Sistem za mjerenje temperature PT100 senzora toplinske otpornosti

2-žice, 3-žičani ili 4-žični Pt100, Pt500, Pt1000 senzori su temperaturni senzori na bazi platinastih elemenata visoke preciznosti, stabilnost i linearnost, i široko se koriste u poljima koja zahtijevaju precizno mjerenje temperature. A “PT100 sistem za mjerenje temperature termičkog otpornika” odnosi se na sistem koji koristi PT100 senzor, vrsta otpornog temperaturnog detektora (RTD), za mjerenje temperature otkrivanjem promjena u njegovom električnom otporu koje su direktno proporcionalne temperaturi; “PT” označava Platinum, i “100” označava da senzor ima otpor od 100 ohma na 0°C što ga čini vrlo preciznom i stabilnom metodom za mjerenje temperature u širokom rasponu.

Platinasti otpornici se široko koriste u rasponu srednjih temperatura (-200～650℃). Trenutno, Na tržištu postoje standardni termootpornici za mjerenje temperature od metalne platine, kao što je Pt100, Pt500, Pt1000, itd.

Shvatite princip rada PT100: PT100 je temperaturni senzor Pt otpornika. Princip rada se zasniva na termičkom efektu otpornika. Njegova vrijednost otpora se mijenja s promjenom temperature. Ova promjena je linearna. Na 0℃, vrijednost otpora PT100 je 100 ohms. Kako temperatura raste, vrijednost otpora se također povećava u skladu s tim, tako da se temperatura može precizno zaključiti mjerenjem vrijednosti otpora.

Visokoprecizni 4-žični sistem za mjerenje temperature klase A PT100

2-žica PT100 platina otporna sonda za kontrolu temperature, sistem za mjerenje temperature

3-žični PT100 sistem za mjerenje temperature senzora termalnog otpornika

Odaberite odgovarajući način ožičenja: Generalno, 2-žice, 3-Mogu se koristiti žične ili 4-žične metode ožičenja.

Naponski signal koji izlazi iz mosta

Ključne tačke o sistemu PT100:
Princip senzora:
PT100 senzor je napravljen od platinaste žice čiji se električni otpor predvidivo mijenja s temperaturnim fluktuacijama.

Metoda mjerenja:
Kada struja prolazi kroz PT100, mjeri se pad napona na senzoru, koja se zatim pretvara u temperaturu na osnovu poznatog odnosa između otpora i temperature.

Široka primjena:
PT100 senzori se obično koriste u industrijskim procesima, laboratorije, i druge aplikacije gdje je potrebno precizno mjerenje temperature zbog njihove visoke tačnosti i stabilnosti.

Komponente sistema PT100:
PT100 senzorska sonda:
Stvarni senzorski element, obično platinasta žica omotana oko keramičkog jezgra, koji se ubacuje u okolinu koja se meri.

Kolo za kondicioniranje signala:
Elektronika koja pojačava i pretvara malu promjenu otpora iz PT100 u mjerljivi naponski signal.

Prikaz ili sistem za prikupljanje podataka:
Uređaj koji prikazuje izmjerenu temperaturu ili pohranjuje podatke za analizu.

Prednosti korištenja PT100 sistema:
Visoka tačnost:　Smatra se jednim od najpreciznijih dostupnih temperaturnih senzora.
Širok raspon temperatura:　Može mjeriti temperature od -200°C do 850°C ovisno o dizajnu senzora.
Dobra linearnost:　Odnos između otpora i temperature je vrlo linearan, omogućava laku interpretaciju podataka.
Stabilnost:　Platina je veoma stabilan materijal, osiguravanje konzistentnih očitavanja tokom vremena.

Pt100 tablica indeksiranja toplinske otpornosti

Tri metode ožičenja PT100 platinastog otpornika se u principu razlikuju: 2-žice i 3-žice mjere se metodom mosta, a na kraju je dat odnos između vrijednosti temperature i analogne izlazne vrijednosti. 4-žica nema most. U potpunosti se šalje izvorom konstantne struje, mereno voltmetrom, i konačno daje izmjerenu vrijednost otpora, koji je težak i skup za upotrebu.
Zato što PT100 ima malu vrijednost otpora i visoku osjetljivost, vrijednost otpora provodne žice ne može se zanemariti. Upotreba 3-žične veze može eliminirati grešku mjerenja uzrokovanu otporom vodova.
2-žični sistem ima slabu tačnost mjerenja; 3-žični sistem ima bolju preciznost; 4-žični sistem ima visoku tačnost mjerenja, ali zahtijeva više žica.

