نظام قياس درجة الحرارة لمستشعر المقاومة الحرارية PT100

2-سلك, 3-سلك أو 4 أسلاك Pt100, PT500, أجهزة استشعار Pt1000 هي أجهزة استشعار لدرجة الحرارة تعتمد على عناصر البلاتين بدقة عالية, الاستقرار والخطية, وتستخدم على نطاق واسع في المجالات التي تتطلب قياسًا دقيقًا لدرجة الحرارة. أ “نظام قياس درجة الحرارة المقاوم الحراري PT100” يشير إلى نظام يستخدم مستشعر PT100, نوع من كاشف درجة الحرارة المقاومة (الحق في التنمية), لقياس درجة الحرارة عن طريق الكشف عن التغيرات في مقاومتها الكهربائية والتي تتناسب طرديا مع درجة الحرارة; “حزب العمال” يرمز إلى البلاتين, و “100” يشير إلى أن المستشعر لديه مقاومة 100 أوم عند 0 درجة مئوية مما يجعلها طريقة دقيقة للغاية ومستقرة لقياس درجة الحرارة عبر نطاق واسع.

تستخدم المقاومات البلاتينية على نطاق واسع في نطاق درجة الحرارة المتوسطة (-200～ 650 ℃). في الوقت الحالي, هناك مقاومات قياسية لقياس درجة الحرارة المصنوعة من البلاتين المعدني في السوق, مثل PT100, PT500, PT1000, إلخ.

فهم مبدأ عمل PT100: PT100 هو جهاز استشعار درجة الحرارة للمقاوم Pt. يعتمد مبدأ العمل على التأثير الحراري للمقاوم. تتغير قيمة مقاومتها مع تغير درجة الحرارة. هذا التغيير خطي. عند 0 درجة مئوية, قيمة المقاومة PT100 هي 100 أوم. كما ترتفع درجة الحرارة, وتزداد قيمة المقاومة أيضًا وفقًا لذلك, لذلك يمكن الاستدلال على درجة الحرارة بدقة عن طريق قياس قيمة المقاومة.

نظام قياس درجة حرارة الفئة A عالية الدقة من الفئة A عالية الدقة A PT100

2-سلك PT100 نظام قياس درجة الحرارة للتحكم في درجة الحرارة من البلاتين

3-سلك PT100 نظام قياس درجة الحرارة الاستشعار المقاوم الحراري

اختر طريقة الأسلاك المناسبة: عمومًا, 2-سلك, 3-يمكن استخدام طرق الأسلاك أو الأسلاك الأربعة.

خرج إشارة الجهد عن طريق الجسر

النقاط الرئيسية حول نظام PT100:
مبدأ الاستشعار:
يتكون مستشعر PT100 من سلك بلاتيني تتغير مقاومته الكهربائية بشكل متوقع مع تقلبات درجات الحرارة.

طريقة القياس:
عندما يتم تمرير التيار من خلال PT100, يتم قياس انخفاض الجهد عبر المستشعر, والتي يتم تحويلها بعد ذلك إلى درجة الحرارة بناءً على العلاقة المعروفة بين المقاومة ودرجة الحرارة.

تطبيق واسع:
تُستخدم أجهزة الاستشعار PT100 بشكل شائع في العمليات الصناعية, المختبرات, وغيرها من التطبيقات التي تتطلب قياسًا دقيقًا لدرجة الحرارة نظرًا لدقتها العالية وثباتها.

مكونات نظام PT100:
مسبار الاستشعار PT100:
عنصر الاستشعار الفعلي, عادةً ما يكون سلكًا من البلاتين ملفوفًا حول قلب من السيراميك, والتي يتم إدخالها في البيئة المراد قياسها.

دوائر تكييف الإشارة:
الإلكترونيات التي تعمل على تضخيم وتغيير المقاومة الصغيرة من PT100 إلى إشارة جهد قابلة للقياس.

نظام العرض أو الحصول على البيانات:
جهاز يعرض درجة الحرارة المقاسة أو يخزن البيانات لتحليلها.

