Adquisició de temperatura 2, 3, i sensors de temperatura PT100 de 4 fils

L'article presenta com 2, 3, i els sensors PT100 de 4 fils es converteixen en senyals de tensió mitjançant canvis de resistència, i s'utilitza una font de corrent constant per protegir el sensor i garantir la precisió de la conversió del senyal. Un sensor PT100 adquireix temperatura mesurant el canvi en la seva resistència elèctrica, que es correlaciona directament amb la temperatura a la qual està exposat; a mesura que augmenta la temperatura, la resistència de l'element de platí dins del sensor també augmenta, permetent un càlcul precís de la temperatura basat en aquest canvi de resistència; essencialment, el “100” a PT100 significa que el sensor té una resistència de 100 ohms a 0°C, i aquest valor canvia de manera previsible amb les fluctuacions de temperatura. L'aplicació de l'amplificador operacional MCP604 en el disseny de circuits emfatitza l'impacte de les seves característiques, com ara la baixa tensió de compensació d'entrada i el corrent de polarització en la precisió.. El calibratge del programari s'utilitza per millorar la precisió en el disseny del circuit, evitant les molèsties de l'ajust físic. Finalment, l'article dóna la fórmula de relació entre la temperatura i el valor de la resistència del platí, que s'utilitza per calcular el valor de la temperatura.

Disseny d'adquisició de temperatura del sensor de temperatura PT100 de 2 fils

Adquisició de temperatura del sensor de temperatura PT100 de 3 fils personalitzat de la Xina

Adquisició de temperatura del sensor de temperatura PT100 de 4 fils

Punts clau sobre l'adquisició de temperatura PT100:
Detector de temperatura de resistència (Rtd):
PT100 és un tipus de RTD, és a dir, mesura la temperatura detectant canvis en la seva resistència elèctrica.
Element de platí:
L'element sensor en un PT100 està fet de platí, que presenta una relació molt estable i lineal entre resistència i temperatura.
Procés de mesura: El sensor es col·loca a l'entorn on s'ha de mesurar la temperatura.
La resistència de l'element de platí es mesura mitjançant un circuit electrònic dedicat.
A continuació, el valor de la resistència mesurada es converteix en temperatura mitjançant una fórmula matemàtica basada en el coeficient de temperatura conegut del platí.

Avantatges dels sensors PT100:
Alta precisió: Considerat un dels sensors de temperatura més precisos disponibles a causa del comportament estable del platí.
Ampli rang de temperatures:　Pot mesurar temperatures des de -200 °C a 850 °C depenent del disseny del sensor.
Bona linealitat: La relació entre resistència i temperatura és relativament lineal, simplificant la interpretació de dades.

Consideracions importants:
Calibració: Per garantir mesures precises, Els sensors PT100 s'han de calibrar regularment amb un estàndard de referència.
Resistència del cable de plom: La resistència dels cables de connexió pot afectar la precisió de la mesura, de manera que sovint és necessària una consideració adequada de la compensació del cable.
Idoneïtat de l'aplicació: Tot i que molt precís, És possible que els sensors PT100 no siguin adequats per a entorns extremadament durs o aplicacions que requereixin temps de resposta molt ràpids.

1. Principis bàsics de l'adquisició del senyal
PT100 converteix els senyals de temperatura en sortides de resistència, i el seu valor de resistència oscil·la entre 0 fins a 200Ω. El convertidor AD només pot convertir la tensió i no pot recollir directament la temperatura. Per tant, Es necessita una font de corrent constant d'1 mA per alimentar el PT100 i convertir els canvis de resistència en canvis de tensió. L'avantatge d'utilitzar una font de corrent constant és que pot allargar la vida útil del sensor. Com que el rang del senyal d'entrada és 0 fins a 200 mV, el senyal s'ha d'amplificar i després convertir AD per obtenir dades del senyal elèctric.

Motius per no utilitzar el disseny de fonts de tensió constant:

Si s'utilitza una font de tensió constant per a l'alimentació, i després la resistència i el PT100 es connecten en sèrie, i es divideix la tensió, hi ha un problema. Quan la resistència de PT100 és massa petita, el corrent que circula pel PT100 és massa gran, resultant en una vida útil més curta del sensor.

