Reka Bentuk Reka Bentuk Litar Pengukuran Rintangan Termal Tinggi Berdasarkan Sistem Tiga Wayar

Sensor Thermistor adalah sensor suhu yang nilai rintangannya berubah dengan suhu ambien. Antaranya, termistor yang diperbuat daripada platinum logam digunakan secara meluas kerana kestabilan yang baik, ketepatan yang tinggi, dan pelbagai pengukuran suhu yang luas. Thermistor Thermometer untuk mengukur suhu terutamanya terdiri daripada sensor termometer, mengukur instrumen paparan, dan penyambung wayar. Oleh kerana sensitiviti suhu sensor termometer itu sendiri adalah rendah, rintangan garis dawai penyambung mempunyai pengaruh pada hasil pengukuran yang tidak dapat diabaikan. Untuk menghapuskan pengaruh rintangan dawai, termometer secara meluas menggunakan kaedah sambungan tiga wayar jambatan yang seimbang. Kaedah ini boleh mengimbangi kesilapan suhu ke tahap tertentu, tetapi pengaruh rintangan garis masih wujud. Kaedah pampasan rintangan dawai tiga wayar berdasarkan voltan malar dan pembahagi voltan dicadangkan. Litar ini mudah dan mudah dilaksanakan, dan pengaruh rintangan dawai dapat dihapuskan sepenuhnya. Berbanding dengan kaedah pampasan rintangan wayar yang dicadangkan dalam kesusasteraan yang menggunakan lebih banyak litar perkakasan untuk pampasan rintangan dawai, kaedah ini mempunyai litar pampasan rintangan dawai yang lebih mudah.

1 Analisis kaedah pengukuran termometer yang biasa digunakan

Untuk termometer platinum PT100, hubungan antara rintangan dan suhu diberikan dalam skala suhu antarabangsa BS -90 seperti yang ditunjukkan dalam formula (1).

Dalam formula, RT adalah rintangan perintang termal pada suhu darjah T, r {{0}} ialah rintangan perintang termal pada suhu 0 darjah, r {{2} Ω, A =3. B =-5. 847x 10-7 darjah -2, C =-4. 22x 10-12 darjah -3 adalah pekali yang berkaitan dengan sensor itu sendiri.
Dari formula (1), dapat dilihat bahawa sensitiviti pt1 0 0 resistor termal adalah kira -kira 0. 38Ω/ ijazah. Untuk mengurangkan pengaruh rintangan garis dawai penyambung pada hasil pengukuran, kaedah jambatan tiga wayar biasanya digunakan untuk pengukuran. VR =1 V. Prinsip litar ditunjukkan dalam Rajah 1. Dalam litar ini, tiga wayar disambungkan ke lengan jambatan sensor, lengan jambatan perintang dan akhir output masing -masing. Kaedah ini dengan mudah boleh mengukur rintangan RT untuk diukur. Walau bagaimanapun, dalam penggunaan sebenar, terdapat jarak tertentu antara sensor suhu dan litar pengukuran suhu, dan resistiviti dawai penyambung adalah kira -kira 0.1 ~ 0.5 Ω/m. Kesalahan pengukuran yang disebabkan oleh rintangan dawai penyambung r tidak boleh diabaikan.

Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1, apabila rintangan garis r tidak dipertimbangkan, output jambatan adalah:, apabila rintangan garis dipertimbangkan, output jambatan vc=vr (rt+r) ／ (r 1+ rt+r) -vr (r 3+ r) jambatan seimbang apabila rt=rx, iaitu, r2rx=r1r3, dan rintangan lengan jambatan r 1= r 2= r 3= rx=RT=r+△ r, ralat yang disebabkan oleh kewujudan rintangan garis r boleh dikira sebagai:

Ia dapat dilihat bahawa rintangan dawai r mempengaruhi hasil pengukuran RT, dan ia tidak dapat dihapuskan sepenuhnya oleh litar sifar. Berdasarkan analisis di atas, voltan berterusan voltan tiga litar preamplifier ketepatan tinggi yang dapat menghapuskan kesilapan wayar sepenuhnya dicadangkan.

2 litar pengukuran tiga wayar voltan tetap

2.1 Prinsip Pengukuran

Pembahagi voltan malar kaedah tiga wayar yang digunakan di sini untuk mengukur rintangan dapat menghapuskan gangguan rintangan wayar. Rajah skema setara ditunjukkan dalam Rajah 2. Di mana RT adalah perintang terma. r adalah rintangan bersamaan dawai. VR adalah voltan rujukan, VAD adalah voltan rujukan penukar A/D, dan merupakan faktor pembesaran voltan.

