Entwurf eines hochpraezisen Temperatur messsystems basierend auf PT1000
Präzisionschemie, Biomedizin, Feinchemikalien, Präzisionsinstrumente und andere Bereiche stellen extrem hohe Anforderungen an die Genauigkeit der Temperaturregelung, und der Kern der Temperaturregelung ist die Temperaturmessung. Das Messen der Temperatur mit Platinwiderstand ist eine effektive hochpräzise Temperaturmessmethode, weist jedoch die folgenden Schwierigkeiten auf: Bleiresistenz, Selbsterwärmungseffekt, Komponentendrift und Genauigkeit des Platinwiderstandssensors. Unter diesen ist die Verringerung des Einflusses des Leitungswiderstands ein Schlüsselpunkt für hochpräzise Messungen. Für den Eigenerwärmungseffekt muss gemäß der Komponentenheizungsformel P = I2R der durch die Komponente fließende Strom klein genug gemacht werden, um die Wärmeerzeugung klein zu machen, und der Sensor kann die richtige Temperatur erfassen. Ein zu kleiner Strom verringert jedoch das Signal-Rausch-Verhältnis, und die Genauigkeit ist schwer zu garantieren. Darüber hinaus ist es für einige Komponenten und Instrumente schwierig, die Genauigkeitsanforderungen für Komponentendrift und Platinwiderstandssensoren zu erfüllen.
Unser Unternehmen hat ein hochpräzises Temperaturmessschema unter Verwendung des Platinwiderstands als Temperaturmesskomponente vorgeschlagen, das einige anspruchsvolle Probleme der hochpräzisen Messung auf der Hardwareschaltung löst, aber die Genauigkeit ist nicht gut (± 0,4 ° C). Das mit den Platinwiderständen MAX1402, AT89C51 und Pt500 entwickelte Präzisionstemperaturmesssystem löst das grundlegende Problem der Hochpräzision, aber das System verbraucht viel Strom und die Genauigkeit ist immer noch schlecht. Das hochpräzise Messschema mit dem Thermistor mit negativem Temperaturkoeffizienten als Kern löst das Problem der hohen Präzision. Die Kostenleistung ist jedoch nicht hoch, der Implementierungseffekt ist nicht gut, die Temperaturauflösung kann 0,01 ° C erreichen und die Temperaturmessgenauigkeit erreicht nur 0,1 ° C. Hier ist ein Drei-Draht-Konstantstromquellen-Treiberschema vorgeschlagen, um den Leitungswiderstand und den Selbsterwärmungseffekt zu überwinden, und die Kalibrierung der Komponentendrift und der Genauigkeit des Platinwiderstandssensors werden unter Verwendung des Einzelchip-Systemkorrektursteuerschemas realisiert. Schließlich wird der numerische MLS-Algorithmus im Host-Computer verwendet, um eine Rauschunterdrückung zu erreichen, die die Genauigkeit und Stabilität der Temperaturmessung erheblich verbessert.
1. Hochpräzises Messschema und -prinzip
Der Platin-Widerstandssensor ist ein Temperatursensor, der unter Verwendung der physikalischen Eigenschaften des Metall-Platin (Pt) -Widerstandswerts als Funktion der Temperatur hergestellt wird. Der Schlüssel zur Temperaturmessung mit Platinwiderstand als Temperaturmesselement besteht darin, den Widerstandswert des Platinwiderstandssensors genau zu messen. Gemäß der internationalen Norm IEC751 ist der üblicherweise verwendete PT1000 (Ro = 1 000 Ω) ein Platinwiderstand, der einheitlich mit dem Temperaturkoeffizienten TCR = 0,003 851 als Standard ausgelegt ist. Seine Temperaturbeständigkeitseigenschaften sind:
Unser Unternehmen hat ein hochpräzises Temperaturmessschema unter Verwendung des Platinwiderstands als Temperaturmesskomponente vorgeschlagen, das einige anspruchsvolle Probleme der hochpräzisen Messung auf der Hardwareschaltung löst, aber die Genauigkeit ist nicht gut (± 0,4 ° C). Das mit den Platinwiderständen MAX1402, AT89C51 und Pt500 entwickelte Präzisionstemperaturmesssystem löst das grundlegende Problem der Hochpräzision, aber das System verbraucht viel Strom und die Genauigkeit ist immer noch schlecht. Das hochpräzise Messschema mit dem Thermistor mit negativem Temperaturkoeffizienten als Kern löst das Problem der hohen Präzision. Die Kostenleistung ist jedoch nicht hoch, der Implementierungseffekt ist nicht gut, die Temperaturauflösung kann 0,01 ° C erreichen und die Temperaturmessgenauigkeit erreicht nur 0,1 ° C. Hier ist ein Drei-Draht-Konstantstromquellen-Treiberschema vorgeschlagen, um den Leitungswiderstand und den Selbsterwärmungseffekt zu überwinden, und die Kalibrierung der Komponentendrift und der Genauigkeit des Platinwiderstandssensors werden unter Verwendung des Einzelchip-Systemkorrektursteuerschemas realisiert. Schließlich wird der numerische MLS-Algorithmus im Host-Computer verwendet, um eine Rauschunterdrückung zu erreichen, die die Genauigkeit und Stabilität der Temperaturmessung erheblich verbessert.
