Messmethode des RTD-Temperaturfühler
Platin-Widerstand Temperaturfühler (Pt100 und Pt1000) werden als hochpräzise Temperatursensoren häufig in der Meteorologie, Automobilindustrie, Luftfahrt, industriellen Automatisierung messungen sowie verschiedenen experimentellen Instrumenten und anderen Bereichen eingesetzt. Das Temperaturmessprinzip des Platin-Widerstand temperatursensors besteht darin, dass sich der Widerstand wert des metallischen Platins (PT) ändert, wenn sich die Umgebungstemperatur ändert, und zwischen dem Widerstand wert und dem Temperaturwert eine eindeutige funktionale Beziehung besteht.
1. Drei Leitmethoden für Platin-Widerstand Temperaturfühler
Entsprechend den unterschiedlichen Anschluss methoden von Temperatursensoren werden Platin widerstände in drei Typen unterteilt: Zweileitersystem, Dreileitersystem und Vierleitersystem. Die drei Leitung methoden haben ihre eigenen Eigenschaften: Die Zweidrahtleitung methode hat einfache Leitungen, aber das Problem besteht darin, dass der Messfehler groß ist und der Drahtwiderstand fehler zwangsläufig während der Messung auftritt. Es eignet sich nur für Fälle, in denen die Messgenauigkeit nicht hoch ist.
Bei der Dreileiter-Leitung methode werden zwei Leitungen an einem Ende und eine Leitung am anderen Ende verwendet. In der Industrie wird im Allgemeinen die Dreileiter-Anschlussmethode verwendet. Die drei bei der Dreidrahtleitung methode herausgezogenen Drähte haben die gleiche Querschnittsfläche und Länge. Normalerweise wird der Dreileiter widerstand mit der unsymmetrischen Brückenmethode gemessen, wodurch der Einfluss des inneren Leitung widerstands während der Messung eliminiert werden kann und die Messgenauigkeit höher ist als die des Zweileitersystems.
Bei der Vierdrahtleitung methode sind zwei Drähte Stromversorgungsdrähte und die anderen beiden Signaldrähte. Die Stromversorgung und das Signal arbeiten getrennt, und diese Methode kann den Leitungswiderstand effektiv beseitigen. Ist der Widerstand wert des zu messenden Widerstandes gleich oder sogar deutlich kleiner als der Leitungswiderstand, kommt nur die Vierleiter-Messmethode zum Einsatz. Diese Methode weist eine höhere Messgenauigkeit auf, erfordert jedoch, dass der Sensor 4 Leitungen erzeugt, was die Kosten und das Gewicht des gesamten Testsystems bei der Übertragung über große Entfernungen erhöht und die Anforderungen einiger Spezialindustrien nicht erfüllen kann. Wird hauptsächlich zur hochpräzisen Temperaturerfassung verwendet.
2. Zweidrahtiger Platin-Widerstand messkreis
In einem Platin-Widerstand temperatursensor-Messsystem wird der Platin-Widerstand wert normalerweise anhand der Ausgangsspannung Vo berechnet, wenn die Whist-Brücke unsymmetrisch ist. Die Erfassungsschaltung des Zweidraht-Platinwiderstands in diesem System ist in Abbildung 1 dargestellt.
Messmethoden und Anwendungen von Platin-Widerstand temperatursensoren:
I ist die Konstantspannungsquelle, R ist der Strombegrenzung widerstand, der zu messende Widerstand ist Rt und der Leitungswiderstand ist r. Die Testschaltung ist in Abbildung 1 dargestellt. Berechnet nach dem Ohmschen Gesetz:
Messmethoden und Anwendungen von Platin-Widerstand temperatursensoren:
In der obigen Formel ist RT: der Widerstand wert des gemessenen Platinwiderstand sensors; r: der Widerstand wert der Sensorleitung; k: das lineare Verstärkung system des Operationsverstärkers (normalerweise eingestellt durch den Verstärkung widerstand Rg); VOUT: die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers Wert.
