Temperatuurmetingstelsel van PT100 termiese weerstandsensor

2-draad, 3-draad of 4-draad Pt100, Pt500, Pt1000-sensors is temperatuursensors gebaseer op platinumelemente met hoë akkuraatheid, stabiliteit en lineariteit, en word wyd gebruik in velde wat akkurate temperatuurmeting vereis. N “PT100 termiese weerstand temperatuur meting stelsel” verwys na 'n stelsel wat 'n PT100-sensor gebruik, 'n tipe weerstandstemperatuurdetektor (RTD), om temperatuur te meet deur veranderinge in sy elektriese weerstand op te spoor wat direk eweredig is aan die temperatuur; “PT” staan ​​vir Platinum, en “100” dui aan dat die sensor 'n weerstand van 100 ohm by 0°C maak dit 'n hoogs akkurate en stabiele metode vir temperatuurmeting oor 'n wye reeks.

Platinum weerstande word wyd gebruik in die medium temperatuur reeks (-200～650℃). Tans, daar is standaard temperatuur meet termiese weerstande gemaak van metaal platinum op die mark, soos Pt100, Pt500, Pt1000, ens.

Verstaan ​​die werksbeginsel van PT100: PT100 is 'n temperatuursensor van Pt-weerstand. Die werkingsbeginsel is gebaseer op die termiese effek van weerstand. Die weerstandswaarde daarvan verander met die verandering van temperatuur. Hierdie verandering is lineêr. Teen 0℃, die weerstandswaarde van PT100 is 100 ohm. Soos die temperatuur styg, die weerstandswaarde neem ook dienooreenkomstig toe, dus kan die temperatuur akkuraat afgelei word deur die weerstandswaarde te meet.

Hoë-presisie 4-draad Klas A PT100 temperatuurmetingstelsel

2-draad PT100 platinum weerstand temperatuur beheer sonde temperatuur meet stelsel

3-draad PT100 termiese weerstand sensor temperatuur meting stelsel

Kies die toepaslike bedradingsmetode: Oor die algemeen, 2-draad, 3-draad- of 4-draad bedrading metodes kan gebruik word.

Die spanningsein wat deur die brug uitgevoer word

Sleutelpunte oor 'n PT100-stelsel:
Sensor beginsel:
Die PT100-sensor is gemaak van 'n platinumdraad waarvan die elektriese weerstand voorspelbaar verander met temperatuurskommelings.

Meetmetode:
Wanneer 'n stroom deur die PT100 gevoer word, die spanningsval oor die sensor word gemeet, wat dan omgeskakel word na temperatuur gebaseer op die bekende verband tussen weerstand en temperatuur.

Wye toepassing:
PT100-sensors word algemeen in industriële prosesse gebruik, laboratoriums, en ander toepassings waar presiese temperatuurmeting vereis word as gevolg van hul hoë akkuraatheid en stabiliteit.

Komponente van 'n PT100-stelsel:
PT100 sensor sonde:
Die werklike waarnemingselement, tipies 'n platinumdraad wat om 'n keramiekkern gedraai is, wat in die omgewing geplaas word om gemeet te word.

Seinkondisioneringskringe:
Elektronika wat die klein weerstandsverandering van die PT100 in 'n meetbare spanningsein versterk en omskakel.

Vertoon of data-verkrygingstelsel:
Toestel wat die gemete temperatuur vertoon of die data stoor vir ontleding.

Voordele van die gebruik van 'n PT100-stelsel:
Hoë akkuraatheid:　Word beskou as een van die mees akkurate temperatuursensors wat beskikbaar is.
Wye temperatuurreeks:　Kan temperature van -200°C tot 850°C meet, afhangende van die sensorontwerp.
Goeie lineariteit:　Die verband tussen weerstand en temperatuur is baie lineêr, maak vir maklike data-interpretasie.
Stabiliteit:　Platinum is 'n baie stabiele materiaal, verseker konsekwente lesings oor tyd.

Pt100 termiese weerstand indeksering tabel

Die drie bedradingsmetodes van PT100 platinumweerstand verskil in beginsel: 2-draad en 3-draad word volgens brugmetode gemeet, en die verband tussen temperatuurwaarde en analoog uitsetwaarde word op die ou end gegee. 4-draad het geen brug nie. Dit word heeltemal deur konstante stroombron gestuur, gemeet deur voltmeter, en gee uiteindelik die gemete weerstandswaarde, wat moeilik en duur is om te gebruik.
Omdat PT100 'n klein weerstandswaarde en hoë sensitiwiteit het, die weerstandswaarde van die looddraad kan nie geïgnoreer word nie. Die gebruik van 3-draadverbinding kan die meetfout wat veroorsaak word deur die leilynweerstand uitskakel.
Die 2-draadstelsel het swak meetakkuraatheid; die 3-draadstelsel het beter akkuraatheid; die 4-draadstelsel het hoë meetakkuraatheid, maar vereis meer drade.

