A nagy pontosságú hőállóság mérési áramkörének tervezési diagramja három vezetékes rendszer alapján

A termisztor érzékelő olyan hőmérséklet -érzékelő, amelynek ellenállási értéke a környezeti hőmérsékleten megváltozik. Közülük a fém platinából készült termisztort széles körben használják, jó stabilitása, nagy pontosság és széles hőmérséklet -mérési tartomány miatt. A hőmérséklet mérésére szolgáló termikus hőmérők elsősorban hőmérő -érzékelőkből, a kijelző műszerek méréséből és az összekötő vezetékekből állnak. Mivel maga a hőmérő -érzékelő hőmérsékleti érzékenysége alacsony, a csatlakozó huzal vonal ellenállása befolyásolja a mérési eredményt, amelyet nem lehet figyelmen kívül hagyni. A huzalállóság hatásainak kiküszöbölése érdekében a hőmérő széles körben használja a kiegyensúlyozott híd három vezetékes csatlakozási módszerét. Ez a módszer bizonyos mértékben kompenzálhatja a hőmérsékleti hibát, de a vonal ellenállás hatása továbbra is fennáll. Javasoljuk az állandó feszültség és a feszültség elválasztó alapján alapuló három vezetékes huzal-ellenállás-kompenzációs módszert. Az áramkör egyszerű és könnyen megvalósítható, és a huzalállóság hatása teljesen kiküszöbölhető. Összehasonlítva az irodalomban javasolt huzalállósági kompenzációs módszerrel, amely több hardver áramkört használ a vezeték ellenállás kompenzációhoz, ez a módszer egyszerűbb huzalállósági kompenzációs áramkörrel rendelkezik.

1 Az általánosan használt hőmérő mérési módszerek elemzése

A PT100 platina hőmérő esetében az ellenállás és a hőmérséklet közötti kapcsolatot a BS -90 nemzetközi hőmérsékleti skála adja meg, az (1) képlet szerint.

A képletben az RT a termikus ellenállás ellenállása T fokú hőmérsékleten, r {{0}} a termikus ellenállás ellenállása 0 fokos hőmérsékleten, r 0=100 ω, a =3. B =-5. 847x 10-7 fok -2, c =-4. 22x 10-12 fok -3 az érzékelőhöz kapcsolódó együtthatók.
Az (1) képletből látható, hogy a PT1 0 0 hőállóság érzékenysége körülbelül 0. 38Ω/ fok. Annak érdekében, hogy csökkentsék a csatlakozó vezeték vonalállóságának a mérési eredményre gyakorolt ​​hatását, a három vezetékes híd módszert általában a méréshez használják. VR =1 V. Az áramkör elvét az 1. ábra mutatja. Az RT a hőmérséklet -mérő ellenállás, R az összekötő huzal -ellenállás, az R1, R2, R3 rögzített hídkarok, r {{{}} r 2=1 000 ω, r 3=100 ω, VR a referencia -voltage, és a g. Ebben az áramkörben három vezetéket csatlakoztatnak az érzékelő hídkarához, az ellenállási híd karhoz és a kimeneti véghez. Ez a módszer könnyen megmérheti a mérni kívánt RT ellenállási RT -t. A tényleges használat során azonban gyakran van bizonyos távolság a hőmérséklet -érzékelő és a hőmérsékleti mérési áramkör között, és az összekötő huzal ellenállása körülbelül 0,1 ~ 0,5 Ω/m. Az R csatlakozó huzal -ellenállás által okozott mérési hibát nem lehet figyelmen kívül hagyni.

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 A híd kiegyensúlyozott, ha rt=rx, vagyis r2rx=r1r3, és az R {1= r hídkar ellenállás Rt=r+△ r, az R vonalrezisztencia létezése által okozott hiba kiszámítható:

Látható, hogy az R huzalállóság befolyásolja az RT mérési eredményét, és a nullázási áramkör nem tudja teljesen kiküszöbölni. A fenti elemzés alapján egy állandó feszültség-elválasztó, három vezetékes nagy pontosságú előerősítő áramkört javasolunk, amely teljesen kiküszöböli a huzalhibákat.

2 állandó feszültség-elválasztó három vezetékes mérési áramkör

2.1 Mérési elv

Az ellenállás mérésére alkalmazott állandó feszültség-elválasztó három vezetékes módszer kiküszöböli a huzalállóság interferenciáját. Az ekvivalens vázlatos diagramját a 2. ábra mutatja. Ahol az RT a termikus ellenállás. R a huzal egyenértékű ellenállása. A VR a referenciafeszültség, a VAD az A/D konverter referenciafeszültsége, és a feszültség nagyítási tényezője.

