Resistències i circuits de sondes de sensor de resistències tèrmiques metàl·liques PT100 i PT1000

Un circuit d'adquisició de temperatura per a una sonda de sensor PT100 o PT1000 consisteix normalment en una font de corrent estable per excitar el sensor, un circuit de mesura de resistència d'alta precisió per detectar el canvi de resistència amb la temperatura, i un convertidor analògic a digital (ADC) per convertir la tensió mesurada en un senyal digital que pot ser processat per un microcontrolador o un sistema d'adquisició de dades; la diferència clau entre un circuit PT100 i PT1000 és l'escala de valors de resistència a causa del fet que el Pt100 té una resistència nominal de 100 ohms a 0 °C mentre que un Pt1000 ho té 1000 ohms a 0°C, sovint requereixen ajustos en el circuit de mesura en funció de la precisió i aplicació desitjades.

L'article presenta el canvi de resistència de les sondes del sensor de resistència tèrmica metàl·lica PT100 i PT1000 a diferents temperatures, així com una varietat de solucions de circuits d'adquisició de temperatura. Inclou la divisió de tensió de resistència, mesura del pont, font de corrent constant i AD623, Circuit d'adquisició AD620. Per resistir les interferències, especialment la interferència electromagnètica en el camp aeroespacial, es proposa un disseny de circuit d'adquisició del sensor de temperatura PT1000 aerotransportat, incloent un filtre tipus T per filtrar i millorar la precisió de mesura.
Resum generat per CSDN mitjançant tecnologia intel·ligent

Sensor de cable de temperatura PT100 per a la mesura precisa de la temperatura en contenidors, dipòsits i canonades

Sonda del sensor de temperatura T100 cable d'alta temperatura -50~260

Sensor de temperatura de resistència de platí PT100 per a la temperatura superficial del transmissor

Solució de circuit d'adquisició de temperatura PT100/PT1000
1. Taula de canvi de resistència a la temperatura dels sensors PT100 i PT1000
Resistències tèrmiques metàl·liques com el níquel, Les resistències de coure i platí tenen una correlació positiva amb el canvi de temperatura. El platí té les propietats físiques i químiques més estables i és el més utilitzat. El rang de mesura de temperatura de les sondes de sensor Pt100 de resistència de platí que s'utilitzen habitualment és de -200 ~ 850 ℃, i els intervals de mesura de temperatura de Pt500, Sondes sensor Pt1000, etc. es redueixen successivament. Pt1000, El rang de mesura de temperatura és de -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 lleugerament dins del rang de temperatura de funcionament normal (tal com es mostra a la figura 1). La relació aproximada entre resistència i temperatura es pot obtenir mitjançant un ajustament lineal:

Taula de canvi de resistència a la temperatura PT100 1

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

2. 1 Sortida divisor de tensió de resistència 0 ~ 3,3 V/3 V de tensió analògica adquisició directa del port AD d'un 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, i la sensibilitat de mesura de la temperatura és superior a PT100; PT100 és més adequat per a la mesura de temperatura a gran escala).

La manera més senzilla és utilitzar el mètode de divisió de tensió. La tensió la genera el xip font de referència de tensió TL431, que és una font de referència de tensió de 4 V. Alternativament, 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 5 V. 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 del microcontrolador, no pot superar els 3 V/3,3 V.

Adquisició directa del circuit de port AD d'un xip PT100

2.2 Sortida de divisió de tensió de resistència 0 ~ 5V tensió analògica, i el port AD del microcontrolador el recull directament.
Per descomptat, alguns circuits estan alimentats per un microcontrolador de 5 V, i el corrent màxim de funcionament del PT1000 és de 0,5 mA, per tant, s'ha d'utilitzar un valor de resistència adequat per garantir el funcionament normal del component.
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 la tensió de 3,3 V, i la col·lecció és més precisa. Recordeu, la tensió de sortida calculada teòricament no pot superar els +5V. En cas contrari, el microcontrolador es farà malbé.

2.3 La mesura de pont més utilitzada

El circuit divisor de tensió del PT100 emet una tensió analògica de 0 ~ 5V

Utilitzeu R11, R12, R13 i Pt1000 per formar un pont de mesura, on R11=R13=10k, R12=1000R resistència 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, que es pot connectar directament al xip de conversió AD o al port AD del microcontrolador.

El principi de mesura de la resistència d'aquest circuit:

1) PT1000 és un termistor, i la seva resistència canvia bàsicament linealment amb el canvi de temperatura.

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 del divisor de tensió, podem trobar Uba = Ub – Fes > 0.
4) OP07 és un amplificador operacional, i el seu factor d'amplificació 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 del divisor 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 segons el 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, cal assegurar-se que el corrent que circula per la resistència sigui el més petit possible, i, 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 fins a 0,75 ℃, de manera que 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, així que generalment es pren a 0.5 a 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 seleccionat és el xip de font de tensió constant TL431, i després la retroalimentació negativa actual s'utilitza per convertir-la en una font de corrent constant. El circuit es mostra a la figura:

Esquema d'adquisició del circuit de la font de corrent constant de la resistència PT100

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:
Insereix la descripció de la imatge aquí 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:
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. I el TL431 té un coeficient de temperatura extremadament baix i una baixa deriva de temperatura.

Bona regulació de càrrega: Si la ondulació actual és massa gran, provocarà errors de lectura. Segons anàlisi teòrica. Atès 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
El principi pot fer referència al principi de mesura del pont anterior.
Adquisició a baixa temperatura:

L'AD620 mesura la temperatura alta de la solució d'adquisició PT100 (150°)

Adquisició d'alta temperatura
Insereix la descripció de la imatge aquí

4. Solució de circuit d'adquisició AD620
Solució d'adquisició AD620 PT100 per a alta temperatura (150°):

L'AD620 mesura la solució d'adquisició PT100 a baixa temperatura (-40°)

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

L'AD620 mesura l'esquema d'adquisició PT100 a temperatura ambient (20°)

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

Circuit d'adquisició d'alta temperatura del sensor PT100

5. Anàlisi de filtratge anti-interferències dels sensors 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, pertorbacions d'alta freqüència causades pel control del motor i la rotació a alta velocitat del motor.

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 determinats entorns d'interferències electromagnètiques fortes, la interferència es pot convertir en error de compensació de sortida de CC després de ser rectificada per l'amplificador d'instrument, afectant la precisió de la mesura.

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

Esquema del circuit d'adquisició AD623 per al sensor PT100

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 d'interfícies 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. La font de tensió d'alta precisió de +5V està connectada directament a la resistència R1, i l'altre extrem de la resistència R1 es divideix en dos camins. Un està connectat a l'extrem d'entrada en fase de l'amplificador operacional, i l'altre està 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, una resistència R4 com a entrada de tensió diferencial D, 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 com a entrada de tensió diferencial E, 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. 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 connectat a l'entrada en fase de l'amplificador operacional, i l'altre connectat a l'extrem A de la resistència PT1000 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. El filtre RFI completa el filtratge de pas baix del senyal d'entrada, i els objectes filtrats inclouen la interferència de mode diferencial i la interferència de 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:

Circuit d'adquisició aeroespacial PT1000

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 de M±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.

3-Sensor de temperatura de resistència tèrmica de platí PT100 de control de temperatura industrial d'alta classe B de filferro

Termoparell de molla de compressió tipus K-E, Sonda del sensor de temperatura pt100

Sensor de temperatura PT100 d'alta precisió per a la mesura de la temperatura del transformador

5.2 Filtre tipus T
Insereix la descripció de la imatge aquí
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.