Üç telli sisteme dayalı yüksek hassasiyetli termal direnç ölçüm devresinin tasarım diyagramı

Termistör sensörü, direnç değeri ortam sıcaklığı ile değişen bir sıcaklık sensörüdür. Bunlar arasında, metal platinden yapılmış termistör, iyi stabilitesi, yüksek doğruluğu ve geniş sıcaklık ölçüm aralığı nedeniyle yaygın olarak kullanılmaktadır. Sıcaklığın ölçülmesi için termistör termometreler esas olarak termometre sensörlerinden, ekran aletlerini ölçen ve bağlanma kablolarından oluşur. Termometre sensörünün sıcaklık duyarlılığı düşük olduğundan, bağlantı telinin hat direncinin göz ardı edilemeyen ölçüm sonucu üzerinde bir etkisi vardır. Tel direncinin etkisini ortadan kaldırmak için termometre, dengeli köprü üç telli bağlantı yöntemini geniş bir şekilde kullanır. Bu yöntem sıcaklık hatasını bir dereceye kadar telafi edebilir, ancak çizgi direncinin etkisi hala mevcuttur. Sabit voltaj ve voltaj bölücüsüne dayalı üç telli bir tel direnç telafisi yöntemi önerilmektedir. Devrenin basit ve uygulanması kolaydır ve tel direncinin etkisi tamamen ortadan kaldırılabilir. Literatürde önerilen tel direnç telafisi için daha fazla donanım devreleri kullanan tel direnç telafisi yöntemi ile karşılaştırıldığında, bu yöntem daha basit bir tel direnç telafisi devresine sahiptir.

1 Yaygın olarak kullanılan termometre ölçüm yöntemlerinin analizi

PT100 Platinum Termometresi için, direnci ve sıcaklığı arasındaki ilişki, (1) 'de gösterildiği gibi uluslararası sıcaklık ölçeğinde BS -90' de verilir.

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 derece -2, c =-4. 22x 10-12 derece -3 derecesi sensörün kendisiyle ilişkili katsayılardır.
Formül (1) 'den pt1 0 0 termal dirençin hassasiyetinin yaklaşık 0. 38Ω/ derece olduğu görülebilir. Bağlantı telinin hat direncinin ölçüm sonucu üzerindeki etkisini azaltmak için, üç telli köprü yöntemi genellikle ölçüm için kullanılır. VR =1 V. Devre prensibi Şekil 1'de gösterilmiştir. Bu devrede, sensör köprü koluna, direnç köprü koluna ve çıkış ucuna üç kablo bağlanır. Bu yöntem, ölçülecek direnç RT'sini kolayca ölçebilir. Bununla birlikte, gerçek kullanımda, sıcaklık sensörü ile sıcaklık ölçüm devresi arasında genellikle belirli bir mesafe vardır ve bağlantı telinin direnci yaklaşık 0.1 ~ 0.5 Ω/m'dir. Bağlantı tel direncinin neden olduğu ölçüm hatası göz ardı edilemez.

Şekil 1'de gösterildiği gibi, çizgi direnci dikkate alınmadığında, köprünün çıkışı: Hat direnci dikkate alındığında, köprü çıkışı VC {{}} rt+r) -vr (r {{6} -vr (r}} -vr (r}} r) ／ (r {{}} r) ／ (r {{7} r) ／ (r {{7} 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, R hat direncinin varlığından kaynaklanan hata şu şekilde hesaplanabilir:

Tel direncinin R'nin RT'nin ölçüm sonucunu etkilediği ve sıfırlama devresi tarafından tamamen ortadan kaldırılamayacağı görülebilir. Yukarıdaki analize dayanarak, kablo hatalarını tamamen ortadan kaldırabilen üç telli üç telli yüksek hassasiyetli bir önsöz devresi önerilmektedir.

2 sabit voltaj bölücü üç telli ölçüm devresi

2.1 Ölçüm İlkesi

Direnci ölçmek için kullanılan sabit voltaj bölücü üç telli yöntemi, tel direncinin parazitini ortadan kaldırabilir. Eşdeğer şematik diyagramı Şekil 2'de gösterilmiştir. Burada RT termal dirençtir. R, telin eşdeğer direncidir. VR referans voltajıdır, VAD, A/D dönüştürücüsünün referans voltajıdır ve voltaj büyütme faktörüdür.