Aus Gleichung (2) ist ersichtlich, dass die Verwendung einer Zweidrahtübertragung einen Messfehler von 2r mit sich bringt. Die im Messsystem verwendete Übertragungsleitung hat einen Widerstand von etwa 0,061 Ω pro Meter und 2r beträgt 0,122 Ω. Unter der Annahme, dass die Leitung zwischen dem Messwiderstand und dem Messkreis im System 50 m lang ist, beträgt der durch den Leitungswiderstand verursachte Fehler 3,05 Ω. Das heißt, der Temperaturmessfehler erreicht 7,6 °C (die Widerstandsänderung des Platinwiderstands im System beträgt etwa 0,398 Ω pro 1 °C-Änderung).
Es ist ersichtlich, dass bei großem Abstand zwischen Messsystem und Sensor der Leitungswiderstand r einen großen Einfluss auf die Genauigkeit der Platinwiderstand erfassung hat. Daher eignet sich der Zweidraht-Platinwiderstand nur für Fälle, in denen der Leitungsabstand relativ gering und die Messgenauigkeit durchschnittlich ist.
3. Dreileiter-Widerstand messschaltung
3.1 Wheatstone-Brücke
Wenn die Widerstandsbrücke das Gleichgewicht erreicht, ist aus Gleichung (3) ersichtlich, dass unabhängig davon, ob die Erregerquelle vom Strom- oder Leistungstyp ist und unabhängig von der Größe der Erregerquelle, der Ausgang von V0 Null ist. Wenn also R2/R3 ein fester Koeffizient K ist, erreicht die Brücke bei R1 = K × R4 das Gleichgewicht, das heißt: Vo = 0.
Diese Methode zur Messung des Gleichgewichtswerts wird häufig in Rückkopplung kontroll systemen verwendet. Selbst sehr kleine Änderungen des Widerstands am Brückenzweig schlagen sich in Änderungen der Ausgangsspannung nieder. Durch die Überwachung, ob die Brücke im Gleichgewicht ist, können Änderungen der Sensorüberwachungsobjekte (Kraft, Temperatur usw.) in Echtzeit überwacht werden. Die Ausgangsspannung VO der Brücke wird als Rückmeldungssignal des Aktors verwendet, um die Ausführung abweichung in Echtzeit zu überwachen und die Ausführung anweisungen kontinuierlich zu korrigieren. Wird häufig in den Bereichen Drehmomentmessung und elektrothermische Regelung steuerungen verwendet.
Normalerweise gehen wir davon aus, dass die Anregungsquelle VR ein fester Wert ist. Aus Gleichung (1) ist ersichtlich, dass die Brücken ausgangsspannung VO eine lineare proportionale Beziehung zur Erreger stromversorgung VR aufweist. Daher kann das Messsystem niemals genauer sein als die Erreger stromversorgung.
3.2 Messschaltung mit dreiadriger unsymmetrischer Brücke
Nach der Whist-Bridge-Theorie ändert sich einer der vier Brückenarme der Brücke, wenn die Brücke in Betrieb ist, und R1 wird zu R’=R1+△r. Dann wird das Gleichgewicht der Whist-Brücke gestört, das heißt, in Abbildung 2 gibt es eine bestimmte Potentialdifferenz UL zwischen A und B, dann wird die Brücke als unsymmetrische Brücke bezeichnet, das heißt VO=UL≠0.
Im unsymmetrischen Brückenprinzip werden verschiedene Widerstand sensoren RT an die Brückenschaltung angeschlossen. Die unsymmetrische Spannung der Brücke kann kleine Änderungen im Brückenzweig widerstand widerspiegeln. Daher können Änderungen externer physikalischer Größen (Temperatur, Druck usw.) erfasst werden. R ist der vom Messsystem ausgewählte Präzisionswiderstand des Brückenarms und RT ist der gemessene Widerstand.
