέα A/D, είναι ο παράγοντας μεγέθυνσης τάσης και το υπόλοιπο παραμένει αμετάβλητο.

Στη φόρμουλα (4), το R είναι μια αντίσταση ακριβείας με γνωστή τιμή αντίστασης. D είναι το αποτέλεσμα της μετατροπής A/D, η οποία μπορεί εύκολα να διαβαστεί από τη συσκευή εμφάνισης οργάνων. Το VR και το VAD είναι τάσεις αναφοράς, οι οποίες είναι σταθερές. είναι ο συνολικός συντελεστής μεγέθυνσης του κυκλώματος. Το K είναι ο αναλογικός παράγοντας της μετατροπής A/D, όπως το k =214 για έναν μετατροπέα 14- bit a/d. Στη συνέχεια, υπάρχουν μόνο δύο άγνωστα RV και στη φόρμουλα (2). Για ένα συγκεκριμένο κύκλωμα εισόδου, εάν δύο αντιστάσεις ακριβείας R1 και R2 με γνωστές τιμές αντίστασης συνδέονται με το κύκλωμα που φαίνεται στο σχήμα 2 για βαθμονόμηση (κατά τη βαθμονόμηση, προσπαθήστε να κάνετε R =0), μπορεί να ληφθεί ένα σύνολο με δύο μεταβλητές γραμμικές εξισώσεις. Έτσι, για ένα συγκεκριμένο κύκλωμα εισόδου και το RV μπορεί να λυθεί από τις εξισώσεις και τα αποτελέσματα είναι τα εξής:

Η παραπάνω μέθοδος βαθμονόμησης μπορεί να συνοψιστεί ως εξής: δύο τυποποιημένες αντιστάσεις ακριβείας R1 και R2 με γνωστές τιμές αντίστασης συνδέονται με τους ακροδέκτες εισόδου του οργάνου αντίστοιχα και η αντίσταση του καλωδίου σύνδεσης ελαχιστοποιείται όσο το δυνατόν περισσότερο. Αυτή τη στιγμή καταγράφονται οι αναγνώσεις οργάνων D1 και D2 και οι άγνωστες παραμέτρους και RV του βαθμονομημένου οργάνου μπορούν να υπολογιστούν με την αντικατάστασή τους στη φόρμουλα (5). Κατά τη χρήση, συνιστάται η χρήση της ίδιας πηγής αναφοράς για το VR και το VAD, έτσι ώστε ο υπολογισμός του Formula (5) να είναι ανεξάρτητος από την ακρίβεια της τάσης αναφοράς. Αυτή η μέθοδος μειώνει τις διαφορές μεταξύ διαφορετικών πηγών αναφοράς, ιδίως της επίδρασης της μετατόπισης χρόνου και της μετατόπισης της θερμοκρασίας των διαφορετικών αναφορών.
2,3 κύκλωμα μέτρησης
Το σχήμα 3 είναι το κύκλωμα εμπρός εισόδου του συστήματος μέτρησης θερμοκρασίας PT100 υψηλής ακρίβειας, στο οποίο η τάση αναφοράς PT100 και η τάση αναφοράς του ICL7135 του μετατροπέα A/D είναι η ίδια πηγή αναφοράς τάσης. Τα δύο σημάδια εισόδου μέτρησης V1 και V2 του PT100 ενισχύονται από τον ίδιο λειτουργικό ενισχυτή (1+ r3/r4) και στη συνέχεια εισάγετε τον μετατροπέα A/D. Το Micro Relay K1 χρησιμοποιείται για την επιλογή καναλιού. Αυτή η μέθοδος μοιράζεται τον επιχειρησιακό ενισχυτή, τον μετατροπέα A/D και την πηγή τάσης αναφοράς, μειώνοντας την επίδραση των διαφορών μεταξύ διαφορετικών συσκευών στα αποτελέσματα της μέτρησης. Το αποτέλεσμα μετατροπής A/D του ICL7135 συνδέεται με τον μικροελεγκτή σε σειριακό τρόπο, ο οποίος μπορεί να αποθηκεύσει σε μεγάλο βαθμό τη θύρα IO του μικροελεγκτή. Κατά τη βαθμονόμηση του κυκλώματος, χρησιμοποιούνται τυποποιημένες αντιστάσεις 100Ω και 300Ω και τα αποτελέσματα βαθμονόμησης και RV αποθηκεύονται στο EEPROM του συστήματος μικροελεγκτή. Στην πραγματική μέτρηση, το σύστημα μικροελεγκτή παίρνει και RV ως γνωστές τιμές και υπολογίζει την τιμή RT αντίστασης με τον τύπο (3).

