Diagramme de conception du circuit de mesure de la résistance thermique de haute précision basé sur un système à trois fils

Le capteur de thermistance est un capteur de température dont la valeur de résistance change avec la température ambiante. Parmi eux, la thermistance en platine métallique est largement utilisée en raison de sa bonne stabilité, de sa grande précision et de sa large plage de mesure de la température. Les thermidimensions thermomètres pour la température de mesure sont principalement composées de capteurs de thermomètre, de mesure des instruments d'affichage et de fils de connexion. Étant donné que la sensibilité à la température du capteur du thermomètre lui-même est faible, la résistance à la ligne du fil de connexion a une influence sur le résultat de mesure qui ne peut être ignoré. Afin d'éliminer l'influence de la résistance au fil, le thermomètre utilise largement la méthode de connexion à trois fils de pont équilibré. Cette méthode peut compenser l'erreur de température dans une certaine mesure, mais l'influence de la résistance à la ligne existe toujours. Une méthode de compensation de résistance à trois fils basée sur une tension et un diviseur de tension constant est proposé. Le circuit est simple et facile à mettre en œuvre, et l'influence de la résistance au fil peut être complètement éliminée. Par rapport à la méthode de compensation de résistance au fil proposé dans la littérature qui utilise plus de circuits matériels pour la compensation de résistance au fil, cette méthode a un circuit de compensation de résistance au fil plus simple.

1 Analyse des méthodes de mesure du thermomètre couramment utilisées

Pour le thermomètre PT100 Platinum, la relation entre sa résistance et sa température est donnée dans l'échelle de température internationale BS -90 comme indiqué dans la formule (1).

Dans la formule, RT est la résistance de la résistance thermique à une température de T degré, R {{0}} est la résistance de la résistance thermique à une température de 0 degré, R 0=100 ω, un degré {3}}. 96847 × {5}} degré {}. B =-5. 847x 10-7 degré -2, c =-4. 22x 10-12 degré -3 sont des coefficients liés au capteur lui-même.
De la formule (1), on peut voir que la sensibilité de la résistance thermique PT1 0 0 est d'environ 0. 38Ω / degré. Afin de réduire l'influence de la résistance à la ligne du fil de connexion sur le résultat de la mesure, la méthode du pont à trois fils est généralement utilisée pour la mesure. VR =1 V. Le principe du circuit est illustré à la figure 1. RT est la résistance de mesure de la température, R est la résistance au fil de connexion, R1, R2, R3 sont des bras de pont fixe, R 1= R 2=1 000 ω, R 3=100 ω, VR est la Voltage de référence, et g est l'instrument de mesure. Dans ce circuit, trois fils sont connectés au bras de pont du capteur, au bras de pont résistant et à la sortie respectivement. Cette méthode peut facilement mesurer la résistance RT à mesurer. Cependant, dans une utilisation réelle, il y a souvent une certaine distance entre le capteur de température et le circuit de mesure de la température, et la résistivité du fil de connexion est d'environ 0,1 à 0,5 Ω / m. L'erreur de mesure causée par la résistance au fil de connexion R ne peut pas être ignorée.

Comme le montre la figure 1, lorsque la résistance à la ligne R n'est pas prise en compte, la sortie du pont est :, Lorsque la résistance de la ligne est considérée, la sortie du pont VC=VR (rt + r) ／ (r 1+ rt + r) -vr (r 3+} R) ／ (R) Le pont est équilibré lorsque rt =} rx, c'est-à-dire r2rx=r1r3, et la résistance du bras de pont r 1= r 2= r 3= rx=r, lorsque Rt change par △ r, c'est-à-dire que c'est, Rt=r + △ r, l'erreur causée par l'existence de la résistance de ligne R peut être calculée comme:

On peut voir que la résistance au fil R affecte le résultat de la mesure de RT, et il ne peut pas être complètement éliminé par le circuit de mise à zéro. Sur la base de l'analyse ci-dessus, un circuit de préamplificateur de haute précision de diviseur de tension constant qui peut éliminer complètement les erreurs de fil est proposé.

2 circuit de mesure de trois fils de division de tension constante

2.1 Principe de mesure

La méthode de trois fils du diviseur de tension constante utilisée ici pour mesurer la résistance peut éliminer l'interférence de la résistance au fil. Son diagramme schématique équivalent est illustré à la figure 2. Où RT est la résistance thermique. R est la résistance équivalente du fil. VR est la tension de référence, VAD est la tension de référence du convertisseur A / D et est le facteur d'agrandissement de la tension.

