Diagrama de disseny del circuit de mesura de resistència tèrmica d’alta precisió basat en un sistema de tres fils

El sensor del termistor és un sensor de temperatura el valor de resistència del qual canvia amb la temperatura ambient. Entre ells, el termistor fet de platí metàl·lic s’utilitza àmpliament a causa de la seva bona estabilitat, alta precisió i àmplia rang de mesurament de la temperatura. Els termòmetres termistors per mesurar la temperatura es componen principalment de sensors de termòmetre, mesurant instruments de visualització i connexions de cables. Atès que la sensibilitat a la temperatura del propi sensor del termòmetre és baixa, la resistència a la línia del fil de connexió té una influència en el resultat de la mesura que no es pot ignorar. Per tal d’eliminar la influència de la resistència del fil, el termòmetre utilitza àmpliament el mètode de connexió de tres fils equilibrat. Aquest mètode pot compensar fins a cert punt l’error de temperatura, però encara existeix la influència de la resistència a la línia. Es proposa un mètode de compensació de resistència al fil de tres fils basat en la tensió constant i el divisor de tensió. El circuit és senzill i fàcil d’implementar i es pot eliminar completament la influència de la resistència del filferro. En comparació amb el mètode de compensació de resistència del filferro proposat a la literatura que utilitza més circuits de maquinari per a la compensació de resistència al fil, aquest mètode té un circuit de compensació de resistència de fil més senzill.

1 Anàlisi dels mètodes de mesura del termòmetre d'ús comú

Per al termòmetre de platí PT100, la relació entre la seva resistència i la seva temperatura es dóna a l'escala de temperatura internacional BS -90 com es mostra a la fórmula (1).

En la fórmula, RT és la resistència de la resistència tèrmica a una temperatura de grau t, r {{0}} és la resistència de la resistència tèrmica a una temperatura de 0 graus, r 0=100 ω, a =3. 96847 × {{5} graus -1, B =-5. 847x 10-7 grau -2, c =-4. 22x {{13} graus -3 són coeficients relacionats amb el propi sensor.
De la fórmula (1), es pot veure que la sensibilitat del pt1 0 0 La resistència tèrmica és aproximadament 0. 38Ω/ grau. Per tal de reduir la influència de la resistència de la línia del fil de connexió en el resultat de la mesura, el mètode del pont de tres fils s’utilitza generalment per a la mesura. Vr =1 V. El principi del circuit es mostra a la figura 1. Rt és la resistència de mesurament de la temperatura, R és la resistència al fil de connexió, R1, R2, R3 són braços de pont fixos, R 1= R 2=1 000} ω, R 3=100, Vr és la tensió de referència, i g és l’instrument de mesura. En aquest circuit, tres cables estan connectats al braç del pont del sensor, al braç del pont de la resistència i al final de la sortida respectivament. Aquest mètode pot mesurar fàcilment la resistència RT. Tanmateix, en ús real, sovint hi ha una certa distància entre el sensor de temperatura i el circuit de mesurament de la temperatura i la resistivitat del fil de connexió és d’uns 0,1 ~ 0,5 Ω/m. L'error de mesura causat per la resistència al fil de connexió R no es pot ignorar.

Tal com es mostra a la figura 1, quan no es considera la resistència a la línia R, la sortida del pont és :, quan es considera la resistència de la línia, la sortida del pont VC=Vr (rt+r) ／ (r 1+ rt+r) -vr (r 3+ r) ／ (r {{7 {7} r 3+}}}}}}}} {8} {8} {8 El pont s’equilibra quan rt=rx, és a dir, r2rx=r1r3, i la resistència del braç del pont r 1= r 2= r 3= rx=L’error causat per l’existència de la resistència a la línia R es pot calcular com:

Es pot veure que la resistència al fil afecta el resultat de la mesura de la RT i no es pot eliminar completament pel circuit de zero. A partir de l’anàlisi anterior, es proposa un circuit de preamplificador de tres fils de tres fils constant que pot eliminar els errors de filferro.