1. Hochpräzises Messschema und -prinzip
Der Platin-Widerstandssensor ist ein Temperatursensor, der unter Verwendung der physikalischen Eigenschaften des Metall-Platin (Pt) -Widerstandswerts als Funktion der Temperatur hergestellt wird. Der Schlüssel zur Temperaturmessung mit Platinwiderstand als Temperaturmesselement besteht darin, den Widerstandswert des Platinwiderstandssensors genau zu messen. Gemäß der internationalen Norm IEC751 ist der üblicherweise verwendete PT1000 (Ro = 1 000 Ω) ein Platinwiderstand, der einheitlich mit dem Temperaturkoeffizienten TCR = 0,003 851 als Standard ausgelegt ist. Seine Temperaturbeständigkeitseigenschaften sind:
Das Temperaturmesssystem verwendet ein Drei-Draht-Konstantstromquellen-Ansteuerverfahren, um den Platin-Widerstandssensor anzutreiben. Das Dreidraht-Konstantstromquellen-Ansteuerverfahren bezieht sich auf die Beseitigung des festen Widerstands (Null-Grad-Widerstand) des Platin-Widerstandssensors durch eine Hardwareschaltung und misst direkt die Widerstandsänderung des Sensors. Fig. 1 ist ein hochpräzises Messschema eines Drei-Draht-Konstantstromquellen-Ansteuerverfahrens. Der Referenzwiderstand ist in Reihe mit dem Sensor geschaltet und wird von einer Konstantstromquelle angesteuert, und die Komponenten der Schaltung erzeugen entsprechende Spannungen. Die Spannung des Sensors aufgrund einer Temperaturänderung kann direkt von der folgenden Verstärkerschaltung und dem A / D-Wandler gemessen werden, und die Spannungsmessung wird zweimal verwendet - die Richtung des Ansteuerstroms wird ausgetauscht und einmal in jeder Stromrichtung gemessen. Seine Eigenschaft besteht darin, die Widerstandsänderung des Sensors direkt zu messen. Der A / D-Wandler verwendet einen hohen Wirkungsgrad und die Ausgangsspannung der Schaltung ist linear mit der Widerstandsänderung. Der Sensor verwendet eine Dreileiterverbindung, um die Auswirkungen von Drahtwiderstand und Selbsterwärmung effektiv zu eliminieren. Die Verwendung des Ein-Chip-Mikrocomputersystems zur Steuerung der beiden Messspannungen kann den Systemfehler vermeiden, der durch die Verdrahtungssperrspannung und den Versatz und die Drift des Verstärkers und des A / D-Wandlers verursacht wird, und kann auch die Genauigkeit des Platinwiderstandssensors kalibrieren. Konstantstromquelle und A / D-Wandler teilen sich den Referenzstandard, so dass gemäß dem Prinzip der Messverhältnisumwandlung des A / D-Wandlers der Fehler, der durch die Instabilität der Referenzreferenzreferenz verursacht wird, beseitigt werden kann, aber die Konstantstromquelle wird stark nachgefragt und die Schaltungsstruktur ist komplex. Um den Einfluss von Rauschen und zufälligen Fehlern auf die Messgenauigkeit und -stabilität weiter zu überwinden, wird der numerische MLS-Algorithmus schließlich im Host-Computer verwendet, um eine Rauschunterdrückung zu erreichen, die die Genauigkeit und Stabilität der Temperaturmessung erheblich verbessert.
