Απόκτηση θερμοκρασίας του 2, 3, και 4-Wire PT100 αισθητήρες θερμοκρασίας

Το άρθρο παρουσιάζει πώς 2, 3, και οι αισθητήρες PT100 4 καλωδίων μετατρέπονται σε σήματα τάσης μέσω αλλαγών αντίστασης, και μια πηγή σταθερού ρεύματος χρησιμοποιείται για την προστασία του αισθητήρα και τη διασφάλιση της ακρίβειας της μετατροπής του σήματος. Ένας αισθητήρας PT100 αποκτά τη θερμοκρασία μετρώντας τη μεταβολή της ηλεκτρικής του αντίστασης, που συσχετίζεται άμεσα με τη θερμοκρασία στην οποία εκτίθεται; καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία, Η αντίσταση του στοιχείου πλατίνας μέσα στον αισθητήρα αυξάνεται επίσης, επιτρέποντας έναν ακριβή υπολογισμό της θερμοκρασίας με βάση αυτή την αλλαγή αντίστασης; ουσιαστικά, ο “100” στο PT100 σημαίνει ότι ο αισθητήρας έχει αντίσταση ίση με 100 ohms στους 0°C, και αυτή η τιμή αλλάζει προβλέψιμα με τις διακυμάνσεις της θερμοκρασίας. Η εφαρμογή του λειτουργικού ενισχυτή MCP604 στη σχεδίαση κυκλώματος τονίζει την επίδραση των χαρακτηριστικών του, όπως η χαμηλή τάση μετατόπισης εισόδου και το ρεύμα πόλωσης στην ακρίβεια. Η βαθμονόμηση λογισμικού χρησιμοποιείται για τη βελτίωση της ακρίβειας στο σχεδιασμό του κυκλώματος, αποφεύγοντας την ταλαιπωρία της φυσικής προσαρμογής. Τελικά, το άρθρο δίνει τον τύπο σχέσης μεταξύ θερμοκρασίας και τιμής αντίστασης πλατίνας, που χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό της τιμής της θερμοκρασίας.

Σχεδιασμός απόκτησης θερμοκρασίας αισθητήρα θερμοκρασίας 2 καλωδίων PT100

Απόκτηση θερμοκρασίας προσαρμοσμένου αισθητήρα θερμοκρασίας PT100 3 συρμάτων Κίνας

Απόκτηση θερμοκρασίας αισθητήρα θερμοκρασίας 4 καλωδίων PT100

Βασικά σημεία σχετικά με την απόκτηση θερμοκρασίας PT100:
Ανιχνευτής θερμοκρασίας αντίστασης (RTD):
Το PT100 είναι ένας τύπος RTD, σημαίνει ότι μετρά τη θερμοκρασία ανιχνεύοντας αλλαγές στην ηλεκτρική του αντίσταση.
Στοιχείο πλατίνας:
Το αισθητήριο στοιχείο σε ένα PT100 είναι κατασκευασμένο από πλατίνα, η οποία εμφανίζει μια πολύ σταθερή και γραμμική σχέση μεταξύ αντίστασης και θερμοκρασίας.
Διαδικασία μέτρησης: Ο αισθητήρας τοποθετείται σε περιβάλλον όπου πρέπει να μετρηθεί η θερμοκρασία.
Η αντίσταση του στοιχείου πλατίνας μετράται χρησιμοποιώντας ένα ειδικό ηλεκτρονικό κύκλωμα.
Η μετρούμενη τιμή αντίστασης στη συνέχεια μετατρέπεται σε θερμοκρασία χρησιμοποιώντας έναν μαθηματικό τύπο που βασίζεται στον γνωστό συντελεστή θερμοκρασίας της πλατίνας.

