Sistema de mesura de temperatura del sensor de resistència tèrmica PT100

2-filferro, 3-filferro o Pt100 de 4 fils, Pt500, Els sensors Pt1000 són sensors de temperatura basats en elements de platí amb gran precisió, estabilitat i linealitat, i s'utilitzen àmpliament en camps que requereixen una mesura precisa de la temperatura. Una “Sistema de mesura de temperatura de resistència tèrmica PT100” es refereix a un sistema que utilitza un sensor PT100, un tipus de detector de temperatura de resistència (Rtd), mesurar la temperatura detectant canvis en la seva resistència elèctrica que són directament proporcionals a la temperatura; “PT” significa platí, i “100” indica que el sensor té una resistència de 100 ohms a 0 °C, el que el converteix en un mètode altament precís i estable per mesurar la temperatura en un ampli rang.

Les resistències de platí s'utilitzen àmpliament en el rang de temperatura mitjana (-200～650℃). En l'actualitat, Hi ha resistències tèrmiques estàndard de mesura de temperatura fetes de metall platí al mercat, com ara Pt100, Pt500, Pt1000, etc.

Entendre el principi de funcionament de PT100: PT100 és un sensor de temperatura de la resistència Pt. El principi de funcionament es basa en l'efecte tèrmic de la resistència. El seu valor de resistència canvia amb el canvi de temperatura. Aquest canvi és lineal. A 0℃, el valor de resistència de PT100 és 100 ohms. A mesura que puja la temperatura, el valor de la resistència també augmenta en conseqüència, de manera que la temperatura es pot inferir amb precisió mesurant el valor de la resistència.

Sistema de mesura de temperatura PT100 de classe A de 4 fils d'alta precisió

2-filferro PT100 sistema de mesura de temperatura de la sonda de control de temperatura de resistència de platí

3-Sistema de mesura de temperatura del sensor de resistència tèrmica de cable PT100

Trieu el mètode de cablejat adequat: En general, 2-filferro, 3-Es poden utilitzar mètodes de cablejat de filferro o de 4 fils.

El senyal de voltatge sortit pel pont

Punts clau sobre un sistema PT100:
Principi del sensor:
El sensor PT100 està fet d'un cable de platí la resistència elèctrica del qual canvia de manera previsible amb les fluctuacions de temperatura.

Mètode de mesura:
Quan un corrent passa pel PT100, es mesura la caiguda de tensió a través del sensor, que després es converteix en temperatura en funció de la relació coneguda entre resistència i temperatura.

Aplicació àmplia:
Els sensors PT100 s'utilitzen habitualment en processos industrials, laboratoris, i altres aplicacions on es requereix una mesura precisa de la temperatura a causa de la seva alta precisió i estabilitat.

Components d'un sistema PT100:
Sonda sensor PT100:
L'element sensorial real, normalment un filferro de platí embolicat al voltant d'un nucli de ceràmica, que s'insereix a l'entorn a mesurar.

Circuits de condicionament del senyal:
Electrònica que amplifica i converteix el petit canvi de resistència del PT100 en un senyal de tensió mesurable.

Sistema de visualització o adquisició de dades:
Dispositiu que mostra la temperatura mesurada o emmagatzema les dades per analitzar-les.

Beneficis d'utilitzar un sistema PT100:
Alta precisió:　Considerat un dels sensors de temperatura més precisos disponibles.
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 molt lineal, facilitant la interpretació de les dades.
Estabilitat:　El platí és un material molt estable, assegurant lectures coherents al llarg del temps.

Taula d'indexació de resistència tèrmica Pt100

Els tres mètodes de cablejat de la resistència de platí PT100 són diferents en principi: 2-filferro i 3 fils es mesuren pel mètode del pont, i al final es dóna la relació entre el valor de temperatura i el valor de sortida analògic. 4-el cable no té pont. S'envia completament per font de corrent constant, mesurat amb un voltímetre, i finalment dóna el valor de resistència mesurat, que és difícil i costós d'utilitzar.
Perquè PT100 té un valor de resistència petit i una alta sensibilitat, el valor de resistència del cable no es pot ignorar. L'ús de connexió de 3 fils pot eliminar l'error de mesura causat per la resistència de la línia de plom.
El sistema de 2 fils té poca precisió de mesura; el sistema de 3 fils té una millor precisió; el sistema de 4 fils té una alta precisió de mesura, però requereix més cables.

