Systém měření teploty senzoru tepelného odporu PT100

2-drát, 3-drátem nebo 4vodičovým Pt100, 500 Pt, Senzory Pt1000 jsou teplotní senzory na bázi platinových prvků s vysokou přesností, stabilita a linearita, a jsou široce používány v oblastech, které vyžadují přesné měření teploty. A “Systém měření teploty tepelného odporu PT100” označuje systém, který používá snímač PT100, typ odporového teplotního detektoru (RTD), k měření teploty detekcí změn jeho elektrického odporu, které jsou přímo úměrné teplotě; “PT” znamená Platinum, a “100” znamená, že snímač má odpor 100 ohmech při 0 °C, což z něj činí vysoce přesnou a stabilní metodu pro měření teploty v širokém rozsahu.

Platinové rezistory jsou široce používány ve středním teplotním rozsahu (-200～650℃). V současné době, na trhu jsou standardní teploměrné tepelné odpory vyrobené z kovové platiny, jako Pt100, 500 Pt, PT1000, atd.

Pochopte princip fungování PT100: PT100 je teplotní snímač Pt rezistoru. Princip činnosti je založen na tepelném účinku rezistoru. Hodnota jeho odporu se mění se změnou teploty. Tato změna je lineární. Při 0 ℃, hodnota odporu PT100 je 100 ohmy. Jak teplota stoupá, odpovídajícím způsobem se také zvyšuje hodnota odporu, takže teplotu lze přesně odvodit měřením hodnoty odporu.

Vysoce přesný 4vodičový systém měření teploty třídy A PT100

2-drát PT100 platinový odporový systém měření teploty sondy

3-drát PT100 teplotní odporový senzor systém měření teploty

Vyberte vhodný způsob zapojení: Obvykle, 2-drát, 3-lze použít drátové nebo 4vodičové způsoby zapojení.

Výstup napěťového signálu mostem

Klíčové body o systému PT100:
Princip senzoru:
Snímač PT100 je vyroben z platinového drátu, jehož elektrický odpor se předvídatelně mění s kolísáním teploty.

Metoda měření:
Když proud prochází PT100, měří se úbytek napětí na snímači, která se pak převede na teplotu na základě známého vztahu mezi odporem a teplotou.

Široká aplikace:
Senzory PT100 se běžně používají v průmyslových procesech, laboratoří, a další aplikace, kde je vyžadováno přesné měření teploty díky jejich vysoké přesnosti a stabilitě.

Komponenty systému PT100:
Senzorová sonda PT100:
Skutečný snímací prvek, typicky platinový drát omotaný kolem keramického jádra, který se vkládá do měřeného prostředí.

Obvody pro úpravu signálu:
Elektronika, která zesiluje a převádí malou změnu odporu z PT100 na měřitelný napěťový signál.

Displej nebo systém sběru dat:
Zařízení, které zobrazuje naměřenou teplotu nebo ukládá data pro analýzu.

Výhody použití systému PT100:
Vysoká přesnost:　Je považován za jeden z nejpřesnějších dostupných snímačů teploty.
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 velmi lineární, umožňuje snadnou interpretaci dat.
Stabilita:　Platina je velmi stabilní materiál, zajištění konzistentních hodnot v průběhu času.

Tabulka indexování tepelného odporu Pt100

Tři způsoby zapojení platinového rezistoru PT100 se v principu liší: 2-drát a 3-vodič se měří můstkovou metodou, a vztah mezi hodnotou teploty a hodnotou analogového výstupu je uveden na konci. 4-drát nemá můstek. Je kompletně zasílán zdrojem konstantního proudu, měřeno voltmetrem, a nakonec udává naměřenou hodnotu odporu, jehož použití je obtížné a nákladné.
Protože PT100 má malou hodnotu odporu a vysokou citlivost, hodnotu odporu vodiče nelze ignorovat. Použití 3vodičového připojení může eliminovat chybu měření způsobenou odporem vedení.
2vodičový systém má špatnou přesnost měření; 3vodičový systém má lepší přesnost; 4vodičový systém má vysokou přesnost měření, ale vyžaduje více drátů.