Temel ilişki Ohm Yasası'ndan elde edilebilir:

Formül (3) 'den, RV ve VR bilindiği zaman RT elde etmek için, sadece V2 ve V1'in ölçülmesi gerektiği ve telin direnciyle hiçbir ilgisi olmadığı görülebilir. Ve ölçüm doğruluğu sadece RV'nin doğruluğuna ve V1 ve V2'nin ölçüm doğruluğuna bağlıdır. Köprü yönteminde ortadan kaldırılamayan tel direnci, sabit voltaj bölücü üç telli yönteminde tamamen ortadan kaldırılır.
Akımdan geçtiğinde termal dirençin sıcaklığı artacağından, kendi kendini ısıtma hatası dikkate alınmalıdır, yani termal dirençten akan akımın neden olduğu sıcaklık artış hatası dikkate alınmalıdır. Yaygın olarak kullanılan pt1 0 0 termal direnç sürücü akımı yaklaşık 1 mA'dır. 0 derecesinde, yaklaşık 0.1 MW'lık bir kendini ısıtma gücüne eşdeğerdir. Yüksek hassasiyetle ölçülürken, kendi kendine ısıtma hatasını azaltmak için kendi kendine ısıtma gücü daha da azaltılmalıdır. Burada, vr =2. 5V ve rv =10 kΩ ayarlanmıştır ve kendi kendine ısıtma gücü yaklaşık 0.006 mW'dır.

2.2 Ölçüm doğruluğunu artırmak için önlemler

Üç telli dengeli köprü yöntemine benzer şekilde, Şekil 2'de gösterilen devrenin V1 ve V2 çıkış voltajları küçüktür ve A/D dönüşümünden önce birinci seviye voltaj amplifikasyonu eklenmelidir. Referans voltaj VR, genellikle kararlı bir voltaj sinyali sağlamak için hassas bir sabit voltaj kaynağı ile sağlanır. Ek olarak, mikrodenetleyici yazılımı matematiksel hesaplamalarda uygun bir algoritma ve kelime uzunluğu seçtiğinde, hesaplama hatası da göz ardı edilebilir. Bununla birlikte, amplifikatör devresinin amplifikasyon faktörü ve RV'si bileşenden bileşene değişecektir, özellikle kütle üretiminde, bileşenlerin doğruluğunun homojenliği sağlamak zordur. Bu nedenle, belirli bir giriş devresi için, ve RV'nin neden olduğu hata da dikkate alınmalıdır.
Ve RV'nin neden olduğu hatayı ortadan kaldırmak için kalibrasyon yöntemi, cihaz üretimi sırasında gerçek devre ve RV değerlerini otomatik olarak kalibre etmek ve hesaplamak için kullanılabilir. Bu iki parametre daha sonra enstrümanın uçucu olmayan belleğinde kaydedilir. Cihaz sıcaklığı ölçtüğünde, parametreler doğru ölçülen sıcaklığı elde etmek için formül (1) 'e göre okunur ve hesaplanır.
Şekil 2'deki uzun tel, mümkün olan en kısa telle değiştirilirse (yani r =0) ve termal direnç RT, hassas bir direnç r ile değiştirilirse, VAD, A/D dönüştürücüsünün referans voltajıdır, voltaj büyütme faktörüdür ve geri kalanı değişmeden kalır: o zaman:

Formül (4) 'de R, bilinen bir direnç değerine sahip hassas bir dirençtir; D, cihaz ekran cihazından kolayca okunabilen A/D dönüşümünün sonucudur; VR ve VAD, sabit olan referans voltajlarıdır; devrenin toplam büyütme faktörüdür; K, 14- bit a/d dönüştürücü için k =214 gibi A/D dönüşümünün orantılı faktörüdür. Sonra sadece iki bilinmeyen RV ve formülde (2) vardır. Spesifik bir giriş devresi için, bilinen direnç değerlerine sahip iki hassas direnç R1 ve R2, kalibrasyon için Şekil 2'de gösterilen devreye bağlanırsa (kalibrasyon sırasında R =0 yapmaya çalışın), bir dizi iki değişken doğrusal denklem elde edilebilir. Böylece, belirli bir giriş devresi için ve RV denklemlerden çözülebilir ve sonuçlar aşağıdaki gibidir:

Yukarıdaki kalibrasyon yöntemi aşağıdaki gibi özetlenebilir: Bilinen direnç değerlerine sahip iki hassas standart direnç R1 ve R2 sırasıyla cihazın giriş terminallerine bağlanır ve bağlantı telinin direnci mümkün olduğunca en aza indirilir. Şu anda, D1 ve D2 cihaz okumaları kaydedilir ve kalibre edilmiş cihazın bilinmeyen parametreleri ve RV'leri, bunları formül (5) olarak değiştirilerek hesaplanabilir. Kullanımda, VR ve VAD için aynı referans kaynağının kullanılması önerilir, böylece formül (5) 'nin hesaplanması referans voltajının doğruluğundan bağımsızdır. Bu yöntem, farklı referans kaynakları arasındaki farkları, özellikle farklı referansların zaman kayması ve sıcaklık sapmasının etkisini azaltır.
2.3 Ölçüm devresi
Şekil 3, PT100 referans voltajı ve A/D dönüştürücü ICL7135'in referans voltajının aynı voltaj referans kaynağı olduğu yüksek hassasiyetli PT100 sıcaklık ölçüm sisteminin ön giriş devresidir. PT100'ün iki ölçüm giriş sinyali V1 ve V2, aynı operasyonel amplifikatör (1+ r3/r4) kez amplifiye edilir ve daha sonra A/D dönüştürücüsüne girer. Mikro röle K1 kanal seçimi için kullanılır. Bu yöntem, operasyonel amplifikatör, A/D dönüştürücü ve referans voltaj kaynağını paylaşarak farklı cihazlar arasındaki farklılıkların ölçüm sonuçları üzerindeki etkisini azaltır. ICL7135'in A/D dönüşüm sonucu, mikrodenetleyicinin IO bağlantı noktasını büyük ölçüde kaydedebilen seri modda mikrodenetleyiciye bağlanır. Devreyi kalibre ederken, kalibrasyon için standart dirençler 100Ω ve 300Ω kullanılır ve kalibrasyon sonuçları ve RV mikrodenetleyici sisteminin EEPROM'unda saklanır. Gerçek ölçümde, mikrodenetleyici sistemi bilinen değerler olarak çıkarır ve RV'yi alır ve direnç RT değerini formül (3) ile hesaplar.

2.4 Ölçüm devresi testinin analizi

Üç telli dengeli köprü yöntemi ile karşılaştırıldığında, bu devrenin algılama sonuçları büyük ölçüde geliştirilmiştir. Tablo 1, iki farklı yöntemle ölçülen standart direnç değerlerinin bir karşılaştırmasıdır. Bunlar arasında R, çizgi direncidir.

Tablo 1'den, üç telli dengeli köprü yönteminin teorik ölçüm sonuçlarının büyük hatalara sahip olduğu ve R hat direncinin artmasının neden olduğu hatanın daha büyük olduğu görülebilir. Ölçülecek termal dirençin direnç değeri arttıkça, mutlak hata da artar. Tablo 1'de, ölçülen direnç rt =300 ω ve çizgi direnci R =20 ω olduğunda mutlak hata% 2.57'dir. Bu makalede kullanılan geliştirilmiş üç telli yöntemin gerçek ölçüm sonuçları, sadece 0. 3 Ω mutlak bir hataya ve ölçülen veri aralığında% 1 ± ± 0. Devrede kullanılan A/D dönüştürücü sadece 14- bit a/d dönüşüm doğruluğuna eşdeğerdir. Daha yüksek hassasiyetli bir A/D dönüştürücü kullanılırsa, daha yüksek ölçüm doğruluğu elde edilebilir. Gerçek termal direnç sensörü sıcaklık ölçüm cihazında, ölçülen direnci karşılık gelen sıcaklığa dönüştüren ilgili bir program eklemek gerekir. Yani, RT ölçüldükten sonra, gerçek sıcaklık değeri formül (1) ile doğru bir şekilde çözülebilir.

3 Sonuç

Üç telli dengeli köprü yöntemi termal direnç ölçümünde yaygın olarak kullanılır, ancak sensör kurşun direncinin neden olduğu ölçüm hatasının ortadan kaldırılamayacağı bir sorun vardır. Bu makale, termal dirençleri ölçmek için dengeli köprü yönteminde var olan sorunları analiz eder, sabit bir voltaj bölücü üç telli ölçüm yöntemi önerir, ölçüm devresi hatasının nedenlerini ve etkileyen faktörlerini analiz eder, ölçülmesi gereken bir ölçüm devresi gibi bir ölçüm devresi de dahil olmak üzere bir ölçüm devresi de dahil olmak üzere, etkilenen parametreleri ve formülleri oluşturur ve oluşturur. tek çipli mikrobilgisayar. Son olarak, tasarlanan devrenin test doğruluğu test edilir ve belirlenir. Test, üç telli dengeli köprü yöntemi 1 0 0 ~ 300Ω standart direnç değerini ölçtüğünde ve çizgi direncinin 0 ~ 20Ω olduğunu, **** ölçüm hatasının%2.57'ye ulaştığını, dengeli üç telli ölçüm hatasının sadece ±%0,1 olduğunu gösterir. Böylece, yüksek hassasiyetli üç telli termal direnç ölçüm devresi elde edilir.