ไดอะแกรมการออกแบบของวงจรการวัดความต้านทานความร้อนที่มีความแม่นยำสูงขึ้นอยู่กับระบบสามสาย

เซ็นเซอร์เทอร์มิสเตอร์เป็นเซ็นเซอร์อุณหภูมิที่มีค่าความต้านทานเปลี่ยนไปตามอุณหภูมิแวดล้อม ในหมู่พวกเขาเทอร์มิสเตอร์ที่ทำจากโลหะแพลตตินัมมีการใช้กันอย่างแพร่หลายเนื่องจากมีความเสถียรที่ดีความแม่นยำสูงและช่วงการวัดอุณหภูมิกว้าง เทอร์โมมิเตอร์เทอร์มิสเตอร์สำหรับการวัดอุณหภูมิส่วนใหญ่ประกอบด้วยเซ็นเซอร์เทอร์โมมิเตอร์วัดเครื่องมือแสดงผลและสายเชื่อมต่อ เนื่องจากความไวต่ออุณหภูมิของเซ็นเซอร์เทอร์โมมิเตอร์นั้นต่ำความต้านทานเส้นของสายเชื่อมต่อมีอิทธิพลต่อผลการวัดที่ไม่สามารถละเว้นได้ เพื่อกำจัดอิทธิพลของความต้านทานลวดเทอร์โมมิเตอร์ใช้วิธีการเชื่อมต่อสะพานสามสายที่สมดุลอย่างกว้างขวาง วิธีนี้สามารถชดเชยข้อผิดพลาดอุณหภูมิในระดับหนึ่ง แต่อิทธิพลของความต้านทานสายยังคงมีอยู่ มีการเสนอวิธีการชดเชยความต้านทานลวดสามสายตามแรงดันไฟฟ้าคงที่และตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้า วงจรนั้นง่ายและใช้งานง่ายและอิทธิพลของการต้านทานลวดสามารถกำจัดได้อย่างสมบูรณ์ เมื่อเทียบกับวิธีการชดเชยความต้านทานลวดที่เสนอในวรรณกรรมที่ใช้วงจรฮาร์ดแวร์มากขึ้นสำหรับการชดเชยความต้านทานลวดวิธีนี้มีวงจรชดเชยความต้านทานต่อลวดที่ง่ายกว่า

1 การวิเคราะห์วิธีการวัดเทอร์โมมิเตอร์ที่ใช้กันทั่วไป

สำหรับเทอร์โมมิเตอร์ PT100 Platinum ความสัมพันธ์ระหว่างความต้านทานและอุณหภูมินั้นได้รับในระดับอุณหภูมิระหว่างประเทศ bs -90 ดังแสดงในสูตร (1)

ในสูตร RT คือความต้านทานของตัวต้านทานความร้อนที่อุณหภูมิของระดับ t, r {{0}} คือความต้านทานของตัวต้านทานความร้อนที่อุณหภูมิ 0 องศา, r 0=100 Ω, A =3. 96847 b =-5. 847x 10-7 องศา -2, c =-4. 22x 10-12 องศา -3 เป็นค่าสัมประสิทธิ์ที่เกี่ยวข้องกับเซ็นเซอร์
จากสูตร (1) จะเห็นได้ว่าความไวของ PT1 0 0 ตัวต้านทานความร้อนเป็นประมาณ 0. 38Ω/ องศา เพื่อลดอิทธิพลของความต้านทานสายของลวดเชื่อมต่อในผลการวัดโดยทั่วไปวิธีสะพานสามสายจะใช้สำหรับการวัด VR =1 V. หลักการวงจรแสดงในรูปที่ 1. RT คือตัวต้านทานการวัดอุณหภูมิ R คือความต้านทานลวดเชื่อมต่อ R1, R2, R3 เป็นแขนสะพานคงที่ r 1= r 2=1 000 ในวงจรนี้มีสายไฟสามสายเชื่อมต่อกับแขนสะพานเซ็นเซอร์แขนสะพานตัวต้านทานและปลายเอาต์พุตตามลำดับ วิธีนี้สามารถวัดความต้านทาน RT ที่จะวัดได้อย่างง่ายดาย อย่างไรก็ตามในการใช้งานจริงมักจะมีระยะห่างระหว่างเซ็นเซอร์อุณหภูมิและวงจรการวัดอุณหภูมิและความต้านทานของลวดเชื่อมต่อคือประมาณ 0.1 ~ 0.5 Ω/m ข้อผิดพลาดในการวัดที่เกิดจากความต้านทานลวดเชื่อมต่อ R ไม่สามารถละเว้นได้

