तीन-तार प्रणाली पर आधारित उच्च-परिशुद्धता थर्मल प्रतिरोध माप सर्किट का डिजाइन आरेख

थर्मिस्टर सेंसर एक तापमान सेंसर है जिसका प्रतिरोध मूल्य परिवेश के तापमान के साथ बदलता है। उनमें से, धातु प्लैटिनम से बना थर्मिस्टर व्यापक रूप से इसकी अच्छी स्थिरता, उच्च सटीकता और व्यापक तापमान माप रेंज के कारण उपयोग किया जाता है। तापमान को मापने के लिए थर्मिस्टर थर्मामीटर मुख्य रूप से थर्मामीटर सेंसर, डिस्प्ले इंस्ट्रूमेंट्स को मापने और तारों को जोड़ने से बने होते हैं। चूंकि थर्मामीटर सेंसर की तापमान संवेदनशीलता कम है, इसलिए कनेक्टिंग वायर की लाइन प्रतिरोध का माप परिणाम पर प्रभाव पड़ता है जिसे अनदेखा नहीं किया जा सकता है। तार प्रतिरोध के प्रभाव को खत्म करने के लिए, थर्मामीटर व्यापक रूप से संतुलित पुल तीन-तार कनेक्शन विधि का उपयोग करता है। यह विधि एक निश्चित सीमा तक तापमान त्रुटि को क्षतिपूर्ति कर सकती है, लेकिन लाइन प्रतिरोध का प्रभाव अभी भी मौजूद है। निरंतर वोल्टेज और वोल्टेज डिवाइडर के आधार पर एक तीन-तार तार प्रतिरोध मुआवजा विधि प्रस्तावित है। सर्किट सरल और लागू करने में आसान है, और तार प्रतिरोध के प्रभाव को पूरी तरह से समाप्त किया जा सकता है। साहित्य में प्रस्तावित तार प्रतिरोध मुआवजा विधि की तुलना में, जो तार प्रतिरोध मुआवजे के लिए अधिक हार्डवेयर सर्किट का उपयोग करता है, इस विधि में एक सरल तार प्रतिरोध मुआवजा सर्किट है।

आमतौर पर इस्तेमाल किए जाने वाले थर्मामीटर माप विधियों का 1 विश्लेषण

PT100 प्लैटिनम थर्मामीटर के लिए, इसके प्रतिरोध और तापमान के बीच संबंध अंतर्राष्ट्रीय तापमान पैमाने BS -90 में दिया गया है जैसा कि सूत्र (1) में दिखाया गया है।

सूत्र में, आरटी टी डिग्री के तापमान पर थर्मल रेसिस्टर का प्रतिरोध है, आर {{{0}}} 0 डिग्री के तापमान पर थर्मल रेसिस्टर का प्रतिरोध है, r 0=100 ω, a =3} {}}}}} B =-5। 847x 10-7 डिग्री -2, c =-4।
सूत्र (1) से, यह देखा जा सकता है कि Pt1 0 0} थर्मल रेसिस्टर की संवेदनशीलता 0 के बारे में है। 38ω/ डिग्री। माप परिणाम पर कनेक्टिंग वायर के लाइन प्रतिरोध के प्रभाव को कम करने के लिए, तीन-तार पुल विधि का उपयोग आमतौर पर माप के लिए किया जाता है। VR =1 V. सर्किट सिद्धांत को चित्र 1 में दिखाया गया है। RT तापमान मापने वाला प्रतिरोध है, R कनेक्टिंग वायर प्रतिरोध है, R1, R2, R3 फिक्स्ड ब्रिज आर्म्स हैं, R 1= r 2=1 000 ω, r {{12} {{{12} ω, ω, v, vr, vr, v, इस सर्किट में, तीन तारों को सेंसर ब्रिज आर्म, रेसिस्टर ब्रिज आर्म और आउटपुट एंड से क्रमशः जुड़े हुए हैं। यह विधि आसानी से प्रतिरोध आरटी को मापा जा सकता है। हालांकि, वास्तविक उपयोग में, तापमान सेंसर और तापमान माप सर्किट के बीच अक्सर एक निश्चित दूरी होती है, और कनेक्टिंग तार की प्रतिरोधकता लगभग 0.1 ~ 0.5 ω/m है। कनेक्टिंग वायर प्रतिरोध आर के कारण होने वाली माप त्रुटि को नजरअंदाज नहीं किया जा सकता है।

