Augstas precizitātes termiskās pretestības mērījumu shēmas projektēšanas diagramma, pamatojoties uz trīs vadu sistēmu

Termistora sensors ir temperatūras sensors, kura pretestības vērtība mainās ar apkārtējās vides temperatūru. Starp tiem plaši izmanto termistoru, kas izgatavots no metāla platīna, tā labās stabilitātes, augstās precizitātes un plašā temperatūras mērījumu diapazona dēļ. Termistoru termometri temperatūras mērīšanai galvenokārt sastāv no termometra sensoriem, displeja instrumentu mērīšanas un vadu savienošanas. Tā kā paša termometra sensora temperatūras jutība ir zema, savienojošā stieples līnijas pretestība ietekmē mērījumu rezultātu, kuru nevar ignorēt. Lai novērstu stieples pretestības ietekmi, termometrs plaši izmanto sabalansēto tilta trīs vadu savienojuma metodi. Šī metode zināmā mērā var kompensēt temperatūras kļūdu, bet līnijas pretestības ietekme joprojām pastāv. Tiek piedāvāta trīs vadu stieples pretestības kompensācijas metode, kuras pamatā ir nemainīgs spriegums un sprieguma dalītājs. Ķēde ir vienkārša un viegli ieviesta, un stieples pretestības ietekmi var pilnībā novērst. Salīdzinot ar stieples pretestības kompensācijas metodi, kas ierosināta literatūrā, kurā stiepļu izturības kompensācijai tiek izmantotas vairāk aparatūras ķēžu, šai metodei ir vienkāršāka stieples pretestības kompensācijas shēma.

1 Parasti izmantoto termometra mērīšanas metožu analīze

PT100 platīna termometrā sakarība starp tā pretestību un temperatūru ir norādīta starptautiskajā temperatūras skalā BS -90, kā parādīts formulā (1).

Formulā RT ir termiskā rezistora pretestība T pakāpes temperatūrā, r {{{0}} ir termiskā rezistora pretestība 0 grāda temperatūrā, r 0=100 ω, =3}. 96847 × 10-3} {{~ 6}}. B =-5. 847x 10-7 grāds -2, c =-4. 22x 10-12 grāds -3 ir koeficienti, kas saistīti ar pašu sensoru.
No formulas (1) var redzēt, ka pt1 0 {0 termiskā rezistora jutīgums ir aptuveni 0. 38Ω/ grāds. Lai samazinātu savienojošā stieples līnijas pretestības ietekmi uz mērīšanas rezultātu, mērīšanai parasti tiek izmantota trīs vadu tilta metode. Vr =1 V. Ķēdes princips ir parādīts 1. attēlā. RT ir temperatūras mērīšanas rezistors, r ir savienojošā stieples pretestība, r1, r2, r3 ir fiksētas tilta ieroči, r 1= r 2=1 000} ω, r 3=100 ω, vr ir atsauces spriegums, un g ir stiepes instruments. Šajā ķēdē trīs vadi ir savienoti ar sensora tilta grupu, attiecīgi rezistora tilta grupu un izejas galu. Šī metode var viegli izmērīt izmērāmā pretestības RT. Tomēr faktiski lietojot, bieži ir noteikts attālums starp temperatūras sensoru un temperatūras mērīšanas ķēdi, un savienojošā stieples pretestība ir aptuveni 0,1 ~ 0,5 Ω/m. Mērījumu kļūdu, ko izraisa savienojošā stieples pretestība R, nevar ignorēt.

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 Tilts ir līdzsvarots, kad rt=rx, tas ir, r2rx=r1r3, un tilta rokas pretestība r 1= r 2= r 3= rx=r, kad rt mainās ar △ r, kas ir. Rt=r+△ r, kļūdu, ko izraisa līnijas pretestības r, var aprēķināt šādi:

Var redzēt, ka stieples pretestība R ietekmē RT mērīšanas rezultātu, un to nevar pilnībā novērst ar nulles ķēdi. Balstoties uz iepriekšminēto analīzi, tiek ierosināta pastāvīga sprieguma dalītāja trīs vadu augstas precizitātes priekšpastiprinātāja ķēde, kas var pilnībā novērst stieples kļūdas.

2 Pastāvīgs sprieguma dalītājs trīs vadu mērīšanas shēma

2.1. Mērīšanas princips

Pastāvīgā sprieguma dalītāja trīs vadu metode, ko šeit izmanto pretestības mērīšanai, var novērst stieples pretestības traucējumus. Tās ekvivalentā shematiskā diagramma ir parādīta 2. attēlā. Kur RT ir termiskais rezistors. R ir līdzvērtīga stieples pretestība. VR ir atsauces spriegums, VAD ir A/D pārveidotāja atsauces spriegums un ir sprieguma palielinājuma koeficients.