Die beiden Eingangsanschlüsse sind mit einem Operationsverstärker mit hoher Eingangsimpedanz verbunden, sodass der durch den Vorstrom am Leitungswiderstand verursachte Spannungsabfall minimiert wird, wodurch der Leckstrom minimiert wird. Nach Kirchhoffs Strom- und Spannungsgesetz:
Aus Formel (4) ist ersichtlich, dass in diesem Messsystem bei RT>R, da die Ausgang spannung VOUT des Brückenzweigs negativ ist, sichergestellt werden muss, dass der Ausgang VOUT immer positiv ist. Dann sollte der Brückenarm widerstand wert R des Messsystems größer sein als der obere Grenz widerstand wert des gemessenen Widerstands RT. Am Beispiel von PT1000 beträgt sein Widerstand wert 1.000 Ω bei 0 °C und sein effektiver Widerstand änderung bereich beträgt 803 Ω ~ 2.120 Ω (d. h. der Temperaturänderungsbereich beträgt -50 °C ~ 300 °C). Dann sollte der Brückenarm widerstand R größer als die Obergrenze der Änderung seines Platin widerstand wertes (2120 Ω) gewählt werden. In diesem Beispiel wird der Brückenarm widerstand R mit 2700 Ω gewählt, was die Messanforderungen vollständig erfüllt und keinen Überlauf verursacht.
Unter der Bedingung, dass die Erregerstromquelle einen typischen Wert von 1 mA hat, beträgt der Variationsbereich von VAB zu diesem Zeitpunkt 153 ~ 575 mV, und der AMP ist ein hochpräziser Operationsverstärker AD620 von TI. AD620 verwendet einen Differenzverstärker, um die Spannungsdifferenz des Brückenzweig ausgangs in eine Single-Ended-Spannung umzuwandeln und diese zu verstärken. Die Offsetspannung seines Differenzverstärkers ist sehr klein. Die Eliminierung des Offsets bedeutet, dass das winzige Differenzsignal am Ausgang verstärkt wird, die Offsetspannung jedoch nicht. Der Verstärkung widerstand ist ein hochpräziser Widerstand mit einem Widerstand wert von 5 kΩ und die Verstärkung des Operationsverstärkers beträgt k=10,88. Aus der Berechnung der Formel (4) lässt sich erkennen, dass der effektive Ausgang spannungsbereich von VOUT 1,667 bis 6,259 V beträgt.
3.2.1 Sammeln von Ergebnissen, wenn der Sensor abnormal ist
In Platin-Widerstands-Temperaturmess systemen ist die Arbeitsumgebung von Platin-Widerstand sensoren normalerweise rau. Die Zuleitung vom Sensor leitungsende zum Messsystem ist in der Regel mehr als zehn Meter lang. Es ist außerdem sehr wichtig, die Leitungen während des Entwurfs zu schützen, um Unterbrechungen und gegenseitige Kurzschlüsse zu vermeiden. In einigen Spezialbereichen (z. B. Luftfahrtindustrie, Ölexploration) erfordert das System, dass das Messsystem aktiv erkennen kann, wenn ähnliche Fehler auftreten, und dass das System über Alarmfunktionen verfügen muss.
3.2.1.1 Bei offenem Sensorstromkreis
Der Sensor hat einen offenen Stromkreis. Das Testsystem kann zur Analyse in die folgenden Situationen unterteilt werden, wie in Tabelle 1 dargestellt.
Aus Tabelle 1 oben ist ersichtlich, dass die Ausgang spannung des Operationsverstärkers VOUT = 13,6 V oder VOUT = -12,7 V beträgt, wenn der Sensor einen Leerlauffehler aufweist, d Der Verstärker geht in einen gesättigten Zustand über. Unter normalen Betriebsbedingungen des Sensors liegt die Ausgang spannung VOUT des Operationsverstärkers im normalen Verstärkungsbereich.