जैसा कि चित्र 1 में दिखाया गया है, जब लाइन प्रतिरोध आर पर विचार नहीं किया जाता है, तो पुल का आउटपुट होता है:, जब लाइन प्रतिरोध पर विचार किया जाता है, तो पुल आउटपुट वीसी=vr (rt+r) ／ (r {3}} rt+r) -vr (r {3+ {}} { पुल को संतुलित किया जाता है जब rt=rx, अर्थात्, r2rx=r1r3, और पुल आर्म प्रतिरोध r 1= r 2= r 3= rx =} r, जब rt r, r, r, r, r, Rt=r+, r, लाइन प्रतिरोध r के अस्तित्व के कारण होने वाली त्रुटि की गणना की जा सकती है:

यह देखा जा सकता है कि तार प्रतिरोध आर आरटी के माप परिणाम को प्रभावित करता है, और इसे शून्य सर्किट द्वारा पूरी तरह से समाप्त नहीं किया जा सकता है। उपरोक्त विश्लेषण के आधार पर, एक निरंतर वोल्टेज डिवाइडर थ्री-वायर हाई-सटीक preamplifier सर्किट जो पूरी तरह से तार त्रुटियों को समाप्त कर सकता है, प्रस्तावित है।

2 निरंतर वोल्टेज डिवाइडर थ्री-वायर मापन सर्किट

2.1 माप सिद्धांत

प्रतिरोध को मापने के लिए यहां उपयोग की जाने वाली निरंतर वोल्टेज डिवाइडर थ्री-वायर विधि तार प्रतिरोध के हस्तक्षेप को समाप्त कर सकती है। इसके समतुल्य योजनाबद्ध आरेख को चित्र 2 में दिखाया गया है। जहां आरटी थर्मल रेसिस्टर है। आर तार के बराबर प्रतिरोध है। वीआर संदर्भ वोल्टेज है, वीएडी ए/डी कनवर्टर का संदर्भ वोल्टेज है, और वोल्टेज आवर्धन कारक है।

मूल संबंध ओम के कानून से प्राप्त किया जा सकता है:

फॉर्मूला (3) से, यह देखा जा सकता है कि जब आरवी और वीआर ज्ञात होते हैं, तो आरटी प्राप्त करने के लिए, केवल वी 2 और वी 1 को मापने की आवश्यकता होती है, और इसका तार प्रतिरोध आर से कोई लेना -देना नहीं है। और माप सटीकता केवल आरवी की सटीकता और वी 1 और वी 2 की माप सटीकता पर निर्भर करती है। पुल विधि में समाप्त नहीं किया जाने वाला तार प्रतिरोध पूरी तरह से निरंतर वोल्टेज डिवाइडर थ्री-वायर विधि में समाप्त हो जाता है।
चूंकि थर्मल रेसिस्टर का तापमान बढ़ेगा जब वर्तमान इसके माध्यम से गुजरता है, इसलिए इसकी स्वयं की स्व-हीटिंग त्रुटि पर विचार किया जाना चाहिए, अर्थात, थर्मल रेसिस्टर के माध्यम से प्रवाहित होने वाले तापमान में वृद्धि की त्रुटि पर विचार किया जाना चाहिए। आमतौर पर इस्तेमाल किया जाने वाला Pt1 0 0 थर्मल रेसिस्टर ड्राइव करंट 1 Ma के बारे में है। 0 डिग्री पर, यह लगभग 0.1 मेगावाट की स्व-हीटिंग पावर के बराबर है। उच्च परिशुद्धता के साथ मापते समय, सेल्फ-हीटिंग पावर को सेल्फ-हीटिंग त्रुटि को कम करने के लिए और कम किया जाना चाहिए। यहाँ, vr =2।

