نمودار طراحی مدار اندازه گیری مقاومت حرارتی با دقت بالا بر اساس سیستم سه سیم

سنسور ترمیستور یک سنسور دما است که مقدار مقاومت آن با دمای محیط تغییر می کند. در میان آنها ، ترمیستور ساخته شده از پلاتین فلزی به دلیل پایداری خوب ، دقت بالا و دامنه اندازه گیری دمای گسترده به طور گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرد. دماسنجهای ترمیستور برای اندازه گیری دمای عمدتاً از سنسورهای دماسنج ، اندازه گیری ابزارهای نمایشگر و سیم های اتصال تشکیل شده اند. از آنجا که حساسیت دما از سنسور دماسنج خود کم است ، مقاومت خط سیم اتصال تأثیر در نتیجه اندازه گیری دارد که نمی توان نادیده گرفت. به منظور از بین بردن تأثیر مقاومت در برابر سیم ، دماسنج به طور گسترده ای از روش اتصال سه سیم پل متعادل استفاده می کند. این روش می تواند خطای دما را تا حدی جبران کند ، اما تأثیر مقاومت خط هنوز وجود دارد. یک روش جبران مقاومت به سیم سه سیم بر اساس ولتاژ ثابت و تقسیم ولتاژ ارائه شده است. مدار ساده و آسان برای اجرای آن است و تأثیر مقاومت سیم را می توان به طور کامل از بین برد. در مقایسه با روش جبران مقاومت به سیم که در ادبیات ارائه شده است و از مدارهای سخت افزاری بیشتری برای جبران مقاومت به سیم استفاده می کند ، این روش دارای مدار جبران مقاومت سیم ساده تر است.

1 تجزیه و تحلیل روشهای اندازه گیری دماسنج متداول

برای دماسنج پلاتین PT100 ، رابطه بین مقاومت و درجه حرارت آن در مقیاس بین المللی دمای BS {1}} همانطور که در فرمول نشان داده شده است (1) نشان داده شده است.

در فرمول ، RT مقاومت مقاومت حرارتی در دمای درجه t است ، r {{0}} مقاومت در برابر مقاومت حرارتی در دمای 0 درجه ، r 0=100 ω ، a {3}}. 96847}}} {{5 {6 b =-5. 847x 10-7 درجه -2 ، c {{11}. 22x {13}} درجه {14}} ضرایب مربوط به خود سنسور است.
از فرمول (1) می توان دریافت که حساسیت PT1 0 0 مقاومت حرارتی در مورد {15}}} 38 گرم/ درجه است. به منظور کاهش تأثیر مقاومت خط سیم اتصال بر نتیجه اندازه گیری ، از روش پل سه سیم به طور کلی برای اندازه گیری استفاده می شود. VR {5}} V. اصل مدار در شکل 1 نشان داده شده است. RT مقاومت اندازه گیری دما است ، r مقاومت سیم اتصال ، R1 ، R2 ، R3 بازوهای پل ثابت ، R {{10} R 2=1 000}}}} {12}}}}}}}} otr steplation است. در این مدار ، سه سیم به ترتیب به بازوی پل سنسور ، بازوی پل مقاومت و انتهای خروجی متصل می شوند. این روش به راحتی می تواند مقاومت RT را اندازه گیری کند. با این حال ، در استفاده واقعی ، اغلب فاصله مشخصی بین سنسور دما و مدار اندازه گیری دما وجود دارد و مقاومت سیم اتصال در حدود 0.5 0.5 Ω/متر است. خطای اندازه گیری ناشی از مقاومت سیم اتصال R نمی تواند نادیده گرفته شود.

همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است ، هنگامی که مقاومت خط R در نظر گرفته نشده است ، خروجی پل است: ، هنگامی که مقاومت خط در نظر گرفته می شود ، خروجی پل=vr (rt+r) ／ (r 1+ rt+r) -vr (r 3+} r} r) {7 (r {} r} r) با فرض اینکه این پل متعادل است وقتی RT {9}} rx ، یعنی r2rx=r1r3 ، و مقاومت بازوی پل r {14} r {{{15} r 3= rx {{{{{17 {}} r ، وقتی rt تغییر می کند. RT {18}} R+△ r ، خطای ناشی از وجود مقاومت خط r را می توان به صورت: محاسبه کرد:

مشاهده می شود که مقاومت سیم R بر نتایج اندازه گیری RT تأثیر می گذارد و توسط مدار صفر نمی تواند کاملاً از بین برود. بر اساس تجزیه و تحلیل فوق ، یک مدار پیش تقویت کننده با دقت بالا سه سیم ولتاژ ثابت که می تواند به طور کامل خطاهای سیم را از بین ببرد ، ارائه شده است.

2 مدار اندازه گیری سه سیم تقسیم ولتاژ ثابت

2.1 اصل اندازه گیری

روش سه سیم تقسیم کننده ولتاژ ثابت که در اینجا برای اندازه گیری مقاومت مورد استفاده قرار می گیرد می تواند تداخل مقاومت سیم را از بین ببرد. نمودار شماتیک معادل آن در شکل 2 نشان داده شده است. جایی که RT مقاومت حرارتی است. R مقاومت معادل سیم است. VR ولتاژ مرجع است ، VAD ولتاژ مرجع مبدل A/D است و ضریب بزرگنمایی ولتاژ است.

رابطه اساسی را می توان از قانون اهم بدست آورد:

از فرمول (3) می توان دریافت که وقتی RV و VR شناخته می شوند ، برای به دست آوردن RT ، فقط V2 و V1 نیاز به اندازه گیری دارند و هیچ ارتباطی با مقاومت سیم ندارد. و دقت اندازه گیری فقط به صحت RV و دقت اندازه گیری V1 و V2 بستگی دارد. مقاومت سیم که در روش پل قابل حذف نیست ، در روش سه سیم تقسیم ولتاژ ثابت کاملاً از بین می رود.
از آنجا که دمای مقاومت حرارتی با عبور جریان از آن افزایش می یابد ، باید خطای خود گرمایشی خود در نظر گرفته شود ، یعنی خطای افزایش دما ناشی از جریان جریان از طریق مقاومت حرارتی باید در نظر گرفته شود. جریان متداول PT1 {3}} {{5} cur جریان درایو مقاومت حرارتی حدود 1 میلی آمپر است. در درجه {13}}} ، معادل قدرت خود گرمایشی در حدود 0.1 مگاوات است. هنگام اندازه گیری با دقت بالا ، برای کاهش خطای خود گرمایش باید قدرت خود گرمایشی بیشتر کاهش یابد. در اینجا ، VR {9}}. 5V و RV =10 kΩ تنظیم شده اند ، و قدرت خود گرمایشی در حدود 0.006 مگاوات است.

2.2 اقدامات برای بهبود دقت اندازه گیری

مشابه روش پل متعادل سه سیم ، ولتاژهای خروجی V1 و V2 از مدار نشان داده شده در شکل 2 از نظر مقدار کمی هستند و تقویت ولتاژ سطح اول باید قبل از تبدیل A/D اضافه شود. ولتاژ مرجع VR به طور کلی توسط یک منبع ولتاژ ثابت دقیق برای تهیه یک سیگنال ولتاژ پایدار ارائه می شود. علاوه بر این ، هنگامی که نرم افزار میکروکنترلر یک الگوریتم و طول کلمه مناسب را در محاسبات ریاضی انتخاب می کند ، خطای محاسبه نیز می تواند نادیده گرفته شود. با این حال ، ضریب تقویت و RV مدار تقویت کننده از مؤلفه به مؤلفه متفاوت خواهد بود ، به ویژه در تولید جرم ، اطمینان از یکنواختی اجزای دشوار است. بنابراین ، برای یک مدار ورودی خاص ، خطای ناشی از و RV نیز باید در نظر گرفته شود.
به منظور از بین بردن خطای ناشی از RV ، می توان از روش کالیبراسیون برای کالیبراسیون خودکار و محاسبه مدار واقعی و مقادیر RV در طول تولید ابزار استفاده کرد. این دو پارامتر سپس در حافظه غیر فرار ساز ثبت می شوند. هنگامی که ابزار دما را اندازه گیری می کند ، پارامترها مطابق فرمول (1) خوانده می شوند و محاسبه می شوند تا دمای اندازه گیری شده دقیق بدست آورند.
اگر سیم طولانی در شکل 2 با کوتاهترین سیم ممکن جایگزین شود (یعنی R {1}}) ، و مقاومت حرارتی RT توسط یک مقاومت دقیق R جایگزین می شود ، VAD ولت ولتاژ مرجع مبدل A/D است ، ضریب بزرگنمایی ولتاژ است و بقیه بدون تغییر باقی می مانند:

در فرمول (4) ، R یک مقاومت دقیق با مقدار مقاومت شناخته شده است. D نتیجه تبدیل A/D است که به راحتی از دستگاه نمایشگر ابزار قابل خواندن است. VR و VAD ولتاژ مرجع هستند که ثابت هستند. عامل بزرگنمایی کل مدار است. k عامل متناسب تبدیل A/D است ، مانند K =214 برای مبدل 14- bit A/d. سپس فقط دو RV ناشناخته و در فرمول (2) وجود دارد. برای یک مدار ورودی خاص ، اگر دو مقاومت دقیق R1 و R2 با مقادیر مقاومت شناخته شده به مدار نشان داده شده در شکل 2 برای کالیبراسیون (هنگام کالیبراسیون ، سعی کنید R =0) وصل شوند ، می توان مجموعه ای از معادلات خطی دو متغیر را بدست آورد. بنابراین ، برای یک مدار ورودی خاص ، و RV را می توان از معادلات حل کرد و نتایج به شرح زیر است:

روش کالیبراسیون فوق را می توان به شرح زیر خلاصه کرد: دو مقاومت استاندارد استاندارد R1 و R2 با مقادیر مقاومت شناخته شده به ترتیب به پایانه های ورودی ابزار متصل می شوند و مقاومت سیم اتصال تا حد ممکن به حداقل می رسد. در این زمان ، خوانش های ابزار D1 و D2 ضبط می شوند ، و پارامترهای ناشناخته و RV از ابزار کالیبره شده می توانند با جایگزینی آنها در فرمول (5) محاسبه شوند. در استفاده ، توصیه می شود از همان منبع مرجع برای VR و VAD استفاده کنید ، به طوری که محاسبه در فرمول (5) مستقل از صحت ولتاژ مرجع باشد. این روش تفاوت بین منابع مرجع مختلف ، به ویژه تأثیر رانش زمان و رانش دما از منابع مختلف را کاهش می دهد.
مدار اندازه گیری 2.3
شکل 3 مدار ورودی جلوی سیستم اندازه گیری دمای PT100 با دقت بالا است که در آن ولتاژ مرجع PT100 و ولتاژ مرجع مبدل A/D ICL7135 منبع مرجع ولتاژ یکسان است. دو سیگنال ورودی اندازه گیری V1 و V2 PT100 با همان تقویت کننده عملیاتی ({8}}} R3/R4) تقویت می شوند و سپس وارد مبدل A/D می شوند. میکرو رله K1 برای انتخاب کانال استفاده می شود. این روش تقویت کننده عملیاتی ، مبدل A/D و منبع ولتاژ مرجع را به اشتراک می گذارد و تأثیر تفاوت بین دستگاه های مختلف بر نتایج اندازه گیری را کاهش می دهد. نتیجه تبدیل A/D ICL7135 در حالت سریال به میکروکنترلر متصل شده است ، که می تواند درگاه IO از میکروکنترلر را تا حد زیادی ذخیره کند. هنگام کالیبراسیون مدار ، از مقاومتهای استاندارد 100Ω و 300Ω برای کالیبراسیون استفاده می شود و نتایج کالیبراسیون و RV در EEPROM سیستم میکروکنترلر ذخیره می شوند. در اندازه گیری واقعی ، سیستم میکروکنترلر به عنوان مقادیر شناخته شده از RV خارج می شود و مقدار RT مقاومت را با فرمول (3) محاسبه می کند.

