Kolmejuhtmelise süsteemi põhjal ülitäpse soojustakistuse mõõtmise skeem

Termistori andur on temperatuuriandur, mille takistuse väärtus muutub ümbritseva temperatuuriga. Nende hulgas kasutatakse metallist plaatinast valmistatud termistorit laialdaselt selle hea stabiilsuse, suure täpsuse ja laia temperatuuri mõõtmise vahemiku tõttu. Termistori termomeetrid mõõtmistemperatuuri jaoks koosnevad peamiselt termomeetri anduritest, kuvariinstrumentide mõõte- ja juhtmete ühendamisest. Kuna termomeetri anduri enda temperatuuritundlikkus on madal, mõjutab ühendusjuhtme joonetakistus mõõtmistulemust, mida ei saa ignoreerida. Traadi takistuse mõju kõrvaldamiseks kasutab termomeeter laialdaselt tasakaalustatud silla kolmejuhtmelist ühenduse meetodit. See meetod võib temperatuuri vea teatud määral kompenseerida, kuid liini takistuse mõju on endiselt olemas. Pakutakse välja kolmejuhtmelise juhtmetakistuse kompensatsiooni meetod, mis põhineb püsivatel pinge- ja pingejaoturil. Ahelat on lihtne ja hõlpsasti rakendatav ning traadi takistuse mõju saab täielikult kõrvaldada. Võrreldes kirjanduses välja pakutud traadi takistuse kompensatsioonimeetodiga, mis kasutab traadi takistuse kompenseerimiseks rohkem riistvara vooluahelaid, on sellel meetodil lihtsam traadi takistuse kompensatsiooni vooluring.

1 Tavaliselt kasutatavate termomeetri mõõtmismeetodite analüüs

PT100 plaatina termomeetri puhul on selle takistuse ja temperatuuri vaheline seos rahvusvahelises temperatuuriskaalas BS -90, nagu on näidatud valemis (1).

Valemis on RT termilise takisti takistus t temperatuuril, r {{{{0}} on termotakisti takistus temperatuuril 0 kraadi, r {0=100 ω, a {3}}. 96847 {{5} {5} {5} {5} {{5} B =-5.
Valemist (1) on näha, et PT1 0 0 termiline takisti tundlikkus on umbes 0. 38Ω/ kraad. Ühendava traadi joonetakistuse mõju vähendamiseks mõõtmise tulemusele kasutatakse mõõtmiseks tavaliselt kolme juhtmega silla meetodit. VR =1 V. Ahela põhimõte on näidatud joonisel 1. Rt on temperatuuri mõõtmine, r on ühendusjuhtmetakistus, r1, r2, r3 on fikseeritud sillarelvad, r 1= r 2=1 000} ω, r {12}} ω, VR on mõõdetav. Selles vooluringis on anduri silla käe, takisti silla käe ja väljundi otsaga ühendatud kolm juhtmet. See meetod saab hõlpsalt mõõta mõõdetavat takistust. Kuid tegeliku kasutamise korral on temperatuurianduri ja temperatuuri mõõtmisahela vahel sageli teatav vahemaa ning ühendava traadi takistus on umbes 0,1 ~ 0,5 Ω/m. Ühendava traadi takistuse R põhjustatud mõõtmisvea ei saa tähelepanuta jätta.

Nagu on näidatud joonisel 1, kui liini takistust R ei arvestata, on silla väljund :, kui liini takistust kaalutakse, on silla väljund vc=vr (rt+r) ／ (r 1+ rt+r) -vr (r 3+ r) {8, r {{{{{}. Sild on tasakaalus, kui rt {= rx, see tähendab, r2rx=r1r3, ja silla käe takistus r 1= r {2= r 3= rx=r muutub, kui △ r. Rt=r+△ r, rea takistuse r põhjustatud tõrge saab arvutada järgmiselt:

On näha, et traadiresistentsus R mõjutab RT mõõtmise tulemust ja seda ei saa nulliahela abil täielikult kõrvaldada. Ülaltoodud analüüsi põhjal pakutakse välja konstantse pingejagaja kolmejuhtmelise ülitäpse eelvõimendi vooluahela, mis suudab traadi vigu täielikult kõrvaldada.

2 Kolmejuhtmelise mõõtmisahela püsiv pingejagaja

2.1 Mõõtmispõhimõte

Siin kasutatav püsiv pingejagaja kolmejuhtmeline meetod võib kõrvaldada traadi takistuse häired. Selle samaväärne skemaatiline diagramm on näidatud joonisel 2. Kui RT on termiline takisti. R on traadi samaväärne takistus. VR on võrdluspinge, VAD on A/D muunduri võrdluspinge ja pinge suurendamise tegur.