2.2 माप सटीकता में सुधार के लिए उपाय

तीन-तार संतुलित पुल विधि के समान, चित्रा 2 में दिखाए गए सर्किट के आउटपुट वोल्टेज V1 और V2 मूल्य में छोटे हैं, और ए/डी रूपांतरण से पहले एक प्रथम-स्तरीय वोल्टेज प्रवर्धन को जोड़ा जाना चाहिए। संदर्भ वोल्टेज वीआर आमतौर पर एक सटीक वोल्टेज स्रोत द्वारा एक स्थिर वोल्टेज सिग्नल प्रदान करने के लिए प्रदान किया जाता है। इसके अलावा, जब माइक्रोकंट्रोलर सॉफ्टवेयर गणितीय गणना में एक उपयुक्त एल्गोरिथ्म और वर्ड लंबाई का चयन करता है, तो गणना त्रुटि को भी अनदेखा किया जा सकता है। हालांकि, एम्पलीफायर सर्किट के प्रवर्धन कारक और आरवी घटक से घटक में भिन्न होंगे, विशेष रूप से द्रव्यमान उत्पादन में, घटकों की सटीकता एकरूपता सुनिश्चित करना मुश्किल है। इसलिए, एक विशिष्ट इनपुट सर्किट के लिए, और आरवी के कारण होने वाली त्रुटि पर भी विचार किया जाना चाहिए।
और आरवी के कारण होने वाली त्रुटि को समाप्त करने के लिए, अंशांकन विधि का उपयोग साधन उत्पादन के दौरान वास्तविक सर्किट और आरवी मूल्यों की स्वचालित रूप से कैलिब्रेट और गणना करने के लिए किया जा सकता है। इन दो मापदंडों को तब उपकरण की गैर-वाष्पशील मेमोरी में दर्ज किया जाता है। जब उपकरण तापमान को मापता है, तो मापदंडों को सटीक मापा तापमान प्राप्त करने के लिए सूत्र (1) के अनुसार पढ़ा और गणना की जाती है।
यदि चित्र 2 में लंबे तार को सबसे कम तार द्वारा प्रतिस्थापित किया जाता है (यानी r =0), और थर्मल रेसिस्टर आरटी को एक सटीक रोकनेवाला आर द्वारा प्रतिस्थापित किया जाता है, तो वीएडी ए/डी कनवर्टर का संदर्भ वोल्टेज है, वोल्टेज आवर्धन कारक है, और बाकी बने हुए हैं, फिर: फिर:

सूत्र (4) में, आर एक ज्ञात प्रतिरोध मूल्य के साथ एक सटीक अवरोधक है; डी ए/डी रूपांतरण का परिणाम है, जिसे इंस्ट्रूमेंट डिस्प्ले डिवाइस से आसानी से पढ़ा जा सकता है; वीआर और वीएडी संदर्भ वोल्टेज हैं, जो स्थिरांक हैं; सर्किट का कुल आवर्धन कारक है; K A/D रूपांतरण का आनुपातिक कारक है, जैसे कि K =214 14- बिट A/D कनवर्टर के लिए। फिर केवल दो अज्ञात आरवी और फॉर्मूला (2) में हैं। एक विशिष्ट इनपुट सर्किट के लिए, यदि ज्ञात प्रतिरोध मूल्यों के साथ दो सटीक प्रतिरोध R1 और R2 को अंशांकन के लिए चित्र 2 में दिखाए गए सर्किट से जुड़ा है (जब कैलिब्रेटिंग करते हैं, तो R =0) बनाने का प्रयास करें, दो-चर रैखिक समीकरणों का एक सेट प्राप्त किया जा सकता है। इस प्रकार, एक विशिष्ट इनपुट सर्किट के लिए, और आरवी को समीकरणों से हल किया जा सकता है, और परिणाम निम्नानुसार हैं:

उपरोक्त अंशांकन विधि को निम्नानुसार संक्षेपित किया जा सकता है: ज्ञात प्रतिरोध मूल्यों के साथ दो सटीक मानक प्रतिरोध R1 और R2 क्रमशः साधन के इनपुट टर्मिनलों से जुड़े होते हैं, और कनेक्टिंग तार के प्रतिरोध को जितना संभव हो उतना कम से कम किया जाता है। इस समय, इंस्ट्रूमेंट रीडिंग डी 1 और डी 2 को रिकॉर्ड किया जाता है, और कैलिब्रेटेड इंस्ट्रूमेंट के अज्ञात मापदंडों और आरवी की गणना उन्हें फॉर्मूला (5) में प्रतिस्थापित करके की जा सकती है। उपयोग में, वीआर और वीएडी के लिए एक ही संदर्भ स्रोत का उपयोग करने की सिफारिश की जाती है, ताकि फॉर्मूला (5) की गणना संदर्भ वोल्टेज की सटीकता से स्वतंत्र हो। यह विधि विभिन्न संदर्भ स्रोतों के बीच अंतर को कम करती है, विशेष रूप से समय के बहाव और विभिन्न संदर्भों के तापमान बहाव का प्रभाव।
2.3 माप परिपथ
चित्रा 3 उच्च-परिशुद्धता PT100 तापमान माप प्रणाली का फ्रंट इनपुट सर्किट है, जिसमें PT100 संदर्भ वोल्टेज और A/D कनवर्टर ICL7135 के संदर्भ वोल्टेज एक ही वोल्टेज संदर्भ स्रोत हैं। PT100 के दो माप इनपुट सिग्नल V1 और V2 को एक ही परिचालन एम्पलीफायर (1+} r3/r4) द्वारा प्रवर्धित किया जाता है और फिर A/D कनवर्टर दर्ज करें। माइक्रो रिले K1 का उपयोग चैनल चयन के लिए किया जाता है। यह विधि परिचालन एम्पलीफायर, ए/डी कनवर्टर और संदर्भ वोल्टेज स्रोत को साझा करती है, जिससे माप परिणामों पर विभिन्न उपकरणों के बीच अंतर के प्रभाव को कम किया जाता है। ICL7135 का A/D रूपांतरण परिणाम सीरियल मोड में माइक्रोकंट्रोलर से जुड़ा हुआ है, जो माइक्रोकंट्रोलर के IO पोर्ट को बहुत सहेज सकता है। सर्किट को कैलिब्रेट करते समय, मानक प्रतिरोधों 100 and और 300 and का उपयोग अंशांकन के लिए किया जाता है, और अंशांकन परिणाम और आरवी को माइक्रोकंट्रोलर सिस्टम के EEPROM में संग्रहीत किया जाता है। वास्तविक माप में, माइक्रोकंट्रोलर सिस्टम ज्ञात मानों के रूप में और आरवी को बाहर ले जाता है, और सूत्र (3) द्वारा प्रतिरोध आरटी मूल्य की गणना करता है।

