رسم تخطيطي لتصميم دائرة قياس المقاومة الحرارية عالية الدقة بناءً على نظام ثلاثي الأسلاك

مستشعر الثرمستور هو مستشعر درجة الحرارة تتغير قيمة مقاومتها مع درجة الحرارة المحيطة. من بينها ، يستخدم الثرمستور المصنوع من البلاتين المعدني على نطاق واسع بسبب استقراره الجيد ، ودقة عالية ، ونطاق قياس درجة الحرارة الواسعة. تتكون موازين الحرارة الحرارية لقياس درجة حرارة من أجهزة استشعار مقياس الحرارة ، وقياس أدوات العرض ، وأسلاك توصيلها. نظرًا لأن حساسية درجة الحرارة لمستشعر مقياس الحرارة نفسه منخفضة ، فإن مقاومة خط سلك التوصيل لها تأثير على نتيجة القياس التي لا يمكن تجاهلها. من أجل القضاء على تأثير مقاومة الأسلاك ، يستخدم مقياس الحرارة على نطاق واسع طريقة اتصال الجسر المتوازن ثلاثة أسلاك. يمكن لهذه الطريقة تعويض خطأ درجة الحرارة إلى حد ما ، ولكن تأثير مقاومة الخط لا يزال موجودًا. تم اقتراح طريقة تعويض مقاومة الأسلاك ذات ثلاثة أسلاك تعتمد على الجهد الثابت ومقسم الجهد. الدائرة بسيطة وسهلة التنفيذ ، ويمكن القضاء على تأثير مقاومة الأسلاك بالكامل. بالمقارنة مع طريقة تعويض مقاومة الأسلاك المقترحة في الأدبيات التي تستخدم دوائر المزيد من الأجهزة لتعويض مقاومة الأسلاك ، تحتوي هذه الطريقة على دائرة تعويض مقاومة الأسلاك أبسط.

1 تحليل طرق قياس مقياس الحرارة شائعة الاستخدام

بالنسبة لمقياس الحرارة PT100 البلاتيني ، يتم إعطاء العلاقة بين مقاومتها ودرجة الحرارة في مقياس درجة الحرارة الدولي BS -90 كما هو موضح في الصيغة (1).

في الصيغة ، RT هي مقاومة المقاوم الحراري عند درجة حرارة درجة t ، r {{0} هي مقاومة المقاوم الحراري عند درجة حرارة 0 ، r 0=100 ω ، a {3}}. B =-5. 847x 10-7 درجة -2 ، c =-4.
من الصيغة (1) ، يمكن ملاحظة أن حساسية PT1 0 0 تقع المقاوم الحراري حول 0. 38Ω/ درجة. من أجل تقليل تأثير مقاومة خط سلك التوصيل على نتيجة القياس ، يتم استخدام طريقة الجسر الثلاثة للأسلاك بشكل عام للقياس. VR =1 V. يظهر مبدأ الدائرة في الشكل 1. RT هو مقاوم قياس درجة الحرارة ، R هو مقاومة الأسلاك التوصيل ، R1 ، R2 ، R3 هي أذرع جسر ثابت ، r 1= r {{11} ω ، r {{12} · ω ، vr هو المرجع ، في هذه الدائرة ، يتم توصيل ثلاثة أسلاك بذراع جسر المستشعر ، وذراع جسر المقاوم والإخراج على التوالي. يمكن لهذه الطريقة أن تقيس بسهولة المقاومة RT المراد قياسها. ومع ذلك ، في الاستخدام الفعلي ، غالبًا ما تكون هناك مسافة معينة بين مستشعر درجة الحرارة ودائرة قياس درجة الحرارة ، ومقاومة سلك التوصيل حوالي 0.1 ~ 0.5 Ω/m. لا يمكن تجاهل خطأ القياس الناجم عن مقاومة سلك التوصيل R.

كما هو موضح في الشكل 1 ، عندما لا يتم النظر في مقاومة الخط r ، فإن إخراج الجسر هو: ، عند النظر في مقاومة الخط ، فإن إخراج الجسر vc=vr (rt+r) ／ (r 2+} rt+r) -vr (r 3+ ／ (r 2+ يتم توازن الجسر عندما يكون rt=rx ، أي ، r2rx=r1r3 ، ومقاومة ذراع الجسر r 1= r 2= r 3= rx=، RT=r+△ r ، يمكن حساب الخطأ الناجم عن وجود مقاومة الخط R على النحو التالي:

يمكن ملاحظة أن مقاومة الأسلاك R تؤثر على نتيجة قياس RT ، ولا يمكن القضاء عليها تمامًا بواسطة دائرة الصفر. استنادًا إلى التحليل أعلاه ، يتم اقتراح مقسم الجهد الثابت بثلاثة سلك ثنائي الأسلاك.

2 دائرة قياس الجهد الثابتة ثلاثية الأسلاك

2.1 مبدأ القياس

يمكن أن يؤدي مقسم الجهد الثابتة لثلاثة أسلاك استخدام هنا لقياس المقاومة إلى التخلص من تداخل مقاومة الأسلاك. يظهر الشكل 2 الرسم التخطيطي المكافئ في الشكل 2. حيث RT هو المقاوم الحراري. R هي المقاومة المكافئة للسلك. VR هو الجهد المرجعي ، VAD هو الجهد المرجعي لمحول A/D ، وهو عامل تكبير الجهد.

