Diagrama de diseño del circuito de medición de resistencia térmica de alta precisión basado en un sistema de tres hilos

El sensor del termistor es un sensor de temperatura cuyo valor de resistencia cambia con la temperatura ambiente. Entre ellos, el termistor hecho de metal platino se usa ampliamente debido a su buena estabilidad, alta precisión y amplio rango de medición de temperatura. Los termómetros termistor para medir la temperatura están compuestos principalmente de sensores de termómetro, medir instrumentos de visualización y conectar cables. Dado que la sensibilidad a la temperatura del sensor del termómetro en sí es baja, la resistencia de la línea del cable de conexión influye en el resultado de la medición que no puede ignorarse. Para eliminar la influencia de la resistencia al cable, el termómetro utiliza ampliamente el método de conexión de tres hilos de puente equilibrado. Este método puede compensar el error de temperatura hasta cierto punto, pero la influencia de la resistencia de la línea todavía existe. Se propone un método de compensación de resistencia al cable de tres hilos basado en el voltaje constante y el divisor de voltaje. El circuito es simple y fácil de implementar, y la influencia de la resistencia al cable puede eliminarse por completo. En comparación con el método de compensación de resistencia al cable propuesto en la literatura que utiliza más circuitos de hardware para la compensación de resistencia al cable, este método tiene un circuito de compensación de resistencia al cable más simple.

1 Análisis de métodos de medición del termómetro comúnmente utilizados

Para el termómetro PT100 Platinum, la relación entre su resistencia y temperatura se da en la escala de temperatura internacional BS -90 como se muestra en la fórmula (1).

En la fórmula, RT es la resistencia de la resistencia térmica a una temperatura de t grado, r {{{}}}}} es la resistencia de la resistencia térmica a una temperatura de 0 grados, r 0=100} Ω, a {3}}. B =-5. 847x 10-7 grado -2, C =-4. 22x 10-12 grado -3 son coeficientes relacionados con el sensor en sí.
De la fórmula (1), se puede ver que la sensibilidad de la resistencia térmica pt1 0 0 se trata de 0. 38Ω/ grado. Para reducir la influencia de la resistencia de la línea del cable de conexión en el resultado de la medición, el método del puente de tres hilos generalmente se usa para la medición. VR =1 V. El principio del circuito se muestra en la Figura 1. RT es la resistencia de medición de temperatura, r es la resistencia del cable de conexión, R1, R2, R3 son brazos de puente fijos, r 1= r 2=1 000 Ω, R 3=100 ω, VR es el voltaje de referencia, y G es el instrumento de medición. En este circuito, tres cables están conectados al brazo del puente del sensor, el brazo del puente de la resistencia y el extremo de salida respectivamente. Este método puede medir fácilmente la resistencia RT a medir. Sin embargo, en uso real, a menudo hay una cierta distancia entre el sensor de temperatura y el circuito de medición de temperatura, y la resistividad del cable de conexión es de aproximadamente 0.1 ~ 0.5 Ω/m. El error de medición causado por la resistencia al cable de conexión R no se puede ignorar.

Como se muestra en la Figura 1, cuando no se considera la resistencia de la línea R, la salida del puente es:, cuando se considera la resistencia de la línea, la salida del puente vc=vr (rt+r) ／ (r 1+ rt+r) -vr (r {{6 {6}}} r) ／ (r 2+ r 3+}}}}}}}}}}}}}}} 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, el error causado por la existencia de la resistencia de la línea R se puede calcular como:

Se puede ver que la resistencia al cable R afecta el resultado de la medición de RT, y no puede ser eliminado por completo por el circuito de cero. Según el análisis anterior, se propone un circuito de preamplificador de alta precisión de tensión constante que puede eliminar por completo los errores de cable.

2 divisor de voltaje constante Circuito de medición de tres hilos

2.1 Principio de medición

El método de tres hilos de divisor de voltaje constante utilizado aquí para medir la resistencia puede eliminar la interferencia de la resistencia al cable. Su diagrama esquemático equivalente se muestra en la Figura 2. Donde RT es la resistencia térmica. r es la resistencia equivalente del cable. VR es el voltaje de referencia, VAD es el voltaje de referencia del convertidor A/D y es el factor de aumento de voltaje.

