Thiết kế sơ đồ của mạch đo điện trở nhiệt độ chính xác cao dựa trên hệ thống ba dây

Cảm biến nhiệt điện là một cảm biến nhiệt độ có giá trị điện trở thay đổi theo nhiệt độ môi trường. Trong số đó, nhiệt điện trở được làm bằng bạch kim kim loại được sử dụng rộng rãi vì độ ổn định tốt, độ chính xác cao và phạm vi đo nhiệt độ rộng. Nhiệt kế nhiệt điện để đo nhiệt độ chủ yếu bao gồm các cảm biến nhiệt kế, đo dụng cụ hiển thị và dây nối. Do độ nhạy nhiệt độ của cảm biến nhiệt kế thấp, điện trở đường của dây kết nối có ảnh hưởng đến kết quả đo không thể bỏ qua. Để loại bỏ ảnh hưởng của điện trở dây, nhiệt kế sử dụng rộng rãi phương pháp kết nối ba dây cân bằng. Phương pháp này có thể bù lỗi nhiệt độ ở một mức độ nhất định, nhưng ảnh hưởng của điện trở dòng vẫn tồn tại. Một phương pháp bù điện trở dây ba dây dựa trên phân chia điện áp và điện áp không đổi được đề xuất. Mạch rất đơn giản và dễ thực hiện, và ảnh hưởng của điện trở dây có thể được loại bỏ hoàn toàn. So với phương pháp bù điện trở dây được đề xuất trong tài liệu sử dụng nhiều mạch phần cứng hơn để bù điện trở dây, phương pháp này có mạch bù điện trở dây đơn giản hơn.

1 Phân tích các phương pháp đo nhiệt kế thường được sử dụng

Đối với nhiệt kế bạch kim PT100, mối quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ của nó được đưa ra trong thang đo nhiệt độ quốc tế BS -90 như trong công thức (1).

Trong công thức, RT là điện trở của điện trở nhiệt ở nhiệt độ t độ T, r {{0}} là điện trở của điện trở nhiệt ở nhiệt độ 0 độ, r 0=100 B =-5. 847x 10-7 độ -2, c =-4. 22x 10-12 độ -3 là các hệ số liên quan đến chính cảm biến.
Từ công thức (1), có thể thấy rằng độ nhạy của Pt1 0 0 Điện trở nhiệt là khoảng 0. 38Ω/ độ. Để giảm ảnh hưởng của điện trở dòng của dây kết nối đến kết quả đo, phương pháp cầu ba dây thường được sử dụng để đo. VR =1 V. Nguyên tắc mạch được hiển thị trong Hình 1. RT là điện trở đo nhiệt độ, r là điện trở dây kết nối, R1, R2, R3 là các nhánh cầu cố định, r 1= r 2=1 000 Trong mạch này, ba dây được kết nối với cánh tay cầu cảm biến, cánh tay cầu điện trở và đầu ra kết thúc tương ứng. Phương pháp này có thể dễ dàng đo lường điện trở RT được đo. Tuy nhiên, trong sử dụng thực tế, thường có một khoảng cách nhất định giữa cảm biến nhiệt độ và mạch đo nhiệt độ và điện trở suất của dây kết nối là khoảng 0,1 ~ 0,5 ω/m. Lỗi đo lường gây ra bởi điện trở dây kết nối R không thể bị bỏ qua.

Như được hiển thị trong Hình 1, khi không được xem xét điện trở đường r, đầu ra của cầu là :, khi xem xét điện trở đường, đầu ra cầu vc =} vr (rt+r) Giả sử rằng cây cầu được cân bằng khi rt=rx, nghĩa là, r2rx=r1r3 và điện trở cầu cầu r 1= r {{15} RT=r+r, lỗi gây ra bởi sự tồn tại của điện trở dòng r có thể được tính là:

Có thể thấy rằng điện trở dây R ảnh hưởng đến kết quả đo của RT và nó không thể được loại bỏ hoàn toàn bằng mạch zeroing. Dựa trên phân tích trên, một bộ chia điện áp không đổi ba dây có thể loại bỏ hoàn toàn các lỗi dây được đề xuất.

2 Mạch đo ba dây điện áp không đổi

2.1 Nguyên tắc đo lường

Phương pháp ba dây điện áp không đổi được sử dụng ở đây để đo điện trở có thể loại bỏ sự can thiệp của điện trở dây. Sơ đồ sơ đồ tương đương của nó được hiển thị trong Hình 2. Trong đó RT là điện trở nhiệt. R là điện trở tương đương của dây. VR là điện áp tham chiếu, VAD là điện áp tham chiếu của bộ chuyển đổi A/D và là hệ số phóng đại điện áp.