Potřebujeme znát pouze teplotní stav PT100 na základě výstupního napěťového signálu mostem. Když se hodnota odporu PT100 nerovná hodnotě odporu Rx, můstek vydává signál diferenčního tlaku, který je velmi malý. Protože výstupní signál teplotního čidla je obecně velmi slabý, k jeho zesílení nebo převedení do formy, která se snadno přenáší, je zapotřebí obvod pro úpravu a převod signálu, proces, zaznamenat a zobrazit. Nepatrnou změnu množství měřeného signálu je potřeba převést na elektrický signál. Při zesilování stejnosměrného signálu, samodrift a nevyvážené napětí operačního zesilovače nelze ignorovat při průchodu operačním zesilovačem. Po zesílení, může být vyveden napěťový signál požadované velikosti.
Hodnotu odporu platinového rezistoru lze získat obvodovým výpočtem nebo měřením multimetrem. Když známe hodnotu odporu PT100, můžeme měřit a vypočítat teplotu podle hodnoty odporu.

Používejte vhodné algoritmy pro zpracování dat: Použijte známý vztah mezi teplotou a odporem k výpočtu teploty pomocí programování. Vzhledem k tomu, že vztah mezi odporem a teplotou u PT100 je nelineární, zejména v oblastech s nízkou nebo vysokou teplotou, Ke zlepšení přesnosti může být zapotřebí složitějších algoritmů.

Vliv faktorů prostředí: Výkon může být ovlivněn faktory prostředí, jako je elektromagnetické rušení, mechanické vibrace, a vlhkost.

Existují tři běžné metody výpočtu měření teploty:
Metoda výpočtu měření teploty 1:
Když není potřeba přesná teplota, teplota se zvýší o 2,5 ℃ s každým zvýšením hodnoty odporu tepelného odporu PT100 v ohmu (používá se při nízkých teplotách). Hodnota odporu snímače teploty PT100 je 100 když je 0 ℃, takže přibližná teplota v tuto chvíli = (Hodnota odporu PT100-100)*2.5.

Metoda výpočtu měření teploty 2:
Vztah mezi hodnotou odporu a teplotou platinového rezistoru

V rozsahu 0～850℃: Rt = R0(1+At+Bt2);

V rozmezí -200～0℃: Rt = R0[1+At+Bt2+C(t-100)3];

Rt představuje hodnotu odporu platinového rezistoru při teplotě t℃;

R0 představuje hodnotu odporu platinového rezistoru při teplotě 0℃;

A, B, C jsou konstanty, A=3,96847×10-3/℃; B=-5,847×10-7/℃; C=-4,22×10-12/℃;

Pro tepelný odpor, který splňuje výše uvedený vztah, jeho teplotní koeficient je asi 3,9×10-3/℃.

Prostřednictvím výše uvedeného vzorce, teplotu lze přesně řešit podle hodnoty odporu, ale kvůli velkému množství výpočtu této metody, pro tento experiment se nedoporučuje.

Metoda výpočtu teploty tři:
PT100 má dobrý lineární vztah s teplotou a je vhodný pro měření střední a nízké teploty. Hodnota odporu PT100 při různých teplotách má odpovídající stupnici měření jedna ku jedné, jak je znázorněno na obrázku níže, který dokáže intuitivně zobrazit odpovídající vztah mezi různými teplotami a hodnotou odporu PT100.
Teplotu lze zjistit kontrolou odpovídající hodnoty odporu na stupnici PT100.

Stupnice tepelného odporu Pt100

Zařízení pro měření teploty PT100 navržené v tomto článku využívá běžně používaný levný čtyřcestný operační zesilovač LM324 k dokončení návrhu napájecího obvodu zařízení a obvodu zesilovače přístroje se třemi operačními zesilovači..