La relation de base peut être obtenue à partir de la loi d'Ohm:

À partir de la formule (3), on peut voir que lorsque RV et VR sont connus, pour obtenir RT, seuls V2 et V1 doivent être mesurés, et cela n'a rien à voir avec la résistance au fil r. Et la précision de mesure ne dépend que de la précision de la RV et de la précision de mesure de V1 et V2. La résistance au fil qui ne peut pas être éliminée dans la méthode du pont est complètement éliminée dans la méthode de trois fils de diviseur de tension constante.
Étant donné que la température de la résistance thermique augmentera lorsque le courant le traversera, sa propre erreur d'auto-chauffage doit être prise en compte, c'est-à-dire que l'erreur d'élévation de la température causée par le courant circulant à travers la résistance thermique doit être envisagée. Le PT1 couramment utilisé 0 0 Le courant de conduite de résistance thermique est d'environ 1 mA. Au degré 0, il équivaut à une puissance d'auto-chauffage d'environ 0,1 MW. Lors de la mesure avec une haute précision, le pouvoir d'auto-chauffage doit être encore réduit pour réduire l'erreur d'auto-chauffage. Ici, VR =2. 5V et RV =10 kΩ sont définis, et la puissance d'auto-chauffage est d'environ 0,006 MW.

2.2 Mesures pour améliorer la précision de la mesure

Semblable à la méthode de pont équilibré à trois fils, les tensions de sortie V1 et V2 du circuit illustrées à la figure 2 sont de petite valeur, et une amplification de tension de premier niveau doit être ajoutée avant la conversion A / D. La tension de référence VR est généralement fournie par une source de tension constante de précision pour fournir un signal de tension stable. De plus, lorsque le logiciel de microcontrôleur sélectionne un algorithme approprié et une longueur de mot dans les calculs mathématiques, l'erreur de calcul peut également être ignorée. Cependant, le facteur d'amplification et le RV du circuit d'amplificateur varieront d'une composante à l'autre, en particulier dans la production de masse, la précision des composants est difficile à assurer l'uniformité. Par conséquent, pour un circuit d'entrée spécifique, l'erreur causée par et RV doit également être prise en compte.
Afin d'éliminer l'erreur causée par et RV, la méthode d'étalonnage peut être utilisée pour calibrer et calculer automatiquement le circuit réel et les valeurs RV pendant la production d'instruments. Ces deux paramètres sont ensuite enregistrés dans la mémoire non volatile de l'instrument. Lorsque l'instrument mesure la température, les paramètres sont lus et calculés en fonction de la formule (1) pour obtenir la température mesurée précise.
Si le fil long de la figure 2 est remplacé par le fil le plus court possible (c'est-à-dire R =0), et que la résistance thermique RT est remplacée par une résistance de précision R, la VAD est la tension de référence du convertisseur A / D, est le facteur d'agrandissement de la tension et que le reste reste inchangé, alors: alors: alors

Dans la formule (4), R est une résistance de précision avec une valeur de résistance connue; D est le résultat de la conversion A / D, qui peut être facilement lu à partir du périphérique d'affichage de l'instrument; VR et VAD sont des tensions de référence, qui sont des constantes; est le facteur d'agrandissement total du circuit; K est le facteur proportionnel de la conversion A / D, tel que k =214 pour un convertisseur 14- bit A / D. Ensuite, il n'y a que deux inconnues RV et en formule (2). Pour un circuit d'entrée spécifique, si deux résistances de précision R1 et R2 avec des valeurs de résistance connues sont connectées au circuit illustré à la figure 2 pour l'étalonnage (lors de l'étalonnage, essayez de réaliser R =0), un ensemble d'équations linéaires à deux variables peut être obtenue. Ainsi, pour un circuit d'entrée spécifique, et RV peut être résolu à partir des équations, et les résultats sont les suivants:

La méthode d'étalonnage ci-dessus peut être résumé comme suit: Deux résistances standard de précision R1 et R2 avec des valeurs de résistance connues sont connectées aux bornes d'entrée respectivement, et la résistance du fil de connexion est minimisée autant que possible. À l'heure actuelle, les lectures de l'instrument D1 et D2 sont enregistrées, et les paramètres inconnus et le RV de l'instrument calibré peuvent être calculés en les substituant en formule (5). En usage, il est recommandé d'utiliser la même source de référence pour VR et VAD, de sorte que le calcul de la formule (5) est indépendant de la précision de la tension de référence. Cette méthode réduit les différences entre différentes sources de référence, en particulier l'influence de la dérive du temps et de la dérive de température de différentes références.
2.3 Circuit de mesure
La figure 3 est le circuit d'entrée avant du système de mesure de température PT100 de haute précision, dans lequel la tension de référence PT100 et la tension de référence du convertisseur A / D ICL7135 sont la même source de référence de tension. Les deux signaux d'entrée de mesure V1 et V2 de PT100 sont amplifiés par le même amplificateur opérationnel (1+ R3 / R4) puis entrent dans le convertisseur A / D. Le micro relais K1 est utilisé pour la sélection des canaux. Cette méthode partage l'amplificateur opérationnel, le convertisseur A / D et la source de tension de référence, réduisant l'impact des différences entre les différents dispositifs sur les résultats de mesure. Le résultat de la conversion A / D de ICL7135 est connecté au microcontrôleur en mode série, qui peut grandement enregistrer le port IO du microcontrôleur. Lors de l'étalonnage du circuit, des résistances standard 100Ω et 300Ω sont utilisées pour l'étalonnage, et les résultats d'étalonnage et RV sont stockés dans l'EEPROM du système de microcontrôleur. Dans la mesure réelle, le système de microcontrôleur retire et RV comme valeurs connues, et calcule la valeur RT de résistance par formule (3).

2.4 Analyse du test du circuit de mesure

Par rapport à la méthode de pont équilibré à trois fils, les résultats de détection de ce circuit ont été considérablement améliorés. Le tableau 1 est une comparaison des valeurs de résistance standard mesurées par deux méthodes différentes. Parmi eux, R est la résistance à la ligne.

On peut voir dans le tableau 1 que les résultats de mesure théoriques de la méthode de pont équilibré à trois fils ont de grandes erreurs, et l'erreur causée par l'augmentation de la résistance à la ligne R est plus grande. À mesure que la valeur de résistance de la résistance thermique à mesurer augmente, l'erreur absolue augmente également. Dans le tableau 1, l'erreur absolue est de 2,57% lorsque la résistance mesurée RT =300 ω et la résistance de ligne R =20 ω. Les résultats de mesure réels de la méthode améliorée à trois fils utilisés dans cet article ont une erreur absolue de uniquement 0. 3 Ω et une erreur relative de ± 0. 1% dans la plage de données mesurée. Le convertisseur A / D utilisé dans le circuit n'est que l'équivalent de la précision de conversion 14- Bit A / D. Si un convertisseur A / J de précision supérieure est utilisé, une précision de mesure plus élevée peut être obtenue. Dans l'instrument de mesure de la température du capteur de résistance thermique réelle, il est également nécessaire d'ajouter un programme connexe qui convertit la résistance mesurée en température correspondante. Autrement dit, après la mesure de RT, la valeur de température réelle peut être résolue avec précision par la formule (1).

3 Conclusion

La méthode du pont équilibré à trois fils est largement utilisée dans la mesure de la résistance thermique, mais il y a un problème que l'erreur de mesure causée par la résistance au plomb du capteur ne peut pas être éliminée. Cet article analyse les problèmes existants dans la méthode de pont équilibré pour mesurer les résistances thermiques, propose une méthode de mesure de diviseur de tension constante à trois fils, analyse les causes et les facteurs d'influence de l'erreur du circuit de mesure, dérive et établit les paramètres d'influence et les formules de la résistance à être mesurée, et conçoit un circuit de mesure complet, y compris un signal de signal avec un micro-ordinateur à puce. Enfin, la précision du test du circuit conçu est testée et déterminée. Le test montre que lorsque la méthode de pont équilibrée à trois fils mesure la valeur de résistance standard de 1 0 0 ~ 300Ω et que la résistance de la ligne est de 0 ~ 20Ω, l'erreur de mesure **** atteint 2,57%, tandis que l'erreur de mesure équilibrée à trois fils est seulement ± 0,1%. Ainsi, un circuit de mesure de la résistance thermique à trois fils de haute précision est obtenu.