ดังที่แสดงในรูปที่ 1 เมื่อไม่ได้พิจารณาความต้านทานของเส้น R เอาท์พุทของบริดจ์คือ:, เมื่อพิจารณาความต้านทานของเส้นสะพานเอาท์พุท VC=vr (rt+r) ／ (r 1+ rt+r) -vr (r 3+} สมมติว่าสะพานมีความสมดุลเมื่อ rt=rx นั่นคือ r2rx=r1r3 และการต้านทานแขนสะพาน R 1= r 2= r 3= rx {{17} rt=r+△ r ข้อผิดพลาดที่เกิดจากการมีอยู่ของความต้านทานบรรทัด r สามารถคำนวณได้เป็น:

จะเห็นได้ว่าความต้านทานลวด R ส่งผลกระทบต่อผลการวัดของ RT และไม่สามารถกำจัดได้อย่างสมบูรณ์โดยวงจรศูนย์ จากการวิเคราะห์ข้างต้นจะมีการแบ่งวงจร preamplifier ความแม่นยำสูงสามสายซึ่งสามารถกำจัดข้อผิดพลาดของสายไฟได้อย่างสมบูรณ์

2 วงจรการวัดแรงดันไฟฟ้าคงที่ 2 วงจร

2.1 หลักการวัด

ตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้าคงที่สามวิธีที่ใช้ที่นี่เพื่อวัดความต้านทานสามารถกำจัดการรบกวนของความต้านทานลวด แผนภาพแผนผังที่เทียบเท่าของมันแสดงในรูปที่ 2 โดยที่ RT เป็นตัวต้านทานความร้อน R คือความต้านทานที่เทียบเท่าของลวด VR คือแรงดันอ้างอิง VAD คือแรงดันอ้างอิงของตัวแปลง A/D และเป็นปัจจัยการขยายแรงดันไฟฟ้า

ความสัมพันธ์ขั้นพื้นฐานสามารถรับได้จากกฎของโอห์ม:

จากสูตร (3) จะเห็นได้ว่าเมื่อทราบ RV และ VR เพื่อให้ได้ RT จะต้องมีการวัด V2 และ V1 เท่านั้นและไม่มีอะไรเกี่ยวข้องกับการต้านทานลวด R และความแม่นยำในการวัดนั้นขึ้นอยู่กับความแม่นยำของ RV และความแม่นยำในการวัดของ V1 และ V2 ความต้านทานลวดที่ไม่สามารถกำจัดได้ในวิธีการสะพานจะถูกกำจัดอย่างสมบูรณ์ในวิธีการแบ่งแรงดันไฟฟ้าคงที่สามสาย
เนื่องจากอุณหภูมิของตัวต้านทานความร้อนจะเพิ่มขึ้นเมื่อกระแสผ่านผ่านมันจะต้องพิจารณาข้อผิดพลาดในการทำความร้อนด้วยตนเองของตัวเองนั่นคือข้อผิดพลาดที่เพิ่มขึ้นของอุณหภูมิที่เกิดจากกระแสที่ไหลผ่านตัวต้านทานความร้อนจะต้องได้รับการพิจารณา PT1 ที่ใช้กันทั่วไป 0 0 กระแสไดรฟ์ตัวต้านทานความร้อนอยู่ที่ประมาณ 1 mA ที่ 0 องศามันเทียบเท่ากับพลังความร้อนด้วยตนเองประมาณ 0.1 MW เมื่อทำการวัดด้วยความแม่นยำสูงพลังความร้อนด้วยตนเองควรลดลงอีกเพื่อลดข้อผิดพลาดการอุ่นเครื่องด้วยตนเอง ที่นี่ VR =2. 5V และ RV =10 KΩถูกตั้งค่าและพลังการร้อนตัวเองอยู่ที่ประมาณ 0.006 MW