Només necessitem conèixer l'estat de temperatura del PT100 en funció de la sortida del senyal de tensió pel pont. Quan el valor de resistència de PT100 no és igual al valor de resistència de Rx, el pont emet un senyal de pressió diferencial, que és molt petita. Com que el senyal de sortida del sensor de temperatura és generalment molt feble, cal un circuit de condicionament i conversió de senyal per amplificar-lo o convertir-lo en una forma fàcil de transmetre, procés, gravar i mostrar. El lleuger canvi en la quantitat de senyal mesurada s'ha de convertir en un senyal elèctric. Quan s'amplifica el senyal DC, no es pot ignorar l'autoderivació i la tensió desequilibrada de l'amplificador operacional quan es passa per l'amplificador operacional. Després de l'amplificació, es pot emetre un senyal de tensió de la mida desitjada.
El valor de la resistència de la resistència de platí es pot obtenir mitjançant el càlcul del circuit o la mesura del multímetre. Quan coneixem el valor de resistència de PT100, podem mesurar i calcular la temperatura pel valor de la resistència.

Utilitzar algorismes adequats per al tractament de dades: Utilitzeu la relació coneguda de temperatura i resistència per calcular la temperatura mitjançant la programació. Tenint en compte que la relació resistència-temperatura de PT100 és no lineal, especialment en zones de baixa o alta temperatura, poden ser necessaris algorismes més complexos per millorar la precisió.

Impacte dels factors ambientals: El rendiment pot veure's afectat per factors ambientals com la interferència electromagnètica, vibració mecànica, i humitat.

Hi ha tres mètodes comuns de mesura de la temperatura:
Mètode de càlcul de la mesura de la temperatura 1:
Quan no es necessita la temperatura exacta, la temperatura augmentarà en 2,5 ℃ per cada augment d'ohm en el valor de resistència de la resistència tèrmica PT100 (utilitzat a baixes temperatures). El valor de resistència del sensor de temperatura PT100 és 100 quan és 0℃, de manera que la temperatura aproximada en aquest moment = (Valor de resistència PT100-100)*2.5.

Mètode de càlcul de la mesura de la temperatura 2:
Relació entre el valor de la resistència i la temperatura de la resistència de platí

En el rang de 0 ~ 850 ℃: Rt=R0(1+A + Bt2);

En el rang de -200 ~ 0 ℃: Rt=R0[1+A+Bt2+C(t-100)3];

Rt representa el valor de la resistència de la resistència de platí a la temperatura t℃;

R0 representa el valor de la resistència de la resistència de platí a una temperatura de 0 ℃;

Una, B, C són constants, A=3,96847×10-3/℃; B=-5,847×10-7/℃; C=-4,22 × 10-12/℃;

Per a la resistència tèrmica que compleix la relació anterior, el seu coeficient de temperatura és d'uns 3,9 × 10-3/℃.

Mitjançant la fórmula anterior, la temperatura es pot resoldre amb precisió segons el valor de la resistència, però a causa de la gran quantitat de càlcul d'aquest mètode, no es recomana per a aquest experiment.

Mètode de càlcul de la temperatura tres:
PT100 té una bona relació lineal amb la temperatura i és adequat per a la mesura de temperatura mitjana i baixa. El valor de resistència de PT100 a diferents temperatures té una escala de mesura corresponent un a un, tal com es mostra a la figura següent, que pot mostrar de manera intuïtiva la relació corresponent entre diferents temperatures i el valor de resistència de PT100.
La temperatura es pot conèixer comprovant el valor de resistència corresponent a través de l'escala PT100.

Escala de resistència tèrmica Pt100

El dispositiu de mesura de temperatura PT100 dissenyat en aquest document utilitza l'amplificador operacional de quatre vies de baix cost d'ús comú LM324 per completar el disseny del circuit d'alimentació del dispositiu i el circuit amplificador d'instruments de tres amplificadors operatius..