Az alapkapcsolat az OHM törvényéből szerezhető be:

A (3) képletből látható, hogy ha az RV és a VR ismert, az RT -t kapni, csak a V2 -t és a V1 -et kell megmérni, és ennek semmi köze sincs az R huzalrezisztenciához. És a mérési pontosság csak az RV pontosságától és a V1 és V2 mérési pontosságától függ. A híd-módszerrel nem kiküszöbölhető huzalállóságot teljesen kiküszöböljük az állandó feszültség-elválasztó három vezetékes módszerrel.
Mivel a termikus ellenállás hőmérséklete emelkedik, amikor az áram áthalad rajta, figyelembe kell venni a saját önmelegítő hibáját, vagyis a hőhatalomon átáramló áram által okozott hőmérsékleti emelkedési hibát figyelembe kell venni. Az általánosan használt PT1 0 0 termikus ellenállás -meghajtó áram körülbelül 1 mA. A 0 fokon egyenértékű, mintegy 0,1 MW önmelegítő teljesítménygel. Nagy pontosságú méréskor az önmelegítő erőt tovább kell csökkenteni az önmelegítő hiba csökkentése érdekében. Itt a VR =2. 5V és RV =10 kΩ be van állítva, és az önmelegítő teljesítmény körülbelül 0,006 MW.

2.2 A mérési pontosság javítására irányuló intézkedések

Hasonlóan a három vezetékes kiegyensúlyozott híd módszerhez, a 2. ábrán bemutatott áramkör kimeneti feszültségének értéke kicsi, és az első szintű feszültség-amplifikációt kell hozzáadni az A/D átalakítás előtt. A VR referencia feszültségét általában egy precíziós állandó feszültségforrás biztosítja, hogy stabil feszültségjelet biztosítson. Ezenkívül, amikor a mikrovezérlő szoftver megfelelő algoritmust és szóhosszot választ a matematikai számításokban, a számítási hibát szintén figyelmen kívül lehet hagyni. Az erősítő áramkör amplifikációs tényezője és RV -je azonban az alkatrészektől az alkatrészekig, különösen a tömegtermelésben, az alkatrészek pontossága nehéz az egységesség biztosítása. Ezért egy adott bemeneti áramkör esetében a RV által okozott hibát is figyelembe kell venni.
A és az RV által okozott hiba kiküszöbölése érdekében a kalibrációs módszer használható a tényleges áramkör és az RV értékek automatikus kalibrálására és kiszámítására a műszer előállítása során. Ezt a két paramétert ezután rögzítjük a műszer nem felejtő memóriájában. Amikor a műszer méri a hőmérsékletet, a paramétereket az (1) képlet szerint kell kiszámítani, hogy megkapjuk a pontos mért hőmérsékletet.
Ha a 2. ábrán látható hosszú huzalt a lehető legrövidebb huzal helyettesíti (azaz r =0), és az RT hőkezelőt az R precíziós ellenállás helyettesíti, akkor a VAD az A/D konverter referenciafeszültsége, a feszültség nagyítási tényezője, a többi pedig változatlan marad, majd:

A (4) képletben R egy precíziós ellenállás, amely ismert ellenállási értékkel rendelkezik; D az A/D konverzió eredménye, amely könnyen olvasható a műszer kijelző eszközéről; A VR és a VAD referenciafeszültségek, amelyek állandóak; az áramkör teljes nagyítási tényezője; K az A/D konverzió arányos tényezője, például K =214 egy 14- bit A/D konverternél. Akkor csak két ismeretlen lakóautó van és a (2) képletben van. Egy specifikus bemeneti áramkör esetében, ha az ismert ellenállási értékekkel rendelkező R1 és R2 két precíziós ellenállást a 2. ábrán bemutatott áramkörhez csatlakoztatják a kalibráláshoz (kalibráláskor próbáljuk meg R =0), akkor kétváltozós lineáris egyenletek halmaza kapható. Így egy adott bemeneti áramkörnél és az RV az egyenletekből oldható meg, és az eredmények a következők:

A fenti kalibrációs módszert az alábbiak szerint lehet összefoglalni: Az ismert ellenállási értékekkel rendelkező R1 és R2 két precíziós standard ellenállást a műszer bemeneti csatlakozóihoz csatlakoztatják, és a csatlakozó vezeték ellenállása minimalizálódik, amennyire csak lehetséges. Ebben az időben a D1 és D2 műszeres leolvasást rögzítik, és a kalibrált műszer ismeretlen paramétereit és RV -jét kiszámíthatjuk úgy, hogy helyettesítik azokat (5) képletbe. Használatban ajánlott ugyanazt a referenciaforrást használni a VR -hez és a VAD -hez, hogy a (5) képlet kiszámítása független legyen a referenciafeszültség pontosságától. Ez a módszer csökkenti a különböző referenciák közötti különbségeket, különös tekintettel az idő sodródásának és a különböző referenciák hőmérsékleti sodródásának hatására.
2.3 Mérési áramkör
A 3. ábra a nagy pontosságú PT100 hőmérséklet-mérő rendszer első bemeneti áramköre, amelyben a PT100 referenciafeszültség és az A/D konverter ICL7135 referenciakóda ugyanaz a feszültség referenciaforrás. A PT100 V1 és V2 két mérési bemeneti jelét ugyanazon operatív erősítő (1+ R3/R4) időpontosítóval amplifikálja, majd írja be az A/D konvertert. A K1 mikroelét használják a csatorna kiválasztásához. Ez a módszer megosztja az operatív erősítőt, az A/D konvertert és a referenciafeszültség -forrást, csökkentve a különböző eszközök közötti különbségek hatását a mérési eredményekre. Az ICL7135 A/D konverziós eredménye soros módban csatlakozik a mikrovezérlőhöz, amely nagymértékben megmentheti a mikrovezérlő IO portját. Az áramkör kalibrálásakor a 100Ω és 300Ω standard ellenállást használják a kalibráláshoz, a kalibrációs eredményeket és az RV -t a mikrovezérlő rendszer EEPROM -jában tárolják. A tényleges mérés során a mikrokontroller rendszer kiszáll, és az RV ismert értékekként, és kiszámítja az ellenállás RT értékét a (3) képlet alapján.

2.4 A mérési áramkör vizsgálatának elemzése

A három vezetékes kiegyensúlyozott híd módszerrel összehasonlítva ennek az áramkörnek a detektálási eredményei jelentősen javultak. Az 1. táblázat a standard ellenállási értékek összehasonlítása két különböző módszerrel mért. Közülük R a vonal ellenállás.

Az 1. táblázatból látható, hogy a három vezetékes kiegyensúlyozott híd módszer elméleti mérési eredményei nagy hibákkal rendelkeznek, és az R vonalállóság növekedése által okozott hiba nagyobb. Ahogy a mérni kívánt termikus ellenállás ellenállási értéke növekszik, az abszolút hiba is növekszik. Az 1. táblázatban az abszolút hiba 2,57%, ha az RT =300 ω mért rezisztencia és az R =20 ω vonal ellenállás. Az ebben a cikkben alkalmazott továbbfejlesztett három vezetékes módszer tényleges mérési eredményei abszolút hibájuk csak 0. 3 Ω és relatív hiba ± 0. Az áramkörben használt A/D konverter csak a 14- bit A/D konverziós pontossággal egyenértékű. Ha magasabb pontosságú A/D-konvertert használnak, akkor nagyobb mérési pontosság érhető el. A tényleges termikus ellenállás -érzékelő hőmérséklet -mérőműszerében egy kapcsolódó programot is hozzá kell adni, amely a mért ellenállást a megfelelő hőmérsékletre konvertálja. Vagyis az RT mérése után a tényleges hőmérsékleti értéket pontosan meg lehet oldani az (1) képlettel.

3 következtetés

A három vezetékes kiegyensúlyozott híd módszert széles körben alkalmazzák a termikus ellenállás mérésében, de van egy probléma, hogy az érzékelő ólom-ellenállásának által okozott mérési hibát nem lehet kiküszöbölni. Ez a cikk elemzi a termikus ellenállások mérésére szolgáló kiegyensúlyozott híd módszerrel kapcsolatos problémákat, állandó feszültség-elválasztót javasol, három huzal-mérési módszert, elemzi a mérési áramkör hibáinak okait és befolyásoló tényezőit, levezeti és létrehozza az ellenállás befolyásoló paramétereit és az ellenállók konverzióját, és egy teljes mérési áramkört is tartalmaz, és egy teljes mérőeszközt tartalmaz, és egy teljes mérőeszközt tartalmaz, és egy teljes mérőeszközt tartalmaz, és egy teljes mérőeszközt tartalmaz, és egy teljes mérőeszközt tartalmaz, és egy teljes mérőeszközt tartalmaz, és egy teljes mérőeszközt tartalmaz. Mikrokomputer. Végül megvizsgáljuk és meghatározzuk a tervezett áramkör teszt pontosságát. A teszt azt mutatja, hogy amikor a három vezetékes kiegyensúlyozott híd módszer méri az 1 0 0 ~ 300Ω standard ellenállási értékét, és a vonal ellenállás 0 ~ 20Ω, a **** mérési hiba eléri a 2,57%-ot, míg a kiegyensúlyozott háromvezeték-mérési hiba csak ± 0,1%. Így nagy pontosságú, három vezetékes hőkezelés-mérési áramkört kapunk.