2.4 تجزیه و تحلیل آزمون مدار اندازه گیری

در مقایسه با روش پل متعادل سه سیم ، نتایج تشخیص این مدار بسیار بهبود یافته است. جدول 1 مقایسه مقادیر مقاومت استاندارد است که توسط دو روش مختلف اندازه گیری می شود. در میان آنها ، R مقاومت خط است.

از جدول 1 مشاهده می شود که نتایج اندازه گیری نظری روش پل متعادل سه سیم دارای خطاهای زیادی است و خطای ناشی از افزایش مقاومت خط R بزرگتر است. از آنجا که مقدار مقاومت مقاومت حرارتی برای اندازه گیری افزایش می یابد ، خطای مطلق نیز افزایش می یابد. در جدول 1 ، خطای مطلق 2.57 ٪ است که مقاومت اندازه گیری شده RT {5}} ω و مقاومت خط r {6}} ω. نتایج اندازه گیری واقعی روش سه سیم بهبود یافته مورد استفاده در این مقاله فقط یک خطای مطلق فقط {8}} 3 Ω و یک خطای نسبی {10 {}}} 1 ٪ در محدوده داده های اندازه گیری شده است. مبدل A/D مورد استفاده در مدار فقط معادل 14-} دقت تبدیل A/D است. در صورت استفاده از مبدل A/D با دقت بالاتر ، می توان از دقت اندازه گیری بالاتر حاصل شد. در ابزار اندازه گیری دمای سنسور مقاومت حرارتی واقعی ، همچنین لازم است یک برنامه مرتبط اضافه شود که مقاومت اندازه گیری شده را به دمای مربوطه تبدیل می کند. یعنی پس از اندازه گیری RT ، مقدار دمای واقعی را می توان با فرمول (1) به طور دقیق حل کرد.

3 نتیجه گیری

روش پل متعادل سه سیم به طور گسترده ای در اندازه گیری مقاومت حرارتی مورد استفاده قرار می گیرد ، اما مشکلی وجود دارد که خطای اندازه گیری ناشی از مقاومت سرب سنسور از بین نمی رود. در این مقاله به تجزیه و تحلیل مشکلات موجود در روش پل متعادل برای اندازه گیری مقاومتهای حرارتی ، یک روش اندازه گیری سه سیم تقسیم ولتاژ ثابت پیشنهاد می کند ، علل و عوامل تأثیرگذار خطای مدار اندازه گیری را تجزیه و تحلیل می کند ، مشتق می شود و پارامترهای تأثیرگذار و فرمول های مقاومت را که اندازه گیری می شود ، ایجاد می کند و از جمله A/Distruction An-Distruction Amplifier An-Distrantue An-An-Distrance An-an An-an Consinter An-an An-an Consinter An-an Consinter An-an an an an an an ییلاقی. میکرو رایانه تک تراشه. سرانجام ، دقت آزمایش مدار طراحی شده آزمایش و تعیین می شود. این آزمایش نشان می دهد که وقتی روش پل متعادل سه سیم ، مقدار مقاومت استاندارد 1 {6}} 0 300 ~ 300 ~ را اندازه گیری می کند و مقاومت خط 0 ~ 20Ω است ، خطای اندازه گیری **** به 2.57 ٪ می رسد ، در حالی که خطای اندازه گیری متوازن فقط 0.1 ٪ است. بنابراین ، یک مدار اندازه گیری مقاومت حرارتی سه سیم با دقت بالا بدست می آید.