فوائد استخدام نظام PT100:
دقة عالية:　يعتبر أحد أكثر أجهزة استشعار درجة الحرارة المتاحة دقة.
نطاق درجة حرارة واسعة:　يمكن قياس درجات الحرارة من -200 درجة مئوية إلى 850 درجة مئوية حسب تصميم المستشعر.
خطي جيد:　العلاقة بين المقاومة ودرجة الحرارة خطية للغاية, مما يجعل من السهل تفسير البيانات.
استقرار:　البلاتين مادة مستقرة للغاية, ضمان قراءات متسقة مع مرور الوقت.

جدول فهرسة المقاومة الحرارية Pt100

تختلف طرق توصيل الأسلاك الثلاثة للمقاوم البلاتيني PT100 من حيث المبدأ: 2-يتم قياس الأسلاك والأسلاك الثلاثة بطريقة الجسر, ويتم إعطاء العلاقة بين قيمة درجة الحرارة وقيمة الإخراج التناظرية في النهاية. 4-السلك ليس له جسر. يتم إرساله بالكامل بواسطة مصدر تيار مستمر, تقاس بالفولتميتر, وأخيرا يعطي قيمة المقاومة المقاسة, وهو أمر صعب ومكلف للاستخدام.
لأن PT100 له قيمة مقاومة صغيرة وحساسية عالية, لا يمكن تجاهل قيمة مقاومة سلك الرصاص. استخدام اتصال 3 أسلاك يمكن أن يزيل خطأ القياس الناجم عن مقاومة خط الرصاص.
يتمتع النظام ذو السلكين بدقة قياس ضعيفة; يتمتع نظام 3 أسلاك بدقة أفضل; يتمتع نظام 4 أسلاك بدقة قياس عالية, ولكن يتطلب المزيد من الأسلاك.

نحتاج فقط إلى معرفة حالة درجة حرارة PT100 بناءً على إشارة الجهد الناتج بواسطة الجسر. عندما لا تكون قيمة المقاومة PT100 مساوية لقيمة المقاومة Rx, يقوم الجسر بإخراج إشارة الضغط التفاضلي, وهي صغيرة جدًا. نظرًا لأن إشارة الخرج لمستشعر درجة الحرارة ضعيفة جدًا بشكل عام, يلزم وجود دائرة تكييف وتحويل الإشارة لتضخيمها أو تحويلها إلى شكل يسهل إرساله, عملية, سجل وعرض. يجب تحويل التغيير الطفيف في كمية الإشارة المقاسة إلى إشارة كهربائية. عند تضخيم إشارة التيار المستمر, لا يمكن تجاهل الانجراف الذاتي والجهد غير المتوازن لمضخم العمليات عند المرور عبر مضخم العمليات. بعد التضخيم, يمكن إخراج إشارة الجهد بالحجم المطلوب.
يمكن الحصول على قيمة مقاومة المقاوم البلاتيني عن طريق حساب الدائرة أو القياس المتعدد. عندما نعرف قيمة المقاومة PT100, يمكننا قياس وحساب درجة الحرارة بقيمة المقاومة.

استخدام الخوارزميات المناسبة لمعالجة البيانات: استخدم علاقة درجة الحرارة والمقاومة المعروفة لحساب درجة الحرارة من خلال البرمجة. مع الأخذ في الاعتبار أن العلاقة بين المقاومة ودرجة الحرارة لـ PT100 غير خطية, خاصة في المناطق ذات درجات الحرارة المنخفضة أو المرتفعة, قد تكون هناك حاجة إلى خوارزميات أكثر تعقيدًا لتحسين الدقة.

تأثير العوامل البيئية: قد يتأثر الأداء بالعوامل البيئية مثل التداخل الكهرومغناطيسي, الاهتزاز الميكانيكي, والرطوبة.

هناك ثلاث طرق شائعة لحساب قياس درجة الحرارة:
طريقة حساب قياس درجة الحرارة 1:
عندما لا تكون هناك حاجة لدرجة الحرارة الدقيقة, سوف تزيد درجة الحرارة بمقدار 2.5 درجة مئوية لكل زيادة أوم في قيمة المقاومة للمقاوم الحراري PT100 (تستخدم في درجات حرارة منخفضة). قيمة المقاومة لمستشعر درجة الحرارة PT100 هي 100 عندما تكون 0 درجة مئوية, وبالتالي فإن درجة الحرارة التقريبية في هذا الوقت = (قيمة المقاومة PT100-100)*2.5.