2 circuit de mesurament de tres fils de divisor de tensió constant

2.1 Principi de mesura

El mètode de tres fils del divisor de tensió constant que s’utilitza aquí per mesurar la resistència pot eliminar la interferència de la resistència del filferro. El seu diagrama esquemàtic equivalent es mostra a la figura 2. on RT és la resistència tèrmica. R és la resistència equivalent del filferro. VR és la tensió de referència, VAD és la tensió de referència del convertidor A/D i és el factor de ampliació de tensió.

La relació bàsica es pot obtenir de la llei d'Ohm:

A partir de la fórmula (3), es pot veure que quan es coneixen RV i VR, per obtenir RT, només cal mesurar V2 i V1 i no té res a veure amb la resistència al fil r. I la precisió de la mesura només depèn de la precisió de la RV i de la precisió de mesura de V1 i V2. La resistència al filferro que no es pot eliminar en el mètode del pont s’elimina completament en el mètode de tres fils del divisor de tensió constant.
Com que la temperatura de la resistència tèrmica augmentarà quan el corrent hi passi, cal considerar el seu propi error d’autoescalfament, és a dir, s’ha de considerar l’error d’augment de la temperatura causat pel corrent que flueix a través de la resistència tèrmica. El corrent de resistència tèrmica de PT1 0 0 és d'aproximadament 1 mA. A 0 grau, equival a una potència d'autoescalfament d'aproximadament 0,1 MW. Quan es mesura amb alta precisió, la potència d’autoescalfament s’ha de reduir encara més per reduir l’error d’autoescalfament. Aquí, vr =2. 5V i rv =10 kω estan configurats i la potència autònoma és d'aproximadament 0,006 MW.

2.2 Mesures per millorar la precisió de la mesura

De forma similar al mètode del pont equilibrat de tres fils, les tensions de sortida V1 i V2 del circuit que es mostren a la figura 2 són de valor reduït i s’hauria d’afegir una amplificació de tensió de primer nivell abans de la conversió A/D. La tensió de referència VR és generalment proporcionada per una font de tensió constant de precisió per proporcionar un senyal de tensió estable. A més, quan el programari de microcontroladors selecciona un algorisme i una longitud de paraula adequades en càlculs matemàtics, també es pot ignorar l’error de càlcul. Tot i això, el factor d’amplificació i la RV del circuit d’amplificador variaran de component a component, especialment en la producció massiva, la precisió dels components és difícil d’assegurar la uniformitat. Per tant, per a un circuit d’entrada específic, també s’ha de tenir en compte l’error causat per i RV.
Per tal d’eliminar l’error causat per i RV, el mètode de calibració es pot utilitzar per calibrar i calcular automàticament el circuit real i els valors de RV durant la producció d’instruments. Aquests dos paràmetres es registren a la memòria no volàtil de l'instrument. Quan l'instrument mesura la temperatura, els paràmetres es llegeixen i es calculen segons la fórmula (1) per obtenir la temperatura mesurada precisa.
Si el fil llarg de la figura 2 es substitueix pel filfer

En la fórmula (4), R és una resistència de precisió amb un valor de resistència conegut; D és el resultat de la conversió A/D, que es pot llegir fàcilment des del dispositiu de visualització de l’instrument; VR i VAD són tensions de referència, que són constants; és el factor d’ampliació total del circuit; K és el factor proporcional de la conversió a/d, com ara k =214 per a un convertidor de bits 14- bit A/D. Després només hi ha dos RV desconeguts i en fórmula (2). Per a un circuit d’entrada específic, si dues resistències de precisió R1 i R2 amb valors de resistència coneguts es connecten al circuit que es mostra a la figura 2 per a la calibració (quan calibrant, intenteu fer R =0), es pot obtenir un conjunt d’equacions lineals de dues variables. Així, per a un circuit d’entrada específic i es poden resoldre RV a partir de les equacions i els resultats són els següents:

El mètode de calibració anterior es pot resumir de la manera següent: Dues resistències estàndard de precisió R1 i R2 amb valors de resistència coneguts estan connectades als terminals d’entrada de l’instrument respectivament, i la resistència del fil de connexió es minimitza el màxim possible. En aquest moment, es registren les lectures d’instruments D1 i D2 i es poden calcular els paràmetres i RV desconeguts de l’instrument calibrat substituint -los en fórmula (5). En ús, es recomana utilitzar la mateixa font de referència per a VR i VAD, de manera que el càlcul de la fórmula (5) sigui independent de la precisió de la tensió de referència. Aquest mètode redueix les diferències entre diferents fonts de referència, especialment la influència de la deriva del temps i la deriva de la temperatura de diferents referències.
2.3 Circuit de mesurament
La figura 3 és el circuit d’entrada frontal del sistema de mesura de temperatura PT100 d’alta precisió, en el qual la tensió de referència PT100 i la tensió de referència del convertidor A/D ICL7135 són la mateixa font de referència de tensió. Els dos senyals d’entrada de mesura V1 i V2 de PT100 s’amplifiquen pel mateix amplificador operatiu (1+ r3/r4) i després introduïu el convertidor A/D. El micro relé K1 s'utilitza per a la selecció de canals. Aquest mètode comparteix l'amplificador operatiu, el convertidor A/D i la font de tensió de referència, reduint l'impacte de les diferències entre diferents dispositius en els resultats de la mesura. El resultat de conversió A/D de ICL7135 està connectat al microcontrolador en mode serial, que pot desar molt el port IO del microcontrolador. A l’hora de calibrar el circuit, s’utilitzen resistències estàndard 100Ω i 300Ω per a la calibració, i els resultats de calibració i RV s’emmagatzemen al sistema EEPROM del sistema de microcontroladors. En la mesura real, el sistema de microcontroladors treu i RV com a valors coneguts, i calcula el valor RT de resistència per fórmula (3).

2.4 Anàlisi de la prova del circuit de mesurament

En comparació amb el mètode del pont equilibrat de tres fils, els resultats de detecció d’aquest circuit s’han millorat molt. La taula 1 és una comparació dels valors de resistència estàndard mesurats per dos mètodes diferents. Entre ells, R és la resistència a la línia.

A la taula 1 es pot veure que els resultats de la mesura teòrica del mètode del pont equilibrat de tres fils tenen grans errors i l’error causat per l’augment de la resistència a la línia R és més gran. A mesura que el valor de resistència de la resistència tèrmica augmenta, l’error absolut també augmenta. A la taula 1, l’error absolut és del 2,57% quan la resistència mesurada rt =300 ω i la resistència de la línia r =20 ω. Els resultats de la mesura reals del mètode de tres fils millorat utilitzat en aquest treball tenen un error absolut de només 0. 3 ω i un error relatiu de ± 0. 1% dins del rang de dades mesurat. El convertidor A/D utilitzat al circuit només equival a 14- bit A/D Precisió de conversió. Si s’utilitza un convertidor A/D de major precisió, es pot aconseguir una precisió de mesura més alta. En l'instrument de mesura de temperatura de la sensor de resistència tèrmica real, també cal afegir un programa relacionat que converteixi la resistència mesurada en la temperatura corresponent. És a dir, després de mesurar la RT, el valor de temperatura real es pot resoldre amb precisió per fórmula (1).

3 Conclusió

El mètode del pont equilibrat de tres fils s’utilitza àmpliament en la mesura de la resistència tèrmica, però hi ha un problema que l’error de mesurament causat per la resistència al plom del sensor no es pot eliminar. Aquest treball analitza els problemes existents en el mètode del pont equilibrat per mesurar les resistències tèrmiques, proposa un mètode de mesurament de tres fils de tres fils de voltatge constant, analitza les causes i els factors influents de l’error del circuit de mesurament, deriva i estableix els paràmetres d’influència i les formuletes de la resistència a mesurar i dissenya un circuit de mesurament complet Circuit amb un microordinador d’un sol xip. Finalment, es prova i es determina la precisió de la prova del circuit dissenyat. La prova mostra que quan el mètode del pont equilibrat de tres fils mesura el valor de resistència estàndard d’1 0 0 ~ 300Ω i la resistència de la línia és de 0 ~ 20Ω, l’error de mesura **** arriba al 2,57%, mentre que l’error de mesura de tres fils equilibrat és només ± 0,1%. Així, s’obté un circuit de mesura de resistència tèrmica de tres fils d’alta precisió.