Πλεονεκτήματα των αισθητήρων PT100:
Υψηλή ακρίβεια: Θεωρείται ένας από τους πιο ακριβείς αισθητήρες θερμοκρασίας που διατίθενται λόγω της σταθερής συμπεριφοράς της πλατίνας.
Ευρύ εύρος θερμοκρασίας:　Μπορεί να μετρήσει θερμοκρασίες από -200°C έως 850°C ανάλογα με τη σχεδίαση του αισθητήρα.
Καλή γραμμικότητα: Η σχέση μεταξύ αντίστασης και θερμοκρασίας είναι σχετικά γραμμική, απλοποίηση της ερμηνείας των δεδομένων.

Σημαντικές εκτιμήσεις:
Διαμέτρηση: Για να εξασφαλίσετε ακριβείς μετρήσεις, Οι αισθητήρες PT100 πρέπει να βαθμονομούνται τακτικά σύμφωνα με ένα πρότυπο αναφοράς.
Αντίσταση σύρματος μολύβδου: Η αντίσταση των καλωδίων σύνδεσης μπορεί να επηρεάσει την ακρίβεια μέτρησης, Επομένως, είναι συχνά απαραίτητη η σωστή εξέταση της αντιστάθμισης του σύρματος μολύβδου.
Καταλληλότητα εφαρμογής: Ενώ είναι εξαιρετικά ακριβές, Οι αισθητήρες PT100 ενδέχεται να μην είναι κατάλληλοι για εξαιρετικά σκληρά περιβάλλοντα ή εφαρμογές που απαιτούν πολύ γρήγορους χρόνους απόκρισης.

1. Βασικές αρχές λήψης σήματος
Το PT100 μετατρέπει τα σήματα θερμοκρασίας σε εξόδους αντίστασης, και η τιμή αντίστασής του κυμαίνεται από 0 έως 200Ω. Ο μετατροπέας AD μπορεί να μετατρέψει μόνο τάση και δεν μπορεί να συλλέξει απευθείας τη θερμοκρασία. Επομένως, απαιτείται μια πηγή σταθερού ρεύματος 1 mA για να τροφοδοτήσει το PT100 και να μετατρέψει τις αλλαγές αντίστασης σε αλλαγές τάσης. Το πλεονέκτημα της χρήσης μιας πηγής σταθερού ρεύματος είναι ότι μπορεί να παρατείνει τη διάρκεια ζωής του αισθητήρα. Δεδομένου ότι το εύρος του σήματος εισόδου είναι 0 έως 200 mV, το σήμα πρέπει να ενισχυθεί και στη συνέχεια να μετατραπεί το AD για να ληφθούν δεδομένα ηλεκτρικού σήματος.

Λόγοι για τη μη χρήση σχεδίασης πηγής σταθερής τάσης:

Εάν χρησιμοποιείται πηγή σταθερής τάσης για παροχή ρεύματος, και μετά η αντίσταση και το PT100 συνδέονται σε σειρά, και η τάση διαιρείται, υπάρχει πρόβλημα. Όταν η αντίσταση του PT100 είναι πολύ μικρή, το ρεύμα που διαρρέει το PT100 είναι πολύ μεγάλο, με αποτέλεσμα μικρότερη διάρκεια ζωής του αισθητήρα.

2. Ο ενισχυτής λειτουργίας χρησιμοποιεί MCP604
Χαρακτηριστικά MCP604:
1) Το εύρος τάσης είναι 2,7~6,0V
2) Η έξοδος είναι Rail-to-Rail
3) Εύρος θερμοκρασίας λειτουργίας: -40°C έως +85 °C
4) Η τάση μετατόπισης εισόδου είναι ±3mV, η τυπική τιμή είναι 1 mV, υψηλή ευαισθησία.
5) Το ρεύμα πόλωσης εισόδου είναι 1pA, όταν ΤΑ = +85°C, I=20 pA, βελτιώνει την ακρίβεια απόκτησης.
6) Γραμμική ταλάντευση τάσης εξόδου: VSS+0,1 ~ VDD–0,1, μονάδα είναι το V.