2. Systemschaltungsdesign
2.1 Dreileiter-Konstantstromquellen-Treiberschaltung
Die Konstantstromquellen-Treiberschaltung ist dafür verantwortlich, den Temperatursensor Pt1000 anzutreiben, um sein gemessenes temperaturvariables Widerstandssignal in ein messbares Spannungssignal umzuwandeln. In diesem System hat die erforderliche Konstantstromquelle einen konstanten Ausgangsstrom, eine gute Temperaturstabilität und einen großen Ausgangswiderstand. Der Ausgangsstrom beträgt weniger als 0,5 mA (die Obergrenze von Pt1000 hat keine Eigenerwärmung), die Last ist an einem Ende geerdet und die Polarität des Ausgangsstroms kann geändert werden.
Da der Einfluss der Temperatur auf die integrierten Operationsverstärkerparameter nicht so signifikant ist wie der der Transistor- oder FET-Parameter, hat die aus dem integrierten Operationsverstärker bestehende Konstantstromquelle die Vorteile einer besseren Stabilität und einer höheren Konstantstromleistung. Insbesondere in dem Fall, in dem das Lastende geerdet werden muss, ist es weit verbreitet. Daher wird die in Abbildung 2 gezeigte Konstantstromquelle mit zwei Operationsverstärkern verwendet. Der Verstärker UA1 bildet einen Addierer, UA2 bildet einen Mitnehmer, und UA1 und UA2 wählen einen bipolaren Operationsverstärker OP07 mit geringem Rauschen, geringem Versatz und hoher Verstärkung mit offener Schleife.
Die Potentiale am oberen und unteren Ende des Referenzwiderstands Rref in Fig. 2 sind jeweils Va und Vb, Va ist der Ausgang des In-Phase-Addierers UA1. Wenn der Widerstand R1 = R2 und R3 = R4 ist, dann ist Va = VREFx + Vb, so dass der Ausgangsstrom der Konstantstromquelle ist:
Es ist ersichtlich, dass die Konstantstromquelle mit zwei Operationsverstärkern die folgenden bemerkenswerten Merkmale aufweist:
1) Die Last kann geerdet werden;
2) Wenn der Operationsverstärker über zwei Netzteile mit Strom versorgt wird, ist der Ausgangsstrom bipolar.
3) Die konstante Stromstärke wird durch Ändern der Eingangsreferenzreferenz VREF oder Einstellen des Referenzwiderstands Rref0 erreicht. Es ist leicht, einen stabilen kleinen Strom und eine kompensierte Kalibrierung zu erhalten.
Aufgrund der Nichtübereinstimmung des Widerstands wird die Spannung am Referenzwiderstand Rref0 durch die Klemmenspannung Vb seiner Antriebslast beeinflusst. Gleichzeitig ändert sich Vb definitiv mit der Last, da es sich um eine Konstantstromquelle handelt, was sich auf die Stabilität der Konstantstromquelle auswirkt. Offensichtlich ist dies für hochpräzise Konstantstromquellen nicht akzeptabel. Daher besteht das Auswahlprinzip der vier Widerstände R1, R2, R3 und R4 darin, dass die Nichtübereinstimmung so klein wie möglich ist und die Nichtübereinstimmungsgröße jedes Widerstandspaares gleich sein sollte. In der Praxis kann eine große Anzahl von Präzisionswiderständen derselben Charge abgeschirmt werden, und vier Widerstände mit ähnlichen Widerstandswerten werden ausgewählt.
2.2 Signalaufbereitungsschaltung
Die Signalkonditionierungsschaltung ist in 3 gezeigt. Die Verstärker-UA3-Einheit verstärkt die Klemmenspannung des Referenzwiderstands Rref, um ein invertierendes Eingangssignal des Differenzverstärkers zu erhalten. Sein Wert ist:
Der Verstärker UA4 verstärkt die Klemmenspannung des Temperatursensors Rt (PT1000) um das Zweifache, um das Vorwärts-Eingangssignal des Differenzverstärkers zu erhalten. Sein Wert ist:
Unter diesen ist das Auswahlprinzip der Widerstände R5 und R6 dasselbe wie das Prinzip der Auswahl des Proportionalwiderstands in der vorherigen Konstantstromquellenanalyse, dh durch Abschirmen einer großen Anzahl gemeinsamer Nennwiderstände wird der nächstgelegene Widerstand ausgewählt.
2.3 A / D-Wandlerschaltung
Die A / D-Wandlerschaltung wird durch einen integrierten A / D-Wandler AD7712 implementiert, der auch eine Differenzverstärkung des Instrumentenverstärkers unter Verwendung seines internen PGA durchführt. Der AD7712 ist ein hochpräziser A / D-Wandler, der für Niederfrequenzmessungen geeignet ist. Der Chip enthält zwei Eingangskanäle, AIN1 und AIN2, die das analoge Signal in einen seriellen Datenausgang umwandeln. Die Hauptschaltung der Datenkonvertierungserfassung mit AD7712 ist in Abbildung 4 dargestellt. Sie muss während der eigentlichen Arbeit konfiguriert werden. Der differentielle Eingangskanal AIN1 ist ausgewählt und die Polarität des Eingangssignals ist bipolar.
