Solució de circuit d'adquisició de temperatura PT100/PT1000

1. Taula de canvi de resistència a la temperatura PT100 i PT1000
Resistències tèrmiques metàl·liques com el níquel, Les resistències de coure i platí tenen una correlació positiva amb el canvi de resistència amb la temperatura. El platí té les propietats físiques i químiques més estables i és el més utilitzat. El rang de mesura de temperatura de la resistència de platí Pt100 d'ús habitual és de -200 ~ 850 ℃. A més, els intervals de mesura de temperatura de Pt500, Pt1000, etc. es redueixen successivament. Pt1000, rang de mesura de temperatura -200 ~ 420 ℃. Segons l'estàndard internacional IEC751, les característiques de temperatura de la resistència de platí Pt1000 compleixen els requisits següents:

Pt1000 corba característica de temperatura

Segons la corba característica de temperatura Pt1000, el pendent de la corba característica de la resistència canvia poc dins del rang de temperatura de funcionament normal (tal com es mostra a la figura 1). Mitjançant l'ajust lineal, la relació aproximada entre resistència i temperatura és:

1.1 Taula de canvi de resistència a la temperatura PT100

Taula de canvi de resistència a la temperatura PT100

1.2 Taula de canvi de resistència a la temperatura PT1000

Taula de canvi de resistència a la temperatura PT1000

2. Solucions de circuits d'adquisició d'ús habitual

2.1 Sortida de divisió de tensió de resistència 0 ~ 3,3 V / 3 V voltatge analògic

Adquisició directa del port AD d'un sol xip
El rang de sortida de tensió del circuit de mesura de temperatura és de 0 ~ 3,3 V, PT1000 (El valor de la resistència PT1000 canvia molt, La sensibilitat de mesura de temperatura és superior a PT100; PT100 és més adequat per a la mesura de temperatura a gran escala).

El divisor de tensió de la resistència emet una tensió analògica de 0 ~ 3,3 V 3 V

La manera més senzilla és utilitzar el mètode de divisió de tensió. La tensió és la font de referència de tensió 4V generada pel xip de la font de referència de tensió TL431, o REF3140 es pot utilitzar per generar 4.096V com a font de referència. Els xips font de referència també inclouen REF3120, 3125, 3130, 3133, i 3140. El xip utilitza un paquet SOT-32 i una tensió d'entrada de 5V. La tensió de sortida es pot seleccionar segons la tensió de referència requerida. Per descomptat, segons el rang d'entrada de tensió normal del port AD MCU, no pot superar els 3 V/3,3 V.

2.2 Sortida de divisió de tensió de resistència 0 ~ 5V adquisició directa del port AD de tensió analògica MCU.
Per descomptat, alguns circuits utilitzen una font d'alimentació MCU de 5 V, i el corrent de funcionament màxim de PT1000 és de 0,5 mA, per tant, s'ha d'utilitzar un valor de resistència adequat per garantir el funcionament normal dels components.
Per exemple, els 3,3 V del diagrama esquemàtic de divisió de tensió anterior es substitueixen per 5 V. L'avantatge d'això és que la divisió de tensió de 5 V és més sensible que 3,3 V, i l'adquisició és més precisa. Recordeu, la tensió de sortida calculada teòricament no pot superar els +5V. En cas contrari, provocarà danys a l'MCU.

2.3 La mesura de pont més utilitzada
R11, R12, R13 i Pt1000 s'utilitzen per formar un pont de mesura, on R11=R13=10k, R12=1000R resistències de precisió. Quan el valor de resistència de Pt1000 no és igual al valor de resistència de R12, el pont emetrà un senyal de diferència de tensió de nivell mV. Aquest senyal de diferència de tensió és amplificat pel circuit amplificador de l'instrument i emet el senyal de voltatge desitjat. Aquest senyal es pot connectar directament al xip de conversió AD o al port AD del microcontrolador.

R11, R12, R13 i Pt1000 s'utilitzen per formar un pont de mesura

El principi de mesura de la resistència d'aquest circuit:
1) PT1000 és un termistor. A mesura que canvia la temperatura, la resistència canvia bàsicament linealment.
2) A les 0 graus, la resistència de PT1000 és 1kΩ, aleshores Ub i Ua són iguals, és a dir, Uba = Ub – Fes = 0.
3) Suposant que a una determinada temperatura, la resistència de PT1000 és 1,5 kΩ, aleshores Ub i Ua no són iguals. Segons el principi de divisió de tensió, podem esbrinar que Uba = Ub – Fes > 0.
4) OP07 és un amplificador operacional, i el seu guany de tensió A depèn del circuit extern, on A = R2/R1 = 17.5.
5) La tensió de sortida Uo de OP07 = Uba * Una. Per tant, si fem servir un voltímetre per mesurar la tensió de sortida de OP07, podem inferir el valor de Uab. Com que Ua és un valor conegut, podem calcular més el valor de Ub. Aleshores, utilitzant el principi de divisió de tensió, podem calcular el valor de resistència específic de PT1000. Aquest procés es pot aconseguir mitjançant el càlcul de programari.
6) Si coneixem el valor de resistència de PT1000 a qualsevol temperatura, només hem de buscar la taula en funció del valor de la resistència per conèixer la temperatura actual.