Όταν η τάση τροφοδοσίας είναι 3,3 V, η γραμμική ταλάντευση τάσης εξόδου είναι 0,1~3,2V. Προκειμένου να διασφαλιστεί ότι το ενισχυμένο σήμα λειτουργεί στη γραμμική περιοχή, όταν VDD=3,3V, ρυθμίσαμε την τάση εξόδου του MCP604 να παραμένει σε: 0.5V ~ 2,5V για να ανταποκριθεί στις απαιτήσεις του σχεδιασμού κυκλώματος ενισχυτή op.

Ο ενισχυτής λειτουργίας στο βιβλίο αναλογικών ηλεκτρονικών είναι ένας ιδανικός λειτουργικός ενισχυτής, που είναι διαφορετικό από τον πραγματικό ενισχυτή. Επομένως, είναι απαραίτητο να εξεταστεί “τάση μετατόπισης εισόδου”, “ρεύμα πόλωσης εισόδου” και “γραμμική ταλάντευση τάσης εξόδου” κατά το σχεδιασμό.

3. Διάγραμμα κυκλώματος
Το R11 στο σχήμα είναι ένα κύκλωμα πόλωσης για την αποτροπή της παραμόρφωσης κορεσμού στο τελευταίο στάδιο της εξόδου του διαφορικού ενισχυτή.
1) Επιλέξτε έναν κατάλληλο συντελεστή ενίσχυσης για να μειώσετε το σφάλμα εξόδου. Λόγω της ύπαρξης τάσης μετατόπισης εισόδου, όταν αυξάνεται ο συντελεστής ενίσχυσης, το σφάλμα εξόδου θα αυξηθεί επίσης, που πρέπει να ληφθούν υπόψη στο σχεδιασμό.
2) Ο συντελεστής ενίσχυσης αυτού του κυκλώματος είναι 10. Υποθέτοντας ότι η τυπική τάση μετατόπισης εισόδου είναι 3mV, εάν το σήμα εισόδου αλλάξει σε 5 mV, 2Το mV δεν θα ενισχυθεί, που θα παράγει σφάλμα εξόδου 20mV.

Ο ενισχυτής ανιχνευτή θερμοκρασίας PT100 με χρήση κυκλώματος MCP604

Vo4 = (Vin1 – Vref)*10
I=1mA, Vref=Vo3=1,65V
1.7V<=Βιν<=1,9V, 1.7V<=V02<=1,9
1.8V<=Τόμος 1<=2V, βεβαιωθείτε ότι ο ενισχυτής λειτουργίας λειτουργεί στη γραμμική περιοχή, αυτό είναι πολύ σημαντικό
0.5V<=Vo4<=2,5V, βεβαιωθείτε ότι ο ενισχυτής λειτουργίας λειτουργεί στη γραμμική περιοχή, γι' αυτό χρειάζονται 50Ω σε σειρά.

Όταν η αντίσταση εισόδου αλλάζει κατά 1Ω, Το Vout αλλάζει σε 10mV. Εφόσον η τάση αντιστάθμισης εισόδου του MCP604 είναι ±3mV, όταν υπάρχει μεταβολή 0,3333Ω, θα υπάρξει αλλαγή 3.333mV, και η ευαισθησία απόκτησης είναι υψηλή.
Όταν 0<=Rin<=200Ω είσοδος, αφού ο βρόχος συνδέεται σε σειρά με 50Ω, 50Ω<=Rx<=250Ω
Vin1 – Vref = Rx*0,001, μονάδα Α

