راه حل مدار اکتساب دما PT100/PT1000

1. جدول تغییر مقاومت دما PT100 و PT1000
مقاومت های حرارتی فلزی مانند نیکل, مقاومت های مس و پلاتین با تغییر مقاومت با دما همبستگی مثبت دارند. پلاتین دارای پایدارترین خواص فیزیکی و شیمیایی است و بیشترین کاربرد را دارد. محدوده اندازه گیری دما مقاومت معمول پلاتین Pt100 200-850 ℃ است.. علاوه بر این, محدوده اندازه گیری دما Pt500, Pt1000, OTC. به طور متوالی کاهش می یابد. Pt1000, محدوده اندازه گیری دما -200-420 ℃. طبق استاندارد بین المللی IEC751, ویژگی های دمایی مقاومت پلاتین Pt1000 شرایط زیر را برآورده می کند:

منحنی مشخصه دما Pt1000

با توجه به منحنی مشخصه دمای Pt1000, شیب منحنی مشخصه مقاومت کمی در محدوده دمای عملیاتی معمولی تغییر می کند (همانطور که در شکل نشان داده شده است 1). از طریق اتصالات خطی, رابطه تقریبی بین مقاومت و دما است:

1.1 جدول تغییر مقاومت دما PT100

جدول تغییر مقاومت دما PT100

1.2 جدول تغییر مقاومت دما PT1000

جدول تغییر مقاومت دما PT1000

2. راه حل های مدار اکتساب معمول استفاده می شود

2.1 خروجی تقسیم ولتاژ مقاومت 0~3.3V/3V ولتاژ آنالوگ

دریافت مستقیم پورت AD تک تراشه
محدوده ولتاژ خروجی مدار اندازه گیری دما 0 تا 3.3 ولت است, PT1000 (مقدار مقاومت PT1000 به شدت تغییر می کند, حساسیت اندازه گیری دما بالاتر از PT100 است; PT100 برای اندازه گیری دما در مقیاس بزرگ مناسب تر است).

خروجی تقسیم کننده ولتاژ مقاومت 0~3.3V ولتاژ آنالوگ 3V

ساده ترین راه استفاده از روش تقسیم ولتاژ است. ولتاژ منبع ولتاژ مرجع 4 ولت است که توسط تراشه منبع ولتاژ مرجع TL431 تولید می شود., یا REF3140 می تواند برای تولید 4.096 ولت به عنوان منبع مرجع استفاده شود. تراشه های منبع مرجع نیز شامل REF3120 هستند, 3125, 3130, 3133, وت 3140. این تراشه از پکیج SOT-32 و ولتاژ ورودی 5 ولت استفاده می کند. ولتاژ خروجی را می توان با توجه به ولتاژ مرجع مورد نیاز انتخاب کرد. البته, با توجه به محدوده ولتاژ ورودی معمولی پورت MCU AD, نمی تواند از 3V/3.3V تجاوز کند.

2.2 خروجی تقسیم ولتاژ مقاومت 0~5V ولتاژ آنالوگ MCU AD دریافت مستقیم پورت.
البته, برخی مدارها از منبع تغذیه 5 ولت MCU استفاده می کنند, و حداکثر جریان عملیاتی PT1000 0.5 میلی آمپر است, بنابراین برای اطمینان از عملکرد طبیعی قطعات باید از مقدار مقاومت مناسب استفاده کرد.
به عنوان مثال, 3.3 ولت در نمودار شماتیک تقسیم ولتاژ بالا با 5 ولت جایگزین شده است.. مزیت این امر این است که تقسیم ولتاژ 5 ولت نسبت به 3.3 ولت حساس تر است, و اکتساب دقیق تر است. به یاد داشته باشید, ولتاژ خروجی محاسبه شده نظری نمی تواند از 5+ ولت تجاوز کند. در غیر این صورت, باعث آسیب به MCU می شود.

2.3 رایج ترین اندازه گیری پل استفاده می شود
R11, R12, R13 و Pt1000 برای تشکیل یک پل اندازه گیری استفاده می شود, که در آن R11=R13=10k, مقاومت های دقیق R12=1000R. زمانی که مقدار مقاومت Pt1000 برابر با مقدار مقاومت R12 نباشد, پل سیگنال اختلاف ولتاژ در سطح mV را خروجی می دهد. این سیگنال اختلاف ولتاژ توسط مدار تقویت کننده ابزار تقویت می شود و سیگنال ولتاژ مورد نظر را خروجی می کند.. این سیگنال را می توان مستقیماً به تراشه تبدیل AD یا پورت AD میکروکنترلر متصل کرد.