2.4 Font de corrent constant
A causa de l'efecte d'autoescalfament de la resistència tèrmica, el corrent que circula per la resistència ha de ser el més petit possible. En general, s'espera que el corrent sigui inferior a 10 mA. S'ha comprovat que l'autoescalfament de la resistència de platí PT100 de 1 mW provocarà un canvi de temperatura de 0,02-0,75 ℃. Per tant, reduir el corrent de la resistència de platí PT100 també pot reduir el seu canvi de temperatura. No obstant això, si el corrent és massa petit, és susceptible a interferències de soroll, per tant, el valor és generalment 0.5-2 mA, de manera que el corrent de font de corrent constant es selecciona com a font de corrent constant d'1 mA.

El xip es selecciona com a xip de font de tensió constant TL431, i després es converteix en una font de corrent constant mitjançant la retroalimentació negativa actual. El circuit es mostra a la figura

Entre ells, l'amplificador operacional CA3140 s'utilitza per millorar la capacitat de càrrega de la font de corrent, i la fórmula de càlcul per al corrent de sortida és:

La resistència hauria de ser a 0.1% resistència de precisió. El corrent de sortida final és de 0,996 mA, és a dir, la precisió és 0.4%.

El circuit de font de corrent constant ha de tenir les característiques següents

Seleccioneu el xip de font de tensió constant TL431

Estabilitat de temperatura: Com que el nostre entorn de mesura de temperatura és de 0-100 ℃, la sortida de la font de corrent no ha de ser sensible a la temperatura. El TL431 té un coeficient de temperatura extremadament baix i una deriva de temperatura baixa.

Bona regulació de càrrega: Si la ondulació actual és massa gran, provocarà errors de lectura. Segons anàlisi teòrica, ja que la tensió d'entrada varia entre 100-138,5 mV, i el rang de mesura de temperatura és de 0-100 ℃, la precisió de la mesura de la temperatura és de ± 1 grau centígrad, de manera que la tensió de sortida hauria de canviar en 38,5/100 = 0,385 mV per cada augment d'1 ℃ de la temperatura ambient. Per tal de garantir que la fluctuació actual no afecti la precisió, considerar el cas més extrem, a les 100 graus Celsius, el valor de resistència de PT100 hauria de ser 138,5R. Aleshores, la ondulació actual hauria de ser inferior a 0,385/138,5 = 0,000278mA, és a dir, el canvi de corrent durant el canvi de càrrega hauria de ser inferior a 0,000278mA. En la simulació real, la font actual es manté bàsicament sense canvis.
3. Solució de circuit d'adquisició AD623

Solució de circuit PT1000 d'adquisició AD623

El principi pot fer referència al principi de mesura del pont anterior.
Adquisició a baixa temperatura:

Adquisició d'alta temperatura

4. Solució de circuit d'adquisició AD620

Solució d'adquisició AD620 PT100

Solució d'adquisició AD620 PT100 d'alta temperatura (150°):

Solució d'adquisició AD620 PT100 a baixa temperatura (-40°):

Solució d'adquisició AD620 PT100 temperatura ambient (20°):

5. Anàlisi de filtratge anti-interferències PT100 i PT1000

Adquisició de temperatura en algun complex, els entorns durs o especials estaran subjectes a grans interferències, incloent principalment EMI i REI.

Per exemple, en l'aplicació de l'adquisició de la temperatura del motor, el control del motor i la rotació a alta velocitat del motor causen pertorbacions d'alta freqüència.

També hi ha un gran nombre d'escenaris de control de temperatura dins dels vehicles d'aviació i aeroespacial, que mesuren i controlen el sistema elèctric i el sistema de control ambiental. El nucli del control de la temperatura és la mesura de la temperatura. Atès que la resistència del termistor pot canviar linealment amb la temperatura, L'ús de la resistència de platí per mesurar la temperatura és un mètode eficaç de mesura de temperatura d'alta precisió. Els principals problemes són els següents:
1. La resistència al cable conductor s'introdueix fàcilment, afectant així la precisió de mesura del sensor;
2. En alguns entorns d'interferència electromagnètica forta, la interferència es pot convertir en sortida de CC després de la rectificació per part de l'amplificador d'instrument
Error de compensació, afectant la precisió de la mesura.
5.1 Circuit d'adquisició aeroespacial PT1000

Circuit d'adquisició aeroespacial PT1000

Consulteu el disseny d'un circuit d'adquisició PT1000 aerotransportat per a interferències antielectromagnètiques en una determinada aviació.