Samo trebamo znati temperaturno stanje PT100 na osnovu naponskog signala koji izlazi iz mosta. Kada vrijednost otpora PT100 nije jednaka vrijednosti otpora Rx, most emituje signal diferencijalnog pritiska, koji je veoma mali. Budući da je izlazni signal temperaturnog senzora općenito vrlo slab, potrebno je kolo za kondicioniranje i konverziju signala da bi se on pojačao ili pretvorio u oblik koji se lako prenosi, proces, snimati i prikazati. Malu promjenu izmjerene količine signala potrebno je pretvoriti u električni signal. Prilikom pojačavanja DC signala, samo-drift i neuravnoteženi napon operacijskog pojačala ne može se zanemariti kada prolazi kroz operacijsko pojačalo. Nakon pojačanja, može se emitovati naponski signal željene veličine.
Vrijednost otpora platinskog otpornika može se dobiti proračunom kruga ili mjerenjem multimetrom. Kada znamo vrijednost otpora PT100, možemo izmjeriti i izračunati temperaturu prema vrijednosti otpora.

Koristite odgovarajuće algoritme za obradu podataka: Koristite poznati odnos temperature i otpora da izračunate temperaturu kroz programiranje. S obzirom da je odnos otpor-temperatura PT100 nelinearan, posebno u područjima sa niskim ili visokim temperaturama, složeniji algoritmi mogu biti potrebni za poboljšanje tačnosti.

Uticaj faktora okoline: Na performanse mogu uticati faktori okoline kao što su elektromagnetne smetnje, mehaničke vibracije, i vlažnost.

Postoje tri uobičajene metode izračunavanja temperature:
Metoda proračuna mjerenja temperature 1:
Kada tačna temperatura nije potrebna, temperatura će se povećati za 2,5℃ za svaki porast vrijednosti otpora PT100 termalnog otpornika oma (koristi se na niskim temperaturama). Vrijednost otpora temperaturnog senzora PT100 je 100 kada je 0℃, tako da je približna temperatura u ovom trenutku = (PT100 vrijednost otpora-100)*2.5.

Metoda proračuna mjerenja temperature 2:
Odnos između vrijednosti otpora i temperature platinskog otpornika

U rasponu od 0～850℃: Rt=R0(1+At+Bt2);

U rasponu od -200～0℃: Rt=R0[1+At+Bt2+C(t-100)3];

Rt predstavlja vrijednost otpora platinskog otpornika na temperaturi t℃;

R0 predstavlja vrijednost otpora platinskog otpornika na temperaturi 0℃;

A, B, C su konstante, A=3,96847×10-3/℃; B=-5,847×10-7/℃; C=-4,22×10-12/℃;

Za termički otpornik koji zadovoljava gornji odnos, njegov temperaturni koeficijent je oko 3,9×10-3/℃.

Kroz gornju formulu, temperatura se može precizno riješiti prema vrijednosti otpora, ali zbog velike količine proračuna ove metode, ne preporučuje se za ovaj eksperiment.

Treći metod izračunavanja temperature:
PT100 ima dobar linearni odnos s temperaturom i pogodan je za srednje i niske temperature mjerenja temperature. Vrijednost otpora PT100 na različitim temperaturama ima odgovarajuću skalu mjerenja jedan prema jedan kao što je prikazano na donjoj slici, koji može intuitivno prikazati odgovarajući odnos između različitih temperatura i vrijednosti otpora PT100.
Temperatura se može znati provjeravanjem odgovarajuće vrijednosti otpora na skali PT100.

Pt100 skala termičkog otpornika

Uređaj za mjerenje temperature PT100 dizajniran u ovom radu koristi često korišteno jeftino četverosmjerno operaciono pojačalo LM324 da dovrši dizajn kruga napajanja uređaja i kola instrumentalnog pojačala s tri op-ampa..