Mối quan hệ cơ bản có thể được lấy từ luật của Ohm:

Từ công thức (3), có thể thấy rằng khi RV và VR được biết đến, để có được RT, chỉ cần đo được V2 và V1, và nó không liên quan gì đến điện trở dây r. Và độ chính xác của phép đo chỉ phụ thuộc vào độ chính xác của RV và độ chính xác đo lường của V1 và V2. Điện trở dây không thể loại bỏ trong phương pháp cầu được loại bỏ hoàn toàn trong phương pháp ba dây phân chia điện áp không đổi.
Vì nhiệt độ của điện trở nhiệt sẽ tăng khi dòng điện đi qua nó, nên phải xem xét lỗi tự làm nóng của chính nó, nghĩa là lỗi tăng nhiệt độ do dòng chảy qua điện trở nhiệt phải được xem xét. PT1 0} 0 thường được sử dụng Dòng điện điện trở nhiệt là khoảng 1 mA. Ở mức độ 0, nó tương đương với sức mạnh tự làm nóng khoảng 0,1 MW. Khi đo với độ chính xác cao, sức mạnh tự làm nóng nên được giảm thêm để giảm lỗi tự làm nóng. Ở đây, VR =2.

2.2 Các biện pháp để cải thiện độ chính xác đo lường

Tương tự như phương pháp cầu cân bằng ba dây, điện áp đầu ra V1 và V2 của mạch được hiển thị trong Hình 2 có giá trị nhỏ và nên thêm khuếch đại điện áp cấp đầu tiên trước khi chuyển đổi A/D. VR điện áp tham chiếu thường được cung cấp bởi một nguồn điện áp hằng số chính xác để cung cấp tín hiệu điện áp ổn định. Ngoài ra, khi phần mềm vi điều khiển chọn một thuật toán và độ dài từ thích hợp trong các tính toán toán học, lỗi tính toán cũng có thể bị bỏ qua. Tuy nhiên, hệ số khuếch đại và RV của mạch khuếch đại sẽ thay đổi từ thành phần này sang thành phần khác, đặc biệt là trong sản xuất khối lượng, độ chính xác của các thành phần rất khó để đảm bảo tính đồng nhất. Do đó, đối với một mạch đầu vào cụ thể, lỗi gây ra bởi và RV cũng phải được xem xét.
Để loại bỏ lỗi gây ra bởi và RV, phương pháp hiệu chuẩn có thể được sử dụng để tự động hiệu chỉnh và tính toán các giá trị mạch và RV thực tế trong quá trình sản xuất thiết bị. Hai tham số này sau đó được ghi lại trong bộ nhớ không bay hơi của thiết bị. Khi thiết bị đo nhiệt độ, các tham số được đọc và tính toán theo công thức (1) để thu được nhiệt độ đo chính xác.
Nếu dây dài trong Hình 2 được thay thế bằng dây ngắn nhất có thể (tức là r =0) và điện trở nhiệt RT được thay thế bằng điện trở R, VAD là điện áp tham chiếu của bộ chuyển đổi A/D, là hệ số phóng đại điện áp và phần còn lại không thay đổi, sau đó:

Trong công thức (4), R là một điện trở chính xác có giá trị điện trở đã biết; D là kết quả của việc chuyển đổi A/D, có thể dễ dàng đọc từ thiết bị hiển thị thiết bị; VR và VAD là điện áp tham chiếu, là hằng số; là tổng hệ số phóng đại của mạch; K là hệ số tỷ lệ của chuyển đổi A/D, chẳng hạn như k =214 cho một trình chuyển đổi 14- bit a/d. Sau đó, chỉ có hai ẩn số RV và trong công thức (2). Đối với một mạch đầu vào cụ thể, nếu hai điện trở chính xác R1 và R2 với các giá trị điện trở đã biết được kết nối với mạch được hiển thị trong Hình 2 để hiệu chuẩn (khi hiệu chỉnh, hãy thử tạo R =0), có thể thu được một tập hợp các phương trình tuyến tính hai biến. Do đó, đối với một mạch đầu vào cụ thể và RV có thể được giải từ các phương trình và kết quả như sau:

Phương pháp hiệu chuẩn trên có thể được tóm tắt như sau: hai điện trở tiêu chuẩn chính xác R1 và R2 với các giá trị điện trở đã biết được kết nối với các đầu vào của thiết bị tương ứng và điện trở của dây kết nối được giảm thiểu càng nhiều càng tốt. Tại thời điểm này, các bài đọc của thiết bị D1 và D2 ​​được ghi lại và các tham số chưa biết và RV của thiết bị hiệu chuẩn có thể được tính bằng cách thay thế chúng thành công thức (5). Trong sử dụng, nên sử dụng cùng một nguồn tham chiếu cho VR và VAD, do đó việc tính toán trong công thức (5) không phụ thuộc vào độ chính xác của điện áp tham chiếu. Phương pháp này làm giảm sự khác biệt giữa các nguồn tham chiếu khác nhau, đặc biệt là ảnh hưởng của thời gian trôi dạt và nhiệt độ của các tài liệu tham khảo khác nhau.
2.3 Mạch đo
Hình 3 là mạch đầu vào phía trước của hệ thống đo nhiệt độ PT100 có độ chính xác cao, trong đó điện áp tham chiếu PT100 và điện áp tham chiếu của bộ chuyển đổi A/D ICL7135 là cùng một nguồn tham chiếu điện áp. Hai tín hiệu đầu vào đo V1 và V2 của PT100 được khuếch đại bởi cùng một bộ khuếch đại hoạt động (1+ r3/r4) và sau đó nhập bộ chuyển đổi A/D. Rơle micro K1 được sử dụng để lựa chọn kênh. Phương pháp này chia sẻ bộ khuếch đại hoạt động, bộ chuyển đổi A/D và nguồn điện áp tham chiếu, giảm tác động của sự khác biệt giữa các thiết bị khác nhau đối với kết quả đo. Kết quả chuyển đổi A/D của ICL7135 được kết nối với bộ vi điều khiển ở chế độ nối tiếp, có thể lưu rất nhiều cổng IO của vi điều khiển. Khi hiệu chỉnh mạch, các điện trở chuẩn 100 và 300Ω được sử dụng để hiệu chuẩn và kết quả hiệu chuẩn và RV được lưu trữ trong EEPROM của hệ thống vi điều khiển. Trong phép đo thực tế, hệ thống vi điều khiển lấy ra và RV là các giá trị đã biết và tính toán giá trị RT điện trở theo công thức (3).

2.4 Phân tích kiểm tra mạch đo lường

So với phương pháp cầu cân bằng ba dây, kết quả phát hiện của mạch này đã được cải thiện rất nhiều. Bảng 1 là so sánh các giá trị điện trở tiêu chuẩn được đo bằng hai phương pháp khác nhau. Trong số đó, R là sức đề kháng của dòng.

Có thể thấy từ Bảng 1 rằng kết quả đo lý thuyết của phương pháp cầu cân bằng ba dây có lỗi lớn và lỗi do sự gia tăng của điện trở R lớn hơn. Khi giá trị điện trở của điện trở nhiệt được đo tăng, lỗi tuyệt đối cũng tăng. Trong Bảng 1, lỗi tuyệt đối là 2,57% khi điện trở đo được rt =300 và điện trở dòng r =20. Kết quả đo thực tế của phương pháp ba dây được cải thiện được sử dụng trong bài viết này chỉ có lỗi tuyệt đối là 0. 3 và lỗi tương đối là ± 0. 1% trong phạm vi dữ liệu đo được. Bộ chuyển đổi A/D được sử dụng trong mạch chỉ tương đương với 14- độ chính xác chuyển đổi A/D bit. Nếu một bộ chuyển đổi A/D có độ chính xác cao hơn, có thể đạt được độ chính xác đo cao hơn. Trong dụng cụ đo nhiệt độ cảm biến nhiệt điện trở thực tế, cũng cần thêm một chương trình liên quan chuyển đổi điện trở đo được thành nhiệt độ tương ứng. Đó là, sau khi RT được đo, giá trị nhiệt độ thực tế có thể được giải quyết chính xác bằng công thức (1).

3 Kết luận

Phương pháp cầu cân bằng ba dây được sử dụng rộng rãi trong đo điện trở nhiệt, nhưng có một vấn đề là lỗi đo lường do điện trở dây dẫn cảm biến không thể được loại bỏ. Bài viết này phân tích các vấn đề tồn tại trong phương pháp cầu cân bằng để đo các điện trở nhiệt, đề xuất một phương pháp đo ba dây phân chia điện áp không đổi, phân tích các nguyên nhân và các yếu tố ảnh hưởng của sai số đo, tạo ra một biến đổi của một biến. máy vi tính. Cuối cùng, độ chính xác thử nghiệm của mạch được thiết kế được kiểm tra và xác định. Thử nghiệm cho thấy rằng khi phương pháp cầu cân bằng ba dây đo giá trị điện trở tiêu chuẩn là 1 0 0 ~ 300Ω và điện trở đường là 0 ~ 20Ω, lỗi đo **** đạt 2,57%, trong khi lỗi đo ba dây cân bằng chỉ là ± 0,1%. Do đó, một mạch đo điện trở nhiệt ba dây có độ chính xác cao.