Der Fehler des Messergebnisses ergibt sich hauptsächlich aus dem Fehler der Referenzwiderstände Rref und Rref0 sowie dem Fehler des Differenzverstärkungsfaktors k und des Wandlungsausgangs des A / D-Wandlers. Um die erforderliche Messgenauigkeit zu erreichen, verwenden die Referenzwiderstände Rref, Rref0 einen benutzerdefinierten UPR-Kunststofffolienwiderstand mit einer Anfangsgenauigkeit von 0,05% und einer Temperaturstabilität von weniger als 5 ppm. Der nichtlineare Fehler von AD7712 beträgt weniger als O. 001 5%, die Stabilität der Verstärkungstemperatur beträgt weniger als 2 ppm. Der AD7712 kann von einem Einzelchip-Mikrocomputer kalibriert werden, um seinen nichtlinearen Fehler und seinen Verstärkungsfehler zu reduzieren.
3 Kalibrierungs- und Messergebnisse
3.1 Kalibrierung des Messsystems
3.2 Messung des Thermostats
Der Platin-Widerstandssensor Pt1000 wird an das Messsystem angeschlossen und zur Kalibrierung des gesamten Temperaturmesssystems in einen hochpräzisen Inkubator (Temperaturregelgenauigkeit 0,01 ° C) gestellt. Achten Sie beim Messen auf die Dichtung des Inkubators, um die Stabilität der Umgebungstemperatur zu verbessern. Nachdem die Temperatur des Inkubators stabil ist, werden alle 3 Minuten 20 Messungen am gleichen Temperaturpunkt durchgeführt. Die gemessenen Temperaturwertdaten und die Verarbeitungsergebnisse sind in Tabelle 2 aufgeführt. Aufgrund der Gerätebedingungen beträgt der Messtemperaturbereich nur (10 ~ 70 ° C).
In Tabelle 2 ist der Zufallsfehler die Standardabweichung, die aus 20 Messungen desselben Temperaturpunkts berechnet wurde (σ = SQR [(xi-X) 2 / (n-1)]); Der systematische Fehler ist die Differenz zwischen der eingestellten Temperatur des Ofens und dem Durchschnittswert der vom Temperaturmesssystem gemessenen Temperatur. Wie aus den Daten in Tabelle 2 ersichtlich ist, beträgt der maximale zufällige Fehler des Messsystems 0,005 ° C und ist der kleinste, wenn er nahe an Raumtemperatur liegt; Der maximale Systemfehler des Messsystems beträgt -0,009 ° C, was darauf hinweist, dass der Kalibrierungsfehler des Pt1000-Platinwiderstandssensors gering und die Präzision hoch ist, was die Messanforderungen des hochpräzisen Temperaturmesssystems erfüllen kann. Der Hochtemperaturfehler ist jedoch groß, was mit der Temperaturregelgenauigkeit des Ofens zusammenhängen kann, der einer weiteren Kalibrierung bedarf.
4. Abschließend
Der Pt1000-Platinwiderstand wird von einer Drei-Draht-Konstantstromquelle angetrieben, die den Einfluss des Drahtwiderstands und des Selbsterwärmungseffekts auf die Messgenauigkeit wirksam überwindet. Die Verwendung des Einzelchip-Mikrocomputers zur Berechnung der beiden gemessenen Spannungen unter dem bipolaren Ansteuerstrom kann den systematischen Fehler, der durch die Verdrahtungssperrspannung und den Versatz und die Drift des Verstärkers und des A / D-Wandlers verursacht wird, wirksam vermeiden. Die Konstantstromquelle und der A / D-Wandler teilen sich eine Referenzreferenz, wodurch der Fehler, der durch die Instabilität der Referenzreferenz verursacht wird, effektiv beseitigt wird. Der numerische MLS-Algorithmus wird verwendet, um das Rauschen im Host-Computer zu unterdrücken, wodurch der Einfluss von Rauschen und zufälligen Fehlern auf die Messgenauigkeit und -stabilität weiter überwunden und die Genauigkeit und Stabilität der Temperaturmessung erheblich verbessert wird. Der maximale Messfehler der gesamten Maschine beträgt nicht mehr als 0,01 ° C.
