Diagram desain sirkuit pengukuran resistansi termal presisi tinggi berdasarkan sistem tiga kawat

Sensor termistor adalah sensor suhu yang nilai resistansinya berubah dengan suhu sekitar. Di antara mereka, termistor yang terbuat dari logam platinum banyak digunakan karena stabilitasnya yang baik, akurasi tinggi, dan rentang pengukuran suhu yang luas. Thermistor Thermometer untuk mengukur suhu terutama terdiri dari sensor termometer, mengukur instrumen tampilan, dan kabel penghubung. Karena sensitivitas suhu sensor termometer itu sendiri rendah, resistansi garis kawat penghubung memiliki pengaruh pada hasil pengukuran yang tidak dapat diabaikan. Untuk menghilangkan pengaruh resistansi kawat, termometer secara luas menggunakan metode koneksi tiga kawat jembatan seimbang. Metode ini dapat mengkompensasi kesalahan suhu sampai batas tertentu, tetapi pengaruh resistansi garis masih ada. Metode kompensasi resistensi kawat tiga kawat berdasarkan tegangan konstan dan pembagi tegangan diusulkan. Sirkuitnya sederhana dan mudah diimplementasikan, dan pengaruh resistensi kawat dapat sepenuhnya dihilangkan. Dibandingkan dengan metode kompensasi resistensi kawat yang diusulkan dalam literatur yang menggunakan lebih banyak sirkuit perangkat keras untuk kompensasi resistensi kawat, metode ini memiliki sirkuit kompensasi resistensi kawat yang lebih sederhana.

1 Analisis metode pengukuran termometer yang umum digunakan

Untuk termometer PT100 platinum, hubungan antara resistensi dan suhunya diberikan dalam skala suhu internasional BS -90 seperti yang ditunjukkan dalam rumus (1).

Dalam rumus, RT adalah resistansi resistor termal pada suhu derajat T, r {{0}} adalah resistansi resistor termal pada suhu 0 derajat, r {{2} {5 {5 {5 {{{{3} {{{{{{3 {{{{{{{3 {{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{ev ev {". B =-5. 847x 10-7 derajat -2, c =-4. 22x 10-12 derajat -3 adalah koefisien yang terkait dengan sensor itu sendiri.
Dari rumus (1), dapat dilihat bahwa sensitivitas pt1 0 0 resistor termal adalah tentang 0. 38Ω/ derajat. Untuk mengurangi pengaruh resistansi garis kawat penghubung pada hasil pengukuran, metode jembatan tiga kawat umumnya digunakan untuk pengukuran. Vr =1 V. Prinsip sirkuit ditunjukkan pada Gambar 1. RT adalah resistor pengukuran suhu, r adalah resistansi kawat penghubung, R1, R2, R3 adalah lengan jembatan tetap, R 1= r 2=1 000 Ω, r 3=100. Di sirkuit ini, tiga kabel terhubung ke lengan jembatan sensor, lengan jembatan resistor dan ujung output masing -masing. Metode ini dapat dengan mudah mengukur resistansi RT untuk diukur. Namun, dalam penggunaan aktual, seringkali ada jarak tertentu antara sensor suhu dan sirkuit pengukuran suhu, dan resistivitas kawat penghubung adalah sekitar 0,1 ~ 0,5 Ω/m. Kesalahan pengukuran yang disebabkan oleh resistansi kawat penghubung R tidak dapat diabaikan.

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1, ketika resistansi garis R tidak dipertimbangkan, output dari jembatan adalah:, ketika resistansi garis dipertimbangkan, output jembatan vc=vr (rt+r) ／ (r {{3} {r) {r) {r {r {r) {r) {r) {r) {r) {r) {r) {r) {r) {r) {r) {r) {r {r) {r) {r) {r) {r {r) {r {r) {r) {r {r) {r {r) {r {r) {r {r) {r {r) {r {r) that the bridge is balanced when Rt=Rx, that is, R2Rx=R1R3, and the bridge arm resistance R1=R2=R3=Rx=R, when Rt changes by △R, that is, Rt=r+△ r, kesalahan yang disebabkan oleh keberadaan resistansi garis r dapat dihitung sebagai:

Dapat dilihat bahwa resistansi kawat R mempengaruhi hasil pengukuran RT, dan tidak dapat sepenuhnya dihilangkan oleh sirkuit zeroing. Berdasarkan analisis di atas, sirkuit preamplifier presisi tinggi pembagi tegangan konstan yang dapat sepenuhnya menghilangkan kesalahan kawat diusulkan.