1.1 Krug izvora napona

Pt100 termalni otpornik senzor izvora napona krug

Kolo na slici 1 je uobičajeno proporcionalno radno kolo. Prema analizi idealnog operacionog pojačala koji radi u linearnom području, po principu virtuelne kratke i virtuelne pauze, dobija se:

Formula kruga za proračun Wheatstoneovog mosta

​, tada je faktor pojačanja napona zatvorene petlje 2 puta, i tada se dobija V= 10V, i koristi se kao stabilan napon napajanja Wheatstoneovog mosta.

1.2 Trožična veza Wheatstoneovog mosta i PT100.
Gornja slika je Wheatstoneov most. Uslov za balansiranje mosta je da su potencijali tačaka B i D jednaki. Dakle, kada je most izbalansiran, sve dok je R1, R2 (obično fiksne vrijednosti) i R0 (obično podesive vrijednosti) se čitaju, može se dobiti otpor Rx koji treba izmjeriti. R1/R2=M, pozvao “multiplikator”.

Wheatstone most i PT100 trožični način povezivanja

Prema principu mjerenja temperature PT100, vrijednost otpora PT100 mora biti točno poznata, ali vrijednost otpora se ne može izmjeriti direktno, pa je potreban krug za konverziju. Vrijednost otpora se pretvara u naponski signal koji mikrokontroler može detektirati”. Wheatstoneov most je instrument koji može ispravno izmjeriti otpor. Kao što je prikazano na slici 2, R1, R2, R3, i R4 su njegovi krakovi mosta respektivno. Kada je most izbalansiran, R1xR3=R2xR4 je zadovoljan. Kada je most neuravnotežen, postojat će razlika napona između tačaka a i b. Prema naponu tačaka a i b, može se izračunati odgovarajući otpor. Ovo je princip mjerenja otpora sa neuravnoteženim mostom:

PT100 trožični način povezivanja

U stvari, zbog malog otpora i visoke osjetljivosti PT100, otpor provodne žice će uzrokovati greške. Stoga, metoda trožilnog povezivanja se često koristi u industriji kako bi se otklonila ova greška. Kao što je prikazano na tačkastom dijelu slike 2, vrijednost otpora provodne žice je jednaka i iznosi r. U ovo vrijeme, krakovi mosta postaju R, R, R+2r, i Rt+2r. Kada je most izbalansiran: R2. (R1+2r) =R1.(R3+2r), sređeno: Rt= R1R3/ R2+2 R1r/ R2- 2r. Analiza pokazuje da kada je R1=R2, promjena otpora žice nema utjecaja na rezultat mjerenja.

1.3 Instrumentacijsko pojačalo s tri op-ampa
Kada se temperatura promijeni od 0℃~100℃, otpor PT100 se mijenja približno linearno u rasponu od 100Ω~138.51Ω. Prema gore navedenom mostu, most je balansiran na 0℃, pa bi teoretska vrijednost izlaznog napona mosta trebala biti 0 V, i kada je temperatura 100℃, izlaz mosta je: Uab=U7x(R1/(R1 + R2)-R3/(R2 + R3)), to jest, Uab=10x(138.51/(10000 + 138.51)-100/(10000 + 100)) =0,037599V. Pošto je ovo milivoltni signal, potrebno je pojačati ovaj napon da bi ga AD čip mogao otkriti.

Kao što je prikazano na slici 3, instrumentacijsko pojačalo je uređaj koji pojačava male signale u bučnom okruženju. Ima niz prednosti kao što je mali drift, niska potrošnja energije, visok omjer odbijanja zajedničkog moda, širok raspon napajanja i male veličine. Koristi karakteristike diferencijalnih malih signala superponiranih na veće zajedničke signale, koji istovremeno može ukloniti signale zajedničkog moda i pojačati diferencijalne signale. Izlazni napon standardnog kola instrumentacijskog pojačala s tri op-amp je, ovdje R8=R10 =20 kΩ, R9=R11=20 kΩ, R4=R7=100kΩ, koji može pojačati signal ulaznog napona za oko 150 puta, tako da se teoretski izlazni napon mosta može pojačati na 0 ~2,34 V. Ali ovo je samo teoretska vrijednost. U stvarnom procesu, postoji mnogo faktora koji mogu uzrokovati promjene otpora. Stoga, R3 se može zamijeniti preciznim podesivim otpornikom kako bi se olakšalo nuliranje kruga.