Põhisuhte saab OHMi seadustest:

Valemist (3) on näha, et kui RV ja VR on teada, tuleb RT saamiseks mõõta ainult V2 ja V1 ning sellel pole midagi pistmist traadi takistusega r. Ja mõõtmise täpsus sõltub ainult RV täpsusest ning V1 ja V2 mõõtmise täpsusest. Traadiresistentsus, mida silla meetodil ei saa kõrvaldada, on püsiva pingejagaja kolmejuhtmelise meetodi korral täielikult kõrvaldatud.
Kuna termilise takisti temperatuur tõuseb, kui vool läbib, tuleb arvestada tema enda soojuseesiviguga, st temperatuuri tõusuviga, mis on põhjustatud läbi termilise takisti kaudu voolava voolu. Tavaliselt kasutatav pt1 0 0 termilise takisti ajami vool on umbes 1 mA. 0 kraadi juures on see samaväärne umbes 0,1 MW enesekuumeneva jõuga. Suure täpsusega mõõtmisel tuleks enesekuumutamise võimsust veelgi vähendada, et vähendada enesekuumenemisviga. Siin on seatud vr =2. 5V ja RV =10 kΩ ja enesekuumenemisvõimsus on umbes 0,006 MW.

2.2 Mõõtmise täpsuse parandamiseks

Sarnaselt kolme juhtmega tasakaalustatud silla meetodiga on joonisel 2 näidatud vooluahela väljundpinged V1 ja V2 väikese väärtusega ning enne A/D teisendamist tuleks lisada esimese astme pinge võimendus. Võrdluspinge VR -i tagab tavapärase konstantse pingeallikaga tavaliselt stabiilse pingesignaali saamiseks. Lisaks, kui mikrokontrolleri tarkvara valib matemaatilistes arvutustes sobiva algoritmi ja sõna pikkuse, saab arvutusviga ka eirata. Kuid võimendi vooluahela võimendustegur ja RV varieeruvad komponendist komponendist, eriti masstootmisel, komponentide täpsust on keeruline ühtlust tagada. Seetõttu tuleb konkreetse sisendskeemi korral arvestada ka ja RV põhjustatud tõrkega.
RV põhjustatud vea kõrvaldamiseks saab kalibreerimismeetodit kasutada tegelike vooluahelate ja RV väärtuste automaatseks kalibreerimiseks ja arvutamiseks instrumentide tootmise ajal. Seejärel salvestatakse need kaks parameetrit instrumendi mittelenduvas mälus. Kui instrument mõõdab temperatuuri, loetakse parameetrid ja arvutatakse vastavalt valemile (1), et saada täpne mõõdetud temperatuur.
Kui joonisel 2 esitatud pikk juhtme asendatakse võimalikult lühima traadiga (st r =0) ja termiline takisti RT asendatakse täpsustakistiga R, on VAD A/D muunduri võrdluspinge, on pinge suurendamise tegur ja ülejäänud jäävad siis lahti, siis:::::::

Valemis (4) on R teadaoleva takistuse väärtusega täppiskihiline takisti; D on A/D teisendamise tulemus, mida saab instrumendi kuvaseadmest hõlpsasti lugeda; VR ja VAD on võrdluspinged, mis on konstandid; on vooluringi kogu suurendustegur; K on A/D muundamise proportsionaalne tegur, näiteks k =214 14- bitti a/d muunduri jaoks. Siis on ainult kaks tundmatut RV ja valemis (2). Spetsiifilise sisendskeemi puhul on joonisel 2 näidatud vooluahelaga ühendatud kaks täppistakisti R1 ja R2 kalibreerimiseks (kalibreerimisel (kalibreerimisel, teha r =0), on kahe eluasemega lineaarvõrrandite komplekt. Seega saab konkreetse sisendskeemi ja RV jaoks võrranditest lahendada ja tulemused on järgmised:

Ülaltoodud kalibreerimismeetodi võib kokku võtta järgmiselt: kaks täppisstandardi takistit R1 ja R2, millel on teadaolevad takistusväärtused, ühendatakse vastavalt instrumendi sisendklemmidega ja ühendusjuhtme takistus minimeeritakse nii palju kui võimalik. Sel ajal registreeritakse instrumendi näidud D1 ja D2 ning kalibreeritud instrumendi tundmatu parameetrid ja RV saab arvutada, asendades need valemiga (5). Kasutamisel on soovitatav kasutada sama võrdlusallikat VR ja VAD jaoks, nii et valemi (5) arvutamine ei sõltu võrdluspinge täpsusest. See meetod vähendab erinevusi erinevate võrdlusallikate, eriti aja triivi ja erinevate viidete temperatuuri triivi mõju vahel.
2.3 Mõõtering
Joonis 3 on ülitäpse PT100 temperatuuri mõõtmissüsteemi esiosa, milles PT100 võrdluspinge ja A/D muunduri ICL7135 võrdluspinge on sama pinge võrdlusallikas. PT100 kahte mõõtmissignaali V1 ja V2 amplifitseeritakse sama operatiivse võimendi (1+ R3/R4) korda ja sisestage seejärel A/D muundur. Kanalivaliku jaoks kasutatakse mikrorelee K1. See meetod jagab operatiivset võimendit, A/D muundurit ja võrdluspingeallikat, vähendades erinevate seadmete erinevuste mõju mõõtmistulemustele. ICL7135 A/D teisendamise tulemus on ühendatud jadarežiimis mikrokontrolleriga, mis võib oluliselt salvestada mikrokontrolleri IO pordi. Ahela kalibreerimisel kasutatakse kalibreerimiseks standardtakisteid 100Ω ja 300Ω ning kalibreerimistulemused ja RV salvestatakse mikrokontrollerisüsteemi EEPROM -is. Tegeliku mõõtmise korral võtab mikrokontrollerisüsteem välja ja RV teadaolevate väärtustena ning arvutab vastupanu RT väärtuse valemi järgi (3).

2.4 Mõõtmisahela testi analüüs

Võrreldes kolmejuhtmelise tasakaalustatud silla meetodiga, on selle vooluahela tuvastamise tulemused oluliselt paranenud. Tabel 1 on standardtakistuse väärtuste võrdlus, mõõdetuna kahe erineva meetodi abil. Nende hulgas on R liiniresistentsus.

Tabelist 1 võib näha, et kolmejuhtmelise tasakaalustatud silla meetodi teoreetilistel mõõtmistulemustel on suured vead ja tõrge, mis on põhjustatud liini takistuse R suurenemisest suurem. Kui mõõdetava termilise takisti takistuse väärtus suureneb, suureneb ka absoluutne viga. Tabelis 1 on absoluutne viga 2,57%, kui mõõdetud takistus rt =300 ω ja reatakistus r =20 ω. Selles artiklis kasutatud täiustatud kolmejuhtmelise meetodi tegelike mõõtmistulemuste absoluutne viga on ainult 0. 3 Ω ja suhteline viga ± 0. 1% mõõdetud andmevahemikus. Ahelas kasutatav A/D muundur on samaväärne ainult 14- bitti A/D teisendamise täpsusega. Kui kasutatakse kõrgema ettevalmistusega A/D muundurit, on võimalik saavutada suurem mõõtmise täpsus. Tegelikus termilise takisti anduri temperatuuri mõõtmisinstrumendis on vaja lisada ka seotud programm, mis teisendab mõõdetud takistuse vastavaks temperatuuriks. See tähendab, et pärast RT mõõtmist saab temperatuuri tegeliku väärtuse valemiga (1) täpselt lahendada.

3 järeldus

Kolme juhtmega tasakaalustatud silla meetodit kasutatakse laialdaselt termilise takisti mõõtmisel, kuid on probleem, et anduri plii takistuse põhjustatud mõõtmisviga ei saa kõrvaldada. Selles artiklis analüüsitakse tasakaalustatud silla meetodis soojustakistide mõõtmiseks olemasolevaid probleeme, pakutakse välja konstantse pingejagaja kolmejuhtmelise mõõtmismeetodi, analüüsib mõõtmisahela vea põhjuseid ja mõjutavaid tegureid, tuletab ja kehtestab vastupidavuse parameetrid ja vastupidavuse piimaseadmed ning kavandatakse täieliku mõõtmise ambinaati, sealhulgas amper, sealhulgas An An An. ühekiibiga mikroarvuti. Lõpuks testitakse ja määratakse kavandatud vooluringi testi täpsus. Test näitab, et kui kolme juhtmega tasakaalustatud silla meetod mõõdab standardtakistuse väärtust 1 0 0 ~ 300Ω ja joonetakistus on 0 ~ 20Ω, siis **** mõõtmisviga ulatub 2,57%-ni, samas kui tasakaalustatud kolme juhtmega tõrge on ainult ± 0,1%. Seega saadakse ülitäpne kolmejuhtmeline termiline takisti mõõtmisahel.