2.4 Ανάλυση δοκιμής κυκλώματος μέτρησης

Σε σύγκριση με τη μέθοδο ισορροπημένης γέφυρας τριών συρμάτων, τα αποτελέσματα ανίχνευσης αυτού του κυκλώματος έχουν βελτιωθεί σημαντικά. Ο Πίνακας 1 είναι μια σύγκριση των τυποποιημένων τιμών αντίστασης που μετρήθηκαν με δύο διαφορετικές μεθόδους. Μεταξύ αυτών, το R είναι η αντίσταση στη γραμμή.

Μπορεί να φανεί από τον Πίνακα 1 ότι τα θεωρητικά αποτελέσματα μέτρησης της μεθόδου ισορροπημένης γέφυρας τριών συρμάτων έχουν μεγάλα σφάλματα και το σφάλμα που προκαλείται από την αύξηση της αντίστασης της γραμμής R είναι μεγαλύτερο. Καθώς αυξάνεται η τιμή αντίστασης της θερμικής αντίστασης, αυξάνεται επίσης το απόλυτο σφάλμα. Στον Πίνακα 1, το απόλυτο σφάλμα είναι 2,57% όταν η μετρούμενη αντίσταση RT =300 ω και η αντίσταση γραμμής R =20 ω. Τα πραγματικά αποτελέσματα μέτρησης της βελτιωμένης μεθόδου τριών συρμάτων που χρησιμοποιούνται σε αυτό το έγγραφο έχουν απόλυτο σφάλμα μόνο 0. 3 Ω και ένα σχετικό σφάλμα ± 0. Ο μετατροπέας A/D που χρησιμοποιείται στο κύκλωμα είναι μόνο ισοδύναμος με 14- bit A/D ακρίβεια. Εάν χρησιμοποιηθεί ένας μετατροπέας υψηλότερης ακρίβειας A/D, μπορεί να επιτευχθεί υψηλότερη ακρίβεια μέτρησης. Στο πραγματικό όργανο μέτρησης θερμοκρασίας θερμοκρασίας θερμικής αντίστασης, είναι επίσης απαραίτητο να προσθέσετε ένα σχετικό πρόγραμμα που μετατρέπει τη μετρούμενη αντίσταση στην αντίστοιχη θερμοκρασία. Δηλαδή, μετά τη μέτρηση του RT, η πραγματική τιμή θερμοκρασίας μπορεί να επιλυθεί με ακρίβεια με τον τύπο (1).

3 Συμπέρασμα

Η μέθοδος ισορροπημένης γέφυρας τριών συρμάτων χρησιμοποιείται ευρέως στη μέτρηση θερμικής αντίστασης, αλλά υπάρχει ένα πρόβλημα που δεν μπορεί να εξαλειφθεί το σφάλμα μέτρησης που προκαλείται από την αντίσταση του οδηγού του αισθητήρα. Το παρόν χαρτί αναλύει τα προβλήματα που υπάρχουν στη μέθοδο ισορροπημένης γέφυρας για τη μέτρηση των θερμικών αντιστάσεων, προτείνει μια μέθοδο μέτρησης τριών συρμάτων σταθερού διαιρέτη τάσης, αναλύει τα αιτίες και τους παράγοντες που επηρεάζουν το σφάλμα του κυκλώματος μέτρησης, προέρχονται και καθιερώνουν τις παραμέτρους επιρροής και τους τύπους της αντίστασης να μετράνε και να σχεδιάσουν ένα κύκλωμα μέτρησης, συμπεριλαμβανομένου ενός ενισχυτή σήματος και ενός ακροατηρίου A/D Conver. Μικροϋπολογιστής ενός τσιπ. Τέλος, δοκιμάζεται και καθορίζεται η δοκιμαστική ακρίβεια του σχεδιασμένου κυκλώματος. Η δοκιμή δείχνει ότι όταν η μέθοδος ισορροπημένης γέφυρας τριών συρμάτων μετρά την τυπική τιμή αντίστασης του 1 0 0 ~ 300Ω και η αντίσταση γραμμής είναι 0 ~ 20ω, το σφάλμα μέτρησης **** φτάνει το 2,57%, ενώ το ισορροπημένο σφάλμα μέτρησης τριών συρμάτων είναι μόνο 0,1%. Έτσι, λαμβάνεται ένα κύκλωμα μέτρησης θερμικής αντίστασης τριών καλωδίων υψηλής ακρίβειας.