1.1 Circuit font de tensió

Circuit font de tensió del sensor de resistència tèrmica Pt100

El circuit de la figura 1 és un circuit operatiu proporcional comú. Segons l'anàlisi de l'amplificador operacional ideal que treballa a la regió lineal, segons el principi de breu i virtual break virtual, s'obté:

Fórmula del circuit de càlcul del pont de Wheatstone

​, aleshores el factor d'amplificació de voltatge de bucle tancat és 2 vegades, i llavors s'obté V= 10V, i s'utilitza com a tensió d'alimentació estable del circuit del pont de Wheatstone.

1.2 Connexió de tres fils del pont de Wheatstone i PT100.
La figura anterior és un pont de Wheatstone. La condició perquè el pont estigui equilibrat és que els potencials dels punts B i D siguin iguals. Així, quan el pont està equilibrat, sempre que R1, R2 (normalment valors fixos) i R0 (valors generalment ajustables) es llegeixen, es pot obtenir la resistència Rx a mesurar. R1/R2=M, cridat “multiplicador”.

Pont de Wheatstone i mètode de connexió de tres fils PT100

Segons el principi de mesura de temperatura PT100, el valor de resistència de PT100 s'ha de conèixer correctament, però el valor de la resistència no es pot mesurar directament, per tant, cal un circuit de conversió. El valor de la resistència es converteix en un senyal de tensió que pot ser detectat pel microcontrolador”. El circuit del pont de Wheatstone és un instrument que pot mesurar correctament la resistència. Com es mostra a la figura 2, R1, R2, R3, i R4 són els seus braços de pont respectivament. Quan el pont està equilibrat, R1xR3=R2xR4 està satisfet. Quan el pont està desequilibrat, hi haurà una diferència de tensió entre els punts a i b. Segons la tensió dels punts a i b, es pot calcular la resistència corresponent. Aquest és el principi de mesura de la resistència amb un pont desequilibrat:

Mètode de connexió de circuits de tres fils PT100

De fet, a causa de la petita resistència i alta sensibilitat de PT100, la resistència del cable de plom provocarà errors. Per tant, el mètode de connexió de tres fils s'utilitza sovint a la indústria per eliminar aquest error. Com es mostra a la part de punts de la figura 2, el valor de la resistència del cable conductor és igual i és r. En aquest moment, els braços del pont es converteixen en R, R, R+2r, i Rt+2r. Quan el pont està equilibrat: R2. (R1+2r) =R1.(R3+2r), resolt: Rt= R1R3/ R2+2 R1r/ R2- 2r. L'anàlisi mostra que quan R1=R2, el canvi en la resistència del cable no té cap efecte en el resultat de la mesura.

1.3 Circuit amplificador d'instrumentació de tres amplificadors operatius
Quan la temperatura canvia de 0 ℃ a 100 ℃, la resistència de PT100 canvia aproximadament linealment en el rang de 100Ω ~ 138,51Ω. Segons el circuit del pont anterior, el pont està equilibrat a 0 ℃, per tant, el valor teòric de la tensió de sortida del pont hauria de ser 0 V, i quan la temperatura és de 100 ℃, la sortida del pont és: Uab=U7x(R1/(R1 + R2)-R3/(R2 + R3)), és a dir, Uab=10x(138.51/(10000 + 138.51)-100/(10000 + 100)) =0,037599V. Com que es tracta d'un senyal de milivolts, cal amplificar aquesta tensió per fer-la detectable pel xip AD.

Com es mostra a la figura 3, l'amplificador d'instrumentació és un dispositiu que amplifica petits senyals en un entorn sorollós. Té una sèrie d'avantatges com la baixa deriva, baix consum d'energia, alta relació de rebuig en mode comú, àmplia gamma d'alimentació i mida petita. Utilitza les característiques de petits senyals diferencials superposats a senyals de mode comú més grans, que pot eliminar senyals de mode comú i amplificar senyals diferencials al mateix temps. La tensió de sortida del circuit amplificador d'instrumentació estàndard de tres amplificadors operatius és, aquí R8=R10 =20 kΩ, R9=R11=20 kΩ, R4=R7=100kΩ, que pot amplificar el senyal de tensió d'entrada aproximadament 150 vegades, de manera que es pot amplificar la tensió de sortida teòrica del pont 0 ~2,34 V. Però aquest és només un valor teòric. En el procés real, hi ha molts factors que poden provocar canvis de resistència. Per tant, R3 es pot substituir per una resistència ajustable de precisió per facilitar la posada a zero del circuit.