3.2.1.2 Bei Sensorkurzschluss
Unter normalen Umständen verursachen Platin-Widerstand sensoren keine Kurzschlüsse. Kommt es bei unsachgemäßer Verwendung beispielsweise durch den Verschleiß der Sensorleitungen zu einem Kurzschluss zwischen den Leitungen, so ergibt sich aus Gleichung (4), dass der Ausgang von VOUT wie folgt lautet:
Zu diesem Zeitpunkt ist der VOUT-Ausgang der positive Sättigungswert des Operationsverstärkers (13,6 V), wie in Tabelle 2 gezeigt.
Da Kabel 1 und 2 an einem Ende geführt werden, liegt kein Kurzschlussfehler in Kabel 1 und 2 vor. Aus der obigen Tabelle 2 ist ersichtlich, dass die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers VOUT = 13,6 V beträgt, wenn der Sensor einen Kurzschlussfehler aufweist, d. h. im Kurzschlusszustand des Sensors geht der Operationsverstärker in einen gesättigten Zustand über. Unter normalen Betriebsbedingungen des Sensors liegt die Ausgangsspannung VOUT des Operationsverstärkers im normalen Verstärkungsbereich.
3.2.1.3 Alarmfunktion bei Sensoranomalie
Durch die Analyse des Ausgangsspannung swerts des Operationsverstärkers des Sensors unter Bedingungen eines offenen Stromkreises und eines Kurzschlussfehlers kann gefolgert werden, dass in diesen beiden Fällen der Ausgang des Operationsverstärkers seinen gesättigten Wert, d. h. einen offenen Stromkreis, aufweist. Es gibt keine Datenüberlappung zwischen dem Kurzschlusszustand und dem normalen Erfassungszustand, sodass das System überwachen kann, ob der Sensor ordnungsgemäß funktioniert. Dann kann dieses Messsystem Sensorfehler identifizieren. Das System verfügt über eine Echtzeit-Alarmfunktion und kann das System in Echtzeit über Sensorfehlerzustände informieren.
4 Vierleiter-Messkreis
Aus Abbildung 4 ist auch ersichtlich, dass Wire1 und Wire4 die Konstantstromquellenschleifen von Platinwiderständen sind. Der von der Konstantstromquelle bereitgestellte Strom wird nicht durch den Widerstand des Kabels und die Größe der Last beeinflusst. W2 und W3 sind die beiden Messsignalleitungen des Platinwiderstands. Da die Eingangsimpedanz des Operationsverstärkers sehr groß ist (10 GΩ), kann die Spannungsteilung durch den Leitungswiderstand vernachlässigt werden. Gemessen wird daher der tatsächlich gemessene Widerstand wert. Daher kann die Vierleiter-Verbindungsmethode das Messrauschen minimieren und die Messgenauigkeit verbessern.
I ist die Konstantspannungsquelle, R ist der Strombegrenzung widerstand, der gemessene Widerstand ist Ri und der Leitungswiderstand ist r. Die Testschaltung ist in Abbildung 4 dargestellt. Berechnet nach dem Ohmschen Gesetz:
VOUT=k*I*RT (7)
In der obigen Formel ist RT: der Widerstand wert des gemessenen Platin widerstand sensors; k: das lineare Verstärkungssystem des Operationsverstärkers (normalerweise durch den Verstärkung widerstand Rg eingestellt); VOUT: der Ausgangsspannungswert des Operationsverstärkers.
Aus Gleichung (8) ist ersichtlich, dass bei Verwendung des Vierdraht-Leitungsmodus zur Erfassung die Ausgangsspannung von VOUT nichts mit der Größe des System strombegrenzung widerstands R und dem Leitungswiderstand r zu tun hat.
Es ist ersichtlich, dass bei großem Abstand zwischen Messsystem und Sensor der Leitungswiderstand r einen großen Einfluss auf die Genauigkeit der Platinwiderstand erfassung hat. Daher eignet sich der Zweidraht-Platinwiderstand nur für Fälle, in denen der Leitungsabstand relativ gering und die Messgenauigkeit durchschnittlich ist.
