Získání teploty 2, 3, a 4vodičové senzory teploty PT100

Článek představuje, jak 2, 3, a 4vodičové senzory PT100 jsou přeměněny na napěťové signály prostřednictvím změn odporu, a zdroj konstantního proudu se používá k ochraně senzoru a zajištění přesnosti konverze signálu. Senzor PT100 získává teplotu měřením změny v jeho elektrickém odporu, který přímo koreluje s teplotou, které je vystavena; se zvyšováním teploty, Zvyšuje se také odpor platinového prvku uvnitř senzoru, umožňující přesný výpočet teploty na základě této změny odporu; v podstatě, The “100” V PT100 znamená, že senzor má odpor 100 Ohmy při 0 ° C., a tato hodnota se předvídatelně mění s kolísáním teploty. Aplikace operačního zesilovače MCP604 v návrhu obvodu zdůrazňuje dopad jeho vlastností, jako je napětí s nízkým vstupem a zkreslení proudu na přesnost. Kalibrace softwaru se používá ke zlepšení přesnosti konstrukce obvodů, Vyhýbání se nepříjemnostem fyzické přizpůsobení. Konečně, Článek dává vztahový vzorec mezi hodnotou teploty a odolnosti platiny, který se používá pro výpočet hodnoty teploty.

Návrh získávání teploty 2-vodičového senzoru teploty PT100

Získání teploty v Číně Vlastní 3vodičový senzor teploty PT100

Získání teploty 4vodičového senzoru teploty PT100

Klíčové body o získávání teploty PT100:
Detektor teploty odporu (RTD):
PT100 je typ RTD, což znamená, že měří teplotu detekcí změn v jeho elektrickém odporu.
Platinový prvek:
Snímací prvek v PT100 je vyroben z platiny, který vykazuje velmi stabilní a lineární vztah mezi odporem a teplotou.
Proces měření: Senzor je umístěn do prostředí, kde je třeba měřit teplotu.
Odpor platinového prvku se měří pomocí vyhrazeného elektronického obvodu.
Měřená hodnota odporu je poté převedena na teplotu pomocí matematického vzorce založeného na známém teplotním koeficientu platiny.

Výhody senzorů PT100:
Vysoká přesnost: Považován za jeden z nejpřesnějších teplotních senzorů v důsledku stabilního chování platiny.
Široký teplotní rozsah:　Může měřit teploty od 200 ° C do 850 ° C v závislosti na návrhu senzoru.
Dobrá linearita: Vztah mezi odporem a teplotou je relativně lineární, Zjednodušení interpretace dat.

Důležité úvahy:
Kalibrace: Zajistit přesná měření, Senzory PT100 musí být pravidelně kalibrovány proti referenčnímu standardu.
Odolnost vodiče olověného vodiče: Odpor spojovacích vodičů může ovlivnit přesnost měření, Často je tedy nutné řádné zvážení kompenzace vodiče.
Vhodnost aplikace: Zatímco vysoce přesný, Senzory PT100 nemusí být vhodné pro extrémně drsné prostředí nebo aplikace vyžadující velmi rychlé doby odezvy.

1. Základní principy získávání signálu
PT100 převádí teplotní signály na výstupy odporu, a jeho hodnota odporu sahá od 0 do 200Ω. Převodník reklamy může převést pouze napětí a nemůže přímo shromažďovat teplotu. Proto, K napájení PT100 a přeměny změn odporu na změny napětí je nutný zdroj konstantního proudu 1MA. Výhodou použití zdroje s konstantním proudem je to, že může prodloužit životnost senzoru. Protože rozsah vstupního signálu je 0 do 200 mV, Signál musí být zesílen a poté převedeno AD, aby se získala data elektrického signálu.

Důvody pro použití konstantního návrhu zdroje napětí:

Pokud se pro napájení použije zdroj konstantního napětí, a pak rezistor a PT100 jsou připojeny v sérii, a napětí je rozděleno, existuje problém. Když je odpor PT100 příliš malý, proud protékající PT100 je příliš velký, což má za následek život kratšího senzoru.

2. OP AMP používá MCP604
Funkce MCP604:
1) Rozsah napětí je 2,7 ~ 6,0 V
2) Výstup je železnice na železnici
3) Provozní teplotní rozsah: -40° C až +85 ° C.
4) Vstupní offsetové napětí je ± 3 mV, Typická hodnota je 1 mV, vysoká citlivost.
5) Vstupní zkreslení proud je 1PA, Když ta = +85 ° C, I = 20PA, Zlepšuje přesnost akvizice.
6) Swing lineárního výstupního napětí: VSS+0,1 ~ VDD - 0.1, Jednotka je v.