Ons hoef net die temperatuurtoestand van PT100 te ken, gebaseer op die spanningsein wat deur die brug uitset. Wanneer die weerstandswaarde van PT100 nie gelyk is aan die weerstandswaarde van Rx nie, die brug gee 'n differensiële druksein uit, wat baie klein is. Aangesien die uitsetsein van die temperatuursensor oor die algemeen baie swak is, 'n seinkondisionerings- en omskakelingsbaan word benodig om dit te versterk of om te skakel in 'n vorm wat maklik is om oor te dra, proses, opneem en vertoon. Die geringe verandering in die gemete seinhoeveelheid moet in 'n elektriese sein omgeskakel word. Wanneer die GS-sein versterk word, die selfdrywing en ongebalanseerde spanning van die op-versterker kan nie geïgnoreer word wanneer dit deur die op-versterker gaan nie. Na versterking, 'n spanningsein van die verlangde grootte kan uitgestuur word.
Die weerstandswaarde van die platinumweerstand kan verkry word deur stroombaanberekening of multimetermeting. Wanneer ons die weerstandswaarde van PT100 ken, ons kan die temperatuur deur die weerstandswaarde meet en bereken.

Gebruik toepaslike algoritmes vir dataverwerking: Gebruik die bekende temperatuur- en weerstandsverwantskap om die temperatuur deur programmering te bereken. As in ag geneem word dat die weerstand-temperatuur-verwantskap van PT100 nie-lineêr is, veral in lae of hoë temperatuur gebiede, meer komplekse algoritmes mag nodig wees om akkuraatheid te verbeter.

Impak van omgewingsfaktore: Werkverrigting kan beïnvloed word deur omgewingsfaktore soos elektromagnetiese interferensie, meganiese vibrasie, en humiditeit.

Daar is drie algemene temperatuurmetingsberekeningsmetodes:
Temperatuurmeting berekeningsmetode 1:
Wanneer die presiese temperatuur nie nodig is nie, die temperatuur sal met 2.5℃ styg vir elke ohm toename in die weerstandswaarde van die PT100 termiese weerstand (gebruik by lae temperature). Die weerstandswaarde van die PT100 temperatuursensor is 100 wanneer dit 0 ℃ is, dus die benaderde temperatuur op hierdie tyd = (PT100 weerstand waarde-100)*2.5.

Temperatuurmeting berekeningsmetode 2:
Verwantskap tussen die weerstandswaarde en temperatuur van platinumweerstand

In die reeks van 0 ~ 850 ℃: Rt=R0(1+Op+Bt2);

In die reeks van -200～0℃: Rt=R0[1+By+Bt2+C(t-100)3];

Rt represents the resistance value of platinum resistor at temperature t℃;

R0 represents the resistance value of platinum resistor at temperature 0℃;

N, B, C are constants, A=3.96847×10-3/℃; B=-5.847×10-7/℃; C=-4.22×10-12/℃;

For the thermal resistor that meets the above relationship, its temperature coefficient is about 3.9×10-3/℃.

Through the above formula, the temperature can be accurately solved according to the resistance value, but due to the large amount of calculation of this method, it is not recommended for this experiment.

Temperature calculation method three:
PT100 has a good linear relationship with temperature and is suitable for medium and low temperature temperature measurement. Die weerstandswaarde van PT100 by verskillende temperature het 'n een-tot-een ooreenstemmende metingskaal soos getoon in die figuur hieronder, wat intuïtief die ooreenstemmende verhouding tussen verskillende temperature en die weerstandswaarde van PT100 kan vertoon.
Die temperatuur kan geken word deur die ooreenstemmende weerstandswaarde deur die PT100-skaal te kontroleer.

Pt100 termiese weerstandskaal

Die PT100 temperatuurmeettoestel wat in hierdie vraestel ontwerp is, gebruik die algemeen gebruikte laekoste vierrigting-operasionele versterker LM324 om die ontwerp van die toestelkragtoevoerkring en drie-op-amp instrumentversterkerkring te voltooi.

1.1 Spanningsbronkring

Pt100 termiese weerstand sensor spanning bron kring

Die stroombaan in figuur 1 is 'n algemene proporsionele operasionele stroombaan. Volgens die ontleding van die ideale operasionele versterker wat in die lineêre gebied werk, volgens die beginsel van virtuele kort en virtuele pouse, dit word verkry:

Wheatstone brug berekening kring formule

,, dan is die geslote-lus spanningsversterkingsfaktor 2 tye, en dan word V= 10V verkry, en dit word gebruik as die stabiele kragtoevoerspanning van die Wheatstone-brugkring.