5. Schlussfolgerung
In diesem Artikel werden die Erfassungs- und Messschaltungen von drei verschiedenen Bleimethoden von Platin-Widerstand temperatursensoren vorgestellt und insbesondere die Vor- und Nachteile jedes Erfassung systems analysiert. Für den in der Industrie weit verbreiteten Drei draht widerstand wird dessen Erfassungsschaltung systematisch analysiert, wobei der Schwerpunkt auf der Analyse der unsymmetrischen Brückenerfassungsschaltung liegt. Verschiedene anormale Zustände der unsymmetrischen Brückenerfassungsschaltung werden ebenfalls detailliert analysiert. Bei der eigentlichen Messung wurden Simulationstests in verschiedenen abnormalen Situationen durchgeführt und spezifische Testparameter und Beurteilungsmethoden angegeben. Die Messschaltung in diesem Artikel hat einen einfachen Aufbau, eine hohe Messgenauigkeit und einen hohen Gebrauchswert.
1. Drei Leitmethoden für Platin-Widerstand Temperaturfühler
Entsprechend den unterschiedlichen Anschluss methoden von Temperatursensoren werden Platin widerstände in drei Typen unterteilt: Zweileitersystem, Dreileitersystem und Vierleitersystem. Die drei Leitung methoden haben ihre eigenen Eigenschaften: Die Zweidrahtleitung methode hat einfache Leitungen, aber das Problem besteht darin, dass der Messfehler groß ist und der Drahtwiderstand fehler zwangsläufig während der Messung auftritt. Es eignet sich nur für Fälle, in denen die Messgenauigkeit nicht hoch ist.
Bei der Dreileiter-Leitung methode werden zwei Leitungen an einem Ende und eine Leitung am anderen Ende verwendet. In der Industrie wird im Allgemeinen die Dreileiter-Anschlussmethode verwendet. Die drei bei der Dreidrahtleitung methode herausgezogenen Drähte haben die gleiche Querschnittsfläche und Länge. Normalerweise wird der Dreileiter widerstand mit der unsymmetrischen Brückenmethode gemessen, wodurch der Einfluss des inneren Leitung widerstands während der Messung eliminiert werden kann und die Messgenauigkeit höher ist als die des Zweileitersystems.
Bei der Vierdrahtleitung methode sind zwei Drähte Stromversorgungsdrähte und die anderen beiden Signaldrähte. Die Stromversorgung und das Signal arbeiten getrennt, und diese Methode kann den Leitungswiderstand effektiv beseitigen. Ist der Widerstand wert des zu messenden Widerstandes gleich oder sogar deutlich kleiner als der Leitungswiderstand, kommt nur die Vierleiter-Messmethode zum Einsatz. Diese Methode weist eine höhere Messgenauigkeit auf, erfordert jedoch, dass der Sensor 4 Leitungen erzeugt, was die Kosten und das Gewicht des gesamten Testsystems bei der Übertragung über große Entfernungen erhöht und die Anforderungen einiger Spezialindustrien nicht erfüllen kann. Wird hauptsächlich zur hochpräzisen Temperaturerfassung verwendet.
In einem Platin-Widerstand temperatursensor-Messsystem wird der Platin-Widerstand wert normalerweise anhand der Ausgangsspannung Vo berechnet, wenn die Whist-Brücke unsymmetrisch ist. Die Erfassungsschaltung des Zweidraht-Platinwiderstands in diesem System ist in Abbildung 1 dargestellt.
Messmethoden und Anwendungen von Platin-Widerstand temperatursensoren:
I ist die Konstantspannungsquelle, R ist der Strombegrenzung widerstand, der zu messende Widerstand ist Rt und der Leitungswiderstand ist r. Die Testschaltung ist in Abbildung 1 dargestellt. Berechnet nach dem Ohmschen Gesetz:
Messmethoden und Anwendungen von Platin-Widerstand temperatursensoren:
In der obigen Formel ist RT: der Widerstand wert des gemessenen Platinwiderstand sensors; r: der Widerstand wert der Sensorleitung; k: das lineare Verstärkung system des Operationsverstärkers (normalerweise eingestellt durch den Verstärkung widerstand Rg); VOUT: die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers Wert.