R11, R12, R13 و Pt1000 برای تشکیل یک پل اندازه گیری استفاده می شود

اصل اندازه گیری مقاومت این مدار:
1) PT1000 یک ترمیستور است. با تغییر دما, مقاومت اساساً به صورت خطی تغییر می کند.
2) در 0 درجه, مقاومت PT1000 1kΩ است, سپس Ub و Ua برابر هستند, این است, Uba = Ub – انجام = 0.
3) با فرض اینکه در یک دمای معین, مقاومت PT1000 1.5kΩ است, پس Ub و Ua برابر نیستند. طبق اصل تقسیم ولتاژ, ما می توانیم بفهمیم که Uba = Ub – انجام دهید > 0.
4) OP07 یک تقویت کننده عملیاتی است, و بهره ولتاژ آن A به مدار خارجی بستگی دارد, که در آن A = R2/R1 = 17.5.
5) ولتاژ خروجی Uo OP07 = Uba * بوها. بنابراین اگر از یک ولت متر برای اندازه گیری ولتاژ خروجی OP07 استفاده کنیم, ما می توانیم مقدار Uab را استنباط کنیم. از آنجایی که Ua یک مقدار شناخته شده است, ما می توانیم مقدار Ub را بیشتر محاسبه کنیم. سپس, با استفاده از اصل تقسیم ولتاژ, می توانیم مقدار مقاومت ویژه PT1000 را محاسبه کنیم. این فرآیند از طریق محاسبه نرم افزاری قابل دستیابی است.
6) اگر مقدار مقاومت PT1000 را در هر دما بدانیم, ما فقط باید جدول را بر اساس مقدار مقاومت جستجو کنیم تا دمای فعلی را بدانیم.

2.4 منبع جریان ثابت
به دلیل اثر خود گرمایشی مقاومت حرارتی, جریان عبوری از مقاومت باید تا حد امکان کم باشد. به طور کلی, انتظار می رود جریان کمتر از 10 میلی آمپر باشد. تأیید شده است که خود گرمایش مقاومت پلاتین PT100 از 1 میلی وات باعث تغییر دمای 0.02-0.75 درجه سانتیگراد می شود. از این رو, کاهش جریان مقاومت پلاتین PT100 نیز می تواند تغییر دمای آن را کاهش دهد. هر چند, اگر جریان خیلی کم باشد, مستعد تداخل نویز است, بنابراین ارزش به طور کلی است 0.5-2 mA, بنابراین جریان منبع جریان ثابت به عنوان منبع جریان ثابت 1 میلی آمپر انتخاب می شود.

تراشه به عنوان تراشه منبع ولتاژ ثابت TL431 انتخاب شده است, و سپس با استفاده از بازخورد منفی فعلی به منبع جریان ثابت تبدیل می شود. مدار در شکل نشان داده شده است

در میان آنها, تقویت کننده عملیاتی CA3140 برای بهبود ظرفیت بار منبع فعلی استفاده می شود, و فرمول محاسبه جریان خروجی است:

مقاومت باید a باشد 0.1% مقاومت دقیق. جریان خروجی نهایی 0.996 میلی آمپر است, این است, دقت است 0.4%.

مدار منبع جریان ثابت باید دارای مشخصات زیر باشد

تراشه منبع ولتاژ ثابت TL431 را انتخاب کنید

پایداری دما: از آنجایی که محیط اندازه گیری دمای ما 0-100 ℃ است, خروجی منبع جریان نباید به دما حساس باشد. TL431 دارای ضریب دمای بسیار پایین و رانش دمای پایین است.

تنظیم بار خوب: اگر ریپل فعلی خیلی زیاد باشد, باعث خطای خواندن می شود. با توجه به تحلیل های نظری, زیرا ولتاژ ورودی بین 100-138.5mV متغیر است, و محدوده اندازه گیری دما 0-100 ℃ است, دقت اندازه گیری دما 1± درجه سانتیگراد است, بنابراین ولتاژ خروجی باید 38.5/100=0.385mV به ازای هر 1 درجه افزایش دمای محیط تغییر کند.. به منظور اطمینان از اینکه نوسان فعلی بر دقت تأثیر نمی گذارد, شدیدترین حالت را در نظر بگیرید, در 100 درجه سانتیگراد, مقدار مقاومت PT100 باید 138.5R باشد. سپس ریپل جریان باید کمتر از 0.385/138.5=0.000278mA باشد., این است, تغییر جریان در طول تغییر بار باید کمتر از 0.000278 میلی آمپر باشد. در شبیه سازی واقعی, منبع فعلی اساساً بدون تغییر باقی می ماند.
3. راه حل مدار اکتساب AD623