1.2 Driedraadverbinding van Wheatstone-brug en PT100.
Die figuur hierbo is 'n Wheatstone-brug. Die voorwaarde vir die brug om gebalanseer te wees, is dat die potensiaal van punte B en D gelyk is. So wanneer die brug gebalanseer is, solank as R1, R2 (gewoonlik vaste waardes) en R0 (gewoonlik verstelbare waardes) gelees word, die weerstand Rx wat gemeet moet word, kan verkry word. R1/R2=M, geroep “vermenigvuldiger”.

Wheatstone brug en PT100 drie-draad verbinding metode

Volgens die PT100 temperatuurmetingsbeginsel, die weerstandswaarde van PT100 moet korrek geken word, maar die weerstandswaarde kan nie direk gemeet word nie, dus word 'n omskakelingsbaan vereis. Die weerstandswaarde word omgeskakel in 'n spanningsein wat deur die mikrobeheerder opgespoor kan word”. Die Wheatstone-brugkring is 'n instrument wat weerstand korrek kan meet. Soos getoon in figuur 2, R1, R2, R3, en R4 is onderskeidelik sy brugarms. Wanneer die brug gebalanseer is, R1xR3=R2xR4 is bevredig. Wanneer die brug ongebalanseerd is, daar sal 'n spanningsverskil tussen punte a en b wees. Volgens die spanning van punte a en b, die ooreenstemmende weerstand kan bereken word. Dit is die beginsel van die meet van weerstand met 'n ongebalanseerde brug:

PT100 drie-draad stroombaan verbinding metode

Trouens, as gevolg van die klein weerstand en hoë sensitiwiteit van PT100, die weerstand van die looddraad sal foute veroorsaak. Daarom, die driedraadverbindingsmetode word dikwels in die industrie gebruik om hierdie fout uit te skakel. Soos getoon in die gestippelde deel van figuur 2, die leidraadweerstandwaarde is gelyk en is r. Op hierdie tydstip, die brugarms word R, R, R+2r, en Rt+2r. Wanneer die brug gebalanseer is: R2. (R1+2r) =R1.(R3+2r), uitgesorteer: Rt= R1R3/ R2+2 R1r/ R2- 2r. Ontleding toon dat wanneer R1=R2, die verandering in draadweerstand het geen effek op die meetresultaat nie.

1.3 Drie-op-amp instrumentasie versterker kring
Wanneer die temperatuur van 0℃~100℃ verander, die weerstand van PT100 verander ongeveer lineêr in die reeks van 100Ω~138.51Ω. Volgens bogenoemde brugkring, die brug is teen 0℃ gebalanseer, dus moet die teoretiese waarde van die bruguitsetspanning wees 0 V, en wanneer die temperatuur 100 ℃ is, die bruguitset is: Uab=U7x(R1/(R1 + R2)-R3/(R2 + R3)), dit wil sê, Uab=10x(138.51/(10000 + 138.51)-100/(10000 + 100)) =0.037599V. Aangesien dit 'n millivolt sein is, dit is nodig om hierdie spanning te versterk om dit opspoorbaar te maak deur die AD-skyfie.

Soos getoon in figuur 3, die instrumentasieversterker is 'n toestel wat klein seine in 'n raserige omgewing versterk. Dit het 'n reeks voordele soos lae drywing, lae kragverbruik, hoë algemene-modus-verwerpingsverhouding, wye kragtoevoerreeks en klein grootte. Dit gebruik die eienskappe van differensiële klein seine wat op groter gemeenskaplike-modus seine gesuperponeer is, wat gewone modus seine kan verwyder en differensiële seine terselfdertyd kan versterk. Die uitsetspanning van die standaard drie-op-amp instrumentasie versterkerkring is, hier R8=R10 =20 kΩ, R9=R11=20 kΩ, R4=R7=100kΩ, wat die insetspanningsein met ongeveer kan versterk 150 tye, sodat die teoretiese uitsetspanning van die brug tot versterk kan word 0 ~2,34 V. Maar dit is slegs 'n teoretiese waarde. In die werklike proses, daar is baie faktore wat weerstandsveranderinge kan veroorsaak. Daarom, R3 kan vervang word met 'n presisie verstelbare weerstand om stroombaannulstelling te vergemaklik.