Pamata attiecības var iegūt no Ohma likuma:

No formulas (3) var redzēt, ka tad, kad ir zināmi RV un VR, lai iegūtu RT, ir jāmēra tikai V2 un V1, un tam nav nekā kopīga ar stieples pretestību r. Un mērījumu precizitāte ir atkarīga tikai no RV precizitātes un V1 un V2 mērījumu precizitātes. Stieples pretestība, ko nevar novērst tilta metodē, tiek pilnībā novērsta nemainīgā sprieguma dalītāja trīs vadu metodē.
Tā kā termiskā rezistora temperatūra paaugstināsies, kad strāva iziet cauri tam, jāņem vērā tās pašas sildīšanas kļūda, tas ir, jāņem vērā temperatūras paaugstināšanās kļūda, ko izraisa strāva, kas plūst caur termisko rezistoru. Parasti izmantotā pt1 0 0 termiskā rezistora piedziņas strāva ir aptuveni 1 mA. Pie 0 pakāpes tas ir ekvivalents pašsildīšanas jaudai aptuveni 0,1 MW. Mērot ar augstu precizitāti, pašsildīšanas jauda būtu vēl vairāk jāsamazina, lai samazinātu pašsildīšanas kļūdu. Šeit ir iestatīta vr =2. 5V un rv =10 kΩ, un pašsildīšanas jauda ir aptuveni 0,006 MW.

2.2 mērīšanas precizitātes uzlabošanai

Līdzīgi kā trīs vadu līdzsvarotās tilta metode, 2. attēlā parādītās ķēdes v1 un v2 izejas spriegumi ir mazi, un pirmā līmeņa sprieguma pastiprināšana jāpievieno pirms A/D pārveidošanas. Atsauces sprieguma VR parasti nodrošina ar precīzu konstanta sprieguma avotu, lai nodrošinātu stabilu sprieguma signālu. Turklāt, ja mikrokontrollera programmatūra matemātiskos aprēķinos izvēlas atbilstošu algoritmu un vārdu garumu, aprēķina kļūdu var arī ignorēt. Tomēr pastiprinātāja ķēdes pastiprināšanas koeficients un RV ir atšķirīgs no komponenta uz komponentu, īpaši masveida ražošanā, komponentu precizitāti ir grūti nodrošināt vienveidība. Tāpēc ir jāņem vērā arī īpaša ievades ķēde, un jāņem vērā arī RV radītā kļūda.
Lai novērstu kļūdu, ko izraisa un RV, kalibrēšanas metodi var izmantot, lai automātiski kalibrētu un aprēķinātu faktiskās shēmas un RV vērtības instrumenta ražošanas laikā. Pēc tam šie divi parametri tiek ierakstīti instrumenta nemainīgajā atmiņā. Kad instruments mēra temperatūru, parametrus nolasa un aprēķina atbilstoši formulai (1), lai iegūtu precīzu izmērīto temperatūru.
Ja garo stiepli 2. attēlā aizstāj ar iespējamo īsāko vadu (ti, r =0), un termisko rezistoru RT aizstāj ar precīzu rezistoru R, VAD ir A/D pārveidotāja atsauces spriegums, ir sprieguma palielinājuma koeficients, bet pārējais paliek nemainīgs, tad:

Formulā (4) R ir precizitātes rezistors ar zināmu pretestības vērtību; D ir A/D konvertācijas rezultāts, ko var viegli nolasīt no instrumenta displeja ierīces; VR un VAD ir atsauces spriegumi, kas ir konstantes; ir kopējais ķēdes palielinājuma koeficients; K ir A/D konversijas proporcionālais koeficients, piemēram, k =214 14- bitu a/d pārveidotājam. Tad ir tikai divi nezināmi RV un formulā (2). Īpaši ieejas ķēde, ja divi precizitātes rezistori R1 un R2 ar zināmām pretestības vērtībām ir savienoti ar ķēdi, kas parādīta 2. attēlā kalibrēšanai (kalibrējot, mēģiniet izgatavot r =0), var iegūt divu mainīgu lineāru vienādojumu komplektu. Tādējādi konkrētai ievades ķēdei un RV var atrisināt no vienādojumiem, un rezultāti ir šādi:

Iepriekš minēto kalibrēšanas metodi var apkopot šādi: attiecīgi ar instrumenta ieejas spailēm ir savienoti divi precīzi standarta rezistori R1 un R2 ar zināmām pretestības vērtībām, un savienojošā stieples pretestība tiek samazināta pēc iespējas samazināta. Šajā laikā tiek reģistrēti instrumentu rādījumi D1 un D2, un kalibrētā instrumenta nezināmos parametrus un RV var aprēķināt, aizstājot tos formulā (5). Lietojot, ieteicams izmantot to pašu VR un VAD atsauces avotu, lai formulas (5) aprēķins būtu neatkarīgs no atsauces sprieguma precizitātes. Šī metode samazina atšķirības starp dažādiem atsauces avotiem, īpaši dažādu atsauces laika novirzes un temperatūras novirzes ietekmi.
2.3. Mērījumu ķēde
3. attēls ir augstas precizitātes PT100 temperatūras mērīšanas sistēmas priekšējā ieejas ķēde, kurā PT100 atsauces spriegums un A/D pārveidotāja ICL7135 atsauces spriegums ir tas pats sprieguma atsauces avots. Divus PT100 mērījumu ieejas signālus V1 un V2 tiek pastiprināti ar to pašu operatīvo pastiprinātāju (1+ R3/R4) laikiem un pēc tam ievadiet A/D pārveidotāju. Mikro relejs K1 tiek izmantots kanālu izvēlei. Šai metodei ir kopīgs darbības pastiprinātājs, A/D pārveidotājs un atsauces sprieguma avots, samazinot atšķirību ietekmi starp dažādām ierīcēm uz mērījumu rezultātiem. ICL7135 A/D konvertācijas rezultāts ir savienots ar mikrokontrolleru sērijas režīmā, kas var ievērojami saglabāt mikrokontrollera IO portu. Kalibrējot ķēdi, kalibrēšanai izmanto standarta rezistorus 100Ω un 300Ω, un kalibrēšanas rezultāti un RV tiek saglabāti mikrokontrolleru sistēmas EEPROM. Faktiskā mērījumā mikrokontrolleru sistēma izņem un RV kā zināmas vērtības un aprēķina pretestības RT vērtību pēc formulas (3).

2.4. Mērījumu ķēdes testa analīze

Salīdzinot ar trīs vadu līdzsvarotu tilta metodi, šīs shēmas noteikšanas rezultāti ir ievērojami uzlaboti. 1. tabula ir standarta pretestības vērtību salīdzinājums, ko mēra ar divām dažādām metodēm. Starp tiem R ir līnijas pretestība.

No 1. tabulas var redzēt, ka trīs vadu līdzsvarotās tilta metodes teorētiskajiem mērījumu rezultātiem ir lielas kļūdas, un kļūda, ko izraisa līnijas pretestības R palielināšanās, ir lielāka. Palielinoties izmērāmā termiskā rezistora pretestības vērtībai, palielinās arī absolūtā kļūda. 1. tabulā absolūtā kļūda ir 2,57%, ja izmērītā pretestība rt =300 un līnijas pretestība r =20 ω. Šajā dokumentā izmantotās uzlabotās trīs vadu metodes faktiskie mērījumu rezultāti ir absolūti kļūda tikai 0. 3 Ω un relatīvā kļūda ± 0. 1% izmērītajā datu diapazonā. A/D pārveidotājs, kas izmantots ķēdē, ir tikai līdzvērtīgs 14- bitu A/D konversijas precizitātei. Ja tiek izmantots augstākas precizitātes A/D pārveidotājs, var sasniegt augstāku mērījumu precizitāti. Faktiskajā termiskā rezistora sensora temperatūras mērīšanas instrumentā ir arī jāpievieno saistīta programma, kas konvertē izmērīto pretestību attiecīgajā temperatūrā. Tas ir, pēc RT mērīšanas faktisko temperatūras vērtību var precīzi atrisināt ar formulu (1).

3 Secinājums

Trīs vadu līdzsvarotu tilta metodi plaši izmanto termiskā rezistora mērījumos, taču pastāv problēma, ka sensora svina pretestības izraisīto mērījumu kļūdu nevar novērst. Šajā dokumentā analizētas problēmas, kas pastāv līdzsvarotā tilta metodē termisko rezistoru mērīšanai, ierosina pastāvīgu sprieguma dalītāja trīs vadu mērīšanas metodi, analizē mērījumu ķēdes kļūdas cēloņus un ietekmējošos faktorus, iegūst un izveido ietekmējošo parametru un formulu, kas paredzēts, lai noteiktu, un izstrādā līdzīgu, kā arī ar to, kā arī A/D. vienas mikroshēmas mikrodatori. Visbeidzot, tiek pārbaudīta un noteikta projektētās shēmas testa precizitāte. Pārbaude parāda, ka tad, kad trīs vadu līdzsvarotās tilta metode mēra standarta pretestības vērtību 1 0 0 ~ 300Ω un līnijas pretestība ir 0 ~ 20Ω, **** mērīšanas kļūda sasniedz 2,57%, bet līdzsvarotā trīs strāvu mērīšanas kļūda ir tikai ± 0,1%. Tādējādi tiek iegūta augstas precizitātes trīs vadu termiskā rezistora mērīšanas shēma.