1.1 Obvod zdroje napětí

Obvod zdroje napětí snímače tepelného odporu Pt100

Obvod na obrázku 1 je společný proporcionální provozní obvod. Podle analýzy ideální operační zesilovač pracující v lineární oblasti, podle principu virtuální krátké a virtuální přestávky, je získáno:

Vzorec obvodu výpočtu Wheatstoneova můstku

​, pak je faktor zesílení napětí v uzavřené smyčce 2 časy, a pak se získá V= 10V, a používá se jako stabilní napájecí napětí obvodu Wheatstoneova můstku.

1.2 Třívodičové připojení Wheatstoneova můstku a PT100.
Výše uvedený obrázek je Wheatstoneův most. Podmínkou vyvážení mostu je, aby potenciály bodů B a D byly stejné. Takže když je most vyvážený, dokud R1, R2 (obvykle pevné hodnoty) a R0 (obvykle nastavitelné hodnoty) jsou přečteny, lze získat měřený odpor Rx. R1/R2=M, volal “násobitel”.

Wheatstoneův můstek a třívodičový způsob připojení PT100

Podle principu měření teploty PT100, hodnotu odporu PT100 je třeba znát správně, ale hodnotu odporu nelze měřit přímo, takže je nutný konverzní obvod. Hodnota odporu je převedena na napěťový signál, který může být detekován mikrokontrolérem”. Obvod Wheatstoneova můstku je přístroj, který dokáže správně měřit odpor. Jak je znázorněno na obrázku 2, R1, R2, R3, a R4 jsou její mostní ramena. Když je most vyvážený, R1xR3=R2xR4 je splněno. Když je most nevyvážený, mezi body a a b bude rozdíl napětí. Podle napětí bodů a a b, lze vypočítat odpovídající odpor. Toto je princip měření odporu s nevyváženým můstkem:

Způsob zapojení třívodičového obvodu PT100

Ve skutečnosti, díky malému odporu a vysoké citlivosti PT100, odpor vodiče způsobí chyby. Proto, k odstranění této chyby se v průmyslu často používá metoda třívodičového připojení. Jak je znázorněno v tečkované části obrázku 2, hodnota odporu vodiče je stejná a je r. V tuto chvíli, ramena mostu se stanou R, R, R+2r, a Rt+2r. Když je most vyvážený: R2. (R1+2r) =R1.(R3+2r), vytříděno: Rt= R1R3/R2+2 R1r/R2- 2r. Analýza ukazuje, že když R1=R2, změna odporu vodiče nemá žádný vliv na výsledek měření.

1.3 Obvod přístrojového zesilovače se třemi operačními zesilovači
Když se teplota změní z 0℃~100℃, odpor PT100 se mění přibližně lineárně v rozsahu 100Ω~138,51Ω. Podle výše uvedeného můstkového obvodu, můstek je vyvážený při 0℃, takže teoretická hodnota výstupního napětí můstku by měla být 0 PROTI, a když je teplota 100 ℃, výstup mostu je: Uab=U7x(R1/(R1+ R2)-R3/(R2 + R3)), to je, Uab=10x(138.51/(10000 + 138.51)-100/(10000 + 100)) =0,037599 V. Protože se jedná o milivoltový signál, je nutné toto napětí zesílit, aby bylo detekovatelné AD čipem.

Jak je znázorněno na obrázku 3, přístrojový zesilovač je zařízení, které zesiluje malé signály v hlučném prostředí. Má řadu výhod, jako je nízký drift, nízká spotřeba energie, vysoký poměr odmítnutí společného režimu, široký rozsah napájení a malá velikost. Využívá charakteristiky diferenciálních malých signálů superponovaných na větší signály v běžném režimu, který dokáže odstranit signály v běžném režimu a současně zesílit diferenciální signály. Výstupní napětí standardního obvodu přístrojového zesilovače se třemi operačními zesilovači je, zde R8=R10=20 kΩ, R9=R11=20 kΩ, R4=R7=100kΩ, který dokáže zesílit vstupní napěťový signál asi o 150 časy, aby bylo možné teoretické výstupní napětí můstku zesílit na 0 ~2,34 V. Ale to je pouze teoretická hodnota. Ve skutečném procesu, existuje mnoho faktorů, které mohou způsobit změny odporu. Proto, R3 lze nahradit přesným nastavitelným odporem pro usnadnění nulování obvodu.