Když je napájecí napětí 3,3 V, Swing lineárního výstupního napětí je 0,1 ~ 3,2 V. Aby se zajistilo, že zesílený signál funguje v lineární oblasti, Když vdd = 3,3 V, Nastavili jsme výstupní napětí MCP604, abychom zůstali: 0.5V ~ 2,5 V pro splnění požadavků návrhu obvodu OP AMP.

OP zesilovač v knize analogové elektroniky je ideální operační zesilovač, což se liší od skutečného zesilovače. Proto, je nutné zvážit “vstupní offsetové napětí”, “Vstupní zkreslení proud” a “Swing lineárního výstupního napětí” Při navrhování.

3. Schéma obvodu
R11 na obrázku je obvod zkreslení, který zabrání poslední fázi diferenciálního výstupu zesilovače z nasycení nasycení.
1) Vyberte vhodný amplifikační faktor pro snížení chyby výstupu. Kvůli existenci vstupního offsetového napětí, Když se zvýší amplifikační faktor, Rovněž se zvýší chyba výstupu, což je třeba zvážit v designu.
2) Amplifikační faktor tohoto obvodu je 10. Za předpokladu, že typické vstupní offsetové napětí je 3 mV, Pokud se vstupní signál změní na 5mV, 2MV nebude zesílen, který způsobí chybu výstupu 20 mV.

Detektor teploty PT100 OP AMP pomocí diagramu obvodu MCP604

Vo4 = (VIN1 – VREF)*10
Io = 1ma, VREF = VO3 = 1,65 V.
1.7PROTI<= Vin<= 1,9 V, 1.7PROTI<= V02<= 1,9
1.8PROTI<= VO1<= 2V, Zajistěte, aby OP zesilovač pracoval v lineární oblasti, To je velmi důležité
0.5PROTI<= VO4<= 2,5 V, Zajistěte, aby OP zesilovač pracoval v lineární oblasti, Proto je v sérii zapotřebí 50Ω.

Když se vstupní odpor změní o 1Ω, Vout se změní na 10 mV. Protože vstupní kompenzační napětí MCP604 je ± 3 mV, Když dojde ke změně 0,3333Ω, Dojde ke změně 3,333 mV, a citlivost na akvizici je vysoká.
Když 0<= Rin<= Vstup 200Ω, Protože smyčka je spojena v sérii s 50Ω, 50Ó<= Rx<= 250
VIN1 – VREF = Rx*0,001, Jednotka A.

4. Kalibrace softwaru
Noví inženýři se vždy snaží zlepšit přesnost odporů, Ale chyba je stále velká. Někteří inženýři jednoduše používají nepřetržitě nastavitelné odpory, upravit jejich hodnoty odporu, a použijte multimetry k tomu, aby výstup splnil vztah přenosu. Zdá se, že se tato přesnost zlepšuje, Pro výrobu však není vhodné, a obtížnost designu PCB je také zvýšena. I když je ladění provedeno, Pokud je nastavovací šroub dotknut ručně, Může to způsobit chyby. Jediným způsobem je použití pevných rezistorů pro výrobu a použití softwaru k dosažení přesné kalibrace.
1) Když Rin = 0, Přečtěte si hodnotu napětí a zaznamenejte ji jako V50. Uložit v50, se změnou hodnoty odporu PT100 se nezmění, protože je poháněn zdrojem konstantního proudu.
2) Připojte nominální rezistor, Nechť RS = 100Ω, Přečtěte si hodnotu napětí a zaznamenejte ji jako V150. Uložit v150, Hodnota napětí čte, když je teplota 0.
3) Vypočítejte aktuální faktor zesílení: Io = (V150 – V50) / Rs; Zachránit mě, to znamená, že kalibrace je provedena.
4) Když je vstupní odpor r r, Čtení napětí je VO, pak r = (Vo- V50) / Io
Prostřednictvím výše uvedeného popisu, Kalibrace softwaru má velké výhody, Nejen pohodlná výroba, ale také vysoká přesnost. Za účelem zlepšení přesnosti, Výstupní napětí lze také rozdělit do několika intervalů, kalibrováno samostatně, a lze získat různé IO, aby výstupní linearita bude lepší. Tyto myšlenky se odrážejí v mém designu.

