3線系に基づく高精度の熱抵抗測定回路の設計図

サーミスタセンサーは、周囲温度とともに抵抗値が変化する温度センサーです。その中で、金属プラチナで作られたサーミスタは、その良好な安定性、高精度、幅広い温度測定範囲のために広く使用されています。温度を測定するためのサーミスタの温度計は、主に温度計センサー、ディスプレイ機器の測定、およびワイヤの接続で構成されています。温度計センサー自体の温度感度は低いため、接続ワイヤのライン抵抗は測定結果に影響を及ぼし、無視できません。ワイヤ抵抗の影響を排除するために、温度計はバランスの取れたブリッジ3線接続法を広く使用しています。この方法では、温度エラーをある程度補償できますが、ライン抵抗の影響は依然として存在します。一定の電圧と電圧分割に基づく3線式ワイヤ抵抗補正方法が提案されています。回路はシンプルで簡単に実装でき、ワイヤー抵抗の影響は完全に排除できます。ワイヤ抵抗補正のためにより多くのハードウェア回路を使用する文献で提案されているワイヤー抵抗補償法と比較して、この方法にはワイヤ抵抗補正回路が単純です。

1一般的に使用される温度計測定方法の分析

PT100プラチナ温度計の場合、その抵抗と温度の関係は、式（1）に示すように、国際温度スケールBS -90で与えられます。

式では、RTはT度の温度での熱抵抗の抵抗です。R{{0}}は、0度の温度での熱抵抗の抵抗です。 b =-5。847x10-7程度-2、c =-4。
式（1）から、PT1 0 0熱抵抗器の感度は、約0。測定結果に対する接続ワイヤのライン抵抗の影響を減らすために、3線橋法は一般に測定に使用されます。 Vr =1 V.回路の原理を図1に示します。RTは温度測定抵抗です。Rは接続ワイヤ抵抗、R1、R2、R3は固定ブリッジアーム、R 1= r 2=1 000ω、r 3=100}}ω、vrです。この回路では、3つのワイヤがそれぞれセンサーブリッジアーム、抵抗ブリッジアーム、および出力端に接続されています。この方法は、測定する抵抗RTを簡単に測定できます。ただし、実際に使用すると、温度センサーと温度測定回路の間に一定の距離があり、接続ワイヤの抵抗率は約0.1〜0.5Ω/mです。接続ワイヤ抵抗rによって引き起こされる測定誤差は無視できません。

図1に示すように、ライン抵抗rを考慮しない場合、ブリッジの出力は次のとおりです。ライン抵抗が考慮されると、ブリッジ出力vc=vr（rt+r）／（r 1+ rt+r）-vr（r {3+} r） rt {= rx、つまりr2rx=r1r3、およびブリッジアーム抵抗r 1= r 2= r 3= rx=r 1= r 1= r 2= r、rtがrtが変化すると、それはrt=r+△r、ライン抵抗rの存在によって引き起こされる誤差は、次のように計算できます。

ワイヤ抵抗RはRTの測定結果に影響し、ゼロ回路によって完全に排除することはできないことがわかります。上記の分析に基づいて、ワイヤエラーを完全に排除できる一定の電圧分割3線高精度の高精度前プリアンプ回路が提案されています。

2一定の電圧分割3線測定回路

2.1測定原則

ここで使用される抵抗を測定するためにここで使用される一定の電圧分割3線方式は、ワイヤ抵抗の干渉を排除することができます。同等の概略図を図2に示します。ここで、RTは熱抵抗です。 Rは、ワイヤの同等の抵抗です。 VRは基準電圧であり、VADはA/Dコンバーターの基準電圧であり、電圧倍率係数です。

基本的な関係は、オームの法則から得ることができます。

フォーミュラ（3）から、RVとVRがわかっている場合、RTを取得するには、V2とV1のみを測定する必要があり、ワイヤ抵抗Rとは何の関係もないことがわかります。測定精度は、RVの精度とV1およびV2の測定精度にのみ依存します。ブリッジメソッドでは排除できないワイヤ抵抗は、一定の電圧分割3線法で完全に排除されます。
電流が通過すると熱抵抗器の温度が上昇するため、自己発熱誤差を考慮する必要があります。つまり、熱抵抗を流れる電流によって引き起こされる温度上昇誤差を考慮する必要があります。一般的に使用されるpt1 0 0熱抵抗駆動電流は約1 mAです。 0程度で、それは約0.1 mWの自己発生力に相当します。高精度で測定する場合、自己発熱エラーを減らすために、自己発熱パワーをさらに削減する必要があります。ここでは、vr =2。