Circuit amplificador d'instruments de tres operacions del sensor PT100

2. Disseny de programari

2.1 Mètode dels mínims quadrats i ajust lineal PT100

En el rang de temperatures de 0℃≤t≤850℃, la relació entre la resistència de Pt100 i la temperatura és: R=100 (1 +A + Bt2), on A=3,90802x 10-3; B=- -5.80x 10-7; C=4,2735 x 10-12

Es pot veure que la resistència de PT100 i la temperatura no són una relació lineal absoluta sinó una paràbola. Per tant, si s'ha d'extreure t, es requereix una operació d'arrel quadrada, que introdueix una operació de funció més complexa i ocupa una gran quantitat de recursos de CPU del microordinador d'un sol xip. Per resoldre aquest problema, podem utilitzar el mètode dels mínims quadrats per ajustar linealment la relació entre temperatura i resistència. ” L'ajustament de la corba de mínims quadrats és un mètode comú per al processament de dades experimentals. El seu principi és trobar una funció polinomial per minimitzar la suma d'errors quadrats amb les dades originals.

2.2 Temperatura de conversió digital AD
El principi de mesura de temperatura PT100 és obtenir el valor de la temperatura en funció del seu valor de resistència, per tant, primer s'ha de determinar el valor de la resistència de la resistència tèrmica. Segons el circuit de maquinari, la relació entre la tensió de sortida Uab del circuit del pont i la tensió de sortida Uad del circuit amplificador d'instruments d'amplificador operacional és: Uad = Uab. Auf Perquè el sistema utilitza un xip AD de 12 bits, la relació entre la magnitud digital i la quantitat analògica és: Uad/AD=5/4096. La relació entre la tensió de sortida del pont i la quantitat digital AD es pot obtenir combinant les dues equacions anteriors, és a dir, Uad/AD=5/(4096Encès). Aleshores, es substitueix a l'expressió de tensió de sortida del pont Uab= U7x (Rt/ (R1+Rt) -R3/ (R2+R3) ), i es pot obtenir l'expressió de Rr i la quantitat digital AD. La solució és:

Fórmula de temperatura de conversió digital AD

Després de conèixer el valor de resistència de PT100, el valor de temperatura corresponent es pot obtenir segons l'equació d'ajust lineal de la secció 2.1.

2.3 Filtrat digital d'un sol xip
Per tal de millorar la precisió de mesura de la temperatura del PT100, es pot afegir un programa de filtratge digital a la programació del programari, que no requereix l'addició de circuits de maquinari i pot millorar l'estabilitat i la fiabilitat del sistema. Hi ha molts mètodes de filtratge en el sistema d'aplicació de microordinadors d'un sol xip. En fer una selecció concreta, s'han d'analitzar i comparar els avantatges i els inconvenients del mètode de filtrat i els objectes aplicables, per seleccionar el mètode de filtrat adequat. L'algorisme del mètode de filtrat mitjà de la mitjana consisteix a recollir primer N dades contínuament, després elimineu un valor mínim i un valor màxim, i finalment calcula la mitjana aritmètica de les dades restants. Aquest mètode de filtrat és adequat per mesurar paràmetres que canvien lentament, com la temperatura, i pot reduir eficaçment la interferència causada per fluctuacions causades per factors accidentals o errors causats per la inestabilitat del mostreig.

Procés de treball del sistema:
Quan canvia la temperatura de l'objecte que es mesura, la resistència de PT100 canvia, i el pont de Wheatstone emetrà un senyal de tensió corresponent. Aquest senyal és una funció de la resistència de PT100. Aquest senyal de milivolts s'amplifica amb un amplificador d'instrumentació de tres amplificadors operacionals i s'envia al xip AD, que converteix la quantitat analògica en una quantitat digital i és llegida pel microcontrolador. El microcontrolador llegeix el xip del xip AD i executa el programa de filtratge, convertint la quantitat digital estable en la resistència de PT100 mitjançant càlcul. A continuació, el microcontrolador seleccionarà el model lineal ajustat corresponent segons la mida del valor de resistència per calcular el valor de temperatura actual, i finalment mostra les dades de temperatura a la pantalla LCD.