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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Ratiometrisches Thermometer. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Messtechnik In diesem Thermometer, das auf einem in der Industrie weit verbreiteten Standard-Temperatursensor der TSM-Serie und einem speziell für Messgeräte entwickelten Doppelintegrations-ADC-Chip KR572PV2 basiert, sind alle Maßnahmen ergriffen, um den Einfluss von Fehlerquellen zu kompensieren und zu erhöhen die Genauigkeit der Temperaturmessungen. Die ratiometrische Methode zur Messung des Widerstands eines Widerstandstemperatursensors (Verhältnismethode) ermöglicht eine einfache Möglichkeit, den Einfluss der Instabilität des durch den Sensor fließenden Stroms auf die Umwandlungsgenauigkeit zu eliminieren. Das Prinzip dieser Methode ist in Abb. dargestellt. 1. Der Strom I erzeugt einen Spannungsabfall Ud=I·Rd am Sensorwiderstand Rd. Ein beispielhafter Widerstand R ist in Reihe mit dem Sensor geschaltet0, an dem die Spannung U abfällt0. Messergebnis N=Ud/U0=Rd/Ro ist nicht vom Strom abhängig, da sich Ud und Uo proportional dazu ändern. Die Messgenauigkeit hängt nur von der Temperaturstabilität des Referenzwiderstands R ab0.
Der Mikroschaltkreis KR572PV2 (ähnlich dem importierten ICL7107) ist speziell für solche Messungen konzipiert. Es verfügt über voneinander isolierte Differenzeingänge der gemessenen (Eingangs-)Uin- und beispielhaften Uobr-Spannung, und das Messergebnis ist das Verhältnis von Uin zu Uobr.
Bei der Temperaturmessung auf der Celsius-Skala ist auch die Angabe des Vorzeichens der Temperatur erforderlich. Dazu ist es notwendig, in den Messkreis einzusteigen, wie in Abb. 2, Vorspannungswiderstand Rcm, dessen Widerstand gleich dem Widerstand des Sensors bei einer Temperatur von 0 sein sollte оC. Das Messergebnis wird sein N \uXNUMXd (Ud - Ucm) / Uo \uXNUMXd (Rd - Rcm) / Ro. Die Messgenauigkeit hängt in diesem Fall nicht nur von der Temperaturstabilität von Ro, sondern auch von Rcm ab. Die Mikroschaltung KR572PV2 verfügt jedoch nicht über Eingänge zur Versorgung mit Spannung Ucm. In der vorgeschlagenen Version des Thermometers werden nicht nur dieses, sondern auch andere Probleme gelöst. Es ist unempfindlich gegenüber der Stabilität des durch den Sensor fließenden Stroms, der Nullpunktdrift und der Verstärkungsdrift des im Gerät enthaltenen Operationsverstärkers, dem Widerstand der Drähte, die den Sensor und das Thermometer verbinden, dem Übergangswiderstand des von den Kontakten des Sensoranschlusses und bei Verwendung mehrerer geschalteter Sensoren vom Übergangswiderstand der Kontaktschalter. Das Thermometer misst die Temperatur im Bereich von -50 bis 180 оC mit einer Auflösung von 0,1 оC. Der Sensor ist ein Standard-Kupfer-Widerstandsthermometer (TCM) mit einer Charakteristik von 23 [1] und einem Widerstand von 53 Ohm bei 0 оC. Die Linearität der Skala des Geräts hängt nur vom Sensor ab und bleibt über den gesamten Bereich der gemessenen Temperatur erhalten. Der Thermometerkreis ist in Abb. dargestellt. 3. Die den Eingängen der DD5-Mikroschaltung zugeführten Spannungen werden an den Kondensatoren C11-C14 gebildet, die wiederum über den Selektor-Multiplexer DD1 (K4KP561) mit dem Ausgang des Operationsverstärkers DA2 verbunden sind und analoge Signale schalten können . Synchron mit DD4 verbindet der Selektor-Multiplexer DD1 (K561KP1) die Spannung von den Messkreiswiderständen mit dem Eingang des Operationsverstärkers.
