תרשים תכנון של מעגל מדידת התנגדות תרמית בעל דיוק גבוה המבוסס על מערכת שלוש חוטים

חיישן תרמיסטור הוא חיישן טמפרטורה שערך ההתנגדות שלו משתנה עם טמפרטורת הסביבה. ביניהם, תרמיסטור העשוי מפלטינה מתכתית נמצא בשימוש נרחב בגלל היציבות הטובה, הדיוק הגבוה וטווח מדידת הטמפרטורה הרחב שלו. תרמומטרים תרמיסטור למדידת טמפרטורה מורכבים בעיקר מחיישני מדחום, מדידת מכשירי תצוגה וחוטי חיבור. מכיוון שרגישות הטמפרטורה של חיישן המדחום עצמו נמוכה, להתנגדות הקו של חוט החיבור משפיעה על תוצאת המדידה שלא ניתן להתעלם ממנה. על מנת לחסל את השפעת עמידות החוט, המדחום משתמש באופן נרחב בשיטת חיבור גשר מאוזן לשלושה חוטים. שיטה זו יכולה לפצות את שגיאת הטמפרטורה במידה מסוימת, אך ההשפעה של התנגדות הקו עדיין קיימת. מוצעת שיטת פיצוי עמידות בפני תיל חוטים המבוססת על מתח מתח ומתח מתח. המעגל פשוט וקל ליישום, וניתן לבטל לחלוטין את ההשפעה של התנגדות החוט. בהשוואה לשיטת פיצוי התנגדות התיל המוצעת בספרות המשתמשת במעגלי חומרה רבים יותר לפיצוי עמידות בפני חוט, לשיטה זו יש מעגל פיצוי פשוט יותר של התנגדות לחוט.

ניתוח 1 של שיטות מדידת מדחום נפוצות

עבור מדחום PT100 פלטינה, הקשר בין ההתנגדות והטמפרטורה שלו ניתן בסולם הטמפרטורה הבינלאומי BS -90 כמוצג בפורמולה (1).

בנוסחה, RT הוא ההתנגדות של הנגד התרמי בטמפרטורה של תואר T, r {0}}} היא ההתנגדות של הנגד התרמי בטמפרטורה של 0 מעלות, r 0=100}, A {3}. B =-5. 847X 10-7 תואר -2, C =-4. 22x 10-12 תואר -3 הם מקדמים הקשורים לחיישן עצמו.
מהנוסחה (1) ניתן לראות כי הרגישות של ה- PT1 0 0 הנגד התרמי הוא בערך 0. 38Ω/ תואר. על מנת להפחית את השפעת התנגדות הקו של חוט החיבור על תוצאת המדידה, שיטת גשר שלוש חוטים משמשת בדרך כלל למדידה. Vr =1 V. עקרון המעגל מוצג באיור 1. RT הוא הנגד המדידת הטמפרטורה, R הוא התנגדות התיל המחבר, R1, R2, R3 הן זרועות גשר קבועות, R 1= r 2=1 000}, R 3=100}} guldage הוא המדידה G הוא. במעגל זה, שלושה חוטים מחוברים לזרוע גשר החיישן, לזרוע גשר הנגד ולקצה הפלט בהתאמה. שיטה זו יכולה למדוד בקלות את התנגדות RT שיש למדוד. עם זאת, בשימוש בפועל, לעתים קרובות יש מרחק מסוים בין חיישן הטמפרטורה למעגל מדידת הטמפרטורה, וההתנגדות של חוט החיבור היא בערך 0.1 ~ 0.5 Ω/m. לא ניתן להתעלם משגיאת המדידה הנגרמת כתוצאה מהתנגדות לחוט המחבר.

As shown in Figure 1, when the line resistance r is not considered, the output of the bridge is:, when the line resistance is considered, the bridge output Vc=VR(Rt+r)／(R1+Rt+r)-VR(R3+r)／(R2+R3+r), assuming 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, ניתן לחשב את השגיאה הנגרמת על ידי קיומה של התנגדות הקו r כ:

ניתן לראות כי התנגדות החוט R משפיעה על תוצאת המדידה של RT, ולא ניתן לבטל אותה לחלוטין על ידי מעגל האפס. בהתבסס על הניתוח לעיל, מוצע מעגל מגבר קדם דיוק גבוה של מחלקת מתח בעל תלת-חודים בעל דיוק גבוה שיכול לבטל לחלוטין שגיאות תיל.

2 מעגל מדידה של מחיצת מתח קבוע של שלוש חוטים

2.1 עקרון מדידה

שיטת מחיצת המתח הקבועה של שלוש חוטים המשמשת כאן למדידת התנגדות יכולה לבטל את הפרעה של עמידות לחוט. התרשים הסכמטי המקביל שלה מוצג באיור 2. כאשר RT הוא הנגד התרמי. R הוא ההתנגדות המקבילה של החוט. VR הוא מתח ההתייחסות, VAD הוא מתח ההתייחסות של ממיר A/D, והוא גורם ההגדלה של המתח.