La relación básica se puede obtener de la ley de Ohm:

De la fórmula (3), se puede ver que cuando se conocen RV y VR, para obtener RT, solo V2 y V1 deben medirse, y no tiene nada que ver con la resistencia al cable R. Y la precisión de la medición solo depende de la precisión de RV y la precisión de la medición de V1 y V2. La resistencia al cable que no se puede eliminar en el método del puente se elimina por completo en el método de tres hilos de divisor de voltaje constante.
Dado que la temperatura de la resistencia térmica aumentará cuando la corriente pase a través de ella, se debe considerar su propio error de autocalación, es decir, se debe considerar el error de aumento de la temperatura causado por la corriente que fluye a través de la resistencia térmica. El PT1 0} 0 de la resistencia térmica comúnmente utilizada es de aproximadamente 1 mA. En un grado 0, es equivalente a un poder autoadeante de aproximadamente 0.1 MW. Al medir con alta precisión, el poder de autoadio debe reducirse aún más para reducir el error de autocalación. Aquí, VR =2. 5V y RV =10 KΩ se establece, y el poder de auto-calentamiento es de aproximadamente 0.006 MW.

2.2 Medidas para mejorar la precisión de la medición

Similar al método de puente equilibrado de tres hilos, los voltajes de salida V1 y V2 del circuito que se muestra en la Figura 2 son de valor pequeño, y se debe agregar una amplificación de voltaje de primer nivel antes de la conversión de A/D. La VR de voltaje de referencia generalmente es proporcionada por una fuente de voltaje constante de precisión para proporcionar una señal de voltaje estable. Además, cuando el software de microcontrolador selecciona un algoritmo apropiado y una longitud de palabras en los cálculos matemáticos, el error de cálculo también se puede ignorar. Sin embargo, el factor de amplificación y el RV del circuito de amplificador variarán desde el componente hasta el componente, especialmente en la producción en masa, la precisión de los componentes es difícil de garantizar la uniformidad. Por lo tanto, para un circuito de entrada específico, el error causado por y RV también debe considerarse.
Para eliminar el error causado por y RV, el método de calibración se puede usar para calibrar automáticamente y calcular el circuito real y los valores de RV durante la producción de instrumentos. Estos dos parámetros se registran luego en la memoria no volátil del instrumento. Cuando el instrumento mide la temperatura, los parámetros se leen y calculan de acuerdo con la fórmula (1) para obtener la temperatura medida precisa.
Si el cable largo en la Figura 2 se reemplaza por el cable más corto posible (es decir, r =0), y la resistencia térmica RT se reemplaza por una resistencia de precisión R, VAD es el voltaje de referencia del convertidor A/D, es el factor de aumento de voltaje y el descanso permanece sin cambios, luego: luego:

En la fórmula (4), R es una resistencia de precisión con un valor de resistencia conocido; D es el resultado de la conversión A/D, que se puede leer fácilmente desde el dispositivo de visualización del instrumento; VR y VAD son voltajes de referencia, que son constantes; es el factor de aumento total del circuito; K es el factor proporcional de la conversión A/D, como K =214 para un convertidor 14- bit a/d. Luego solo hay dos incógnitas RV y en fórmula (2). Para un circuito de entrada específico, si se conectan dos resistencias de precisión R1 y R2 con valores de resistencia conocidos al circuito que se muestra en la Figura 2 para la calibración (al calibrar, intente hacer R =0), se puede obtener un conjunto de ecuaciones lineales de dos variables. Por lo tanto, para un circuito de entrada específico, y RV se puede resolver de las ecuaciones, y los resultados son los siguientes:

El método de calibración anterior se puede resumir de la siguiente manera: dos resistencias estándar de precisión R1 y R2 con valores de resistencia conocidos están conectados a los terminales de entrada del instrumento respectivamente, y la resistencia del cable de conexión se minimiza lo más posible. En este momento, se registran las lecturas de instrumentos D1 y D2, y los parámetros desconocidos y el RV del instrumento calibrado se pueden calcular sustituyendo en la fórmula (5). En uso, se recomienda utilizar la misma fuente de referencia para VR y VAD, de modo que el cálculo de la fórmula (5) sea independiente de la precisión del voltaje de referencia. Este método reduce las diferencias entre diferentes fuentes de referencia, especialmente la influencia de la deriva del tiempo y la deriva de temperatura de diferentes referencias.
2.3 Circuito de medición
La Figura 3 es el circuito de entrada delantero del sistema de medición de temperatura PT100 de alta precisión, en el que el voltaje de referencia de PT100 y el voltaje de referencia del convertidor A/D ICL7135 son la misma fuente de referencia de voltaje. Las dos señales de entrada de medición V1 y V2 de PT100 se amplifican por el mismo amplificador operativo (1+ R3/R4) tiempos y luego ingresan al convertidor A/D. El micro relé K1 se usa para la selección de canales. Este método comparte el amplificador operativo, el convertidor A/D y la fuente de voltaje de referencia, reduciendo el impacto de las diferencias entre los diferentes dispositivos en los resultados de la medición. El resultado de conversión A/D de ICL7135 está conectado al microcontrolador en modo serie, que puede guardar en gran medida el puerto IO del microcontrolador. Al calibrar el circuito, las resistencias estándar de 100Ω y 300Ω se usan para la calibración, y los resultados de la calibración y el RV se almacenan en el EEPROM del sistema de microcontrolador. En la medición real, el sistema de microcontrolador saca y RV como valores conocidos, y calcula el valor de resistencia RT por fórmula (3).

2.4 Análisis de la prueba de circuito de medición

En comparación con el método de puente equilibrado de tres hilos, los resultados de detección de este circuito se han mejorado considerablemente. La Tabla 1 es una comparación de los valores de resistencia estándar medidos por dos métodos diferentes. Entre ellos, R es la resistencia de la línea.

Se puede ver en la Tabla 1 que los resultados de la medición teórica del método de puente equilibrado de tres hilos tienen grandes errores, y el error causado por el aumento de la resistencia de la línea R es mayor. A medida que aumenta el valor de resistencia de la resistencia térmica, el error absoluto también aumenta. En la Tabla 1, el error absoluto es 2.57% cuando la resistencia medida RT =300 ω y la resistencia de línea r =20 Ω. Los resultados de la medición real del método mejorado de tres hilos utilizado en este documento tienen un error absoluto de solo 0. 3 Ω y un error relativo de ± 0. 1% dentro del rango de datos medido. El convertidor A/D utilizado en el circuito solo es equivalente a 14- Bit A/D Precisión de conversión. Si se usa un convertidor A/D de mayor precisión, se puede lograr una mayor precisión de medición. En el instrumento de medición de temperatura del sensor de resistencia térmica real, también es necesario agregar un programa relacionado que convierta la resistencia medida en la temperatura correspondiente. Es decir, después de que se mide la RT, el valor de temperatura real se puede resolver con precisión mediante la fórmula (1).

3 conclusión

El método de puente equilibrado de tres hilos se usa ampliamente en la medición de la resistencia térmica, pero existe un problema de que el error de medición causado por la resistencia al plomo del sensor no puede eliminarse. 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 Un microcomputador de un solo chip. Finalmente, la precisión de la prueba del circuito diseñado se prueba y determina. La prueba muestra que cuando el método de puente equilibrado de tres hilos mide el valor de resistencia estándar de 1 0 0 ~ 300Ω y la resistencia de la línea es 0 ~ 20Ω, el error de medición **** alcanza el 2.57%, mientras que el error de medición de tres hilos equilibrado es solo ± 0.1%. Por lo tanto, se obtiene un circuito de medición de resistencia térmica de tres hilos de alta precisión.