Diagrama de projeto do circuito de medição de resistência térmica de alta precisão com base no sistema de três fios

O sensor do termistor é um sensor de temperatura cujo valor de resistência muda com a temperatura ambiente. Entre eles, o termistor feito de platina de metal é amplamente utilizado devido à sua boa estabilidade, alta precisão e ampla faixa de medição de temperatura. Termômetros termistores para medir a temperatura são compostos principalmente de sensores do termômetro, medindo instrumentos de exibição e fios de conexão. Como a sensibilidade à temperatura do própria sensor do termômetro é baixa, a resistência da linha do fio de conexão influencia o resultado da medição que não pode ser ignorado. Para eliminar a influência da resistência ao fio, o termômetro usa amplamente o método de conexão de três fios da ponte equilibrada. Esse método pode compensar o erro de temperatura até certo ponto, mas a influência da resistência à linha ainda existe. É proposto um método de compensação de resistência ao fio de três fios baseado em tensão constante e divisor de tensão. O circuito é simples e fácil de implementar, e a influência da resistência ao fio pode ser completamente eliminada. Comparado com o método de compensação de resistência ao fio proposto na literatura que usa mais circuitos de hardware para compensação de resistência ao fio, esse método possui um circuito de compensação de resistência ao fio mais simples.

1 Análise de métodos de medição de termômetro comumente usados

Para o termômetro de platina PT100, a relação entre sua resistência e temperatura é dada na escala internacional de temperatura BS -90, como mostrado na fórmula (1).

Na fórmula, a RT é a resistência do resistor térmico a uma temperatura do grau t, r {{0}}} é a resistência do resistor térmico a uma temperatura de 0 graus, r 0=100 ω, a =3. B =-5. 847x 10-7 grau -2, c =-4. 22x 10-12 graus -3 são coeficientes relacionados ao próprio sensor.
Da fórmula (1), pode -se observar que a sensibilidade do pt1 0 0 resistor térmico tem cerca de 0. 38Ω/ grau. Para reduzir a influência da resistência da linha do fio de conexão no resultado da medição, o método da ponte de três fios é geralmente usado para medição. Vr =1 V. O princípio do circuito é mostrado na Figura 1. RT é o resistor de medição de temperatura, r é a resistência ao fio de conexão, r1, r2, r3 são braços de ponte fixa, r {{}}} r 2=1 000, r {3=100 ω. Neste circuito, três fios são conectados ao braço da ponte do sensor, ao braço da ponte do resistor e à extremidade da saída, respectivamente. Este método pode facilmente medir a resistência RT a ser medida. No entanto, no uso real, muitas vezes há uma certa distância entre o sensor de temperatura e o circuito de medição de temperatura, e a resistividade do fio de conexão é de cerca de 0,1 ~ 0,5 Ω/m. O erro de medição causado pela resistência ao fio de conexão R não pode ser ignorado.

Como mostrado na Figura 1, quando a resistência à linha r não é considerada, a saída da ponte é:, quando a resistência da linha é considerada, a saída da ponte VC=vr (rt+r) ／ (r 1+ rt+r) -vr (r 3+ {}} (r {rt+r) -vr (r 3+ {}} (r (r (r) A ponte é equilibrada quando Rt=rx, ou seja, r2rx=r1r3, e a resistência ao braço da ponte r 1= r {{}}} r 3= rx=r quando rt por {{16} rx=r quando rt por 3= que é que é O erro causado pela existência da resistência à linha r pode ser calculado como:

Pode -se observar que a resistência ao fio r afeta o resultado da medição da RT e não pode ser completamente eliminada pelo circuito de zero. Com base na análise acima, é proposto um divisor de tensão constante de três fios de alta precisão, é proposto.