ניתן להשיג את הקשר הבסיסי מחוק אוהם:

מהפורמולה (3) ניתן לראות שכאשר ידועים RV ו- VR, כדי להשיג RT, יש למדוד רק V2 ו- V1, וזה לא קשור להתנגדות החוט R. ודיוק המדידה תלוי רק ברמת הדיוק של RV ובדיוק המדידה של V1 ו- V2. התנגדות החוט שלא ניתן לבטל בשיטת הגשר מבוטלת לחלוטין בשיטת מחיצת המתח הקבועה.
מכיוון שהטמפרטורה של הנגד התרמי תעלה כאשר הזרם יעבור דרכו, יש לקחת בחשבון שגיאת חימום עצמי משלו, כלומר יש לקחת בחשבון את שגיאת עליית הטמפרטורה הנגרמת על ידי הזרם הזורם דרך הנגד התרמי. ה- PT1 0} 0 זרם כונן נגד התרמי הוא בערך 1 mA. בתואר 0, זה שווה לכוח חימום עצמי של כ- 0.1 מגוואט. בעת מדידה עם דיוק גבוה, יש להפחית עוד יותר את כוח החימום העצמי כדי להפחית את שגיאת החימום העצמי. כאן מוגדרים vr =2. 5V ו- RV =10 kΩ, והספק החימום העצמי הוא בערך 0.006 מגוואט.

2.2 מדדים לשיפור דיוק המדידה

בדומה לשיטת הגשר המאוזן לשלושה חוטים, מתחי היציאה V1 ו- V2 של המעגל המוצג באיור 2 הם קטנים בערך, ויש להוסיף הגברה של מתח ברמה הראשונה לפני המרת A/D. מתח ההתייחסות VR מסופק בדרך כלל על ידי מקור מתח קבוע מדויק כדי לספק אות מתח יציב. בנוסף, כאשר תוכנת המיקרו -בקר בוחרת אלגוריתם מתאים ואורך המילה בחישובים מתמטיים, ניתן להתעלם גם משגיאת החישוב. עם זאת, גורם ההגברה ו- RV של מעגל המגבר ישתנו מרכיב לרכיב, במיוחד בייצור המוני, דיוק הרכיבים קשה להבטיח אחידות. לכן, עבור מעגל קלט ספציפי, יש לקחת בחשבון גם את השגיאה שנגרמה על ידי RV ו- RV.
על מנת לבטל את השגיאה הנגרמת על ידי RV ו- RV, ניתן להשתמש בשיטת הכיול לכיול אוטומטי ולחישוב ערכי המעגל וה- RV בפועל במהלך ייצור המכשירים. שני הפרמטרים הללו נרשמים אז בזיכרון הלא נדיף של המכשיר. כאשר המכשיר מודד את הטמפרטורה, הפרמטרים נקראים ומחושבים על פי הנוסחה (1) כדי להשיג את הטמפרטורה המדויקת המדויקת.
אם החוט הארוך באיור 2 מוחלף על ידי החוט הקצר ביותר האפשרי (כלומר r =0), והנגד התרמי RT מוחלף על ידי נגדי מדויק, VAD הוא מתח ההתייחסות של ממיר A/D, הוא גורם ההגדלה של המתח, והמנוחה נשארת ללא שינוי, ואז::

בפורמולה (4), R הוא נגדי דיוק עם ערך התנגדות ידוע; D היא תוצאה של המרת A/D, שניתן לקרוא בקלות ממכשיר תצוגת המכשירים; VR ו- VAD הם מתחי עזר, שהם קבועים; הוא גורם ההגדלה הכולל של המעגל; K הוא הגורם הפרופורציונאלי של המרת A/D, כגון k =214 לממיר 14- bit a/d. ואז יש רק שני אלמונים RV ובפורמולה (2). עבור מעגל קלט ספציפי, אם שני נגדים מדויקים R1 ו- R2 עם ערכי התנגדות ידועים מחוברים למעגל המוצג באיור 2 לכיול (בעת כיול, נסו לבצע R =0), ניתן להשיג קבוצה של משוואות לינאריות דו-משתנות. לפיכך, עבור מעגל קלט ספציפי, וניתן לפתור RV מהמשוואות והתוצאות הן כדלקמן:

ניתן לסכם את שיטת הכיול לעיל כדלקמן: שני נגדים סטנדרטיים מדויקים R1 ו- R2 עם ערכי התנגדות ידועים מחוברים למסופי הקלט של המכשיר בהתאמה, וההתנגדות של חוט החיבור ממוזערת ככל האפשר. בשלב זה נרשמים קריאות המכשירים D1 ו- D2, וניתן לחשב את הפרמטרים הלא ידועים וה- RV של המכשיר המכויל על ידי החלפתם לפורמולה (5). בשימוש מומלץ להשתמש באותו מקור התייחסות ל- VR ו- VAD, כך שהחישוב של הנוסחה (5) אינו תלוי ברמת הדיוק של מתח ההתייחסות. שיטה זו מצמצמת את ההבדלים בין מקורות התייחסות שונים, במיוחד השפעת הסחף הזמן והסחף הטמפרטורה של אזכורים שונים.
2.3 מעגל מדידה
איור 3 הוא מעגל הקלט הקדמי של מערכת מדידת הטמפרטורה PT100 בעל דיוק גבוה, בו מתח ההתייחסות PT100 ומתח ההתייחסות של ממיר A/D ICL7135 הם אותו מקור התייחסות מתח. שני אותות קלט המדידה V1 ו- V2 של PT100 מוגברים על ידי אותו מגבר תפעולי (1+ R3/R4) ואז הזן את ממיר ה- A/D. ממסר המיקרו K1 משמש לבחירת הערוצים. שיטה זו חולקת את המגבר התפעולי, ממיר A/D ומקור מתח הפניה, ומפחית את ההשפעה של ההבדלים בין מכשירים שונים על תוצאות המדידה. תוצאת ההמרה A/D של ICL7135 מחוברת למיקרו -בקר במצב סידורי, שיכול לחסוך מאוד את יציאת ה- IO של בקר המיקרו. בעת כיול המעגל, נגדים סטנדרטיים 100Ω ו- 300Ω משמשים לכיול, ותוצאות הכיול ו- RV מאוחסנות ב- EEPROM של מערכת המיקרו -בקר. במדידה בפועל, מערכת המיקרו -בקר מוציאה ו- RV כערכים ידועים ומחושבת את ערך RT ההתנגדות לפי נוסחה (3).

2.4 ניתוח מבחן מעגל המדידה

בהשוואה לשיטת הגשר המאוזן לשלושה חוטים, תוצאות הגילוי של מעגל זה שופרו מאוד. טבלה 1 היא השוואה בין ערכי ההתנגדות הסטנדרטיים הנמדדים בשתי שיטות שונות. ביניהם, R הוא התנגדות הקו.

ניתן לראות מלוח 1 כי לתוצאות המדידה התיאורטית של שיטת הגשר המאוזן עם שלוש חוטים יש שגיאות גדולות, והשגיאה הנגרמת כתוצאה מעליית התנגדות הקו R גדולה יותר. ככל שערך ההתנגדות של הנגד התרמי שיש למדוד עולה, גם השגיאה המוחלטת עולה. בטבלה 1, השגיאה המוחלטת היא 2.57% כאשר ההתנגדות הנמדדת RT =300 Ω והתנגדות הקו r =20 ω. לתוצאות המדידה בפועל של שיטת שלוש החוטים המשופרת המשמשת במאמר זה יש שגיאה מוחלטת של 0. 3 Ω ושגיאה יחסית של ± 0. 1% בטווח הנתונים המדוד. ממיר ה- A/D המשמש במעגל שווה רק לדיוק ההמרה של 14- סיביות. אם משתמשים בממיר A/D דיוק גבוה יותר, ניתן להשיג דיוק מדידה גבוה יותר. במכשיר המדידה של טמפרטורת חיישן הנגד התרמי בפועל, יש צורך להוסיף תוכנית קשורה הממירה את ההתנגדות הנמדדת לטמפרטורה המתאימה. כלומר, לאחר נמדד RT, ניתן לפתור במדויק את ערך הטמפרטורה בפועל על ידי פורמולה (1).

3 מסקנה

שיטת הגשר המאוזן לשלושה חוטים נמצאת בשימוש נרחב במדידת נגדי תרמי, אך יש בעיה שלא ניתן לבטל את שגיאת המדידה הנגרמת כתוצאה מתנגדות עופרת החיישן. מאמר מנתח את הבעיות הקיימות בשיטת הגשר המאוזן למדידת נגדים תרמיים, מציע שיטת מדידה של מתח מתח קבוע, מנתח את הגורמים ומשפיעים על שגיאת מעגל המדידה, נובע ומבסס את הפרמטרים המשפיעים על פרמטרים ומכריע של אמצעי אמצע של אמצעי רווקה כמי שממיר את האות כמי שרודים כמשתפים כמשתפים כמשתפים כמשתפים כ- As Sondrifer as Sondrifer as Ab. מחשב מיקרו. לבסוף, דיוק הבדיקה של המעגל המעוצב נבדק ונקבע. הבדיקה מראה שכאשר שיטת הגשר המאוזן של שלוש החוטים מודדת את ערך ההתנגדות הסטנדרטי של 1 0 0 ~ 300Ω והתנגדות הקו היא 0 ~ 20Ω, שגיאת המדידה **** מגיעה ל -2.57%, ואילו שגיאת המדידה המאוזנת של שלוש חוטים היא רק 0.1%. לפיכך, מתקבל מעגל מדידת נגד תרמי בעל שלוש חוטים עם דיוק גבוה.