راه حل مدار PT1000 اکتساب AD623

این اصل می تواند به اصل اندازه گیری پل فوق اشاره داشته باشد.
جذب دمای پایین:

جذب دمای بالا

4. راه حل مدار اکتساب AD620

راه حل کسب AD620 PT100

AD620 PT100 محلول کسب درجه حرارت بالا (150درجه):

محلول اکتساب AD620 PT100 دمای پایین (-40درجه):

محلول اکتساب AD620 PT100 دمای اتاق (20درجه):

5. تجزیه و تحلیل فیلتر ضد تداخل PT100 و PT1000

افزایش دما در برخی مجتمع ها, محیط های خشن یا خاص در معرض تداخل زیادی خواهند بود, عمدتا از جمله EMI و REI.

به عنوان مثال, در کاربرد کسب دمای موتور, کنترل موتور و چرخش با سرعت زیاد موتور باعث اختلال در فرکانس بالا می شود.

همچنین تعداد زیادی سناریو کنترل دما در داخل وسایل نقلیه هوانوردی و هوافضا وجود دارد, که سیستم قدرت و سیستم کنترل محیطی را اندازه گیری و کنترل می کنند. هسته کنترل دما اندازه گیری دما است. از آنجایی که مقاومت ترمیستور می تواند به صورت خطی با دما تغییر کند, استفاده از مقاومت پلاتین برای اندازه گیری دما یک روش موثر اندازه گیری دما با دقت بالا است. مشکلات اصلی به شرح زیر است:
1. مقاومت روی سیم سرب به راحتی معرفی می شود, بنابراین بر دقت اندازه گیری سنسور تأثیر می گذارد;
2. در برخی از محیط های تداخل الکترومغناطیسی قوی, تداخل ممکن است پس از اصلاح توسط تقویت کننده ابزار به خروجی DC تبدیل شود
خطای افست, بر دقت اندازه گیری تأثیر می گذارد.
5.1 مدار اکتساب PT1000 هوابرد هوافضا

مدار اکتساب PT1000 هوابرد هوافضا

به طراحی مدار اکتساب PT1000 در هوا برای تداخل ضد الکترومغناطیسی در یک هوانوردی خاص مراجعه کنید..

یک فیلتر در بیرونی ترین انتهای مدار جذب تنظیم شده است. مدار پیش پردازش اکتسابی PT1000 برای پیش پردازش ضد تداخل الکترومغناطیسی رابط تجهیزات الکترونیکی هوابرد مناسب است.;
مدار خاص است:
ولتاژ ورودی +15 ولت از طریق یک تنظیم کننده ولتاژ به منبع ولتاژ +5 ولت با دقت بالا تبدیل می شود., و منبع ولتاژ با دقت بالا + 5 ولت مستقیماً به مقاومت R1 متصل است.
انتهای دیگر مقاومت R1 به دو مسیر تقسیم می شود, یکی به ورودی فاز آپ امپ متصل است, و دیگری متصل به مقاومت PT1000 A از طریق فیلتر نوع T S1 به پایان می رسد. خروجی آپ امپ به ورودی معکوس متصل می شود تا یک دنبال کننده ولتاژ تشکیل شود, و ورودی معکوس به پورت زمین تنظیم کننده ولتاژ متصل می شود تا اطمینان حاصل شود که ولتاژ در ورودی فاز همیشه صفر است.. پس از عبور از فیلتر S2, یک انتهای A مقاومت PT1000 به دو مسیر تقسیم می شود, یک مسیر به عنوان ترمینال ورودی ولتاژ دیفرانسیل D از طریق مقاومت R4 استفاده می شود, و مسیر دیگر از طریق مقاومت R2 به AGND متصل می شود. پس از عبور از فیلتر S3, انتهای دیگر B مقاومت PT1000 به دو مسیر تقسیم می شود, یک مسیر به عنوان ترمینال ورودی ولتاژ دیفرانسیل E از طریق مقاومت R5 استفاده می شود, و مسیر دیگر از طریق مقاومت R3 به AGND متصل می شود. D و E از طریق خازن C3 متصل می شوند, D از طریق خازن C1 به AGND متصل می شود, و E از طریق خازن C2 به AGND متصل می شود; مقدار دقیق مقاومت PT1000 را می توان با اندازه گیری ولتاژ دیفرانسیل بین D و E محاسبه کرد..

