Entwurfsdiagramm des Messkreislaufs mit hoher Präzisions-Wärmewiderstand basierend auf drei Drahtsystemen

Thermistorsensor ist ein Temperatursensor, dessen Widerstandswert mit der Umgebungstemperatur ändert. Unter ihnen wird der Thermistor aus Metallplatin aufgrund seiner guten Stabilität, hohen Genauigkeit und breiten Temperaturmessbereich weit verbreitet. Thermistor -Thermometer zur Messungstemperatur bestehen hauptsächlich aus Thermometersensoren, Messung von Anzeigeinstrumenten und Verbindungsdrähten. Da die Temperaturempfindlichkeit des Thermometersensors selbst niedrig ist, hat der Linienwiderstand des Verbindungsdrahtes einen Einfluss auf das Messergebnis, das nicht ignoriert werden kann. Um den Einfluss des Drahtwiderstandes zu beseitigen, verwendet das Thermometer die Drei-Draht-Verbindungsmethode mit ausgewogener Brücke weit. Diese Methode kann den Temperaturfehler bis zu einem gewissen Grad kompensieren, aber der Einfluss des Linienwiderstands besteht immer noch. Es wird ein Methode zur Kompensationsmethode mit drei Drahtwiderstandskompensationsverfahren vorgeschlagen, die auf konstanter Spannung und Spannungssteiler basieren. Die Schaltung ist einfach und einfach zu implementieren, und der Einfluss des Drahtwiderstandes kann vollständig beseitigt werden. Im Vergleich zu der in der Literatur vorgeschlagenen Kompensationsmethode des Drahtwiderstands, bei der mehr Hardwarekreise für die Kompensation des Drahtwiderstands verwendet werden, hat dieses Verfahren einen einfacheren Kreislaufkompensationskreislauf der Drahtwiderstand.

1 Analyse der häufig verwendeten Thermometermessmethoden

Für das PT100 -Platin -Thermometer ist die Beziehung zwischen Resistenz und Temperatur in der internationalen Temperaturskala BS -90 angegeben, wie in der Formel (1) gezeigt.

In der Formel ist RT der Widerstand des thermischen Widerstands bei einer Temperatur von T -Grad, R {{0}} ist der Widerstand des thermischen Widerstandes bei einer Temperatur von 0 Grad, r 0=100 ω, A =3}. B =-5. 847x 10-7 Grad -2, C =-4. 22x 10-12 Grad -3 sind Koeffizienten, die sich mit dem Sensor selbst beziehen.
Aus der Formel (1) ist ersichtlich, dass die Empfindlichkeit des Pt1 0 0 thermischen Widerstand ungefähr 0. 38 ω/ Grad ist. Um den Einfluss des Leitungswiderstands des Verbindungsdrahtes auf das Messergebnis zu verringern, wird die Drei-Draht-Brückenmethode im Allgemeinen zur Messung verwendet. Vr =1 V. Das Schaltungsprinzip ist in Abbildung 1 dargestellt. Rt ist der Temperaturmesswiderstand. In dieser Schaltung werden drei Drähte mit dem Sensorbrückenarm, dem Widerstandsbrückenarm bzw. dem Ausgangsende verbunden. Diese Methode kann leicht den zu gemessenen Widerstand messen. Im tatsächlichen Gebrauch gibt es jedoch häufig einen bestimmten Abstand zwischen dem Temperatursensor und dem Temperaturmesskreis, und der Widerstand des Verbindungsdrahtes beträgt etwa 0,1 ~ 0,5 Ω/m. Der durch den Verbindungsdrahtwiderstand R verursachte Messfehler kann nicht ignoriert werden.

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 Die Brücke ist ausgeglichen, wenn rt=rx, dh, r2rx=r1r3 und der Brückenarmwiderstand r 1= r {2= r {{16} rx {=} r, wenn sich Rt △ r, das ist, das ist, das ist, das ist, das ist, das ist, das ist, das ist, das ist, das ist, das ist, das ist, das ist, das ist, das ist, das ist, das ist, das ist, das ist, das ist, das ist, das ist, das ist, das ist, das ist, das ist, das ist, das ist, das ist, das ist, das ist, das ist, das ist, das ist, das ist, das ist, das ist, das ist, das ist, das ist, das ist, so ist, das ist, das ist, das ist, so ist es, so ist {{17 RT=R+△ R, der Fehler, der durch das Vorhandensein des Linienwiderstands R verursacht wird, kann berechnet werden als:

Es ist ersichtlich, dass der Drahtwiderstand R das Messergebnis von RT beeinflusst und nicht vollständig durch den Nullungskreis eliminiert werden kann. Basierend auf der obigen Analyse wird ein konstanter Spannungsteiler mit drei Draht mit hoher Präzisionsvorverstärkern vorgeschlagen, der Drahtfehler vollständig beseitigen kann.