2. L'amplificador operacional utilitza MCP604
Característiques de MCP604:
1) El rang de tensió és de 2,7 ~ 6,0 V
2) La sortida és Rail-to-Rail
3) Interval de temperatura de funcionament: -40°C a +85 °C
4) La tensió de compensació d'entrada és de ± 3 mV, valor típic és 1 mV, alta sensibilitat.
5) El corrent de polarització d'entrada és d'1 pA, quan TA = +85°C, I=20pA, millora la precisió d'adquisició.
6) Oscil·lació lineal de la tensió de sortida: VSS+0,1 ~ VDD–0,1, la unitat és V.

Quan la tensió d'alimentació és de 3,3 V, la variació de la tensió de sortida lineal és de 0,1 ~ 3,2 V. Per tal de garantir que el senyal amplificat funcioni a la regió lineal, quan VDD = 3,3 V, establim que la tensió de sortida de l'MCP604 es mantingui a: 0.5V ~ 2,5 V per complir els requisits del disseny del circuit d'amplificador operacional.

L'amplificador operacional del llibre d'electrònica analògica és un amplificador operacional ideal, que és diferent de l'amplificador real. Per tant, cal tenir en compte “voltatge de compensació d'entrada”, “corrent de polarització d'entrada” i “oscil·lació lineal de la tensió de sortida” a l'hora de dissenyar.

3. Esquema del circuit
R11 a la figura és un circuit de polarització per evitar la distorsió de saturació de l'última etapa de sortida de l'amplificador diferencial.
1) Seleccioneu un factor d'amplificació adequat per reduir l'error de sortida. A causa de l'existència de voltatge de compensació d'entrada, quan augmenta el factor d'amplificació, l'error de sortida també augmentarà, que cal tenir en compte en el disseny.
2) El factor d'amplificació d'aquest circuit és 10. Suposant que la tensió de compensació d'entrada típica és de 3 mV, si el senyal d'entrada canvia a 5mV, 2mV no s'amplificarà, que produirà un error de sortida de 20 mV.

Amplificador operatiu del detector de temperatura PT100 mitjançant el diagrama de circuits MCP604

Vo4 = (Vin1 – Vref)*10
I = 1 mA, Vref=Vo3=1,65V
1.7V<=Vin<= 1,9 V, 1.7V<=V02<=1,9
1.8V<=Vo1<=2V, Assegureu-vos que l'amplificador operacional funcioni a la regió lineal, això és molt important
0.5V<=Vo4<= 2,5 V, Assegureu-vos que l'amplificador operacional funcioni a la regió lineal, per això es necessiten 50Ω en sèrie.

Quan la resistència d'entrada canvia en 1Ω, Vout canvia a 10 mV. Com que la tensió de compensació d'entrada de MCP604 és de ± 3 mV, quan hi ha un canvi de 0,3333Ω, hi haurà un canvi de 3.333mV, i la sensibilitat d'adquisició és alta.
Quan 0<=Rin<= entrada de 200Ω, ja que el bucle està connectat en sèrie amb 50Ω, 50O<=Rx<=250Ω
Vin1 – Vref = Rx*0,001, unitat A

4. Calibració del programari
Els nous enginyers sempre intenten millorar la precisió de les resistències, però l'error encara és gran. Alguns enginyers simplement utilitzen resistències ajustables contínuament, ajustar els seus valors de resistència, i utilitzeu multímetres per fer que la sortida compleixi la relació de transferència. Sembla que aquesta precisió ha millorat, però no és convenient per a la producció, i també augmenta la dificultat del disseny de PCB. Encara que s'hagi fet la depuració, si el cargol d'ajust es toca amb la mà, pot provocar errors. L'única manera és utilitzar resistències fixes per a la producció i utilitzar programari per ajudar a aconseguir un calibratge precís.
1) Quan Rin=0, llegiu un valor de tensió i registreu-lo com a V50. Desa V50, no canviarà amb el canvi del valor de la resistència PT100 perquè està alimentat per una font de corrent constant.
2) Connecteu la resistència nominal, siguem Rs=100Ω, llegiu un valor de tensió i registreu-lo com a V150. Estalviar V150, el valor de tensió llegit quan la temperatura és 0.
3) Calcula el factor d'amplificació actual: Io = (V150 – V50) / Rs; salva'm, vol dir que el calibratge està fet.
4) Quan la resistència d'entrada és R, el voltatge llegit és Vo, aleshores R = (Vo- V50) / Io
A través de la descripció anterior, La calibració del programari té grans avantatges, no només una producció convenient, però també alta precisió. Per tal de millorar la precisió, la tensió de sortida també es pot dividir en diversos intervals, calibrat per separat, i es poden obtenir diferents Io, de manera que la linealitat de sortida serà millor. Aquestes idees es reflecteixen en el meu disseny.