4. Βαθμονόμηση λογισμικού
Οι νέοι μηχανικοί προσπαθούν πάντα να βελτιώσουν την ακρίβεια των αντιστάσεων, αλλά το σφάλμα παραμένει μεγάλο. Μερικοί μηχανικοί χρησιμοποιούν απλώς συνεχώς ρυθμιζόμενες αντιστάσεις, προσαρμόστε τις τιμές αντίστασής τους, και χρησιμοποιήστε πολύμετρα για να κάνετε την έξοδο να ανταποκρίνεται στη σχέση μεταφοράς. Αυτή η ακρίβεια φαίνεται να έχει βελτιωθεί, αλλά δεν είναι βολικό για παραγωγή, και η δυσκολία σχεδιασμού PCB είναι επίσης αυξημένη. Ακόμα κι αν έχει γίνει ο εντοπισμός σφαλμάτων, εάν αγγίξετε τη βίδα ρύθμισης με το χέρι, μπορεί να προκαλέσει σφάλματα. Ο μόνος τρόπος είναι η χρήση σταθερών αντιστάσεων για την παραγωγή και η χρήση λογισμικού για την επίτευξη ακριβούς βαθμονόμησης.
1) Όταν Rin=0, διαβάστε μια τιμή τάσης και καταγράψτε την ως V50. Αποθήκευση V50, δεν θα αλλάξει με την αλλαγή της τιμής αντίστασης PT100 επειδή τροφοδοτείται από μια πηγή σταθερού ρεύματος.
2) Συνδέστε την ονομαστική αντίσταση, έστω Rs=100Ω, διαβάστε μια τιμή τάσης και καταγράψτε την ως V150. Αποθήκευση V150, η τιμή της τάσης που διαβάζεται όταν η θερμοκρασία είναι 0.
3) Υπολογίστε τον τρέχοντα συντελεστή ενίσχυσης: Ιώ = (V150 – V50) / Rs; σώσε Με, σημαίνει ότι έχει γίνει η βαθμονόμηση.
4) Όταν η αντίσταση εισόδου είναι R, η τάση που διαβάζεται είναι Vo, τότε R = (Vo- V50) / Ιω
Μέσα από την παραπάνω περιγραφή, Η βαθμονόμηση λογισμικού έχει μεγάλα πλεονεκτήματα, όχι μόνο βολική παραγωγή, αλλά και υψηλή ακρίβεια. Προκειμένου να βελτιωθεί η ακρίβεια, η τάση εξόδου μπορεί επίσης να χωριστεί σε πολλά διαστήματα, βαθμονομημένο ξεχωριστά, και μπορούν να ληφθούν διαφορετικά Io, έτσι ώστε η γραμμικότητα εξόδου να είναι καλύτερη. Αυτές οι ιδέες αντικατοπτρίζονται στο σχέδιό μου.

Σχεδιασμός κυκλώματος OP AMP MCP604

5. Υπολογίστε τη θερμοκρασία
Όταν η θερμοκρασία είναι μικρότερη από 0,
R0*C*t^4 – 100R0*C*t^3 + R0*B*t^2 + R0*A*t + R0 – Rt=0
Όταν η θερμοκρασία είναι μεγαλύτερη ή ίση με 0, Rt=R0*(1+A*t+B*t*t)
Περιγραφή:
Το Rt είναι η τιμή αντίστασης της αντίστασης πλατίνας σε t℃
Το R0 είναι η τιμή αντίστασης της αντίστασης πλατίνας στα 0℃ 100Ω
A=3,9082×10^-3
Β=-5,80195×10^-7
C=-4,2735×10^-12