Die Selektor-Multiplexer werden vom Zähler DD3.1 gesteuert, an dessen Eingang Impulse mit einer Frequenz von 50 kHz vom Generator am Schmitt-Trigger DD2.1 angelegt werden. Die Frequenz wird durch Auswahl des Widerstands R8 eingestellt. Der Widerstand R1 stellt den durch den Sensor RK1 fließenden Strom ein und an den Widerständen R2-R7 bilden sich Spannungen Ucm und Uobr. Der Operationsverstärker DA1 (KR140UD1408A) dient als Spannungsfolger mit hohem Eingang, niedriger Ausgangsimpedanz und einem Übertragungskoeffizienten von eins. Es verschiebt jedoch die Pegel der Signale, die den Repeater passieren, um den Wert der OA-Nulldrift Udn. Um die Nulldrift hervorzuheben, verbindet der Selektor-Multiplexer DD1 mit Code 11 an den Adresseingängen den Eingang des Repeaters mit einer gemeinsamen Leitung. Anschließend verbindet der Selektor-Multiplexer DD4 den Kondensator C11 mit dem Ausgang des Repeaters, der auf die Spannung Udn aufgeladen wird. Diese Spannung wird an den -Uobr-Eingang der DD5-Mikroschaltung angelegt. Es kann gezeigt werden, dass der Einfluss der Nullpunktdrift des OA auf das Temperaturmessergebnis dadurch vollständig eliminiert wird. Die Elemente DD2.2-DD2.4, Widerstände R11-R13, Diode VD2 und Transistoren VT2-VT4 werden verwendet, um eine unbedeutende Null auf dem Indikator HG1.2 (Entladung von mehreren zehn Grad) zu löschen. Die Diode VD1 blockiert die Nulldämpfung bei Temperaturen über 99,9 °C оC, wenn das Display HG1.1 eins anzeigt. Die Transistoren VT1, VT2 und VT4 verstärken die Ausgänge des DD5-Chips und stellen deren Pegel bereit, die für den DD2-Chip akzeptabel sind.
Wenn Sie die Temperatur über 99,9 messen оC wird nicht angenommen, Widerstand R10, Dioden VD1, VD2 und Transistor VT1 können entfernt werden und die verbleibenden freien Anschlüsse des Elements DD2.4 und des Widerstands R13 können miteinander verbunden werden. Im Netzteil (Abb. 4) entsteht auf die in [4,7] beschriebene Weise eine negative Spannung von -2 V, was den Einsatz des T1-Transformators mit einer geringeren Anzahl an Sekundärwicklungen ermöglicht. Die im Thermometer verwendeten Widerstände können beliebig sein. Für kritische Messungen wird empfohlen, Widerstände R2-R5 mit einem niedrigen Temperaturkoeffizienten des Widerstands zu verwenden – C2-29V, C2-36, C2-14. Es ist besser, die Trimmerwiderstände R6 und R7 ohne Draht mit mehreren Windungen zu verwenden, zum Beispiel SP3-24, SP3-36, SP3-37, SP3-39, SP3-40, RP1-48, RP1-53, RP1-62a . Ihre Nennwerte können von den im Diagramm angegebenen abweichen und mehrere zehn Kiloohm erreichen. Kondensatoren C9-C14 - K72-9, K71-4, K71-5, K73-16, K73-17. Oxidkondensatoren können alles sein. Bei den übrigen Kondensatoren handelt es sich um beliebige kleine Keramikkondensatoren. Die Kondensatoren C1 und C2 befinden sich so nah wie möglich an den Leistungsanschlüssen des Operationsverstärkers DA1 und die Kondensatoren C23-C25 befinden sich in der Nähe der Mikroschaltungen DD1-DD5. Der Integralstabilisator DA3 ist auf einer Aluminiumplatte mit einer Fläche von mindestens 16 cm montiert2. Transformator T1 - TP132-19 oder andere Gesamtleistung von mindestens 3 VA mit zwei Sekundärwicklungen mit einer Spannung von 9 V. Zum Aufbau eines Thermometers ist ein Widerstandsspeicher erforderlich, der anstelle des RK1-Sensors angeschlossen wird. Bevor Sie mit der Einstellung beginnen, drehen Sie alle Ladenschalter mehrmals von Schloss zu Schloss, um den Oxidfilm zu entfernen, der sich auf ihren Kontaktflächen