طريقة حساب قياس درجة الحرارة 2:
العلاقة بين قيمة المقاومة ودرجة حرارة المقاومة البلاتينية

في حدود 0～850 درجة مئوية: غ = R0(1+في+BT2);

في نطاق -200～0 درجة مئوية: غ = R0[1+في+BT2+C(T-100)3];

يمثل Rt قيمة مقاومة المقاوم البلاتيني عند درجة الحرارة t;

يمثل R0 قيمة مقاومة المقاوم البلاتيني عند درجة حرارة 0 درجة مئوية;

أ, ب, ج- ثوابت, أ=3.96847×10-3/درجة مئوية; ب=-5.847×10-7/درجة مئوية; ج=-4.22×10-12/درجة مئوية;

بالنسبة للمقاوم الحراري الذي يحقق العلاقة المذكورة أعلاه, معامل درجة الحرارة حوالي 3.9×10-3/°C.

من خلال الصيغة أعلاه, يمكن حل درجة الحرارة بدقة وفقًا لقيمة المقاومة, ولكن نظرا للكمية الكبيرة من حساب هذه الطريقة, لا ينصح بهذه التجربة.

طريقة حساب درجة الحرارة الثالثة:
يتمتع PT100 بعلاقة خطية جيدة مع درجة الحرارة وهو مناسب لقياس درجة الحرارة المتوسطة والمنخفضة. تحتوي قيمة المقاومة PT100 عند درجات حرارة مختلفة على مقياس قياس مطابق واحد لواحد كما هو موضح في الشكل أدناه, والتي يمكن أن تعرض بشكل حدسي العلاقة المقابلة بين درجات الحرارة المختلفة وقيمة المقاومة PT100.
ويمكن معرفة درجة الحرارة عن طريق التحقق من قيمة المقاومة المقابلة من خلال مقياس PT100.

مقياس المقاومة الحرارية Pt100

يستخدم جهاز قياس درجة الحرارة PT100 المصمم في هذه الورقة مضخم التشغيل رباعي الاتجاهات منخفض التكلفة شائع الاستخدام LM324 لإكمال تصميم دائرة إمداد طاقة الجهاز ودائرة مضخم الأجهزة ثلاثية المضخمات.

1.1 دائرة مصدر الجهد

دائرة مصدر جهد مستشعر المقاومة الحرارية Pt100

الدائرة في الشكل 1 هي دائرة تشغيلية متناسبة مشتركة. حسب تحليل المضخم التشغيلي المثالي الذي يعمل في المنطقة الخطية, وفق مبدأ الاستراحة الافتراضية القصيرة والظاهرية, يتم الحصول عليه:

صيغة دائرة حساب جسر ويتستون

​, ثم عامل تضخيم الجهد ذو الحلقة المغلقة هو 2 مرات, ومن ثم يتم الحصول على V = 10V, ويتم استخدامه كجهد مصدر طاقة مستقر لدائرة جسر ويتستون.

1.2 اتصال ثلاثي الأسلاك لجسر ويتستون وPT100.
الشكل أعلاه هو جسر ويتستون. شرط توازن الجسر هو أن تكون إمكانات النقطتين B وD متساوية. لذلك عندما يكون الجسر متوازنا, طالما R1, R2 (عادة القيم الثابتة) و R0 (عادة القيم القابلة للتعديل) تتم قراءتها, يمكن الحصول على المقاومة Rx المراد قياسها. R1/R2=م, مُسَمًّى “المضاعف”.

جسر ويتستون وطريقة الاتصال بثلاثة أسلاك PT100

وفقا لمبدأ قياس درجة الحرارة PT100, يجب معرفة قيمة المقاومة PT100 بشكل صحيح, ولكن لا يمكن قياس قيمة المقاومة مباشرة, لذلك مطلوب دائرة التحويل. يتم تحويل قيمة المقاومة إلى إشارة جهد يمكن اكتشافها بواسطة المتحكم الدقيق”. دائرة جسر ويتستون هي أداة يمكنها قياس المقاومة بشكل صحيح. كما هو مبين في الشكل 2, R1, R2, R3, و R4 هما أذرع الجسر على التوالي. عندما يكون الجسر متوازنا, R1xR3=R2xR4 راضي. عندما يكون الجسر غير متوازن, سيكون هناك فرق الجهد بين النقطتين أ و ب. وفقا لجهد النقطتين أ و ب, يمكن حساب المقاومة المقابلة. هذا هو مبدأ قياس المقاومة بجسر غير متوازن:

PT100 طريقة اتصال الدائرة بثلاثة أسلاك

في الحقيقة, بسبب المقاومة الصغيرة والحساسية العالية لـ PT100, مقاومة سلك الرصاص سوف تسبب أخطاء. لذلك, غالبًا ما يتم استخدام طريقة الاتصال بثلاثة أسلاك في الصناعة لإزالة هذا الخطأ. كما هو موضح في الجزء المنقط من الشكل 2, قيمة مقاومة سلك الرصاص متساوية وهي r. في هذا الوقت, تصبح أذرع الجسر R, ص, ص + 2 ص, و Rt+2r. عندما يكون الجسر متوازنا: R2. (ر1+2ر) =R1.(R3+2r), تم فرزها: غ = R1R3/ R2+2 R1r/ R2- 2ص. يظهر التحليل أنه عندما يكون R1=R2, التغيير في مقاومة السلك ليس له أي تأثير على نتيجة القياس.

1.3 دائرة مضخم الأجهزة ثلاثية المضخم التشغيلي
عندما تتغير درجة الحرارة من 0 درجة مئوية إلى 100 درجة مئوية, تتغير مقاومة PT100 خطيًا تقريبًا في نطاق 100Ω~138.51Ω. وفقا لدائرة الجسر أعلاه, الجسر متوازن عند 0 درجة مئوية, لذلك يجب أن تكون القيمة النظرية لجهد خرج الجسر 0 V, وعندما تكون درجة الحرارة 100 درجة مئوية, مخرج الجسر هو: Uab=U7x(ر1/(ر1 + ر2)-ر3/(R2 + R3)), إنه, Uab = 10x(138.51/(10000 + 138.51)-100/(10000 + 100)) =0.037599V. لأن هذه إشارة ميلي فولت, من الضروري تضخيم هذا الجهد لجعله قابلاً للاكتشاف بواسطة شريحة AD.

كما هو مبين في الشكل 3, مضخم الأجهزة هو جهاز يعمل على تضخيم الإشارات الصغيرة في بيئة صاخبة. لديها سلسلة من المزايا مثل الانجراف المنخفض, انخفاض استهلاك الطاقة, ارتفاع نسبة رفض الوضع المشترك, نطاق واسع لإمدادات الطاقة وحجم صغير. ويستخدم خصائص الإشارات الصغيرة التفاضلية المتراكبة على إشارات الوضع المشترك الأكبر, والتي يمكنها إزالة إشارات الوضع المشترك وتضخيم الإشارات التفاضلية في نفس الوقت. إن جهد الخرج لدائرة مضخم الأجهزة القياسية ثلاثية المضخم هو, هنا R8=R10 =20 كيلو أوم, R9=R11=20 كيلو أوم, R4=R7=100 كيلو أوم, والتي يمكن أن تضخيم إشارة جهد الدخل بحوالي 150 مرات, بحيث يمكن تضخيم جهد الخرج النظري للجسر 0 ~2.34 فولت. ولكن هذه ليست سوى قيمة نظرية. في العملية الفعلية, هناك العديد من العوامل التي يمكن أن تسبب تغيرات في المقاومة. لذلك, يمكن استبدال R3 بمقاوم قابل للتعديل بدقة لتسهيل تصفير الدائرة.

دائرة مضخم جهاز استشعار PT100 ثلاثية العمليات

2. تصميم البرمجيات

2.1 طريقة المربعات الصغرى والتركيب الخطي PT100

في نطاق درجة الحرارة 0 درجة مئوية ≥850 درجة مئوية, العلاقة بين المقاومة Pt100 ودرجة الحرارة: ص = 100 (1 +في+BT2), حيث أ = 3.90802x 10-3; ب=- -5.80س 10-7; ج = 4.2735 س 10-12

ويمكن ملاحظة أن مقاومة PT100 ودرجة الحرارة ليست علاقة خطية مطلقة بل هي علاقة قطع مكافئ. لذلك, إذا كان لا بد من استخراجها, مطلوب عملية الجذر التربيعي, الذي يقدم عملية وظيفية أكثر تعقيدًا ويشغل كمية كبيرة من موارد وحدة المعالجة المركزية للكمبيوتر الصغير أحادي الشريحة. لحل هذه المشكلة, يمكننا استخدام طريقة المربعات الصغرى لملاءمة العلاقة بين درجة الحرارة والمقاومة خطيًا. ” يعد تركيب منحنى المربعات الصغرى طريقة شائعة لمعالجة البيانات التجريبية. مبدأها هو العثور على دالة متعددة الحدود لتقليل مجموع الأخطاء المربعة في البيانات الأصلية.