Aus Gleichung (2) ist ersichtlich, dass die Verwendung einer Zweidrahtübertragung einen Messfehler von 2r mit sich bringt. Die im Messsystem verwendete Übertragungsleitung hat einen Widerstand von etwa 0,061 Ω pro Meter und 2r beträgt 0,122 Ω. Unter der Annahme, dass die Leitung zwischen dem Messwiderstand und dem Messkreis im System 50 m lang ist, beträgt der durch den Leitungswiderstand verursachte Fehler 3,05 Ω. Das heißt, der Temperaturmessfehler erreicht 7,6 °C (die Widerstandsänderung des Platinwiderstands im System beträgt etwa 0,398 Ω pro 1 °C-Änderung).
3. Dreileiter-Widerstand messschaltung
3.1 Wheatstone-Brücke
Wenn die Widerstandsbrücke das Gleichgewicht erreicht, ist aus Gleichung (3) ersichtlich, dass unabhängig davon, ob die Erregerquelle vom Strom- oder Leistungstyp ist und unabhängig von der Größe der Erregerquelle, der Ausgang von V0 Null ist. Wenn also R2/R3 ein fester Koeffizient K ist, erreicht die Brücke bei R1 = K × R4 das Gleichgewicht, das heißt: Vo = 0.
Diese Methode zur Messung des Gleichgewichtswerts wird häufig in Rückkopplung kontroll systemen verwendet. Selbst sehr kleine Änderungen des Widerstands am Brückenzweig schlagen sich in Änderungen der Ausgangsspannung nieder. Durch die Überwachung, ob die Brücke im Gleichgewicht ist, können Änderungen der Sensorüberwachungsobjekte (Kraft, Temperatur usw.) in Echtzeit überwacht werden. Die Ausgangsspannung VO der Brücke wird als Rückmeldungssignal des Aktors verwendet, um die Ausführung abweichung in Echtzeit zu überwachen und die Ausführung anweisungen kontinuierlich zu korrigieren. Wird häufig in den Bereichen Drehmomentmessung und elektrothermische Regelung steuerungen verwendet.
3.2 Messschaltung mit dreiadriger unsymmetrischer Brücke
Nach der Whist-Bridge-Theorie ändert sich einer der vier Brückenarme der Brücke, wenn die Brücke in Betrieb ist, und R1 wird zu R’=R1+△r. Dann wird das Gleichgewicht der Whist-Brücke gestört, das heißt, in Abbildung 2 gibt es eine bestimmte Potentialdifferenz UL zwischen A und B, dann wird die Brücke als unsymmetrische Brücke bezeichnet, das heißt VO=UL≠0.
Im unsymmetrischen Brückenprinzip werden verschiedene Widerstand sensoren RT an die Brückenschaltung angeschlossen. Die unsymmetrische Spannung der Brücke kann kleine Änderungen im Brückenzweig widerstand widerspiegeln. Daher können Änderungen externer physikalischer Größen (Temperatur, Druck usw.) erfasst werden. R ist der vom Messsystem ausgewählte Präzisionswiderstand des Brückenarms und RT ist der gemessene Widerstand.
Die beiden Eingangsanschlüsse sind mit einem Operationsverstärker mit hoher Eingangsimpedanz verbunden, sodass der durch den Vorstrom am Leitungswiderstand verursachte Spannungsabfall minimiert wird, wodurch der Leckstrom minimiert wird. Nach Kirchhoffs Strom- und Spannungsgesetz:
Aus Formel (4) ist ersichtlich, dass in diesem Messsystem bei RT>R, da die Ausgang spannung VOUT des Brückenzweigs negativ ist, sichergestellt werden muss, dass der Ausgang VOUT immer positiv ist. Dann sollte der Brückenarm widerstand wert R des Messsystems größer sein als der obere Grenz widerstand wert des gemessenen Widerstands RT. Am Beispiel von PT1000 beträgt sein Widerstand wert 1.000 Ω bei 0 °C und sein effektiver Widerstand änderung bereich beträgt 803 Ω ~ 2.120 Ω (d. h. der Temperaturänderungsbereich beträgt -50 °C ~ 300 °C). Dann sollte der Brückenarm widerstand R größer als die Obergrenze der Änderung seines Platin widerstand wertes (2120 Ω) gewählt werden. In diesem Beispiel wird der Brückenarm widerstand R mit 2700 Ω gewählt, was die Messanforderungen vollständig erfüllt und keinen Überlauf verursacht.