Hubungan asas dapat diperoleh dari undang -undang ohm:

Dari formula (3), dapat dilihat bahawa apabila RV dan VR diketahui, untuk mendapatkan RT, hanya V2 dan V1 perlu diukur, dan ia tidak ada kaitan dengan rintangan wayar r. Dan ketepatan pengukuran hanya bergantung kepada ketepatan RV dan ketepatan pengukuran V1 dan V2. Rintangan dawai yang tidak dapat dihapuskan dalam kaedah jambatan sepenuhnya dihapuskan dalam kaedah voltan tetap tiga wayar.
Oleh kerana suhu perintang haba akan meningkat apabila arus melaluinya, kesilapan pemanasan sendiri mesti dipertimbangkan, iaitu, kesilapan kenaikan suhu yang disebabkan oleh arus yang mengalir melalui perintang termal mesti dipertimbangkan. Pt1 0 0 pemacu pemacu termal adalah kira -kira 1 ma. Pada 0 ijazah, ia bersamaan dengan kuasa pemanasan sendiri kira-kira 0.1 mW. Apabila mengukur dengan ketepatan yang tinggi, kuasa pemanasan diri perlu dikurangkan lagi untuk mengurangkan kesilapan pemanasan diri. Di sini, vr =2. 5v dan rv =10 kΩ ditetapkan, dan kuasa pemanasan sendiri adalah kira-kira 0.006 mW.

2.2 Langkah untuk meningkatkan ketepatan pengukuran

Sama seperti kaedah jambatan seimbang tiga wayar, voltan output V1 dan V2 litar yang ditunjukkan dalam Rajah 2 adalah nilai kecil, dan penguatan voltan peringkat pertama perlu ditambah sebelum penukaran A/D. Voltan rujukan VR biasanya disediakan oleh sumber voltan malar ketepatan untuk memberikan isyarat voltan yang stabil. Di samping itu, apabila perisian mikrokontroler memilih algoritma yang sesuai dan panjang perkataan dalam pengiraan matematik, ralat pengiraan juga boleh diabaikan. Walau bagaimanapun, faktor penguatan dan RV litar penguat akan berbeza dari komponen ke komponen, terutamanya dalam pengeluaran besar -besaran, ketepatan komponen adalah sukar untuk memastikan keseragaman. Oleh itu, untuk litar input tertentu, ralat yang disebabkan oleh dan RV juga mesti dipertimbangkan.
Untuk menghapuskan ralat yang disebabkan oleh dan RV, kaedah penentukuran boleh digunakan untuk menentukur secara automatik dan mengira nilai litar dan RV sebenar semasa pengeluaran instrumen. Kedua-dua parameter ini kemudiannya direkodkan dalam ingatan yang tidak menentu instrumen tersebut. Apabila instrumen mengukur suhu, parameter dibaca dan dikira mengikut formula (1) untuk mendapatkan suhu diukur yang tepat.
Jika dawai panjang dalam Rajah 2 digantikan dengan wayar terpendek yang mungkin (iaitu R =0), dan RT perintang termal digantikan oleh perintang ketepatan R, VAD adalah voltan rujukan penukar A/D, adalah faktor pembesaran voltan, dan selebihnya tidak berubah, maka:

Dalam formula (4), r adalah perintang ketepatan dengan nilai rintangan yang diketahui; D ialah hasil penukaran A/D, yang boleh dibaca dengan mudah dari peranti paparan instrumen; VR dan VAD adalah voltan rujukan, yang merupakan pemalar; adalah faktor pembesaran keseluruhan litar; K adalah faktor berkadar penukaran A/D, seperti k =214 untuk penukar 14- bit A/D. Kemudian terdapat hanya dua RV yang tidak diketahui dan dalam formula (2). Untuk litar input tertentu, jika dua perintang ketepatan R1 dan R2 dengan nilai rintangan yang diketahui disambungkan ke litar yang ditunjukkan dalam Rajah 2 untuk penentukuran (apabila menentukur, cuba buat R =0), satu set persamaan linear dua-variabel dapat diperolehi. Oleh itu, untuk litar input tertentu, dan RV dapat diselesaikan dari persamaan, dan hasilnya adalah seperti berikut:

Kaedah penentukuran di atas boleh diringkaskan seperti berikut: Dua perintang standard ketepatan R1 dan R2 dengan nilai rintangan yang diketahui disambungkan ke terminal input instrumen masing -masing, dan rintangan dawai penyambung diminimumkan sebanyak mungkin. Pada masa ini, pembacaan instrumen D1 dan D2 direkodkan, dan parameter yang tidak diketahui dan RV instrumen yang dikalibrasi boleh dikira dengan menggantikannya ke dalam formula (5). Dalam penggunaan, adalah disyorkan untuk menggunakan sumber rujukan yang sama untuk VR dan VAD, supaya pengiraan dalam formula (5) adalah bebas daripada ketepatan voltan rujukan. Kaedah ini mengurangkan perbezaan antara sumber rujukan yang berbeza, terutamanya pengaruh hanyut masa dan suhu hanyut rujukan yang berbeza.
2.3 Litar Pengukuran
Rajah 3 adalah litar input depan sistem pengukuran suhu PT100 yang tinggi, di mana voltan rujukan PT100 dan voltan rujukan penukar A/D ICL7135 adalah sumber rujukan voltan yang sama. Kedua -dua isyarat input pengukuran V1 dan V2 PT100 dikuatkan oleh penguat operasi yang sama (1+ R3/R4) kali dan kemudian masukkan penukar A/D. Relay mikro K1 digunakan untuk pemilihan saluran. Kaedah ini berkongsi penguat operasi, penukar A/D, dan sumber voltan rujukan, mengurangkan kesan perbezaan antara peranti yang berbeza pada hasil pengukuran. Hasil penukaran A/D dari ICL7135 disambungkan ke mikrokontroler dalam mod siri, yang dapat menyelamatkan port IO mikrokontroler. Apabila menentukur litar, perintang standard 100Ω dan 300Ω digunakan untuk penentukuran, dan hasil penentukuran dan RV disimpan dalam EEPROM sistem mikrokontroler. Dalam pengukuran sebenar, sistem mikrokontroler mengambil dan RV sebagai nilai yang diketahui, dan mengira nilai RT rintangan oleh formula (3).

2.4 Analisis ujian litar pengukuran

Berbanding dengan kaedah jambatan seimbang tiga wayar, keputusan pengesanan litar ini telah bertambah baik. Jadual 1 adalah perbandingan nilai rintangan standard yang diukur oleh dua kaedah yang berbeza. Antaranya, r adalah rintangan garis.

Ia dapat dilihat dari Jadual 1 bahawa hasil pengukuran teoretikal kaedah jambatan seimbang tiga wayar mempunyai kesilapan yang besar, dan kesilapan yang disebabkan oleh peningkatan rintangan garis R lebih besar. Oleh kerana nilai rintangan perintang haba untuk diukur meningkat, kesilapan mutlak juga meningkat. Dalam Jadual 1, ralat mutlak adalah 2.57% apabila rintangan yang diukur rt =300 Ω dan rintangan garis r =20 Ω. Hasil pengukuran sebenar kaedah tiga wayar yang lebih baik yang digunakan dalam kertas ini mempunyai kesilapan mutlak hanya 0. 3 Ω dan ralat relatif ± 0. 1% dalam julat data yang diukur. Penukar A/D yang digunakan dalam litar hanya bersamaan dengan 14- bit A/D ketepatan penukaran. Sekiranya penukar A/D ketepatan yang lebih tinggi digunakan, ketepatan pengukuran yang lebih tinggi dapat dicapai. Dalam instrumen pengukur suhu sensor termal sebenar, ia juga perlu menambah program yang berkaitan yang menukarkan rintangan yang diukur ke dalam suhu yang sepadan. Iaitu, selepas RT diukur, nilai suhu sebenar dapat diselesaikan dengan tepat oleh formula (1).

3 Kesimpulan

Kaedah jambatan seimbang tiga dawai digunakan secara meluas dalam pengukuran perintang haba, tetapi ada masalah bahawa ralat pengukuran yang disebabkan oleh rintangan plumbum sensor tidak dapat dihapuskan. Makalah ini menganalisis masalah yang ada dalam kaedah jambatan yang seimbang untuk mengukur perintang haba, mencadangkan kaedah pengukuran tiga wayar pembahagi voltan yang berterusan, menganalisis punca-punca dan mempengaruhi faktor-faktor yang mempengaruhi kesilapan litar pengukuran, menghasilkan dan menetapkan suatu pengukuran litar dengan mikrokomputer tunggal cip. Akhirnya, ketepatan ujian litar yang direka diuji dan ditentukan. Ujian menunjukkan bahawa apabila kaedah jambatan seimbang tiga wayar mengukur nilai rintangan standard 1 0 0 ~ 300Ω dan rintangan garis adalah 0 ~ 20Ω, ralat pengukuran **** mencapai 2.57%, manakala kesilapan pengukuran tiga wayar seimbang hanya ± 0.1%. Oleh itu, litar pengukuran perintang terma tiga dawai yang tinggi diperolehi.