يمكن الحصول على العلاقة الأساسية من قانون أوم:

من الصيغة (3) ، يمكن ملاحظة أنه عندما يكون RV و VR معروفًا ، للحصول على RT ، يجب قياس V2 و V1 فقط ، ولا علاقة له بمقاومة الأسلاك R. ودقة القياس تعتمد فقط على دقة RV ودقة القياس لـ V1 و V2. يتم التخلص تمامًا من مقاومة الأسلاك التي لا يمكن القضاء عليها في طريقة الجسر بشكل كامل في طريقة مقسم الجهد الثابت ثلاثية الأسلاك.
نظرًا لأن درجة حرارة المقاوم الحراري سترتفع عندما يمر التيار من خلاله ، يجب مراعاة خطأ التوقف الذاتي الخاص به ، أي أن خطأ ارتفاع درجة الحرارة الناجم عن التيار يتدفق عبر المقاوم الحراري يجب النظر فيه. إن PT1 0 0 يستخدم محرك المقاوم الحراري الحالي حوالي 1 مللي أمبير. عند درجة {13}} ، فإنه يعادل قوة التسخين الذاتي حوالي 0.1 ميجاوات. عند القياس بدقة عالية ، يجب تقليل قوة التسخين الذاتي لتقليل خطأ التسخين الذاتي. هنا ، يتم تعيين vr =2.

2.2 تدابير لتحسين دقة القياس

على غرار طريقة الجسر المتوازنة الثلاثة الأسلاك ، فإن الفولتية الخرج V1 و V2 للدائرة الموضحة في الشكل 2 صغيرة في القيمة ، ويجب إضافة تضخيم الجهد من المستوى الأول قبل تحويل A/D. يتم توفير الجهد المرجعي VR المرجعي بشكل عام بواسطة مصدر جهد ثابت دقيق لتوفير إشارة جهد مستقرة. بالإضافة إلى ذلك ، عندما يحدد برنامج متحكم microcontroller خوارزمية مناسبة وطول الكلمة في الحسابات الرياضية ، يمكن أيضًا تجاهل خطأ الحساب. ومع ذلك ، فإن عامل التضخيم و RV لدائرة مكبر الصوت سوف يختلف من مكون إلى مكون ، وخاصة في الإنتاج الضخم ، من الصعب دقة المكونات لضمان التوحيد. لذلك ، بالنسبة لدائرة إدخال محددة ، يجب أيضًا النظر في الخطأ الناجم عن RV.
من أجل القضاء على الخطأ الناجم عن و RV ، يمكن استخدام طريقة المعايرة لمعايرة وحساب قيم الدائرة الفعلية و RV تلقائيًا أثناء إنتاج الأداة. ثم يتم تسجيل هاتين المعلمتين في الذاكرة غير المتطايرة للأداة. عندما تقيس الأداة درجة الحرارة ، يتم قراءة المعلمات وحسابها وفقًا للصيغة (1) للحصول على درجة حرارة مقاسة دقيقة.
إذا تم استبدال السلك الطويل في الشكل 2 بأقصر سلك ممكن (أي r =0) ، ويتم استبدال المقاوم الحراري RT بمقاوم دقيق R ، فإن VAD هو الجهد المرجعي لمحول A/D ، هو عامل تضخم الجهد ، والباقي يظل دون تغيير ، ثم: ثم:

في الصيغة (4) ، R هو مقاوم دقيق مع قيمة مقاومة معروفة ؛ D هو نتيجة تحويل A/D ، والذي يمكن قراءته بسهولة من جهاز عرض الأداة ؛ VR و VAD هي الفولتية المرجعية ، وهي الثوابت ؛ هو عامل التكبير الكلي للدائرة. K هو العامل النسبي لتحويل A/D ، مثل k =214 لمحول {2}} بت/d. ثم لا يوجد سوى اثنين من المجهولين RV وفي الصيغة (2). بالنسبة لدائرة إدخال محددة ، إذا تم توصيل اثنين من المقاومتين الدقيقتين R1 و R2 مع قيم مقاومة معروفة بالدائرة الموضحة في الشكل 2 للمعايرة (عند المعايرة ، حاول أن تجعل R =0) ، يمكن الحصول على مجموعة من المعادلات الخطية المتغيرة. وبالتالي ، بالنسبة لدائرة إدخال محددة ، ويمكن حل RV من المعادلات ، والنتائج هي كما يلي:

يمكن تلخيص طريقة المعايرة أعلاه على النحو التالي: يتم توصيل مقاومان قياسيان بدقة R1 و R2 مع قيم مقاومة معروفة بأطراف الإدخال للأداة على التوالي ، ويتم تقليل مقاومة سلك التوصيل قدر الإمكان. في هذا الوقت ، يتم تسجيل قراءات الأدوات D1 و D2 ، ويمكن حساب المعلمات غير المعروفة و RV للأداة المعايرة عن طريق استبدالها في الصيغة (5). قيد الاستخدام ، يوصى باستخدام نفس المصدر المرجعي لـ VR و VAD ، بحيث يكون حساب الصيغة (5) مستقلة عن دقة الجهد المرجعي. تقلل هذه الطريقة من الاختلافات بين المصادر المرجعية المختلفة ، وخاصة تأثير انجراف الوقت وانجراف درجة الحرارة من المراجع المختلفة.
2.3 دائرة القياس
الشكل 3 هو دائرة الإدخال الأمامية لنظام قياس درجة حرارة PT100 عالي الدقة ، حيث الجهد المرجعي PT100 والجهد المرجعي لمحول A/D ICL7135 هما نفس مصدر مرجع الجهد. يتم تضخيم إشارات إدخال القياس V1 و V2 من PT100 بواسطة نفس مضخم التشغيل ({8}} R3/R4) ثم أدخل محول A/D. يتم استخدام Micro Relay K1 لاختيار القناة. تشترك هذه الطريقة في مكبر الصوت التشغيلي ، ومحول A/D ، ومصدر الجهد المرجعي ، مما يقلل من تأثير الاختلافات بين الأجهزة المختلفة على نتائج القياس. يتم توصيل نتيجة تحويل A/D لـ ICL7135 بالتحكم الدقيق في الوضع التسلسلي ، والتي يمكن أن تنقذ بشكل كبير منفذ IO من متحكم. عند معايرة الدائرة ، يتم استخدام المقاومات القياسية 100Ω و 300Ω للمعايرة ، ويتم تخزين نتائج المعايرة و RV في EEPROM لنظام متحكم. في القياس الفعلي ، يخرج نظام متحكم microcontroller و RV كقيم معروفة ، ويحسب قيمة RT المقاومة بواسطة الصيغة (3).

2.4 تحليل اختبار دائرة القياس

بالمقارنة مع طريقة الجسر المتوازن الثلاثة الأسلاك ، فقد تم تحسين نتائج الكشف عن هذه الدائرة بشكل كبير. الجدول 1 هو مقارنة لقيم المقاومة القياسية المقاسة بطريقتين مختلفتين. من بينها ، R هي مقاومة الخط.

يمكن أن نرى من الجدول 1 أن نتائج القياس النظرية لطريقة الجسر المتوازنة الثلاثة للأسلاك لها أخطاء كبيرة ، وأن الخطأ الناجم عن زيادة مقاومة الخط R أكبر. مع زيادة قيمة مقاومة المقاوم الحراري المراد قياسه ، يزداد الخطأ المطلق أيضًا. في الجدول 1 ، يكون الخطأ المطلق 2.57 ٪ عندما تكون المقاومة المقاسة rt =300 ω ومقاومة الخط r =20 ω. إن نتائج القياس الفعلية لطريقة الأسلاك الثلاثة المحسنة المستخدمة في هذه الورقة لها خطأ مطلق من 0. 3 ω وخطأ نسبي لـ ± 0. 1 ٪ ضمن نطاق البيانات المقاس. محول A/D المستخدم في الدائرة يعادل فقط دقة تحويل {12}} بت/د. إذا تم استخدام محول A/D عالي الدقة ، فيمكن تحقيق دقة قياس أعلى. في أداة قياس درجة حرارة مستشعر المقاوم الحرارية الفعلية ، من الضروري أيضًا إضافة برنامج ذي صلة يحول المقاومة المقاسة إلى درجة الحرارة المقابلة. وهذا هو ، بعد قياس RT ، يمكن حل قيمة درجة الحرارة الفعلية بدقة بواسطة الصيغة (1).

3 خاتمة

تستخدم طريقة الجسر المتوازن الثلاثة الأسلاك على نطاق واسع في قياس المقاوم الحراري ، ولكن هناك مشكلة لا يمكن القضاء على خطأ القياس الناجم عن مقاومة الرصاص المستشعر. تحلل هذه الورقة المشكلات الموجودة في طريقة الجسر المتوازنة لقياس المقاومات الحرارية ، تقترح طريقة قياس ثلاثية الجهد الثابتة ، وتحلل الأسباب والعوامل المؤثرة لخطأ دائرة القياس ، بما في ذلك دائرة القياس الكاملة ، وتأسيس دائرة الإشارة وتداولها وتداولًا وتداولًا وتداولًا. الحواسيب الدقيقة أحادية الرقاقة. أخيرًا ، يتم اختبار دقة الاختبار للدائرة المصممة وتحديدها. يوضح الاختبار أنه عندما تقيس طريقة الجسر المتوازنة الثلاثة الأسلاك قيمة المقاومة القياسية من 1 0 0 ~ 300Ω وأن مقاومة الخط 0 ~ 20Ω ، يصل خطأ القياس **** إلى 2.57 ٪ ، في حين أن خطأ قياس الأسلاك الثلاثة المتوازن هو فقط 0.1 ٪. وبالتالي ، يتم الحصول على دائرة قياس المقاوم الحرارية ذات ثلاثة أسلاك عالية.