PT100 senzor troop pojačalo instrument pojačalo krug

2. Dizajn softvera

2.1 Metoda najmanjih kvadrata i PT100 linearna montaža

U temperaturnom opsegu od 0℃≤t≤850℃, odnos između otpora Pt100 i temperature je: R=100 (1 +At+Bt2), gdje je A=3,90802x 10-3; B=- -5.80x 10-7; C=4,2735 x 10-12

Može se vidjeti da otpor PT100 i temperatura nisu apsolutni linearni odnos već parabola. Stoga, ako treba izdvojiti t, potrebna je operacija kvadratnog korijena, koji uvodi složeniji rad funkcije i zauzima veliku količinu CPU resursa mikroračunara sa jednim čipom. Za rješavanje ovog problema, možemo koristiti metodu najmanjih kvadrata da linearno prilagodimo odnos između temperature i otpora. ” Prilagođavanje krivulje najmanjih kvadrata je uobičajena metoda za eksperimentalnu obradu podataka. Njegov princip je pronaći polinomsku funkciju za minimiziranje sume kvadratnih grešaka s originalnim podacima.

2.2 AD temperatura digitalne konverzije
Princip mjerenja temperature PT100 je dobivanje vrijednosti temperature na osnovu vrijednosti otpora, pa se prvo mora odrediti vrijednost otpora termičkog otpornika. Prema hardverskom kolu, odnos između izlaznog napona Uab mosnog kola i izlaznog napona Uad kruga pojačala instrumenta op-amp je: Uad = Uab. Auf Zato što sistem koristi 12-bitni AD čip, odnos između digitalne veličine i analogne veličine je: Uad/AD=5/4096. Odnos između izlaznog napona mosta i digitalne veličine AD može se dobiti kombinacijom prethodne dvije jednačine, to jest, Uad/AD=5/(4096On). Onda, zamjenjuje se u izraz izlaznog napona mosta Uab= U7x (Rt/ (R1+Rt) -R3/ (R2+R3) ), a može se dobiti izraz Rr i digitalna veličina AD. Rješenje je:

AD formula temperature digitalne konverzije

Nakon poznavanja vrijednosti otpora PT100, odgovarajuća vrijednost temperature može se dobiti prema linearnoj jednadžbi prilagodbe u odjeljku 2.1.

2.3 Digitalno filtriranje sa jednim čipom
Kako bi se poboljšala tačnost mjerenja temperature PT100, program za digitalno filtriranje može se dodati u programiranje softvera, koji ne zahtijeva dodavanje hardverskih kola i može poboljšati stabilnost i pouzdanost sistema. Postoji mnogo metoda filtriranja u aplikacijskom sistemu mikroračunara sa jednim čipom. Prilikom određenog odabira, treba analizirati i uporediti prednosti i nedostatke metode filtriranja i primenljivih objekata, tako da odaberete odgovarajući metod filtriranja. Algoritam metode filtriranja srednjeg prosjeka je da prvo kontinuirano prikuplja N podataka, zatim uklonite minimalnu i maksimalnu vrijednost, i konačno izračunati aritmetičku sredinu preostalih podataka. Ova metoda filtriranja je prikladna za mjerenje parametara koji se sporo mijenjaju, kao što je temperatura, i može efektivno smanjiti smetnje uzrokovane fluktuacijama uzrokovanim slučajnim faktorima ili greškama uzrokovanim nestabilnošću uzorkivača.

Proces rada sistema:
Kada se promijeni temperatura objekta koji se mjeri, otpor PT100 se mijenja, a Wheatstone most će emitovati odgovarajući signal napona. Ovaj signal je funkcija otpora PT100. Ovaj milivoltni signal pojačava se instrumentacijskim pojačalom s tri op-amp i šalje se u AD čip, koji pretvara analognu veličinu u digitalnu veličinu i čita je od strane mikrokontrolera. Mikrokontroler čita čip sa AD čipa i izvršava program filtriranja, pretvaranje stabilne digitalne veličine u otpor PT100 kroz proračun. Tada će mikrokontroler odabrati odgovarajući ugrađeni linearni model prema veličini vrijednosti otpora kako bi izračunao trenutnu vrijednost temperature, i na kraju prikazati podatke o temperaturi na LCD displeju.