Ontwerpdiagram van een zeer nauwkeurige thermische weerstandsmetingscircuit op basis van een driewinders systeem

Thermistor -sensor is een temperatuursensor waarvan de weerstandswaarde verandert met de omgevingstemperatuur. Onder hen wordt thermistor gemaakt van metalen platina veel gebruikt vanwege de goede stabiliteit, hoge nauwkeurigheid en brede temperatuurmetingsbereik. Thermistorthermometers voor het meten van temperatuur zijn voornamelijk samengesteld uit thermometersensoren, het meten van display -instrumenten en verbindingsdraden. Aangezien de temperatuurgevoeligheid van de thermometer -sensor zelf laag is, heeft de lijnweerstand van de aansluitende draad een invloed op het meetresultaat dat niet kan worden genegeerd. Om de invloed van de draadweerstand te elimineren, gebruikt de thermometer op grote schaal de drie-draads verbindingsmethode voor gebalanceerde brug. Deze methode kan de temperatuurfout tot op zekere hoogte compenseren, maar de invloed van de lijnweerstand bestaat nog steeds. Een drie-draads draadweerstandscompensatiemethode op basis van constante spanning en spanningsdeler wordt voorgesteld. Het circuit is eenvoudig en gemakkelijk te implementeren en de invloed van de draadweerstand kan volledig worden geëlimineerd. Vergeleken met de draadweerstandscompensatiemethode voorgesteld in de literatuur die meer hardwarecircuits gebruikt voor compensatie van de draadweerstand, heeft deze methode een eenvoudiger draadweerstandscompensatiecircuit.

1 analyse van veelgebruikte thermometer meetmethoden

Voor PT100 platinasthermometer wordt de relatie tussen zijn weerstand en temperatuur gegeven in de internationale temperatuurschaal BS -90 zoals weergegeven in formule (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 diploma -2, c =-4. 22x 10-12 graad -3 zijn coëfficiënten die verband houden met de sensor zelf.
Uit formule (1) is te zien dat de gevoeligheid van de pt1 0 0 thermische weerstand ongeveer 0. 38Ω/ graad is. Om de invloed van de lijnweerstand van de aansluitende draad op het meetresultaat te verminderen, wordt de drie-draads brugmethode in het algemeen gebruikt voor de meting. Vr {=1 V. Het circuitprincipe wordt weergegeven in Afbeelding 1. RT is de temperatuurmeetweerstand, R is de aansluitende draadweerstand, R1, R2, R3 zijn vaste brugarmen, R 1= r 2=1 000 ω, r 3=100 ω, Vr is het referentie -instrument. In dit circuit zijn drie draden verbonden met de sensorbrugarm, de weerstandsbrug -arm en het uitgangseinde respectievelijk. Deze methode kan eenvoudig de weerstand RT meten die moet worden gemeten. Bij daadwerkelijk gebruik is er echter vaak een bepaalde afstand tussen de temperatuursensor en het temperatuurmetingscircuit, en de weerstand van de verbindingsdraad is ongeveer 0,1 ~ 0,5 Ω/m. De meetfout veroorzaakt door de aansluitende draadweerstand R kan niet worden genegeerd.

Zoals getoond in Afbeelding 1, wanneer de lijnweerstand R niet wordt overwogen, is de uitgang van de brug:, wanneer de lijnweerstand wordt overwogen, de bruguitgang VC=Vr (rt+r) ／ (r 1+ rt+r) -VR (r 3+}}} r) {7 {7 {7 {7 {7 {7 {7 {7 {7 { Bridge is uitgebalanceerd wanneer rt=rx, dat wil zeggen r2rx=r1r3, en de brugarmweerstand r 1= r 2= r 3= rx=r, wanneer rt verandert door △ r, dat is, rt {18} r+}}}} r, wanneer rt verander De fout veroorzaakt door het bestaan ​​van de lijnweerstand R kan worden berekend als:

Het is te zien dat de draadweerstand R het meetresultaat van RT beïnvloedt en het niet volledig kan worden geëlimineerd door het nulcircuit. Op basis van de bovenstaande analyse wordt een constante spanningsverdeler drie-draads hoog-nauwkeurige voorversterkercircuit die de draadfouten volledig kan elimineren voorgesteld.