Unter der Bedingung, dass die Erregerstromquelle einen typischen Wert von 1 mA hat, beträgt der Variationsbereich von VAB zu diesem Zeitpunkt 153 ~ 575 mV, und der AMP ist ein hochpräziser Operationsverstärker AD620 von TI. AD620 verwendet einen Differenzverstärker, um die Spannungsdifferenz des Brückenzweig ausgangs in eine Single-Ended-Spannung umzuwandeln und diese zu verstärken. Die Offsetspannung seines Differenzverstärkers ist sehr klein. Die Eliminierung des Offsets bedeutet, dass das winzige Differenzsignal am Ausgang verstärkt wird, die Offsetspannung jedoch nicht. Der Verstärkung widerstand ist ein hochpräziser Widerstand mit einem Widerstand wert von 5 kΩ und die Verstärkung des Operationsverstärkers beträgt k=10,88. Aus der Berechnung der Formel (4) lässt sich erkennen, dass der effektive Ausgang spannungsbereich von VOUT 1,667 bis 6,259 V beträgt.
In Platin-Widerstands-Temperaturmess systemen ist die Arbeitsumgebung von Platin-Widerstand sensoren normalerweise rau. Die Zuleitung vom Sensor leitungsende zum Messsystem ist in der Regel mehr als zehn Meter lang. Es ist außerdem sehr wichtig, die Leitungen während des Entwurfs zu schützen, um Unterbrechungen und gegenseitige Kurzschlüsse zu vermeiden. In einigen Spezialbereichen (z. B. Luftfahrtindustrie, Ölexploration) erfordert das System, dass das Messsystem aktiv erkennen kann, wenn ähnliche Fehler auftreten, und dass das System über Alarmfunktionen verfügen muss.
3.2.1.1 Bei offenem Sensorstromkreis
Der Sensor hat einen offenen Stromkreis. Das Testsystem kann zur Analyse in die folgenden Situationen unterteilt werden, wie in Tabelle 1 dargestellt.
Aus Tabelle 1 oben ist ersichtlich, dass die Ausgang spannung des Operationsverstärkers VOUT = 13,6 V oder VOUT = -12,7 V beträgt, wenn der Sensor einen Leerlauffehler aufweist, d Der Verstärker geht in einen gesättigten Zustand über. Unter normalen Betriebsbedingungen des Sensors liegt die Ausgang spannung VOUT des Operationsverstärkers im normalen Verstärkungsbereich.
3.2.1.2 Bei Sensorkurzschluss
Unter normalen Umständen verursachen Platin-Widerstand sensoren keine Kurzschlüsse. Kommt es bei unsachgemäßer Verwendung beispielsweise durch den Verschleiß der Sensorleitungen zu einem Kurzschluss zwischen den Leitungen, so ergibt sich aus Gleichung (4), dass der Ausgang von VOUT wie folgt lautet:
Zu diesem Zeitpunkt ist der VOUT-Ausgang der positive Sättigungswert des Operationsverstärkers (13,6 V), wie in Tabelle 2 gezeigt.
Da Kabel 1 und 2 an einem Ende geführt werden, liegt kein Kurzschlussfehler in Kabel 1 und 2 vor. Aus der obigen Tabelle 2 ist ersichtlich, dass die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers VOUT = 13,6 V beträgt, wenn der Sensor einen Kurzschlussfehler aufweist, d. h. im Kurzschlusszustand des Sensors geht der Operationsverstärker in einen gesättigten Zustand über. Unter normalen Betriebsbedingungen des Sensors liegt die Ausgangsspannung VOUT des Operationsverstärkers im normalen Verstärkungsbereich.