2.2 มาตรการในการปรับปรุงความแม่นยำในการวัด

เช่นเดียวกับวิธีบริดจ์ที่สมดุลสามสายแรงดันเอาต์พุต V1 และ V2 ของวงจรที่แสดงในรูปที่ 2 มีค่าน้อยและควรเพิ่มการขยายแรงดันไฟฟ้าระดับแรกก่อนการแปลง A/D แรงดันไฟฟ้าอ้างอิง VR นั้นจัดทำโดยแหล่งแรงดันไฟฟ้าคงที่ความแม่นยำเพื่อให้สัญญาณแรงดันไฟฟ้าที่เสถียร นอกจากนี้เมื่อซอฟต์แวร์ไมโครคอนโทรลเลอร์เลือกอัลกอริทึมที่เหมาะสมและความยาวของคำในการคำนวณทางคณิตศาสตร์ข้อผิดพลาดการคำนวณสามารถถูกละเว้นได้ อย่างไรก็ตามปัจจัยการขยายและ RV ของวงจรแอมพลิฟายเออร์จะแตกต่างกันไปในแต่ละองค์ประกอบโดยเฉพาะอย่างยิ่งในการผลิตจำนวนมากความแม่นยำของส่วนประกอบนั้นยากที่จะรับรองความสม่ำเสมอ ดังนั้นสำหรับวงจรอินพุตเฉพาะข้อผิดพลาดที่เกิดจากและ RV จะต้องได้รับการพิจารณาด้วย
เพื่อกำจัดข้อผิดพลาดที่เกิดจากและ RV วิธีการสอบเทียบสามารถใช้ในการสอบเทียบและคำนวณค่าวงจรจริงและค่า RV โดยอัตโนมัติในระหว่างการผลิตเครื่องมือ พารามิเตอร์ทั้งสองนี้จะถูกบันทึกไว้ในหน่วยความจำที่ไม่ระเหยของเครื่องมือ เมื่อเครื่องมือวัดอุณหภูมิพารามิเตอร์จะถูกอ่านและคำนวณตามสูตร (1) เพื่อให้ได้อุณหภูมิที่วัดได้ที่แม่นยำ
หากลวดยาวในรูปที่ 2 ถูกแทนที่ด้วยลวดที่สั้นที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ (เช่น R =0) และ RT ตัวต้านทานความร้อนจะถูกแทนที่ด้วยตัวต้านทานความแม่นยำ R, VAD เป็นแรงดันอ้างอิงของตัวแปลง A/D

ในสูตร (4), R เป็นตัวต้านทานความแม่นยำที่มีค่าความต้านทานที่รู้จัก; D เป็นผลลัพธ์ของการแปลง A/D ซึ่งสามารถอ่านได้อย่างง่ายดายจากอุปกรณ์แสดงผลเครื่องมือ VR และ VAD เป็นแรงดันอ้างอิงซึ่งเป็นค่าคงที่ เป็นปัจจัยการขยายรวมของวงจร K คือปัจจัยสัดส่วนของการแปลง A/D เช่น k =214 สำหรับ A 14- บิตตัวแปลง A/D จากนั้นมีเพียงสองที่ไม่รู้จัก RV และในสูตร (2) สำหรับวงจรอินพุตเฉพาะหากตัวต้านทานความแม่นยำสองตัว R1 และ R2 ที่มีค่าความต้านทานที่รู้จักนั้นเชื่อมต่อกับวงจรที่แสดงในรูปที่ 2 สำหรับการสอบเทียบ (เมื่อทำการสอบเทียบให้พยายามทำให้ R =0) สามารถรับชุดสมการเชิงเส้นสองตัวแปรได้ ดังนั้นสำหรับวงจรอินพุตเฉพาะและ RV สามารถแก้ไขได้จากสมการและผลลัพธ์มีดังนี้:

วิธีการสอบเทียบข้างต้นสามารถสรุปได้ดังนี้: ตัวต้านทานมาตรฐานที่แม่นยำสองตัว R1 และ R2 ที่มีค่าความต้านทานที่รู้จักเชื่อมต่อกับขั้วอินพุตของเครื่องมือตามลำดับและความต้านทานของลวดเชื่อมต่อจะลดน้อยที่สุดเท่าที่จะทำได้ ในเวลานี้การอ่านเครื่องมือ D1 และ D2 จะถูกบันทึกและพารามิเตอร์ที่ไม่รู้จักและ RV ของเครื่องมือที่สอบเทียบสามารถคำนวณได้โดยการแทนที่พวกเขาในสูตร (5) ในการใช้งานขอแนะนำให้ใช้แหล่งอ้างอิงเดียวกันสำหรับ VR และ VAD เพื่อให้การคำนวณในสูตร (5) เป็นอิสระจากความแม่นยำของแรงดันอ้างอิงอ้างอิง วิธีนี้จะช่วยลดความแตกต่างระหว่างแหล่งอ้างอิงที่แตกต่างกันโดยเฉพาะอย่างยิ่งอิทธิพลของการดริฟท์เวลาและอุณหภูมิดริฟท์ของการอ้างอิงที่แตกต่างกัน
2.3 วงจรการวัด
รูปที่ 3 คือวงจรอินพุตด้านหน้าของระบบวัดอุณหภูมิ PT100 ที่มีความแม่นยำสูงซึ่งแรงดันอ้างอิง PT100 และแรงดันอ้างอิงของตัวแปลง A/D ICL7135 เป็นแหล่งอ้างอิงแรงดันไฟฟ้าเดียวกัน สัญญาณอินพุตการวัดสองสัญญาณ V1 และ V2 ของ PT100 นั้นถูกขยายโดยแอมพลิฟายเออร์ปฏิบัติการเดียวกัน (1+ R3/R4) ครั้งจากนั้นป้อนตัวแปลง A/D ไมโครรีเลย์ K1 ใช้สำหรับการเลือกช่อง วิธีนี้ใช้แอมพลิฟายเออร์การดำเนินงานตัวแปลง A/D และแหล่งที่มาของแรงดันไฟฟ้าอ้างอิงลดผลกระทบของความแตกต่างระหว่างอุปกรณ์ที่แตกต่างกันในผลการวัด ผลการแปลง A/D ของ ICL7135 เชื่อมต่อกับไมโครคอนโทรลเลอร์ในโหมดอนุกรมซึ่งสามารถบันทึกพอร์ต IO ของไมโครคอนโทรลเลอร์ได้อย่างมาก เมื่อทำการสอบเทียบวงจรตัวต้านทานมาตรฐาน100Ωและ300Ωจะใช้สำหรับการสอบเทียบและผลลัพธ์การสอบเทียบและ RV จะถูกเก็บไว้ใน EEPROM ของระบบไมโครคอนโทรลเลอร์ ในการวัดจริงระบบไมโครคอนโทรลเลอร์จะออกมาและ RV เป็นค่าที่รู้จักและคำนวณค่า RT ความต้านทานโดยสูตร (3)