gebildet hat. Stellen Sie die Trimmerwiderstände R6 und R7 etwa auf Mittelstellung, der Widerstandsspeicher schaltet auf die 53-Ohm-Stellung. Stellen Sie anschließend den Trimmerwiderstand R6 an der Thermometeranzeige auf 0,0 оC. Als nächstes schalten Sie die Schalter entweder auf die Position 77,61 Ohm, was einer Temperatur von 99,0 entspricht оC oder auf die Position 93,64 Ohm (Temperatur 180,0). оMIT). Stellen Sie den Trimmerwiderstand R7 ein, um die gewünschte Temperatur auf der Anzeige einzustellen. Um die Schalter zu steuern, bewegen Sie sich auf die Position 41,71 Ohm. Der Indikator sollte -50,0 anzeigen оC. Eine Beschreibung einer solchen Operation finden Sie in [3]. Wenn kein Widerstandskasten vorhanden ist, kann die Einstellung auf bekannte Weise vorgenommen werden. Befestigen Sie den Sensor und das Referenzthermometer aneinander und legen Sie sie in ein Gefäß mit schmelzendem Eis, wobei die Menge an ungeschmolzenem Eis größer sein sollte als die Menge an Schmelzwasser. Thermometer und Sensor dürfen das Eis und die Gefäßwände nicht berühren. Warten Sie nach dem Tauchen einige Zeit, bis sich das Thermometer stabilisiert hat. Wenn sie sich stabilisieren, stellen Sie den Trimmer R6 am Indikator auf 0,0 оC. Anschließend legen Sie den Sensor und das Referenzthermometer in gut durchmischtes, erhitztes Wasser. Je höher die Temperatur, desto genauer ist die Einstellung. Nachdem Sie die Messwerte mit einem Trimmwiderstand R7 stabilisiert haben, bringen Sie sie auf die Messwerte eines Referenzthermometers. Es empfiehlt sich, die Einstellung mehrmals zu wiederholen. Wenn Sie den Sensor selbst herstellen, messen Sie dafür ein Stück Kupferdraht mit beliebigem Durchmesser und einer solchen Länge, dass sein Widerstand bei der tatsächlichen Umgebungstemperatur dem in der Tabelle angegebenen entspricht. 1. Geschätzte Kabellänge bei 20 оMit abhängig von seinem Durchmesser ist in der Tabelle angegeben. 2. Der spezifische Widerstand von Kupfer bei dieser Temperatur wird mit 0,0175 Ohm mm angenommen2/ m. Tabelle 1
Tabelle 2
Die einfachste Möglichkeit besteht darin, den Draht mit einem Rand zu messen und ihn dann zu kürzen, um den gewünschten Widerstand zu erreichen. Besonders genau ist es jedoch, den Widerstand des Sensors auf die in der Tabelle angegebenen Werte einzustellen. 1 Wert ist es nicht wert. Tatsächlich müssen Sie bei der Einrichtung noch die Trimmwiderstände R6 und R7 verwenden. Wickeln Sie den Sensordraht bifilar um die Spule, nachdem Sie ihn zuvor in der Mitte gefaltet haben. Ein solcher Sensor hat keine Induktivität und alle elektromagnetischen Aufnehmer auf jeder Hälfte seines Drahtes sind gegenseitig neutralisiert. Beim Aufbau eines Gerätes mit einem selbstgebauten Sensor unter Verwendung einer Widerstandsbox müssen die Abweichungen des tatsächlichen Widerstands des Sensors vom Standardwiderstand berücksichtigt werden [1]. Die Spannungsquelle 5 V (d), die den Sensorkreis versorgt, muss von anderen Stromkreisen galvanisch getrennt sein. Die Ablehnung einer solchen Quelle ermöglicht die Verwendung eines Instrumentalverstärkers AD623. Ein solcher Verstärker ist auch deshalb wünschenswert, weil er einen großen Dämpfungskoeffizienten des Gleichtaktrauschens aufweist, das zwangsläufig an den Anschlussdrähten des Sensors auftritt. Die Schaltung zum Anschluss des Verstärkers an das Thermometer ist in Abb. dargestellt. 5. Andere Arten von Instrumentenverstärkern können verwendet werden, z. B. AD8221, LT1168, MAX4194.
