Diagramma di progettazione del circuito di misurazione della resistenza termica ad alta precisione basato sul sistema a tre fili

Il sensore termistore è un sensore di temperatura il cui valore di resistenza cambia con la temperatura ambiente. Tra questi, il termistore realizzato in metallo platino è ampiamente utilizzato per la sua buona stabilità, alta precisione e ampia gamma di misurazione della temperatura. I termistor termometri per la misurazione della temperatura sono principalmente composti da sensori del termometro, misurazione di strumenti di visualizzazione e cavi di collegamento. Poiché la sensibilità alla temperatura del sensore del termometro stesso è bassa, la resistenza alla linea del filo di collegamento ha un'influenza sul risultato della misurazione che non può essere ignorata. Al fine di eliminare l'influenza della resistenza del filo, il termometro utilizza ampiamente il metodo di connessione a tre fili del ponte bilanciato. Questo metodo può compensare l'errore di temperatura in una certa misura, ma esiste ancora l'influenza della resistenza alla linea. Viene proposto un metodo di compensazione della resistenza ai fili a tre fili basato su una tensione costante e un divisore di tensione. Il circuito è semplice e facile da implementare e l'influenza della resistenza del filo può essere completamente eliminata. Rispetto al metodo di compensazione della resistenza ai fili proposto in letteratura che utilizza più circuiti hardware per la compensazione della resistenza ai fili, questo metodo ha un circuito di compensazione della resistenza ai fili più semplice.

1 Analisi dei metodi di misurazione del termometro comunemente usati

Per il termometro a platino PT100, la relazione tra la sua resistenza e temperatura è riportata nella scala di temperatura internazionale BS -90 come mostrato nella formula (1).

Nella formula, RT è la resistenza del resistore termico a una temperatura di grado t, r {{0}} è la resistenza della resistenza termica a una temperatura di 0 gradi, r 0=100 ω, a =3. 96847 × 10-3 B =-5. 847x 10-7 grado -2, c =-4. 22x 10-12 grado -3 sono coefficienti relativi al sensore stesso.
Dalla formula (1), si può vedere che la sensibilità del pt1 0 0 resistenza termica è circa 0. 38Ω/ gradi. Al fine di ridurre l'influenza della resistenza alla linea del filo di collegamento sul risultato della misurazione, il metodo del ponte a tre fili viene generalmente utilizzato per la misurazione. Vr =1 V. Il principio del circuito è mostrato nella Figura 1. RT è la resistenza di misurazione della temperatura, R è la resistenza del filo di collegamento, R1, R2, R3 sono bracci a ponte fisso, r 1= r 2=1 000 ω, r 3=100 ω, vr è il voltaggio di riferimento, e lo strumento di misura. In questo circuito, tre fili sono collegati al braccio del ponte del sensore, al braccio del ponte della resistenza e all'estremità di uscita. Questo metodo può facilmente misurare la resistenza RT da misurare. Tuttavia, nell'uso effettivo, c'è spesso una certa distanza tra il sensore di temperatura e il circuito di misurazione della temperatura e la resistività del filo di collegamento è di circa 0,1 ~ 0,5 Ω/m. L'errore di misurazione causato dalla resistenza al filo di collegamento R non può essere ignorato.

Come mostrato nella Figura 1, quando la resistenza della linea R non è considerata, l'output del ponte è :, quando viene considerata la resistenza della linea, l'output del ponte VC=vr (rt+r) ／ (r 1+ rt+r) -vr (r 3+ r) ／ (r 2+ assuming that 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, l'errore causato dall'esistenza della resistenza della linea R può essere calcolato come:

Si può vedere che la resistenza al filo R influisce sul risultato della misurazione di RT e non può essere completamente eliminato dal circuito a zero. Sulla base dell'analisi di cui sopra, viene proposto un circuito di preamplificatore ad alta precisione divisore costante a tre fili che può eliminare completamente gli errori del filo.

2 Circuito di misurazione a tre fili divisori a tensione

2.1 Principio di misurazione

Il metodo a tre fili del divisore di tensione costante utilizzato qui per misurare la resistenza può eliminare l'interferenza della resistenza ai fili. Il suo diagramma schematico equivalente è mostrato nella Figura 2. Dove RT è il resistore termico. R è la resistenza equivalente del filo. La VR è la tensione di riferimento, VAD è la tensione di riferimento del convertitore A/D ed è il fattore di ingrandimento della tensione.

