Konstruktionsdiagram över mätkrets med hög precision

Termistorsensor är en temperatursensor vars motståndsvärde förändras med omgivningstemperaturen. Bland dem används termistor tillverkad av metallplatina i stor utsträckning på grund av dess goda stabilitet, hög noggrannhet och bred temperaturmätningsområde. Termistortermometrar för mätningstemperatur består huvudsakligen av termometersensorer, mätningsinstrument och anslutning av ledningar. Eftersom temperaturkänsligheten för termometerens sensor själv är låg, har anslutningsmotståndet för anslutningsledningen påverkan på mätresultatet som inte kan ignoreras. För att eliminera påverkan av trådmotståndet använder termometern i stor utsträckning Balanced Bridge tre-tråds anslutningsmetod. Denna metod kan kompensera temperaturfelet i viss utsträckning, men påverkan av linjemotståndet finns fortfarande. En tre-ledad trådmotståndskompensationsmetod baserad på konstant spänning och spänningsdelare föreslås. Kretsen är enkel och enkel att implementera, och påverkan av trådmotståndet kan elimineras fullständigt. Jämfört med den trådmotståndskompensationsmetod som föreslås i litteraturen som använder fler hårdvarukretsar för kompensation av trådmotstånd, har denna metod en enklare trådmotståndskompensationskrets.

1 Analys av vanligt använda termometermätningsmetoder

För PT100 -platina -termometern ges förhållandet mellan dess motstånd och temperatur i den internationella temperaturskalan BS -90 såsom visas i formel (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 examen -2, c =-4. 22x 10-12 examen -3 är koefficienter relaterade till sensorn själv.
Från formel (1) kan man se att känsligheten för pt1 0 0 Termisk motstånd är ungefär 0. 38Ω/ grad. För att minska påverkan av linjemotståndet för anslutningstråden på mätresultatet används vanligtvis tre-tråds brometoden för mätning. VR =1 V. Kretsprincipen visas i figur 1. RT är temperaturmätningsmotståndet, r är anslutningstrådmotståndet, r1, r2, r3 är fasta broarmar, r 1= r 2=1 000 ω, r 3=100 ω, vr är referensen och G -mätningen. I denna krets är tre ledningar anslutna till sensorbryggarmen, motståndsbryggarmen respektive utgångsänden. Denna metod kan enkelt mäta motståndet RT som ska mätas. I den faktiska användningen finns det emellertid ofta ett visst avstånd mellan temperatursensorn och temperaturmätningskretsen, och anslutningstrådens resistivitet är cirka 0,1 ~ 0,5 Ω/m. Mätfelet orsakat av anslutningstrådmotståndet R kan inte ignoreras.

Såsom visas i figur 1, när linjemotståndet inte beaktas, är bron utgång:, när linjemotståndet beaktas, bron utgången vc=vr (rt+r) ／ (r 1+ rt+r) -vr (r {6}} r) the bridge is balanced when Rt=Rx, that is, R2Rx=R1R3, and the bridge arm resistance R1=R2=R3=Rx=R, when Rt changes by △R, that is, Rt=r+△ r, felet orsakat av förekomsten av linjemotståndet r kan beräknas som:

Det kan ses att trådmotståndet R påverkar mätresultatet av RT, och det kan inte helt elimineras av nollkretsen. Baserat på ovanstående analys föreslås en konstant spänningsdelare tre-ledars högprecisionsförförstärkare som helt kan eliminera trådfel.

2 Konstant spänningsdelare Tre-leds mätkrets

2.1 Mätprincip

Den konstanta spänningsdelarens tre-lediga metod som används här för att mäta motstånd kan eliminera störningen av trådmotstånd. Dess motsvarande schematiska diagram visas i figur 2. där RT är det termiska motståndet. R är motsvarande motstånd hos tråden. VR är referensspänningen, VAD är referensspänningen för A/D -omvandlaren och är spänningsförstoringsfaktorn.

Det grundläggande förhållandet kan erhållas från Ohms lag:

Från formel (3) kan man se att när RV och VR är kända, för att erhålla RT, bara V2 och V1 behöver mätas, och det har inget att göra med trådmotståndet R. Och mätnoggrannheten beror endast på noggrannheten för RV och mätnoggrannheten för V1 och V2. Trådmotståndet som inte kan elimineras i brometoden elimineras fullständigt i den ständiga spänningsavdelaren tre-ledsmetod.
Eftersom temperaturen på det termiska motståndet kommer att stiga när strömmen passerar genom det, måste sitt eget självuppvärmningsfel övervägas, det vill säga temperaturökningsfelet som orsakas av strömmen som strömmar genom det termiska motståndet måste beaktas. Den vanligt använda Pt1 0 0 Termisk motståndsdrivström är cirka 1 mA. Vid 0 -graden motsvarar det en självuppvärmningskraft på cirka 0,1 MW. Vid mätning med hög precision bör självuppvärmningskraften reduceras ytterligare för att minska självuppvärmningsfelet. Här är VR =2. 5V och RV =10 kΩ inställda, och självuppvärmningskraften är cirka 0,006 MW.

