Недавно я опубликовал простую схему платинового резистивного датчика температуры (PRTD) [1], на создание которой меня в значительной степени вдохновила дьявольски умная предыдущая конструкция Ника Корнфорда [2].
Сразу же последовали замечательные и неизменно конструктивные критические комментарии по поводу моего проекта.
Читатель Константин Ким предположил, что микросхема сдвоенного операционного усилителя AP4310A, содержащая источник опорного напряжения, может стать лучшей заменой одиночному усилителю и отдельному источнику опорного напряжения, которые я использовал. Это давало двойное преимущество – снижало как количество компонентов, так и их стоимость.
В то же время читатель с ником VCF указал, что ошибка саморазогрева, превышающая 0.1 °C, вероятно, является результатом многомиллиамперного тока возбуждения, необходимого для получения 1 мВ/°C с выхода PRTD при использовании конструкции c пассивным мостом. Он предложил активное усиление выходного сигнала, которое сделало бы возможным снижение тока возбуждения. Это позволило бы повысить точность, особенно при измерении температуры неподвижного воздуха.
На Рисунке 1 показан результат серьезного рассмотрения и спокойного размышления над этими, как оказалось, потрясающими идеями.
 |
|
| Рисунок 1. | Нелинейность устраняется положительной обратной связью через R8 к контуру стабилизации тока возбуждения PRTD. Десятикратное усиление сигнала усилителем A2 позволяет снизить ток возбуждения, что уменьшает ошибку саморазогрева в 100 раз. |
Усилитель A1 в сочетании с подключенным к нему встроенным прецизионным источником опорного напряжения 2.5 В образует контур обратной связи, стабилизирующий ток возбуждения (подробнее об этом ниже). Последующее усиление позволяет десятикратно снизить ток возбуждения приблизительно с 2.5 мА до 250 мкА с соответствующим стократным снижением саморазогрева примерно с 1 мВт до 10 мкВт и пропорциональным уменьшением связанной с этим погрешности измерений.
Также приятно шестикратное увеличение ожидаемого срока службы батареи за счет снижения потребляемого тока.
Результирующий сигнал PRTD 100 мкВ/°C усиливается усилителем A2 до исходного значения 1 мВ/°C, совместимого с диапазоном измерений мультиметра. Подстроечный резистор R1 обеспечивает регулировку нуля моста при 0 °C, а R2 калибрует усиление при 100 °C. В статье Ника [2] есть отличное описание калибровки, которое должно работать здесь так же хорошо, как и в его оригинале.
Следует признать, что характеристики прибора AP4310, типичные для микросхем общего назначения, такие как типовое входное смещение 500 мкВ (что эквивалентно погрешности в 5 °C, если его не компенсировать), могут показаться непригодными для такого высокоточного применения, как это. Но когда вы регулируете подстроечный резистор R1, чтобы установить ноль моста, вы одновременно устанавливаете ноль усилителя A2. Так что, в конце концов, этого достаточно.
Неожиданным дополнительным преимуществом топологии с двумя усилителями стала простая реализация коррекции нелинейности Каллендара-Ван Дузена второго порядка. Положительная обратная связь через резистор R8 к контуру стабилизации тока возбуждения увеличивает смещение на 150 ppm/°C. Это все, что нужно для линеаризации отклика в диапазоне от 0 °C до 100 °C с точностью лучше ±0.1 °C.
Итак, это дешевле, проще, энергоэффективнее и точнее. Круто! Спасибо за предложения, ребята!
Ссылки
- Stephen Woodward. Сила практической положительной обратной связи для совершенствования платинового датчика температуры
- Nick Cornford. Самодельный резистивный датчик температуры для цифрового мультиметра