2 Divisor de tensão constante Circuito de medição de três fios

2.1 Princípio de medição

O método de três fios do divisor de tensão constante usado aqui para medir a resistência pode eliminar a interferência da resistência ao fio. Seu diagrama esquemático equivalente é mostrado na Figura 2. Onde a RT é o resistor térmico. R é a resistência equivalente do fio. VR é a tensão de referência, o VAD é a tensão de referência do conversor A/D e é o fator de ampliação da tensão.

O relacionamento básico pode ser obtido da Lei de Ohm:

Da fórmula (3), pode -se observar que, quando RV e VR são conhecidos, para obter RT, apenas V2 e V1 precisam ser medidos e não tem nada a ver com a resistência ao fio r. E a precisão da medição depende apenas da precisão do RV e da precisão da medição de V1 e V2. A resistência ao fio que não pode ser eliminada no método da ponte é completamente eliminada no método de três fios do divisor de tensão constante.
Como a temperatura do resistor térmico aumentará quando a corrente passar por ele, seu próprio erro de auto-aquecimento deve ser considerado, ou seja, o erro de aumento da temperatura causado pela corrente que flui através do resistor térmico deve ser considerado. O Pt1 {3}} {5}} comumente usado No grau 0, é equivalente a um poder de auto-aquecimento de cerca de 0,1 MW. Ao medir com alta precisão, o poder de auto-aquecimento deve ser reduzido ainda mais para reduzir o erro de auto-aquecimento. Aqui, VR =2. 5V e RV =10 Kω são definidos, e o poder de auto-aquecimento é de cerca de 0,006 MW.

2.2 Medidas para melhorar a precisão da medição

Semelhante ao método da ponte equilibrada de três fios, as tensões de saída V1 e V2 do circuito mostradas na Figura 2 são pequenas em valor e uma amplificação de tensão de primeiro nível deve ser adicionada antes da conversão A/D. A tensão de referência VR geralmente é fornecida por uma fonte de tensão constante de precisão para fornecer um sinal de tensão estável. Além disso, quando o software microcontrolador seleciona um algoritmo e comprimento de palavra apropriados nos cálculos matemáticos, o erro de cálculo também pode ser ignorado. No entanto, o fator de amplificação e o VD do circuito do amplificador variam de componente para componente, especialmente na produção em massa, é difícil garantir a precisão dos componentes. Portanto, para um circuito de entrada específico, o erro causado por e RV também deve ser considerado.
Para eliminar o erro causado por e RV, o método de calibração pode ser usado para calibrar e calcular automaticamente os valores reais do circuito e o VD durante a produção de instrumentos. Esses dois parâmetros são então registrados na memória não volátil do instrumento. Quando o instrumento mede a temperatura, os parâmetros são lidos e calculados de acordo com a fórmula (1) para obter a temperatura medida precisa.
Se o fio longo na Figura 2 for substituído pelo fio mais curto possível (ou seja, r =0), e o resistor térmico RT é substituído por um resistor de precisão R, o VAD é a tensão de referência do conversor a/d, é o fator de ampliação da tensão e o restante permanecerá inalterado, então:

Na fórmula (4), R é um resistor de precisão com um valor de resistência conhecido; D é o resultado da conversão A/D, que pode ser facilmente lida no dispositivo de exibição do instrumento; VR e VAD são tensões de referência, que são constantes; é o fator de ampliação total do circuito; K é o fator proporcional da conversão A/D, como k =214 para um conversor 14- bit a/d. Depois, existem apenas dois RV de incógnitas e na fórmula (2). Para um circuito de entrada específico, se dois resistores de precisão R1 e R2 com valores de resistência conhecidos forem conectados ao circuito mostrado na Figura 2 para calibração (ao calibrar, tente fazer r =0), um conjunto de equações lineares de duas variáveis ​​pode ser obtido. Assim, para um circuito de entrada específico, e o RV pode ser resolvido das equações, e os resultados são os seguintes:

O método de calibração acima pode ser resumido da seguinte forma: Dois resistores padrão de precisão R1 e R2 com valores de resistência conhecidos são conectados aos terminais de entrada do instrumento, respectivamente, e a resistência do fio de conexão é minimizada o máximo possível. Neste momento, as leituras do instrumento D1 e D2 são registradas, e os parâmetros desconhecidos e o RV do instrumento calibrado podem ser calculados substituindo -os na fórmula (5). Em uso, é recomendável usar a mesma fonte de referência para VR e VAD, para que o cálculo da fórmula (5) seja independente da precisão da tensão de referência. Esse método reduz as diferenças entre diferentes fontes de referência, especialmente a influência do desvio do tempo e da deriva da temperatura de diferentes referências.
2.3 Circuito de medição
A Figura 3 é o circuito de entrada frontal do sistema de medição de temperatura PT100 de alta precisão, no qual a tensão de referência PT100 e a tensão de referência do conversor A/D ICL7135 são a mesma fonte de referência de tensão. Os dois sinais de entrada de medição v1 e v2 de PT100 são amplificados pelo mesmo amplificador operacional (1+ r3/r4) tempos e, em seguida, insira o conversor a/d. O relé micro K1 é usado para seleção de canais. Este método compartilha o amplificador operacional, o conversor A/D e a fonte de tensão de referência, reduzindo o impacto das diferenças entre diferentes dispositivos nos resultados da medição. O resultado da conversão A/D do ICL7135 é conectado ao microcontrolador no modo serial, que pode salvar bastante a porta IO do microcontrolador. Ao calibrar o circuito, os resistores padrão 100Ω e 300Ω são usados ​​para calibração, e os resultados da calibração e o VD são armazenados na EEPROM do sistema de microcontroladores. Na medição real, o sistema de microcontroladores retira e o RV como valores conhecidos e calcula o valor de resistência RT por fórmula (3).

2.4 Análise do teste de circuito de medição

Comparado com o método da ponte equilibrada de três fios, os resultados de detecção desse circuito foram bastante aprimorados. A Tabela 1 é uma comparação dos valores de resistência padrão medidos por dois métodos diferentes. Entre eles, R é a resistência à linha.

Pode ser visto na Tabela 1 que os resultados da medição teórica do método da ponte equilibrada de três fios têm grandes erros, e o erro causado pelo aumento da resistência à linha r é maior. À medida que o valor de resistência do resistor térmico a ser medido aumenta, o erro absoluto também aumenta. Na Tabela 1, o erro absoluto é de 2,57% quando a resistência medida rt =300 ω e a resistência à linha r =20 ω. Os resultados reais da medição do método aprimorado de três fios utilizados neste documento têm um erro absoluto de apenas 0. 3 Ω e um erro relativo de ± 0. 1% dentro da faixa de dados medida. O conversor A/D usado no circuito é equivalente apenas a 14- bit A/D de precisão de conversão. Se um conversor A/D de maior precisão for usado, maior precisão de medição pode ser alcançada. No instrumento real de medição de temperatura do sensor térmico do resistor térmico, também é necessário adicionar um programa relacionado que converte a resistência medida na temperatura correspondente. Ou seja, após a medição da RT, o valor real da temperatura pode ser resolvido com precisão pela fórmula (1).

3 Conclusão

O método da ponte equilibrado de três fios é amplamente utilizado na medição do resistor térmico, mas há um problema de que o erro de medição causado pela resistência ao chumbo do sensor não pode ser eliminado. 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 a microcomputador de chip único. Finalmente, a precisão do teste do circuito projetada é testada e determinada. O teste mostra que quando o método da ponte equilibrado de três fios mede o valor de resistência padrão de 1 0 0 ~ 300Ω e a resistência à linha é 0 ~ 20Ω, o erro de medição **** atinge 2,57%, enquanto o erro de medição de três fios equilibrado é apenas ± 0,1%. Assim, é obtido um circuito de medição de resistor térmico de três fios de alta precisão.