2.2 Åtgärder för att förbättra mätnoggrannheten

I likhet med den tre-tråds balanserade brometoden är utgångsspänningarna V1 och V2 i kretsen som visas i figur 2 små i värde, och en första nivå spänningsförstärkning bör läggas till före A/D-omvandling. Referensspännings VR tillhandahålls vanligtvis av en precisionskonstantspänningskälla för att tillhandahålla en stabil spänningssignal. Dessutom, när mikrokontrollprogramvaran väljer en lämplig algoritm och ordlängd i matematiska beräkningar, kan beräkningsfelet också ignoreras. Emellertid kommer amplifieringsfaktorn och RV för förstärkarkretsen att variera från komponent till komponent, särskilt i massproduktion, är riktigheten hos komponenter svår att säkerställa enhetlighet. För en specifik ingångskrets måste därför felet som orsakas av och RV också beaktas.
För att eliminera felet som orsakas av och RV kan kalibreringsmetoden användas för att automatiskt kalibrera och beräkna de faktiska krets- och RV -värdena under instrumentproduktionen. Dessa två parametrar registreras sedan i instrumentets icke-flyktiga minne. När instrumentet mäter temperaturen läses och beräknas parametrarna enligt formel (1) för att erhålla den exakta uppmätta temperaturen.
Om den långa tråden i figur 2 ersätts av den kortaste tråden som är möjlig (dvs. R =0), och det termiska motståndet RT ersätts av en precisionsmotstånd R, är VAD referensspänningen för A/D -omvandlaren, är spänningsförstoringsfaktorn och resten förblir oförändrad, då:: Då:

I formel (4) är R ett precisionsmotstånd med ett känt motståndsvärde; D är resultatet av A/D -omvandlingen, som enkelt kan läsas från instrumentdisplayenheten; VR och VAD är referensspänningar, som är konstanter; är den totala förstoringsfaktorn för kretsen; K är den proportionella faktorn för A/D -omvandlingen, såsom k =214 för en 14- bit A/D -omvandlare. Sedan finns det bara två okända RV och i formel (2). För en specifik ingångskrets, om två precisionsmotstånd R1 och R2 med kända motståndsvärden är anslutna till kretsen som visas i figur 2 för kalibrering (när du kalibrerar, försök att göra R =0), kan en uppsättning av två-variabla linjära ekvationer erhållas. För en specifik ingångskrets kan således lösas från ekvationerna, och resultaten är följande:

Ovanstående kalibreringsmetod kan sammanfattas enligt följande: Två precisionsstandardmotstånd R1 och R2 med kända motståndsvärden är anslutna till instrumentets ingångsterminaler och motståndet för anslutningsledningen minimeras så mycket som möjligt. För närvarande registreras instrumentavläsningarna D1 och D2, och de okända parametrarna och RV för det kalibrerade instrumentet kan beräknas genom att ersätta dem i formel (5). Vid användning rekommenderas det att använda samma referenskälla för VR och VAD, så att beräkningen av i formel (5) är oberoende av referensspänningens noggrannhet. Denna metod minskar skillnaderna mellan olika referenskällor, särskilt påverkan av tidsdrift och temperaturdrift av olika referenser.
2.3 Mätkrets
Figur 3 är den främre ingångskretsen för PT100-temperaturmätningssystemet med hög precision, där PT100-referensspänningen och referensspänningen för A/D-omvandlaren ICL7135 är samma spänningsreferenskälla. De två mätingångssignalerna V1 och V2 för PT100 amplifieras av samma operativa förstärkare (1+ R3/R4) gånger och går sedan in i A/D -omvandlaren. Micro Relay K1 används för kanalval. Denna metod delar den operativa förstärkaren, A/D -omvandlaren och referensspänningskällan, vilket minskar effekten av skillnader mellan olika enheter på mätresultaten. A/D -omvandlingsresultatet av ICL7135 är anslutet till mikrokontrollern i serieläge, vilket i hög grad kan rädda IO -porten i mikrokontrollern. Vid kalibrering av kretsen används standardmotstånd 100Ω och 300Ω för kalibrering, och kalibreringsresultaten och RV lagras i EEPROM för mikrokontrollersystemet. I den faktiska mätningen tar mikrokontrollersystemet ut och RV som kända värden och beräknar motstånds -RT -värdet med formel (3).

2.4 Analys av mätkretsprov

Jämfört med den tre-tråds balanserade bridge-metoden har detekteringsresultaten för denna krets förbättrats kraftigt. Tabell 1 är en jämförelse av standardmotståndsvärdena uppmätta med två olika metoder. Bland dem är R linjemotståndet.

Det framgår av tabell 1 att de teoretiska mätresultaten för den tre-lediga balanserade brometoden har stora fel, och felet orsakat av ökningen av linjemotståndet är större. Eftersom motståndsvärdet för det termiska motståndet som ska mätas ökar också det absoluta felet. I tabell 1 är det absoluta felet 2,57% när det uppmätta motståndet rt =300 ω och linjemotståndet r =20 Ω. De faktiska mätresultaten för den förbättrade tre-ledningsmetoden som används i detta dokument har ett absolut fel på endast 0. 3 Ω och ett relativt fel på ± 0. 1% inom det uppmätta dataområdet. A/D -omvandlaren som används i kretsen motsvarar endast 14- bit A/D -konverteringsnoggrannhet. Om en A/D-omvandlare med högre precision används kan högre mätnoggrannhet uppnås. I det faktiska mätinstrumentet för termisk motståndssensor är det också nödvändigt att lägga till ett relaterat program som omvandlar det uppmätta motståndet till motsvarande temperatur. Det vill säga, efter att RT mäts kan det faktiska temperaturvärdet lösas exakt med formel (1).

3 Slutsats

Den tre-tråds balanserade brometoden används allmänt vid mätning av termisk motstånd, men det finns ett problem att mätfelet orsakat av sensorns blymotstånd inte kan elimineras. 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 a Mikrodator för en chip. Slutligen testas och bestäms testnoggrannheten för den designade kretsen. Testet visar att när den tre-lediga balanserade bridetoden mäter standardmotståndsvärdet på 1 0 0 ~ 300Ω och linjemotståndet är 0 ~ 20Ω, når mätfelet **** 2,57%, medan det balanserade tre-trådmätningsfelet är bara ± 0,1%. Således erhålls en högprecision tre-ledad termisk motståndsmätningskrets.