6. Αισθητήρας θερμοκρασίας Pt100
Ο αισθητήρας θερμοκρασίας Pt100 είναι ένας αισθητήρας θερμίστορ με θετικό συντελεστή θερμοκρασίας, και οι βασικές τεχνικές του παράμετροι είναι οι εξής:
1) Εύρος θερμοκρασίας μέτρησης: -200℃ ~ +850 ℃;
2) Επιτρεπόμενη τιμή απόκλισης Δ℃: Βαθμός Α ±(0.15+0.002|t|), Βαθμός Β ±(0.30+0.005|t|);
3) Ελάχιστο βάθος εισαγωγής: Το ελάχιστο βάθος εισαγωγής της θερμικής αντίστασης είναι ≥200mm;
4) Επιτρεπόμενο ρεύμα: < 5α;
5) Ο αισθητήρας θερμοκρασίας Pt100 έχει επίσης τα πλεονεκτήματα της αντοχής στους κραδασμούς, καλή σταθερότητα, υψηλή ακρίβεια, και υψηλή πίεση. Η θερμική αντίσταση πλατίνας έχει καλή γραμμικότητα. Όταν αλλάζετε μεταξύ 0 και 100 βαθμούς Κελσίου, η μέγιστη μη γραμμική απόκλιση είναι μικρότερη από 0,5℃;
Όταν η θερμοκρασία < 0, R0*C*t^4 – 100R0*C*t^3 + R0*B*t^2 + R0*A*t + R0 – Rt=0
Όταν η θερμοκρασία ≥ 0, Rt= R0*(1+A*t+B*t*t)
Σύμφωνα με την παραπάνω σχέση, το κατά προσέγγιση εύρος αντίστασης είναι: 18Ω~390.3Ω, -197℃ είναι 18Ω, 850Ω is 390.3Ω;
Περιγραφή:
Το Rt είναι η τιμή αντίστασης της αντίστασης πλατίνας σε t℃, Το R0 είναι η τιμή αντίστασης της αντίστασης πλατίνας στους 0℃, 100Ω
A=3,9082×10^-3, Β=-5,80195×10^-7, C=-4,2735×10^-12
Εγχειρίδιο οδηγιών αισθητήρα θερμοκρασίας μετάλλου πλατίνας PT100
6) Σχεδιασμός κυκλώματος
7) Σχέση θερμοκρασίας PT100 και αντίστασης
Η θερμοκρασία και η αντίσταση PT100 ικανοποιούν την ακόλουθη εξίσωση:
Όταν θερμοκρασία ≤0, R0*C*t^4 – 100*R0*C*t^3 + R0*B*t^2 + R0*A*t + R0 – Rt=0
Όταν η θερμοκρασία ≥0, R0*B*t^2 + R0*A*t + R0 – Rt =0

Πίνακας σύγκρισης θερμοκρασίας και αντίστασης PT100

Περιγραφή:
Το Rt είναι η τιμή αντίστασης της αντίστασης πλατίνας σε t℃, Το R0 είναι η τιμή αντίστασης της αντίστασης πλατίνας στους 0℃, 100Ω
A=3,9082×10^-3, Β=-5,80195×10^-7, C=-4,2735×10^-12

1. Για ευκολία υπολογισμού, όταν η θερμοκρασία είναι ≤0, αφήνω:
διπλό a=R0*C*100000=100*(-4.2735×10^-12)*100000=-4,2735/100000
διπλό b=–100*R0*C*100000=-100*100*(-4.2735×10^-12)*100000=4,2735/1000
διπλό c= R0*B*100000=100*(-5.80195×10^-7)*100000=-5,80195
διπλό d=R0*A*100000=100*(3.9082×10^-3)*100000=39082
διπλός ε= (100-Rt)*100000
Όταν η θερμοκρασία ≤ 0, α*τ^4 + b*t^3 + c*t^2 + d*t + e=0
όπου x3 είναι η λύση του PT100 όταν είναι μικρότερο από 0℃.

2. Για ευκολία στον υπολογισμό, όταν η θερμοκρασία είναι μεγαλύτερη ή ίση με 0
διπλό a= R0*B*100000=100*(-5.80195×10^-7)*100000=-5,80195
διπλό b=R0*A*100000=100*(3.9082×10^-3)*100000=39082
διπλό c= (100-Rt)*100000
Όταν η θερμοκρασία είναι ≥0, α*τ^2 + b*t + c =0
t = [ SQRT( ΒΒ – 4*α*γ )-σι ] / 2 / ένα
19.785Το Ω αντιστοιχεί σε -197℃, τη θερμοκρασία του υγρού αζώτου
18.486Το Ω αντιστοιχεί σε -200℃
96.085Το Ω αντιστοιχεί σε -10℃
138.505Το Ω αντιστοιχεί σε 100℃
175.845Το Ω αντιστοιχεί σε 200℃
247.045Το Ω αντιστοιχεί σε 400℃