3.2.1.3 Alarmfunktion bei Sensoranomalie
Durch die Analyse des Ausgangsspannung swerts des Operationsverstärkers des Sensors unter Bedingungen eines offenen Stromkreises und eines Kurzschlussfehlers kann gefolgert werden, dass in diesen beiden Fällen der Ausgang des Operationsverstärkers seinen gesättigten Wert, d. h. einen offenen Stromkreis, aufweist. Es gibt keine Datenüberlappung zwischen dem Kurzschlusszustand und dem normalen Erfassungszustand, sodass das System überwachen kann, ob der Sensor ordnungsgemäß funktioniert. Dann kann dieses Messsystem Sensorfehler identifizieren. Das System verfügt über eine Echtzeit-Alarmfunktion und kann das System in Echtzeit über Sensorfehlerzustände informieren.
4 Vierleiter-Messkreis
Aus Abbildung 4 ist auch ersichtlich, dass Wire1 und Wire4 die Konstantstromquellenschleifen von Platinwiderständen sind. Der von der Konstantstromquelle bereitgestellte Strom wird nicht durch den Widerstand des Kabels und die Größe der Last beeinflusst. W2 und W3 sind die beiden Messsignalleitungen des Platinwiderstands. Da die Eingangsimpedanz des Operationsverstärkers sehr groß ist (10 GΩ), kann die Spannungsteilung durch den Leitungswiderstand vernachlässigt werden. Gemessen wird daher der tatsächlich gemessene Widerstand wert. Daher kann die Vierleiter-Verbindungsmethode das Messrauschen minimieren und die Messgenauigkeit verbessern.
I ist die Konstantspannungsquelle, R ist der Strombegrenzung widerstand, der gemessene Widerstand ist Ri und der Leitungswiderstand ist r. Die Testschaltung ist in Abbildung 4 dargestellt. Berechnet nach dem Ohmschen Gesetz:
VOUT=k*I*RT (7)
In der obigen Formel ist RT: der Widerstand wert des gemessenen Platin widerstand sensors; k: das lineare Verstärkungssystem des Operationsverstärkers (normalerweise durch den Verstärkung widerstand Rg eingestellt); VOUT: der Ausgangsspannungswert des Operationsverstärkers.
Aus Gleichung (8) ist ersichtlich, dass bei Verwendung des Vierdraht-Leitungsmodus zur Erfassung die Ausgangsspannung von VOUT nichts mit der Größe des System strombegrenzung widerstands R und dem Leitungswiderstand r zu tun hat.
Es ist ersichtlich, dass bei großem Abstand zwischen Messsystem und Sensor der Leitungswiderstand r einen großen Einfluss auf die Genauigkeit der Platinwiderstand erfassung hat. Daher eignet sich der Zweidraht-Platinwiderstand nur für Fälle, in denen der Leitungsabstand relativ gering und die Messgenauigkeit durchschnittlich ist.
5. Schlussfolgerung
In diesem Artikel werden die Erfassungs- und Messschaltungen von drei verschiedenen Bleimethoden von Platin-Widerstand temperatursensoren vorgestellt und insbesondere die Vor- und Nachteile jedes Erfassung systems analysiert. Für den in der Industrie weit verbreiteten Drei draht widerstand wird dessen Erfassungsschaltung systematisch analysiert, wobei der Schwerpunkt auf der Analyse der unsymmetrischen Brückenerfassungsschaltung liegt. Verschiedene anormale Zustände der unsymmetrischen Brückenerfassungsschaltung werden ebenfalls detailliert analysiert. Bei der eigentlichen Messung wurden Simulationstests in verschiedenen abnormalen Situationen durchgeführt und spezifische Testparameter und Beurteilungsmethoden angegeben. Die Messschaltung in diesem Artikel hat einen einfachen Aufbau, eine hohe Messgenauigkeit und einen hohen Gebrauchswert.