2 Sirkuit Pengukuran Tiga Tegangan Tegangan Konstan

2.1 Prinsip Pengukuran

Metode tiga kawat pembagi tegangan konstan yang digunakan di sini untuk mengukur resistensi dapat menghilangkan gangguan resistensi kawat. Diagram skematik yang setara ditunjukkan pada Gambar 2. Di mana RT adalah resistor termal. R adalah resistensi setara dari kawat. VR adalah tegangan referensi, VAD adalah tegangan referensi dari konverter A/D, dan merupakan faktor pembesaran tegangan.

Hubungan dasar dapat diperoleh dari hukum Ohm:

Dari rumus (3), dapat dilihat bahwa ketika RV dan VR diketahui, untuk mendapatkan RT, hanya V2 dan V1 yang perlu diukur, dan tidak ada hubungannya dengan resistansi kawat r. Dan akurasi pengukuran hanya tergantung pada keakuratan RV dan akurasi pengukuran V1 dan V2. Resistansi kawat yang tidak dapat dieliminasi dalam metode jembatan sepenuhnya dihilangkan dalam metode tiga-kawat pembagi tegangan konstan.
Karena suhu resistor termal akan naik ketika arus melewati itu, kesalahan pemanasan diri sendiri harus dipertimbangkan, yaitu, kesalahan kenaikan suhu yang disebabkan oleh arus yang mengalir melalui resistor termal harus dipertimbangkan. Pt1 0 0 arus drive termal adalah sekitar 1 mA. Pada derajat 0, setara dengan kekuatan pemanasan diri sekitar 0,1 mW. Saat mengukur dengan presisi tinggi, kekuatan pemanasan diri harus dikurangi lebih lanjut untuk mengurangi kesalahan pemanasan diri. Di sini, vr =2. 5v dan rv =10 kΩ diatur, dan kekuatan pemanasan diri sekitar 0,006 mW.

2.2 Langkah -langkah untuk meningkatkan akurasi pengukuran

Mirip dengan metode jembatan seimbang tiga kawat, tegangan output V1 dan V2 dari sirkuit yang ditunjukkan pada Gambar 2 bernilai kecil, dan amplifikasi tegangan tingkat pertama harus ditambahkan sebelum konversi A/D. Tegangan referensi VR umumnya disediakan oleh sumber tegangan konstan presisi untuk memberikan sinyal tegangan yang stabil. Selain itu, ketika perangkat lunak mikrokontroler memilih algoritma dan panjang kata yang sesuai dalam perhitungan matematika, kesalahan perhitungan juga dapat diabaikan. Namun, faktor amplifikasi dan RV dari sirkuit penguat akan bervariasi dari komponen ke komponen, terutama dalam produksi massal, keakuratan komponen sulit untuk memastikan keseragaman. Oleh karena itu, untuk sirkuit input tertentu, kesalahan yang disebabkan oleh dan RV juga harus dipertimbangkan.
Untuk menghilangkan kesalahan yang disebabkan oleh dan RV, metode kalibrasi dapat digunakan untuk secara otomatis mengkalibrasi dan menghitung sirkuit aktual dan nilai RV selama produksi instrumen. Kedua parameter ini kemudian dicatat dalam memori non-volatile dari instrumen. Ketika instrumen mengukur suhu, parameter dibaca dan dihitung sesuai dengan rumus (1) untuk mendapatkan suhu yang diukur akurat.
Jika kawat panjang pada Gambar 2 digantikan oleh kabel terpendek yang mungkin (yaitu r =0), dan resistor termal RT digantikan oleh resistor presisi R, VAD adalah tegangan referensi dari konverter A/D, adalah faktor pembesaran tegangan, dan sisanya tetap tidak tergantung, kemudian: kemudian:

Dalam rumus (4), R adalah resistor presisi dengan nilai resistansi yang diketahui; D adalah hasil konversi A/D, yang dapat dengan mudah dibaca dari perangkat tampilan instrumen; VR dan VAD adalah tegangan referensi, yang merupakan konstanta; adalah faktor pembesaran total sirkuit; K adalah faktor proporsional dari konversi A/D, seperti k =214 untuk konverter 14- bit A/D. Lalu hanya ada dua RV yang tidak diketahui dan dalam formula (2). Untuk sirkuit input spesifik, jika dua resistor presisi R1 dan R2 dengan nilai resistansi yang diketahui terhubung ke sirkuit yang ditunjukkan pada Gambar 2 untuk kalibrasi (ketika kalibrasi, cobalah untuk membuat r {{7}), satu set persamaan linier dua variabel dapat diperoleh. Dengan demikian, untuk sirkuit input tertentu, dan RV dapat diselesaikan dari persamaan, dan hasilnya adalah sebagai berikut:

Metode kalibrasi di atas dapat dirangkum sebagai berikut: Dua resistor standar presisi R1 dan R2 dengan nilai resistansi yang diketahui terhubung ke terminal input masing -masing instrumen, dan resistansi kawat penghubung diminimalkan sebanyak mungkin. Pada saat ini, pembacaan instrumen D1 dan D2 direkam, dan parameter yang tidak diketahui dan RV dari instrumen yang dikalibrasi dapat dihitung dengan mengganti mereka menjadi formula (5). Dalam penggunaan, disarankan untuk menggunakan sumber referensi yang sama untuk VR dan VAD, sehingga perhitungan dalam rumus (5) tidak tergantung pada keakuratan tegangan referensi. Metode ini mengurangi perbedaan antara sumber referensi yang berbeda, terutama pengaruh penyimpangan waktu dan penyimpangan suhu dari berbagai referensi.
2.3 Sirkuit Pengukuran
Gambar 3 adalah sirkuit input depan dari sistem pengukuran suhu PT100 presisi tinggi, di mana tegangan referensi PT100 dan tegangan referensi konverter A/D ICL7135 adalah sumber referensi tegangan yang sama. Dua sinyal input pengukuran V1 dan V2 dari PT100 diamplifikasi oleh penguat operasional yang sama (1+ r3/r4) kali dan kemudian masukkan konverter A/D. Mikro relay K1 digunakan untuk pemilihan saluran. Metode ini berbagi penguat operasional, konverter A/D, dan sumber tegangan referensi, mengurangi dampak perbedaan antara perangkat yang berbeda pada hasil pengukuran. Hasil konversi A/D dari ICL7135 terhubung ke mikrokontroler dalam mode serial, yang dapat sangat menyimpan port IO dari mikrokontroler. Saat mengkalibrasi sirkuit, resistor standar 100Ω dan 300Ω digunakan untuk kalibrasi, dan hasil kalibrasi dan RV disimpan dalam EEPROM dari sistem mikrokontroler. Dalam pengukuran aktual, sistem mikrokontroler mengeluarkan dan RV sebagai nilai yang diketahui, dan menghitung nilai RT resistansi dengan rumus (3).

2.4 Analisis Uji Sirkuit Pengukuran

Dibandingkan dengan metode jembatan seimbang tiga kawat, hasil deteksi sirkuit ini telah sangat ditingkatkan. Tabel 1 adalah perbandingan dari nilai resistansi standar yang diukur dengan dua metode yang berbeda. Di antara mereka, R adalah resistensi garis.

Dapat dilihat dari Tabel 1 bahwa hasil pengukuran teoritis dari metode jembatan seimbang tiga kawat memiliki kesalahan besar, dan kesalahan yang disebabkan oleh peningkatan resistansi garis R lebih besar. Ketika nilai resistansi resistor termal untuk diukur meningkat, kesalahan absolut juga meningkat. Pada Tabel 1, kesalahan absolut adalah 2,57% ketika resistansi yang diukur RT =300 Ω dan resistansi garis R =20 Ω. Hasil pengukuran aktual dari metode tiga kawat yang ditingkatkan yang digunakan dalam makalah ini memiliki kesalahan absolut hanya 0. 3 Ω dan kesalahan relatif ± 0. 1% dalam rentang data yang diukur. Konverter A/D yang digunakan dalam sirkuit hanya setara dengan {14- bit A/D AKURACTION. Jika konverter A/D presisi yang lebih tinggi digunakan, akurasi pengukuran yang lebih tinggi dapat dicapai. Dalam instrumen pengukuran suhu sensor resistor termal aktual, juga perlu untuk menambahkan program terkait yang mengubah resistansi yang diukur menjadi suhu yang sesuai. Artinya, setelah RT diukur, nilai suhu aktual dapat diselesaikan secara akurat dengan rumus (1).

3 Kesimpulan

Metode jembatan seimbang tiga kawat banyak digunakan dalam pengukuran resistor termal, tetapi ada masalah bahwa kesalahan pengukuran yang disebabkan oleh resistansi timbal sensor tidak dapat dihilangkan. Makalah ini menganalisis masalah-masalah yang ada dalam metode jembatan seimbang untuk mengukur resistor termal, mengusulkan metode pengukuran tiga kawat pembagi tegangan konstan, menganalisis penyebab dan faktor-faktor yang mempengaruhi kesalahan sirkuit pengukuran, dan merancang pengukuran yang lebih baik, termasuk pengukuran yang lebih baik, termasuk a. Sirkuit dengan komputer mikro tunggal. Akhirnya, akurasi uji sirkuit yang dirancang diuji dan ditentukan. Tes menunjukkan bahwa ketika metode jembatan seimbang tiga kawat mengukur nilai resistansi standar 1 0 0 ~ 300Ω dan resistansi garis adalah 0 ~ 20Ω, kesalahan pengukuran **** mencapai 2,57%, sedangkan kesalahan pengukuran tiga-kabel yang seimbang hanya ± 0,1%. Dengan demikian, sirkuit pengukuran resistor termal tiga kawat presisi tinggi diperoleh.