Disseny de circuits OP AMP MCP604

5. Calcula la temperatura
Quan la temperatura és inferior a 0,
R0*C*t^4 – 100R0*C*t^3 + R0*B*t^2 + R0*A*t + R0 – Rt=0
Quan la temperatura és superior o igual a 0, Rt=R0*(1+A*t+B*t*t)
Descripció:
Rt és el valor de la resistència de la resistència de platí a t℃
R0 és el valor de la resistència de la resistència de platí a 0℃ 100Ω
A=3,9082×10^-3
B=-5,80195×10^-7
C=-4,2735×10^-12

6. Sensor de temperatura Pt100
El sensor de temperatura Pt100 és un sensor de termistor de coeficient de temperatura positiu, i els seus principals paràmetres tècnics són els següents:
1) Interval de temperatura de mesura: -200℃ ~ +850 ℃;
2) Valor de desviació admissible Δ℃: Grau A ±(0.15+0.002|t|), Grau B ±(0.30+0.005|t|);
3) Profunditat d'inserció mínima: La profunditat mínima d'inserció de la resistència tèrmica és ≥200 mm;
4) Corrent admissible: < 5mA;
5) El sensor de temperatura Pt100 també té els avantatges de la resistència a la vibració, bona estabilitat, alta precisió, i alta pressió. La resistència tèrmica de platí té una bona linealitat. En canviar entre 0 i 100 graus Celsius, la desviació no lineal màxima és inferior a 0,5 ℃;
Quan la temperatura < 0, R0*C*t^4 – 100R0*C*t^3 + R0*B*t^2 + R0*A*t + R0 – Rt=0
Quan la temperatura ≥ 0, Rt= R0*(1+A*t+B*t*t)
Segons la relació anterior, el rang de resistència aproximat és: 18Ω~390,3Ω, -197℃ és 18Ω, 850Ω és 390,3Ω;
Descripció:
Rt és el valor de la resistència de la resistència de platí a t℃, R0 és el valor de la resistència de la resistència de platí a 0 ℃, 100O
A=3,9082×10^-3, B=-5,80195×10^-7, C=-4,2735×10^-12
Manual d'instruccions del sensor de temperatura de metall platí PT100
6) Disseny de circuits
7) Relació entre la temperatura i la resistència del PT100
La temperatura i la resistència de PT100 compleixen l'equació següent:
Quan la temperatura és ≤0, R0*C*t^4 – 100*R0*C*t^3 + R0*B*t^2 + R0*A*t + R0 – Rt=0
Quan la temperatura és ≥0, R0*B*t^2 + R0*A*t + R0 – Rt = 0

Taula de comparació de temperatura i resistència PT100

Descripció:
Rt és el valor de la resistència de la resistència de platí a t℃, R0 és el valor de la resistència de la resistència de platí a 0 ℃, 100O
A=3,9082×10^-3, B=-5,80195×10^-7, C=-4,2735×10^-12

1. Per comoditat de càlcul, quan la temperatura és ≤0, deixar:
doble a=R0*C*100000=100*(-4.2735×10^-12)*100000=-4,2735/100000
doble b=–100*R0*C*100000=-100*100*(-4.2735×10^-12)*100000=4,2735/1000
doble c= R0*B*100000=100*(-5.80195×10^-7)*100000=-5,80195
doble d=R0*A*100000=100*(3.9082×10^-3)*100000=39082
doble e= (100-Rt)*100000
Quan la temperatura ≤ 0, a*t^4 + b*t^3 + c*t^2 + d*t + e=0
on x3 és la solució de PT100 quan és inferior a 0℃.

2. Per facilitar el càlcul, quan la temperatura és superior o igual a 0
doble a= R0*B*100000=100*(-5.80195×10^-7)*100000=-5,80195
doble b=R0*A*100000=100*(3.9082×10^-3)*100000=39082
doble c= (100-Rt)*100000
Quan la temperatura és ≥0, a*t^2 + b*t + c = 0
t = [ SQRT( b*b – 4*a*c )-b ] / 2 / a
19.785Ω correspon a -197 ℃, temperatura del nitrogen líquid
18.486Ω correspon a -200 ℃
96.085Ω correspon a -10 ℃
138.505Ω correspon a 100 ℃
175.845Ω correspon a 200 ℃
247.045Ω correspon a 400 ℃