2.2 م درجة حرارة التحويل الرقمي
مبدأ قياس درجة الحرارة PT100 هو الحصول على قيمة درجة الحرارة بناءً على قيمة مقاومتها, لذا يجب تحديد قيمة مقاومة المقاومة الحرارية أولاً. وفقا لدائرة الأجهزة, العلاقة بين جهد الخرج Uab لدائرة الجسر وجهد الخرج Uad لدائرة مكبر الصوت لأداة op amp: Uad = Uab. عوف لأن النظام يستخدم شريحة AD 12 بت, العلاقة بين الكمية الرقمية والكمية التناظرية هي: Uad/AD=5/4096. يمكن الحصول على العلاقة بين جهد خرج الجسر والكمية الرقمية AD من خلال الجمع بين المعادلتين السابقتين, إنه, Uad/AD=5/(4096على). ثم, يتم استبداله في تعبير جهد خرج الجسر Uab= U7x (غ / (آر 1 + آرت) -ر3/ (R2+R3) ), ويمكن الحصول على التعبير عن Rr والكمية الرقمية AD. الحل هو:

صيغة درجة حرارة التحويل الرقمي AD

بعد معرفة قيمة المقاومة PT100, يمكن الحصول على قيمة درجة الحرارة المقابلة وفقًا لمعادلة التركيب الخطية في القسم 2.1.

2.3 تصفية رقمية أحادية الشريحة
من أجل تحسين دقة قياس درجة الحرارة PT100, يمكن إضافة برنامج التصفية الرقمية في برمجة البرمجيات, والتي لا تتطلب إضافة دوائر الأجهزة ويمكن أن تحسن استقرار وموثوقية النظام. هناك العديد من طرق التصفية في نظام تطبيقات الحواسيب الصغيرة أحادية الشريحة. عند إجراء اختيار معين, وينبغي تحليل ومقارنة مزايا وعيوب طريقة التصفية والأشياء القابلة للتطبيق, وذلك لاختيار طريقة التصفية المناسبة. تتمثل خوارزمية طريقة التصفية المتوسطة في جمع بيانات N بشكل مستمر أولاً, ثم قم بإزالة الحد الأدنى للقيمة والحد الأقصى للقيمة, وأخيرا حساب الوسط الحسابي للبيانات المتبقية. تعتبر طريقة التصفية هذه مناسبة لقياس المعلمات التي تتغير ببطء, مثل درجة الحرارة, ويمكن أن يقلل بشكل فعال من التداخل الناجم عن التقلبات الناجمة عن عوامل عرضية أو أخطاء ناجمة عن عدم استقرار العينات.

عملية عمل النظام:
عندما تتغير درجة حرارة الجسم الذي يتم قياسه, مقاومة التغييرات PT100, وسيقوم جسر ويتستون بإخراج إشارة الجهد المقابلة. هذه الإشارة هي دالة لمقاومة PT100. يتم تضخيم إشارة الميليفولت هذه بواسطة مضخم صوت ثلاثي المضخم وإرسالها إلى شريحة AD, الذي يحول الكمية التناظرية إلى كمية رقمية ويتم قراءتها بواسطة المتحكم الدقيق. يقرأ المتحكم الدقيق الشريحة من شريحة AD وينفذ برنامج التصفية, تحويل الكمية الرقمية المستقرة إلى مقاومة PT100 من خلال الحساب. بعد ذلك سيحدد المتحكم الدقيق النموذج الخطي المناسب وفقًا لحجم قيمة المقاومة لحساب قيمة درجة الحرارة الحالية, وأخيرًا عرض بيانات درجة الحرارة على شاشة LCD.