2.4 การวิเคราะห์การทดสอบวงจรการวัด

เมื่อเทียบกับวิธีสะพานที่สมดุลสามสายผลการตรวจจับของวงจรนี้ได้รับการปรับปรุงอย่างมาก ตารางที่ 1 คือการเปรียบเทียบค่าความต้านทานมาตรฐานที่วัดโดยสองวิธีที่แตกต่างกัน ในหมู่พวกเขา R คือการต่อต้านสาย

จะเห็นได้จากตารางที่ 1 ว่าผลการวัดเชิงทฤษฎีของวิธีบริดจ์ที่สมดุลสามสายมีข้อผิดพลาดขนาดใหญ่และข้อผิดพลาดที่เกิดจากการเพิ่มขึ้นของความต้านทานสาย R มีขนาดใหญ่ขึ้น เมื่อค่าความต้านทานของตัวต้านทานความร้อนเพิ่มขึ้นการวัดจะเพิ่มขึ้นข้อผิดพลาดสัมบูรณ์ก็เพิ่มขึ้นเช่นกัน ในตารางที่ 1 ข้อผิดพลาดสัมบูรณ์คือ 2.57% เมื่อความต้านทานที่วัดได้ RT =300 Ωและความต้านทานของเส้น R =20 Ω ผลการวัดจริงของวิธีการที่ดีขึ้นสามสายที่ใช้ในบทความนี้มีข้อผิดพลาดสัมบูรณ์เพียง 0. 3 Ωและข้อผิดพลาดสัมพัทธ์ของ± 0 1% ภายในช่วงข้อมูลที่วัดได้ ตัวแปลง A/D ที่ใช้ในวงจรนั้นเทียบเท่ากับ {14- ความแม่นยำในการแปลง A/D บิต หากใช้ตัวแปลง A/D ที่มีความแม่นยำสูงกว่าความแม่นยำในการวัดที่สูงขึ้นสามารถทำได้ ในเครื่องมือวัดอุณหภูมิเซ็นเซอร์ความต้านทานความร้อนที่เกิดขึ้นจริงจำเป็นต้องเพิ่มโปรแกรมที่เกี่ยวข้องที่แปลงความต้านทานที่วัดได้เป็นอุณหภูมิที่สอดคล้องกัน นั่นคือหลังจากวัด RT ค่าอุณหภูมิที่แท้จริงสามารถแก้ไขได้อย่างแม่นยำโดยสูตร (1)

3 บทสรุป

วิธีสะพานที่สมดุลสามสายถูกนำมาใช้อย่างกว้างขวางในการวัดตัวต้านทานความร้อน แต่มีปัญหาว่าข้อผิดพลาดในการวัดที่เกิดจากความต้านทานตะกั่วเซ็นเซอร์ไม่สามารถกำจัดได้ บทความนี้วิเคราะห์ปัญหาที่มีอยู่ในวิธีการสะพานที่สมดุลสำหรับการวัดตัวต้านทานความร้อนเสนอวิธีการวัดแรงดันไฟฟ้าแบบสามสายการวิเคราะห์การวิเคราะห์สาเหตุและปัจจัยที่มีอิทธิพลต่อข้อผิดพลาดของวงจรการวัดการวัดและการวัดที่มีอิทธิพล วงจรอินเตอร์เฟสพร้อมไมโครคอมพิวเตอร์ชิปเดียว ในที่สุดความแม่นยำในการทดสอบของวงจรที่ออกแบบจะถูกทดสอบและกำหนด การทดสอบแสดงให้เห็นว่าเมื่อวิธีบริดจ์ที่สมดุลสามสายวัดค่าความต้านทานมาตรฐานของ 1 0 0 ~ 300Ωและความต้านทานของเส้นคือ 0 ~ 20Ωข้อผิดพลาดการวัด **** ถึง 2.57%ในขณะที่ข้อผิดพลาดการวัดสามสายที่สมดุล ดังนั้นจึงได้รับวงจรการวัดความร้อนสามสายที่มีความแม่นยำสูง