OP AMP MCP604 Design obvodu

5. Vypočítejte teplotu
Když je teplota menší než 0,
R0*c*t^4 – 100R0*c*t^3 + R0*b*t^2 + R0*a*t + R0 – RT = 0
Když je teplota větší nebo rovna 0, RT = R0*(1+A*t+b*t*t)
Popis:
RT je hodnota odporu platinového rezistoru na t ℃
R0 je hodnota odporu platinového rezistoru při 0 ℃ 100Ω
A = 3,9082 × 10^-3
B = -5,80195 × 10^-7
C = -4,2735 × 10^-12

6. Senzor teploty PT100
Senzor teploty PT100 je senzor termistoru pozitivního teplotního koeficientu, a jeho hlavní technické parametry jsou následující:
1) Rozsah měření teploty: -200℃ ~ +850 ℃;
2) Přípustná hodnota odchylky Δ ℃: Stupeň A ±(0.15+0.002|t|), Stupeň B ±(0.30+0.005|t|);
3) Minimální hloubka vložení: Hloubka minimálního vložení tepelného rezistoru je ≥ 200 mm;
4) Přípustný proud: < 5Ma;
5) Senzor teploty PT100 má také výhody odolnosti vůči vibracím, dobrá stabilita, vysoká přesnost, a vysoký tlak. Platinová tepelný rezistor má dobrou linearitu. Při změně mezi 0 a 100 stupně Celsia, Maximální nelineární odchylka je menší než 0,5 ℃;
Když teplota < 0, R0*c*t^4 – 100R0*c*t^3 + R0*b*t^2 + R0*a*t + R0 – RT = 0
Když teplota ≥ 0, RT = R0*(1+A*t+b*t*t)
Podle výše uvedeného vztahu, Rozsah přibližného odporu je: 18Oh ~ 390,3o, -197℃ je 18Ω, 850Oh je 390,3o;
Popis:
RT je hodnota odporu platinového rezistoru na t ℃, R0 je hodnota odporu platinového rezistoru na 0 ℃, 100Ó
A = 3,9082 × 10^-3, B = -5,80195 × 10^-7, C = -4,2735 × 10^-12
Příručka pro snímač teploty kovového snímače PT100
6) Design obvodu
7) Vztah mezi teplotou PT100 a odporem
Teplota a odpor PT100 splňuje následující rovnici:
Když teplota ≤ 0, R0*c*t^4 - 100*r0*c*t^3 + R0*b*t^2 + R0*a*t + R0 – RT = 0
Při teplotě ≥0, R0*b*t^2 + R0*a*t + R0 – RT = 0

Tabulka porovnání teploty a odporu PT100

Popis:
RT je hodnota odporu platinového rezistoru na t ℃, R0 je hodnota odporu platinového rezistoru na 0 ℃, 100Ó
A = 3,9082 × 10^-3, B = -5,80195 × 10^-7, C = -4,2735 × 10^-12

1. Pro pohodlí výpočtu, Když je teplota ≤ 0, nechat:
Double A = R0*C*100000 = 100*(-4.2735× 10^-12)*100000= -4,2735/100000
Double B = –100*r0*c*100000 = -100*100*(-4.2735× 10^-12)*100000= 4,2735/1000
Double C = R0*B*100000 = 100*(-5.80195× 10^-7)*100000= -5,80195
Double d = r0*a*100000 = 100*(3.9082× 10^-3)*100000= 39082
Double E = (100-Rt)*100000
Když teplota ≤ 0, A*t^4 + b*t^3 + c*t^2 + d*t + E = 0
kde x3 je řešení PT100, když je menší než 0 ℃.

2. Pro snadnost výpočtu, Když je teplota větší nebo rovna 0
Double A = R0*B*100000 = 100*(-5.80195× 10^-7)*100000= -5,80195
Double B = R0*A*100000 = 100*(3.9082× 10^-3)*100000= 39082
Double c = (100-Rt)*100000
Když je teplota ≥0, A*t^2 + b*t + c = 0
t = [ SQRT( b*b – 4*a*c )-b ] / 2 / A
19.785Ω odpovídá -197 ℃, teplota kapalného dusíku
18.486Ω odpovídá -200 ℃
96.085Ω odpovídá -10 ℃
138.505Ω odpovídá 100 ℃
175.845Ω odpovídá 200 ℃
247.045Ω odpovídá 400 ℃