S'estableix un filtre a l'extrem més exterior del circuit d'adquisició. El circuit de preprocessament d'adquisició PT1000 és adequat per al preprocessament d'interferències anti-electromagnètiques de la interfície d'equips electrònics aerotransportats;
El circuit específic és:
La tensió d'entrada de +15V es converteix en una font de tensió d'alta precisió de +5V mitjançant un regulador de tensió, i la font de tensió d'alta precisió + 5V està connectada directament a la resistència R1.
L'altre extrem de la resistència R1 es divideix en dos camins, un connectat a l'entrada en fase de l'amplificador operacional, i l'altre connectat a l'extrem A de la resistència PT1000 a través del filtre de tipus T S1. La sortida de l'amplificador operacional està connectada a l'entrada inversora per formar un seguidor de tensió, i l'entrada inversora està connectada al port de terra del regulador de tensió per garantir que la tensió a l'entrada en fase sempre sigui zero. Després de passar pel filtre S2, un extrem A de la resistència PT1000 es divideix en dos camins, s'utilitza un camí com a terminal D d'entrada de tensió diferencial a través de la resistència R4, i l'altre camí està connectat a AGND mitjançant la resistència R2. Després de passar pel filtre S3, l'altre extrem B de la resistència PT1000 es divideix en dos camins, s'utilitza un camí com a terminal d'entrada de tensió diferencial E a través de la resistència R5, i l'altre camí està connectat a AGND mitjançant la resistència R3. D i E es connecten mitjançant el condensador C3, D està connectat a AGND mitjançant el condensador C1, i E està connectat a AGND mitjançant el condensador C2; el valor de resistència precís de PT1000 es pot calcular mesurant la tensió diferencial entre D i E.

La tensió d'entrada de +15V es converteix en una font de tensió d'alta precisió de +5V mitjançant un regulador de tensió. El +5V està connectat directament a R1. L'altre extrem de R1 es divideix en dos camins, un està connectat al terminal d'entrada en fase de l'amplificador operacional, i l'altre està connectat a la resistència PT1000 A mitjançant el filtre de tipus T S1. La sortida de l'amplificador operacional està connectada a l'entrada inversora per formar un seguidor de tensió, i l'entrada inversora està connectada al port de terra del regulador de tensió per garantir que la tensió a l'entrada inversora sempre sigui zero. En aquest moment, el corrent que circula per R1 és constant de 0,5 mA. El regulador de tensió utilitza AD586TQ/883B, i l'amplificador operacional utilitza OP467A.

Després de passar pel filtre S2, un extrem A de la resistència PT1000 es divideix en dos camins, una a través de la resistència R4 com a extrem D d'entrada de tensió diferencial, i un a través de la resistència R2 a AGND; després de passar pel filtre S3, l'altre extrem B de la resistència PT1000 es divideix en dos camins, una resistència R5 a través de l'extrem E d'entrada de tensió diferencial, i un a través de la resistència R3 a AGND. D i E es connecten mitjançant el condensador C3, D està connectat a AGND mitjançant el condensador C1, i E està connectat a AGND mitjançant el condensador C2.
La resistència de R4 i R5 és de 4,02 k ohms, la resistència de R1 i R2 és d'1M ohms, la capacitat de C1 i C2 és de 1000pF, i la capacitat de C3 és de 0,047 uF. R4, R5, C1, C2, i C3 junts formen una xarxa de filtres RFI, que completa el filtratge de pas baix del senyal d'entrada, i els objectes que s'han de filtrar inclouen la interferència en mode diferencial i la interferència en mode comú portades al senyal diferencial d'entrada. El càlcul de la freqüència de tall de -3dB de la interferència del mode comú i la interferència del mode diferencial transportades al senyal d'entrada es mostra a la fórmula:

Substituint el valor de la resistència en el càlcul, la freqüència de tall del mode comú és de 40 kHZ, i la freqüència de tall del mode diferencial és de 2,6 KHZ.
El punt final B està connectat a AGND mitjançant el filtre S4. Entre ells, els terminals de terra del filtre de S1 a S4 estan tots connectats a la terra de blindatge de l'aeronau. Atès que el corrent que flueix per PT1000 és de 0,05 mA conegut, el valor de resistència precís de PT1000 es pot calcular mesurant la tensió diferencial als dos extrems de D i E.
S1 a S4 utilitzen filtres de tipus T, model GTL2012X-103T801, amb una freqüència de tall d'1M±20%. Aquest circuit introdueix filtres de pas baix a les línies d'interfície externa i realitza un filtratge RFI sobre la tensió diferencial. Com a circuit de preprocessament per a PT1000, elimina eficaçment les interferències de radiació electromagnètica i RFI, que millora molt la fiabilitat dels valors recollits. A més, la tensió es mesura directament des dels dos extrems de la resistència PT1000, eliminant l'error causat per la resistència del plom i millorant la precisió del valor de la resistència.

5.2 Filtre tipus T
El filtre de tipus T consta de dos inductors i condensadors. Els dos extrems tenen una alta impedància, i el seu rendiment de pèrdua d'inserció és similar al del filtre de tipus π, però no és propens “sonant” i es pot utilitzar en circuits de commutació.