2 Drei-Draht-Messkreis von konstanter Spannungsteiler

2.1 Messprinzip

Das hier zur Messung des Widerstandes verwendete konstante Spannungsteiler-Drei-Draht-Verfahren kann die Interferenz des Drahtwiderstandes beseitigen. Sein äquivalentes schematisches Diagramm ist in Abbildung 2 dargestellt, wobei RT der thermische Widerstand ist. R ist der äquivalente Widerstand des Drahtes. VR ist die Referenzspannung, VAD ist die Referenzspannung des A/D -Wandlers und der Spannungsvergrößerungsfaktor.

Die grundlegende Beziehung kann aus dem Ohmschen Gesetz erhalten werden:

Aus der Formel (3) ist ersichtlich, dass, wenn RV und VR bekannt sind, RT, nur V2 und V1, gemessen werden müssen, und es hat nichts mit dem Drahtwiderstand R zu tun. Und die Messgenauigkeit hängt nur von der Genauigkeit von RV und der Messgenauigkeit von V1 und V2 ab. Der Drahtwiderstand, der in der Brückenmethode nicht beseitigt werden kann, wird im Drei-Draht-Methode mit konstanter Spannung vollständig beseitigt.
Da die Temperatur des thermischen Widerstands ansteigt, wenn der Strom durch ihn durchläuft, muss ein eigener Selbsthitzungsfehler berücksichtigt werden, dh der durch den durch den thermischen Widerstand fließende Temperaturanstieg verursachte Temperaturanstiegsfehler. Der häufig verwendete Pt1 0 0 thermischer Widerstandsantriebsstrom beträgt ca. 1 mA. Bei 0 Grad entspricht es einer Selbstheizkraft von etwa 0,1 MW. Bei der Messung mit hoher Präzision sollte die Selbstheizkraft weiter reduziert werden, um den Selbsthitzungsfehler zu verringern. Hier werden VR =2. 5V und RV =10 kω eingestellt, und die Selbsthitzungskraft beträgt ca. 0,006 MW.

2.2 Maßnahmen zur Verbesserung der Messgenauigkeit

Ähnlich wie bei der Drei-Draht-Balanced Bridge-Methode sind die Ausgangsspannungen V1 und V2 der in Abbildung 2 gezeigten Schaltung gering, und eine Spannungsverstärkung der ersten Ebene sollte vor der A/D-Umwandlung hinzugefügt werden. Die Referenzspannung VR wird im Allgemeinen durch eine Präzisionskonstantspannungsquelle bereitgestellt, um ein stabiles Spannungssignal bereitzustellen. Wenn die Mikrocontroller -Software in mathematischen Berechnungen einen geeigneten Algorithmus und eine Wortlänge auswählt, kann der Berechnungsfehler auch ignoriert werden. Der Amplifikationsfaktor und der RV des Verstärkerkreises variieren jedoch von Komponenten zu Komponenten, insbesondere in der Massenproduktion. Die Genauigkeit der Komponenten ist schwierig, eine Gleichmäßigkeit zu gewährleisten. Daher muss für einen bestimmten Eingangskreis auch der von und RV verursachte Fehler berücksichtigt werden.
Um den durch und im RV verursachten Fehler zu beseitigen, kann die Kalibrierungsmethode verwendet werden, um die tatsächlichen Schaltungs- und RV -Werte während der Instrumentenproduktion automatisch zu kalibrieren und zu berechnen. Diese beiden Parameter werden dann im nichtflüchtigen Speicher des Instruments aufgezeichnet. Wenn das Instrument die Temperatur misst, werden die Parameter gemäß der Formel (1) gelesen und berechnet, um die genaue gemessene Temperatur zu erhalten.
Wenn der lange Draht in Abbildung 2 durch das kürzeste Draht ersetzt wird (dh r =0) und der thermische Widerstand Rt durch einen Präzisionswiderstand R ersetzt wird, ist VAD die Referenzspannung des A/D -Wandlers, der Spannungsvergrößerungsfaktor, und der Rest bleibt unverändert, dann:

In der Formel (4) ist R ein Präzisionswiderstand mit einem bekannten Widerstandswert; D ist das Ergebnis der A/D -Umwandlung, die leicht vom Instrumentenanzeigegerät gelesen werden kann. VR und VAD sind Referenzspannungen, die Konstanten sind; ist der Gesamtvergrößerungsfaktor der Schaltung; K ist der proportionale Faktor der A/D -Umwandlung, wie K =214 für einen 14- Bit A/D -Konverter. Dann gibt es nur zwei Unbekannte RV und in der Formel (2). Für einen bestimmten Eingangskreis kann ein Satz von zwei Variablen linearen Gleichungen erhalten werden, wenn zwei Präzisionswiderstände R1 und R2 mit bekannten Widerstandswerten an die in Abbildung 2 gezeigte Schaltung angeschlossen sind (bei der Kalibrierung (beim Kalibrieren). Somit kann für einen bestimmten Eingangskreis und RV aus den Gleichungen gelöst werden, und die Ergebnisse sind wie folgt:

Die obige Kalibrierungsmethode kann wie folgt zusammengefasst werden: Zwei Präzisionsstandardwiderstände R1 und R2 mit bekannten Widerstandswerten werden mit den Eingangsklemmen des Instruments verbunden, und der Widerstand des Verbindungsdrahtes wird so weit wie möglich minimiert. Zu diesem Zeitpunkt werden die Instrumentenmesswerte D1 und D2 aufgezeichnet, und die unbekannten Parameter und das RV des kalibrierten Instruments können berechnet werden, indem sie in die Formel (5) eingesetzt werden. Bei der Verwendung wird empfohlen, dieselbe Referenzquelle für VR und VAD zu verwenden, so dass die Berechnung der Formel (5) unabhängig von der Genauigkeit der Referenzspannung ist. Diese Methode reduziert die Unterschiede zwischen verschiedenen Referenzquellen, insbesondere den Einfluss der Zeitdrift und der Temperaturdrift verschiedener Referenzen.
2.3 Messkreis
Abbildung 3 ist der vordere Eingangskreis des hochpräzisen PT100-Temperaturmesssystems, bei dem die PT100-Referenzspannung und die Referenzspannung des A/D-Wandlers ICL7135 dieselbe Spannungsreferenzquelle sind. Die beiden Messeingangssignale V1 und V2 von PT100 werden durch denselben operativen Verstärker ({1+ R3/R4) -Times verstärkt und dann den A/D -Wandler eingeben. Das Micro -Relais K1 wird für die Kanalauswahl verwendet. Diese Methode teilt den operativen Verstärker, den A/D -Wandler und die Referenzspannungsquelle auf und verringert den Einfluss von Unterschieden zwischen verschiedenen Geräten auf die Messergebnisse. Das A/D -Konvertierungsergebnis von ICL7135 ist im seriellen Modus mit dem Mikrocontroller verbunden, der den IO -Anschluss des Mikrocontrollers erheblich speichern kann. Bei der Kalibrierung der Schaltung werden Standardwiderstände 100 Ω und 300 Ω zur Kalibrierung verwendet, und die Kalibrierungsergebnisse und RV werden im EEPROM des Mikrocontroller -Systems gespeichert. In der tatsächlichen Messung nimmt das Mikrocontroller -System als RV als bekannte Werte aus und berechnet den Resistenz -RT -Wert nach Formel (3).

2.4 Analyse des Messkreistests

Im Vergleich zur Drei-Draht-Balanced Bridge-Methode wurden die Erkennungsergebnisse dieser Schaltung erheblich verbessert. Tabelle 1 ist ein Vergleich der mit zwei unterschiedlichen Methoden gemessenen Standardwiderstandswerte. Unter ihnen ist R der Linienwiderstand.

Aus Tabelle 1 ist ersichtlich, dass die theoretischen Messergebnisse der Drei-Draht-Balanced Bridge-Methode große Fehler aufweisen und der Fehler, der durch die Erhöhung des Linienwiderstands R verursacht wird, größer ist. Wenn der Widerstandswert des messenden thermischen Widerstands zunimmt, nimmt auch der absolute Fehler zu. In Tabelle 1 beträgt der absolute Fehler 2,57%, wenn der gemessene Widerstand RT =300 ω und der Linienwiderstand R =20 ω. Die tatsächlichen Messergebnisse der in diesem Artikel verwendeten verbesserten Drei-Draht-Methode haben einen absoluten Fehler von nur 0. 3 ω und einen relativen Fehler von ± 0. 1% innerhalb des gemessenen Datenbereichs. Der in der Schaltung verwendete A/D -Wandler entspricht nur 14- Bit A/D -Konvertierungsgenauigkeit. Wenn ein A/D-Wandler mit höherer Präzision verwendet wird, kann eine höhere Messgenauigkeit erreicht werden. In dem tatsächlichen Instrument der Temperaturmessung des thermischen Widerstandssensors ist es auch erforderlich, ein verwandtes Programm hinzuzufügen, das den gemessenen Widerstand in die entsprechende Temperatur umwandelt. Das heißt, nach der Messung von RT kann der tatsächliche Temperaturwert durch die Formel (1) genau gelöst werden.

3 Schlussfolgerung

Die Drei-Draht-Balanced Bridge-Methode wird bei der Messung des thermischen Widerstands häufig verwendet. Es besteht jedoch ein Problem, dass der durch den Sensor-Bleiwiderstand verursachte Messfehler nicht beseitigt werden kann. 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 single-chip Mikrocomputer. Schließlich wird die Testgenauigkeit der entworfenen Schaltung getestet und bestimmt. Der Test zeigt, dass, wenn die Dreidraht-Balanced Bridge-Methode den Standardwiderstandswert von 1 0 0 ~ 300 Ω misst und der Linienwiderstand 0 ~ 20 Ω beträgt, der Messfehler **** messpunkte 2,57%erreicht, während der ausgewogene Messfehler mit drei Verdrahtungen nur ± 0,1%± 0,1%beträgt. Somit wird ein hochpräziser Messkreis mit drei Drahtwärmewiderstand erhalten.