2 Constante spanningsverdeler Drie-draads meetcircuit

2.1 Meetprincipe

De hier gebruikte constante spanningsverdeler die hier wordt gebruikt om de weerstand te meten, kan de interferentie van draadweerstand elimineren. Het equivalente schematische diagram wordt getoond in figuur 2. waarbij RT de thermische weerstand is. R is de equivalente weerstand van de draad. VR is de referentiespanning, VAD is de referentiespanning van de A/D -converter en is de spanningsvermindingsfactor.

De basisrelatie kan worden verkregen uit de wet van Ohm:

Uit formule (3) is te zien dat wanneer RV en VR bekend zijn om RT te verkrijgen, alleen V2 en V1 moeten worden gemeten, en het heeft niets te maken met de draadweerstand r. En de meetnauwkeurigheid hangt alleen af ​​van de nauwkeurigheid van RV en de meetnauwkeurigheid van V1 en V2. De draadweerstand die niet in de brugmethode kan worden geëlimineerd, wordt volledig geëlimineerd in de drie-draadmethode van de constante spanningsverdeler.
Omdat de temperatuur van de thermische weerstand zal stijgen wanneer de stroom erdoorheen gaat, moet zijn eigen zelfverwarmende fout worden overwogen, dat wil zeggen dat de temperatuurstijgingsfout die wordt veroorzaakt door de stroom die door de thermische weerstand stroomt, moet worden overwogen. De veelgebruikte pt1 0 0 thermische weerstandsstroom is ongeveer 1 mA. Bij 0 graad is het gelijk aan een zelfverwarmende kracht van ongeveer 0,1 MW. Bij het meten met hoge precisie moet het zelfverwarmende vermogen verder worden verminderd om de zelfverwarmende fout te verminderen. Hier zijn vr =2. 5V en RV =10 kω ingesteld en het zelfverwarmende vermogen is ongeveer 0,006 MW.

2.2 Maatregelen om de nauwkeurigheid van de meet te verbeteren

Vergelijkbaar met de drie-draads gebalanceerde brugmethode, zijn de uitgangsspanningen V1 en V2 van het circuit getoond in figuur 2 klein in waarde en moet een spanningsversterking op het eerste niveau worden toegevoegd vóór A/D-conversie. De referentiespanning VR wordt in het algemeen geleverd door een precisieconstante spanningsbron om een ​​stabiel spanningssignaal te bieden. Wanneer de microcontroller -software een geschikt algoritme en woordlengte in wiskundige berekeningen selecteert, kan bovendien ook de berekeningsfout worden genegeerd. De versterkingsfactor en RV van het versterkercircuit zullen echter variëren van component tot component, vooral bij de massaproductie, de nauwkeurigheid van componenten is moeilijk om uniformiteit te garanderen. Daarom moet ook voor een specifiek invoercircuit de fout veroorzaakt door en RV ook worden overwogen.
Om de fout die wordt veroorzaakt door en RV te elimineren, kan de kalibratiemethode worden gebruikt om automatisch de werkelijke circuit- en RV -waarden tijdens de productie van instrument te kalibreren en te berekenen. Deze twee parameters worden vervolgens opgenomen in het niet-vluchtige geheugen van het instrument. Wanneer het instrument de temperatuur meet, worden de parameters gelezen en berekend volgens formule (1) om de nauwkeurige gemeten temperatuur te verkrijgen.
Als de lange draad in figuur 2 wordt vervangen door de kortst mogelijke draad (dwz r =0)) en de thermische weerstand RT wordt vervangen door een precisieweerstand R, is VAD de referentiespanning van de A/D -converter, is de spanningsvermindingsfactor en de rest blijft:

In formule (4) is r een precisieweerstand met een bekende weerstandswaarde; D is het resultaat van de A/D -conversie, die gemakkelijk kan worden gelezen vanaf het instrumentweergaveapparaat; VR en VAD zijn referentiespanningen, die constanten zijn; is de totale vergrotingsfactor van het circuit; K is de proportionele factor van de A/D -conversie, zoals k =214 voor een 14- bit a/d converter. Dan zijn er slechts twee onbekenden RV en in formule (2). Voor een specifiek ingangscircuit, als twee precisieweerstanden R1 en R2 met bekende weerstandswaarden zijn verbonden met het circuit dat in figuur 2 wordt getoond voor kalibratie (probeer bij kalibreren R =0) te maken, een set van twee variabele lineaire vergelijkingen kunnen worden verkregen. Aldus kan voor een specifiek invoercircuit en RV worden opgelost uit de vergelijkingen, en de resultaten zijn als volgt:

De bovenstaande kalibratiemethode kan als volgt worden samengevat: twee precisienormweerstanden R1 en R2 met bekende weerstandswaarden zijn verbonden met respectievelijk de invoerterminals van het instrument, en de weerstand van de aansluitende draad wordt zoveel mogelijk geminimaliseerd. Op dit moment worden de instrumentwaarden D1 en D2 opgenomen en kunnen de onbekende parameters en RV van het gekalibreerde instrument worden berekend door ze te vervangen door formule (5). In gebruik wordt aanbevolen om dezelfde referentiebron voor VR en VAD te gebruiken, zodat de berekening van in formule (5) onafhankelijk is van de nauwkeurigheid van de referentiespanning. Deze methode vermindert de verschillen tussen verschillende referentiebronnen, met name de invloed van tijdafwijking en temperatuurafwijking van verschillende referenties.
2.3 Meetcircuit
Figuur 3 is het voor ingangscircuit van het hoogcisie PT100-temperatuurmeetsysteem, waarin de PT100-referentiespanning en de referentiespanning van de A/D-converter ICL7135 dezelfde spanningsreferentiebron zijn. De twee meetinvoersignalen V1 en V2 van PT100 worden versterkt door dezelfde operationele versterker (1+ R3/R4) en gaan vervolgens de A/D -converter in. De micro -relais K1 wordt gebruikt voor kanaalselectie. Deze methode deelt de operationele versterker, een/D -converter en referentiespanningsbron, waardoor de impact van verschillen tussen verschillende apparaten op de meetresultaten wordt verminderd. Het A/D -conversieresultaat van ICL7135 is verbonden met de microcontroller in de seriële modus, die de IO -poort van de microcontroller aanzienlijk kan redden. Bij het kalibreren van het circuit worden standaardweerstanden 100Ω en 300Ω gebruikt voor kalibratie en worden de kalibratieresultaten en RV bewaard in de EEPROM van het microcontroller -systeem. Bij de werkelijke meting neemt het microcontroller -systeem uit en berekent RV als bekende waarden en berekent de weerstand RT -waarde op formule (3).

2.4 Analyse van meetcircuittest

In vergelijking met de drie-draads gebalanceerde brugmethode zijn de detectieresultaten van dit circuit sterk verbeterd. Tabel 1 is een vergelijking van de standaardweerstandswaarden gemeten met twee verschillende methoden. Onder hen is R de lijnweerstand.

Uit tabel 1 is te zien dat de theoretische meetresultaten van de drie-draads gebalanceerde brugmethode grote fouten hebben en de fout veroorzaakt door de toename van de lijnweerstand R is groter. Naarmate de weerstandswaarde van de te gemeten thermische weerstand toeneemt, neemt de absolute fout ook toe. In tabel 1 is de absolute fout 2,57% wanneer de gemeten weerstand rt =300 Ω en de lijnweerstand r =20 Ω. De werkelijke meetresultaten van de verbeterde drie-draads methode die in dit artikel wordt gebruikt, hebben een absolute fout van alleen 0. 3 Ω en een relatieve fout van ± 0. 1% binnen het gemeten gegevensbereik. De a/d -converter die in het circuit wordt gebruikt, is alleen equivalent aan 14- bit a/d conversie nauwkeurigheid. Als een A/D-converter met een hoger precisie wordt gebruikt, kan een hogere meetnauwkeurigheid worden bereikt. In het werkelijke thermische weerstandssensor temperatuurmetingsinstrument is het ook noodzakelijk om een ​​gerelateerd programma toe te voegen dat de gemeten weerstand omzet in de overeenkomstige temperatuur. Dat wil zeggen, nadat RT is gemeten, kan de werkelijke temperatuurwaarde nauwkeurig worden opgelost door formule (1).

3 Conclusie

De drie-draads gebalanceerde brugmethode wordt veel gebruikt bij de meting van de thermische weerstand, maar er is een probleem dat de meetfout veroorzaakt door de weerstand van de sensor niet kan worden geëlimineerd. 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 interface circuit with een microcomputer met één chip. Ten slotte wordt de testnauwkeurigheid van het ontworpen circuit getest en bepaald. De test laat zien dat wanneer de drie-draads gebalanceerde brugmethode de standaardweerstandswaarde van 1 {0 0 ~ 300Ω meet en de lijnweerstand 0 ~ 20Ω is, de **** meetfout 2,57%bereikt, terwijl de gebalanceerde drie-draads meetfout slechts ± 0,1%is. Aldus wordt een zeer nauwkeurige drie-draads thermisch weerstandsmetingscircuit verkregen.