PT100 sensor drie-op versterker instrument versterker kring

2. Sagteware Ontwerp

2.1 Kleinste vierkante metode en PT100 lineêre pas

In die temperatuurreeks van 0℃≤t≤850℃, die verband tussen Pt100 weerstand en temperatuur is: R=100 (1 +Op+Bt2), waar A=3,90802x 10-3; B=- -5.80x 10-7; C=4,2735 x 10-12

Dit kan gesien word dat die weerstand van PT100 en temperatuur nie 'n absolute lineêre verwantskap is nie, maar 'n parabool. Daarom, as t onttrek moet word, 'n vierkantswortelbewerking word vereis, wat 'n meer komplekse funksie-operasie bekendstel en 'n groot hoeveelheid SVE-hulpbronne van die enkelskyfie-mikrorekenaar in beslag neem. Om hierdie probleem op te los, ons kan die kleinste kwadrate-metode gebruik om die verhouding tussen temperatuur en weerstand lineêr te pas. ” Die kleinste-kwadrate-krommepassing is 'n algemene metode vir eksperimentele dataverwerking. Die beginsel daarvan is om 'n polinoomfunksie te vind om die som van vierkantfoute met die oorspronklike data te minimaliseer.

2.2 AD digitale omskakelingstemperatuur
Die PT100-temperatuurmetingsbeginsel is om die temperatuurwaarde te verkry gebaseer op sy weerstandswaarde, dus moet die weerstandswaarde van die termiese weerstand eers bepaal word. Volgens die hardeware kring, die verband tussen die uitsetspanning Uab van die brugkring en die uitsetspanning Uad van die opversterker-instrumentversterkerkring is: Uad = Uab. Auf Omdat die stelsel 'n 12-bis AD-skyfie gebruik, die verhouding tussen die digitale hoeveelheid en die analoog hoeveelheid is: Uad/AD=5/4096. Die verband tussen die bruguitsetspanning en die digitale hoeveelheid AD kan verkry word deur die vorige twee vergelykings te kombineer, dit wil sê, Uad/AD=5/(4096Aan). Toe, dit word in die bruguitsetspanningsuitdrukking vervang Uab= U7x (Rt/ (R1+Rt) -R3/ (R2+R3) ), en die uitdrukking van Rr en die digitale hoeveelheid AD kan verkry word. Die oplossing is:

AD digitale omskakeling temperatuur formule

Nadat u die weerstandswaarde van PT100 ken, die ooreenstemmende temperatuurwaarde kan verkry word volgens die lineêre passingsvergelyking in Afdeling 2.1.

2.3 Enkel-chip digitale filtering
Om die temperatuurmetingsakkuraatheid van PT100 te verbeter, 'n digitale filterprogram kan bygevoeg word in die sagtewareprogrammering, wat nie die byvoeging van hardewarekringe vereis nie en die stabiliteit en betroubaarheid van die stelsel kan verbeter. Daar is baie filtermetodes in die enkelskyfie-mikrorekenaartoepassingstelsel. Wanneer 'n spesifieke keuse gemaak word, die voor- en nadele van die filtermetode en die toepaslike voorwerpe moet ontleed en vergelyk word, om die toepaslike filtermetode te kies. Die algoritme van die mediaan gemiddelde filtermetode is om eers voortdurend N data te versamel, verwyder dan 'n minimum waarde en 'n maksimum waarde, en ten slotte die rekenkundige gemiddelde van die oorblywende data te bereken. Hierdie filtermetode is geskik vir die meting van parameters wat stadig verander, soos temperatuur, en kan effektief die steuring verminder wat veroorsaak word deur fluktuasies wat veroorsaak word deur toevallige faktore of foute wat veroorsaak word deur monsternemer onstabiliteit.

Stelsel werk proses:
Wanneer die temperatuur van die voorwerp wat gemeet word verander, die weerstand van PT100 verander, en die Wheatstone-brug sal 'n ooreenstemmende spanningsein uitstuur. Hierdie sein is 'n funksie van die weerstand van PT100. Hierdie millivolt sein word versterk deur 'n drie-op-amp instrumentasie versterker en gestuur na die AD chip, wat die analooghoeveelheid in 'n digitale hoeveelheid omskakel en deur die mikrobeheerder gelees word. Die mikrobeheerder lees die skyfie vanaf die AD-skyfie en voer die filterprogram uit, omskakeling van die stabiele digitale hoeveelheid in die weerstand van PT100 deur berekening. Dan sal die mikrobeheerder die ooreenstemmende toegeruste lineêre model kies volgens die grootte van die weerstandswaarde om die huidige temperatuurwaarde te bereken, en vertoon uiteindelik die temperatuurdata op die LCD-skerm.