La relazione di base può essere ottenuta dalla legge di Ohm:

Dalla formula (3), si può vedere che quando RV e VR sono noti, per ottenere RT, solo V2 e V1 devono essere misurati e non ha nulla a che fare con la resistenza del filo R. E l'accuratezza della misurazione dipende solo dall'accuratezza del camper e dall'accuratezza della misurazione di V1 e V2. La resistenza del filo che non può essere eliminata nel metodo del ponte è completamente eliminata nel metodo a tre fili del divisore di tensione costante.
Poiché la temperatura della resistenza termica aumenterà quando la corrente passa attraverso di essa, deve essere considerato il suo errore di auto-riscaldamento, ovvero l'errore di aumento della temperatura causato dalla corrente che scorre attraverso la resistenza termica deve essere considerato. La corrente di resistenza di resistenza termica di Pt1 {{3} {5}} {5}} comunemente usata è di circa 1 ma. A 0 grado, è equivalente a un potere auto-riscaldante di circa 0,1 MW. Quando si misura con alta precisione, la potenza di auto-riscaldamento dovrebbe essere ulteriormente ridotta per ridurre l'errore di auto-riscaldamento. Qui, vr =2. 5v e rv =10 kΩ sono impostati e la potenza auto-riscaldante è di circa 0,006 mw.

2.2 Misure per migliorare l'accuratezza della misurazione

Simile al metodo del ponte bilanciato a tre fili, le tensioni di uscita V1 e V2 del circuito mostrate nella Figura 2 hanno un valore di piccolo e un'amplificazione della tensione di primo livello prima della conversione A/D. La tensione di riferimento VR è generalmente fornita da una sorgente di tensione costante di precisione per fornire un segnale di tensione stabile. Inoltre, quando il software MicroController seleziona un algoritmo appropriato e la lunghezza delle parole nei calcoli matematici, l'errore di calcolo può anche essere ignorato. Tuttavia, il fattore di amplificazione e il camper del circuito dell'amplificatore varieranno da componente a componente, in particolare nella produzione di massa, l'accuratezza dei componenti è difficile garantire l'uniformità. Pertanto, per un circuito di input specifico, l'errore causato da e RV deve essere considerato.
Al fine di eliminare l'errore causato da e RV, il metodo di calibrazione può essere utilizzato per calibrare e calcolare automaticamente i valori del circuito e RV effettivi durante la produzione di strumenti. Questi due parametri vengono quindi registrati nella memoria non volatile dello strumento. Quando lo strumento misura la temperatura, i parametri vengono letti e calcolati in base alla formula (1) per ottenere la temperatura misurata accurata.
Se il filo lungo nella Figura 2 è sostituito dal filo più corto possibile (cioè r =0) e il resistore termico RT viene sostituito da un resistore di precisione R, VAD è la tensione di riferimento del convertitore A/D, è il fattore di ingrandimento della tensione e il resto rimane invalido, quindi:

Nella formula (4), R è un resistore di precisione con un valore di resistenza noto; D è il risultato della conversione A/D, che può essere facilmente letta dal dispositivo di visualizzazione dello strumento; VR e VAD sono tensioni di riferimento, che sono costanti; è il fattore di ingrandimento totale del circuito; K è il fattore proporzionale della conversione A/D, come K =214 per un convertitore A/D Bit 14-. Quindi ci sono solo due incognite RV e in formula (2). Per un circuito di ingresso specifico, se due resistori di precisione R1 e R2 con valori di resistenza noti sono collegati al circuito mostrato nella Figura 2 per la calibrazione (durante la calibrazione, provare a fare R =0), è possibile ottenere un insieme di equazioni lineari a due variabili. Pertanto, per un circuito di ingresso specifico e il RV può essere risolto dalle equazioni e i risultati sono i seguenti:

Il metodo di calibrazione sopra può essere riassunto come segue: due resistori standard di precisione R1 e R2 con valori di resistenza noti sono collegati rispettivamente ai terminali di ingresso dello strumento e la resistenza del filo di collegamento è minimizzata il più possibile. Al momento, vengono registrate le letture degli strumenti D1 e D2 e ​​i parametri sconosciuti e il camper dello strumento calibrato possono essere calcolati sostituendole nella formula (5). In uso, si consiglia di utilizzare la stessa fonte di riferimento per VR e VAD, in modo che il calcolo di in formula (5) sia indipendente dall'accuratezza della tensione di riferimento. Questo metodo riduce le differenze tra diverse fonti di riferimento, in particolare l'influenza della deriva del tempo e della deriva della temperatura di diversi riferimenti.
2.3 Circuito di misurazione
La Figura 3 è il circuito di ingresso anteriore del sistema di misurazione della temperatura PT100 ad alta precisione, in cui la tensione di riferimento PT100 e la tensione di riferimento del convertitore A/D ICL7135 sono la stessa fonte di riferimento di tensione. I due segnali di input di misurazione V1 e V2 di Pt100 sono amplificati dallo stesso amplificatore operativo (1+ R3/R4) e quindi immettere il convertitore A/D. Il micro relè K1 viene utilizzato per la selezione dei canali. Questo metodo condivide l'amplificatore operativo, il convertitore A/D e la fonte di tensione di riferimento, riducendo l'impatto delle differenze tra diversi dispositivi sui risultati della misurazione. Il risultato di conversione A/D di ICL7135 è collegato al microcontrollore in modalità seriale, che può salvare notevolmente la porta IO del microcontrollore. Quando si calibrano il circuito, i resistori standard 100Ω e 300Ω vengono utilizzati per la calibrazione e i risultati della calibrazione e il camper vengono memorizzati nella EEPROM del sistema di microcontrollore. Nella misurazione effettiva, il sistema microcontrollore elimina e RV come valori noti e calcola il valore RT di resistenza per formula (3).

2.4 Analisi del test del circuito di misurazione

Rispetto al metodo del ponte bilanciato a tre fili, i risultati di rilevamento di questo circuito sono stati notevolmente migliorati. La tabella 1 è un confronto tra i valori di resistenza standard misurati con due metodi diversi. Tra questi, R è la resistenza alla linea.

Dalla Tabella 1 si può vedere che i risultati della misurazione teorica del metodo del ponte bilanciato a tre fili presentano grandi errori e l'errore causato dall'aumento della resistenza alla linea R è maggiore. Man mano che il valore di resistenza della resistenza termica da misurare aumenta, aumenta anche l'errore assoluto. Nella tabella 1, l'errore assoluto è del 2,57% quando la resistenza misurata Rt =300 ω e la resistenza della linea r =20 ω. I risultati di misurazione effettiva del metodo a tre fili migliorati utilizzati in questo documento hanno un errore assoluto solo di 0. 3 Ω e un errore relativo di ± 0. 1% all'interno dell'intervallo di dati misurato. Il convertitore A/D utilizzato nel circuito è solo equivalente alla precisione di conversione A/D Bit Bit. Se viene utilizzato un convertitore A/D più alto, è possibile ottenere una maggiore precisione di misurazione. Nell'effettivo strumento di misurazione della temperatura del sensore di resistenza termica, è anche necessario aggiungere un programma correlato che converte la resistenza misurata nella temperatura corrispondente. Cioè, dopo la misurazione di RT, il valore di temperatura effettivo può essere risolto accuratamente mediante formula (1).

3 Conclusione

Il metodo del ponte bilanciato a tre fili è ampiamente utilizzato nella misurazione della resistenza termica, ma non è possibile eliminare il problema che l'errore di misurazione causato dalla resistenza al piombo del sensore. Questo documento analizza i problemi esistenti nel metodo del ponte bilanciato per la misurazione di resistori termici, propone un metodo di misurazione a tre fili del divisore di tensione costante, analizza le cause e i fattori influenzanti del circuito di misurazione, tra cui un segnali di amplifica Circuito di interfaccia con un microcomputer a chip singolo. Infine, l'accuratezza del test del circuito progettato viene testata e determinata. Il test mostra che quando il metodo del ponte bilanciato a tre fili misura il valore di resistenza standard di 1 0 0 ~ 300Ω e la resistenza della linea è 0 ~ 20Ω, l'errore di misurazione **** raggiunge il 2,57%, mentre l'errore di misurazione a tre fili bilanciati è solo ± 0,1%. Pertanto, si ottiene un circuito di misurazione della resistenza termica a tre fili ad alta precisione.