2.2測定精度を改善するための測定

3ワイヤのバランスブリッジ法と同様に、図2に示す回路の出力電圧V1とV2は値が小さく、A/D変換の前に第1レベルの電圧増幅を追加する必要があります。参照電圧VRは、通常、安定した電圧信号を提供するために、精密定数電圧源によって提供されます。さらに、マイクロコントローラーソフトウェアが数学計算で適切なアルゴリズムと単語の長さを選択すると、計算誤差も無視できます。ただし、アンプ回路の増幅係数とRVはコンポーネントごとに異なります。特に大量生産では、コンポーネントの精度を確保することは困難です。したがって、特定の入力回路の場合、RVによって引き起こされるエラーも考慮する必要があります。
RVによって引き起こされるエラーを排除するために、キャリブレーション法を使用して、機器の生産中に実際の回路とRV値を自動的に校正および計算できます。これらの2つのパラメーターは、機器の不揮発性メモリに記録されます。機器が温度を測定する場合、パラメーターは式（1）に従って読み取られ、計算されて、正確な測定温度を取得します。
図2の長いワイヤーが可能な最短ワイヤに置き換えられ（すなわちr =0）、熱抵抗RTが精密抵抗rに置き換えられた場合、VADはA/Dコンバーターの基準電圧であり、電圧倍率係数であり、残りは不変のままです。

式（4）では、Rは既知の抵抗値を持つ精密抵抗です。 Dは、A/D変換の結果であり、機器ディスプレイデバイスから簡単に読み取ることができます。 VRとVADは、定数である基準電圧です。回路の総倍率係数です。 kは、{14-ビットA/Dコンバーターのk =214など、A/D変換の比例係数です。次に、2つの未知数RVと式（2）のみがあります。特定の入力回路の場合、既知の抵抗値を持つ2つの精密抵抗器R1とR2がキャリブレーションのために図2に示されている回路に接続されている場合（キャリブレーションの場合は、r {=0を作成してみてください）、2変数線形方程式のセットを取得できます。したがって、特定の入力回路の場合、RVは方程式から解決でき、結果は次のとおりです。

上記のキャリブレーション方法は、次のように要約できます。既知の抵抗値を持つ2つの精密標準抵抗R1とR2がそれぞれ機器の入力端子に接続され、接続ワイヤの抵抗が可能な限り最小化されます。この時点で、機器の測定値D1とD2が記録され、較正済み機器の未知のパラメーターとRVは、それらを式に置き換えることによって計算できます（5）。使用中は、VRとVADの同じ基準ソースを使用することをお勧めします。これにより、式（5）の計算は、参照電圧の精度とは無関係です。この方法は、異なる参照ソースの違い、特に異なる参照の時間ドリフトと温度ドリフトの影響を軽減します。
2.3測定回路
図3は、高精度PT100温度測定システムのフロント入力回路であり、PT100参照電圧とA/DコンバーターICL7135の参照電圧は同じ電圧参照ソースです。 PT100の2つの測定入力信号V1とV2は、同じ動作アンプ（1+ R3/R4）時間によって増幅され、A/Dコンバーターに入ります。マイクロリレーK1は、チャネル選択に使用されます。この方法は、動作アンプ、A/Dコンバーター、および参照電圧源を共有し、測定結果に対する異なるデバイス間の違いの影響を減らします。 ICL7135のA/D変換結果は、シリアルモードのマイクロコントローラーに接続されており、マイクロコントローラーのIOポートを大幅に保存できます。回路を校正するとき、標準抵抗器100Ωおよび300Ωがキャリブレーションに使用され、キャリブレーション結果とRVがマイクロコントローラーシステムのEEPROMに保存されます。実際の測定では、マイクロコントローラーシステムは既知の値としてRVを取り出し、式RT値を式（3）によって計算します。

2.4測定回路テストの分析

3線のバランスブリッジ法と比較して、この回路の検出結果は大幅に改善されています。表1は、2つの異なる方法で測定された標準抵抗値の比較です。その中で、Rはライン抵抗です。

表1から、3線バランスブリッジ法の理論的測定結果には大きな誤差があり、ライン抵抗Rの増加によって引き起こされる誤差が大きいことがわかります。測定する熱抵抗の抵抗値が増加すると、絶対誤差も増加します。表1では、測定された抵抗rt =300ωの場合、絶対誤差は2.57％であり、ライン抵抗r =20ω。このホワイトペーパーで使用された改善された3線式メソッドの実際の測定結果は、0。3Ωのみの絶対誤差と、測定されたデータ範囲内で±0。回路で使用されるA/Dコンバーターは、14-ビットA/D変換精度にのみ相当します。高精度のA/Dコンバーターを使用すると、より高い測定精度を達成できます。実際の熱抵抗センサー温度測定機器では、測定された抵抗を対応する温度に変換する関連プログラムを追加する必要もあります。つまり、RTを測定した後、実際の温度値は式（1）で正確に解決できます。

3結論

3ワイヤのバランスブリッジ法は、熱抵抗測定で広く使用されていますが、センサーの鉛抵抗によって引き起こされる測定誤差を排除できないという問題があります。このペーパーでは、熱抵抗器を測定するためのバランスブリッジ法に存在する問題を分析し、一定の電圧分割3線測定方法を提案し、測定回路誤差の原因と影響因子を分析し、測定する抵抗の影響パラメーターと測定の影響を導き、確立し、インターフェースを添加した測定回路を設計します。マイクロコンピューター。最後に、設計された回路のテスト精度がテストされ、決定されます。このテストでは、3線のバランスブリッジ法が1 0 0 〜300Ωの標準抵抗値を測定すると、ライン抵抗が0〜20Ωであることを示しています。したがって、高精度の3線式熱抵抗測定回路が取得されます。