Obvod přístrojového zesilovače se třemi operačními zesilovači snímače PT100

2. Návrh softwaru

2.1 Metoda nejmenších čtverců a lineární tvarování PT100

V teplotním rozsahu 0℃≤t≤850℃, vztah mezi odporem Pt100 a teplotou je: R=100 (1 +At+Bt2), kde A=3,90802x 10-3; B=- -5.80x 10-7; C=4,2735 x 10-12

Je vidět, že odpor PT100 a teplota nejsou absolutní lineární vztah, ale parabola. Proto, pokud má být t extrahováno, je nutná operace druhé odmocniny, který zavádí složitější funkční operace a zabírá velké množství CPU zdrojů jednočipového mikropočítače. Chcete-li tento problém vyřešit, můžeme použít metodu nejmenších čtverců k lineárnímu přizpůsobení vztahu mezi teplotou a odporem. ” Proložení křivky metodou nejmenších čtverců je běžnou metodou pro experimentální zpracování dat. Jeho princip spočívá v nalezení polynomiální funkce pro minimalizaci součtu čtvercových chyb s původními daty.

2.2 AD digitální převodní teplota
Principem měření teploty PT100 je získat hodnotu teploty na základě hodnoty jejího odporu, proto musí být nejprve určena hodnota odporu tepelného odporu. Podle hardwarového obvodu, vztah mezi výstupním napětím Uab můstkového obvodu a výstupním napětím Uad obvodu zesilovače nástroje operačního zesilovače je: Uad = Uab. Auf Protože systém používá 12bitový AD čip, vztah mezi digitální veličinou a analogovou veličinou je: Uad/AD=5/4096. Vztah mezi výstupním napětím můstku a digitální veličinou AD lze získat kombinací předchozích dvou rovnic, to je, Uad/AD=5/(4096Na). Pak, dosadí se do výrazu výstupního napětí můstku Uab= U7x (Rt/ (R1+Rt) -R3/ (R2+R3) ), a lze získat vyjádření Rr a digitální veličiny AD. Řešením je:

AD digitální převodní teplotní vzorec

Po znalosti hodnoty odporu PT100, odpovídající hodnotu teploty lze získat podle rovnice lineárního přizpůsobení v části 2.1.

2.3 Jednočipové digitální filtrování
Za účelem zlepšení přesnosti měření teploty PT100, program digitálního filtrování lze přidat do programování softwaru, který nevyžaduje přidání hardwarových obvodů a může zlepšit stabilitu a spolehlivost systému. V jednočipovém mikropočítačovém aplikačním systému existuje mnoho metod filtrování. Při konkrétním výběru, měly by být analyzovány a porovnány výhody a nevýhody metody filtrování a použitelných objektů, abyste zvolili vhodnou metodu filtrování. Algoritmus metody filtrování středního průměru je nejprve nepřetržitě sbírat N dat, pak odstraňte minimální hodnotu a maximální hodnotu, a nakonec vypočítejte aritmetický průměr zbývajících dat. Tato metoda filtrování je vhodná pro měření parametrů, které se mění pomalu, jako je teplota, a může účinně snížit rušení způsobené kolísáním způsobeným náhodnými faktory nebo chybami způsobenými nestabilitou vzorkovače.

Pracovní proces systému:
Když se změní teplota měřeného předmětu, odpor PT100 se mění, a Wheatstoneův můstek vydá odpovídající napěťový signál. Tento signál je funkcí odporu PT100. Tento milivoltový signál je zesílen přístrojovým zesilovačem se třemi operačními zesilovači a odeslán do AD čipu, který převádí analogovou veličinu na číslicovou veličinu a je čtena mikrokontrolérem. Mikrokontrolér načte čip z čipu AD a provede program filtrování, převod stabilní digitální veličiny na odpor PT100 pomocí výpočtu. Poté mikrokontrolér vybere odpovídající osazený lineární model podle velikosti hodnoty odporu pro výpočet aktuální hodnoty teploty, a nakonec zobrazte údaje o teplotě na LCD displeji.