ولتاژ ورودی +15 ولت از طریق یک تنظیم کننده ولتاژ به منبع ولتاژ +5 ولت با دقت بالا تبدیل می شود.. +5V مستقیماً به R1 متصل است. انتهای دیگر R1 به دو مسیر تقسیم می شود, یکی به ترمینال ورودی فاز آپ امپ متصل است, و دیگری از طریق فیلتر نوع T S1 به مقاومت PT1000 A متصل می شود. خروجی آپ امپ به ورودی معکوس متصل می شود تا یک دنبال کننده ولتاژ تشکیل شود, و ورودی معکوس به پورت زمین تنظیم کننده ولتاژ متصل می شود تا اطمینان حاصل شود که ولتاژ در ورودی معکوس همیشه صفر است.. در این زمان, جریان عبوری از R1 0.5mA ثابت است. تنظیم کننده ولتاژ از AD586TQ/883B استفاده می کند, و آپ امپ از OP467A استفاده می کند.

پس از عبور از فیلتر S2, یک انتهای A مقاومت PT1000 به دو مسیر تقسیم می شود, یکی از طریق مقاومت R4 به عنوان انتهای ولتاژ ورودی دیفرانسیل D, و یکی از طریق مقاومت R2 به AGND; پس از عبور از فیلتر S3, انتهای دیگر B مقاومت PT1000 به دو مسیر تقسیم می شود, یکی از طریق مقاومت R5 به عنوان انتهای ولتاژ ورودی دیفرانسیل E, و یکی از طریق مقاومت R3 به AGND. D و E از طریق خازن C3 متصل می شوند, D از طریق خازن C1 به AGND متصل می شود, و E از طریق خازن C2 به AGND متصل می شود.
مقاومت R4 و R5 4.02k اهم است, مقاومت R1 و R2 1M اهم است, ظرفیت C1 و C2 1000pF است, و ظرفیت C3 0.047uF است. R4, R5, C1, C2, و C3 با هم یک شبکه فیلتر RFI را تشکیل می دهند, که فیلتر پایین گذر سیگنال ورودی را کامل می کند, و اشیایی که باید فیلتر شوند شامل تداخل حالت دیفرانسیل و تداخل حالت مشترک در سیگنال دیفرانسیل ورودی است.. محاسبه فرکانس قطع - 3dB تداخل حالت مشترک و تداخل حالت دیفرانسیل که در سیگنال ورودی انجام می شود در فرمول نشان داده شده است.:

جایگزینی مقدار مقاومت در محاسبه, فرکانس قطع حالت معمول 40 کیلوهرتز است, و فرکانس قطع حالت دیفرانسیل 2.6 کیلوهرتز است.
نقطه پایانی B از طریق فیلتر S4 به AGND متصل می شود. در میان آنها, پایانه های زمین فیلتر از S1 تا S4 همگی به زمین محافظ هواپیما متصل هستند. از آنجایی که جریان عبوری از PT1000 0.05 میلی آمپر شناخته شده است, مقدار دقیق مقاومت PT1000 را می توان با اندازه گیری ولتاژ دیفرانسیل در هر دو انتهای D و E محاسبه کرد..
S1 تا S4 از فیلترهای نوع T استفاده می کنند, مدل GTL2012X‑103T801, با فرکانس قطع 1M±20٪. این مدار فیلترهای پایین گذر را به خطوط رابط خارجی معرفی می کند و فیلتر RFI را بر روی ولتاژ دیفرانسیل انجام می دهد.. به عنوان یک مدار پیش پردازش برای PT1000, به طور موثر تداخل تابش الکترومغناطیسی و RFI را حذف می کند, که تا حد زیادی قابلیت اطمینان مقادیر جمع آوری شده را بهبود می بخشد. علاوه بر این, ولتاژ مستقیماً از هر دو سر مقاومت PT1000 اندازه گیری می شود, حذف خطای ناشی از مقاومت سرب و بهبود دقت مقدار مقاومت.

5.2 فیلتر نوع T
فیلتر نوع T از دو سلف و خازن تشکیل شده است. هر دو انتهای آن امپدانس بالایی دارد, و عملکرد از دست دادن درج آن شبیه به فیلتر نوع π است, اما مستعد آن نیست “زنگ زدن” و می تواند در مدارهای سوئیچینگ استفاده شود.