Auf Abb. 6 zeigt eine Schaltung eines Instrumentenverstärkers, in dem jeder Operationsverstärker verwendet werden kann. Die empfohlenen Werte für alle Widerstände betragen 51 kOhm, sie können jedoch abweichen. Es ist lediglich erforderlich, die Bedingungen R1=R2 und R3=R4=R5=R6 mit größtmöglicher Genauigkeit (mit einem Fehler von Bruchteilen eines Prozents) zu erfüllen.
Die Verstärkung des Instrumentenverstärkers hängt vom Widerstandswert des externen Widerstands Rg ab: K = 1 + (R1 + R2)/Rg. Wenn es nicht vorhanden ist, ist es gleich eins und die Widerstände R1 und R2 können durch Brücken ersetzt werden. Der durch den Sensor fließende Strom erwärmt ihn, was zu einem Fehler bei der Temperaturmessung führt. Der Widerstand R1 (siehe Abb. 3) ist so berechnet, dass im Sensorkreis ein Strom von ca. 4,43 mA fließt, bei dem eine Temperaturänderung um ein Grad eine Spannungsänderung Ud um 1 mV bewirkt. Sie können den Strom reduzieren, indem Sie den Widerstand R1 erhöhen. Wie oft jedoch der Strom reduziert wurde, um den gleichen Betrag ist es notwendig, die Stufenverstärkung am Operationsverstärker DA1 zu erhöhen, wofür es notwendig ist, die Thermometerschaltung zu ändern, wie in Abb. 7. In diesem Fall beträgt der Gewinn K = 1 + R2`/R1`. Sie sollten sich jedoch nicht mit einer Reduzierung des Stroms begnügen, da mit der Verstärkung des Nutzsignals auch die Störungen zunehmen. Die Temperaturdrift der Verstärkung hat keinen Einfluss auf die Messergebnisse, da alle an der Messung beteiligten Signale nacheinander denselben Verstärker durchlaufen und sich proportional ändern. Ihre Beziehung bleibt unverändert.
Anwendung des Filters, dessen Schema in Abb. dargestellt ist. 8 reduziert Gleichtaktstörungen erheblich und schützt die Eingänge des DD1-Chips vor Überspannungen, die sich in Notsituationen an den Verbindungskabeln zwischen Sensor und Thermometer bilden können. Die Zweiwicklungsdrossel L1 findet sich in den Netzstromkreisen vieler elektronischer Geräte, beispielsweise Computermonitoren. Der Filter ist in den Unterbrechungen der Schaltkreise enthalten, die die Pins 2 und 4 des X1-Steckers mit den Pins der DD1-Mikroschaltung verbinden. Die Bruchstellen sind in Abb. dargestellt. 3 Kreuze.
Wenn Sie mehrere Sensoren verwenden möchten, sollten alle fünf Leitungen, die den Sensor mit dem Thermometer verbinden, einschließlich der gemeinsamen Leitung, vertauscht werden. Der Schalter kann alles sein. Literatur
Autor: V. Prokoshin
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