2.4 माप सर्किट परीक्षण का विश्लेषण

तीन-तार संतुलित पुल विधि की तुलना में, इस सर्किट के पता लगाने के परिणामों में बहुत सुधार हुआ है। तालिका 1 दो अलग -अलग तरीकों द्वारा मापा गया मानक प्रतिरोध मूल्यों की तुलना है। उनमें से, आर लाइन प्रतिरोध है।

यह तालिका 1 से देखा जा सकता है कि तीन-तार संतुलित पुल विधि के सैद्धांतिक माप परिणामों में बड़ी त्रुटियां हैं, और लाइन प्रतिरोध आर की वृद्धि के कारण त्रुटि बड़ी है। जैसा कि थर्मल रेसिस्टर को मापा जाने के लिए प्रतिरोध मूल्य बढ़ता है, पूर्ण त्रुटि भी बढ़ जाती है। तालिका 1 में, पूर्ण त्रुटि 2.57% है जब मापा प्रतिरोध rt =300 ω और लाइन प्रतिरोध r =20 ω। इस पेपर में उपयोग की जाने वाली बेहतर तीन-वायर विधि के वास्तविक माप परिणामों में केवल 0 की पूर्ण त्रुटि है। 3 and और मापा डेटा रेंज के भीतर {0 की एक सापेक्ष त्रुटि। 1%। सर्किट में उपयोग किया जाने वाला ए/डी कनवर्टर केवल 14- बिट ए/डी रूपांतरण सटीकता के बराबर है। यदि एक उच्च-परिशुद्धता ए/डी कनवर्टर का उपयोग किया जाता है, तो उच्च माप सटीकता प्राप्त की जा सकती है। वास्तविक थर्मल रेसिस्टर सेंसर तापमान मापने वाले उपकरण में, एक संबंधित कार्यक्रम को जोड़ना भी आवश्यक है जो मापा प्रतिरोध को संबंधित तापमान में परिवर्तित करता है। यही है, आरटी को मापने के बाद, वास्तविक तापमान मूल्य को सूत्र (1) द्वारा सटीक रूप से हल किया जा सकता है।

3 निष्कर्ष

तीन-तार संतुलित पुल विधि का उपयोग व्यापक रूप से थर्मल रोकनेवाला माप में किया जाता है, लेकिन एक समस्या है कि सेंसर लीड प्रतिरोध के कारण होने वाली माप त्रुटि को समाप्त नहीं किया जा सकता है। यह पेपर थर्मल प्रतिरोधों को मापने के लिए संतुलित पुल विधि में मौजूद समस्याओं का विश्लेषण करता है, एक निरंतर वोल्टेज डिवाइडर थ्री-वायर माप विधि का प्रस्ताव करता है, माप सर्किट त्रुटि के कारणों और प्रभावित करने वाले कारकों का विश्लेषण करता है, एक सिग्नल के साथ-साथ एक पूर्ण मापदंड के साथ-साथ एक पूर्ण मापदंडों को प्रभावित करता है, और एक पूर्ण मापक। सिंगल-चिप माइक्रो कंप्यूटर। अंत में, डिज़ाइन किए गए सर्किट की परीक्षण सटीकता का परीक्षण और निर्धारित किया जाता है। परीक्षण से पता चलता है कि जब तीन-तार संतुलित पुल विधि 1 0 0 ~ 300ω के मानक प्रतिरोध मान को मापती है और लाइन प्रतिरोध 0 ~ 20ω है, तो **** माप त्रुटि 2.57%तक पहुंच जाती है, जबकि संतुलित तीन-तार माप त्रुटि केवल ± 0.1%है। इस प्रकार, एक उच्च-सटीक तीन-तार थर्मल अवरोधक माप सर्किट प्राप्त किया जाता है।