سیستم اندازه گیری دما سنسور مقاومت حرارتی PT100

2-سیم, 3-سیم یا 4 سیم Pt100, Pt500, سنسورهای Pt1000 سنسورهای دما بر پایه عناصر پلاتین با دقت بالا هستند, ثبات و خطی بودن, و به طور گسترده در زمینه هایی که نیاز به اندازه گیری دقیق دما دارند استفاده می شود. بوها “سیستم اندازه گیری دمای مقاومت حرارتی PT100” به سیستمی اشاره دارد که از سنسور PT100 استفاده می کند, یک نوع آشکارساز دمای مقاومتی (RTD), برای اندازه گیری دما با تشخیص تغییرات مقاومت الکتریکی آن که مستقیماً با دما متناسب است; “PT” مخفف پلاتینیوم است, وت “100” نشان می دهد که سنسور دارای مقاومت است 100 اهم در دمای 0 درجه سانتی گراد و آن را به روشی بسیار دقیق و پایدار برای اندازه گیری دما در طیف وسیعی تبدیل می کند.

مقاومت های پلاتین به طور گسترده ای در محدوده دمای متوسط ​​استفاده می شود (-200~650 ℃). در حال حاضر, مقاومت های حرارتی استاندارد اندازه گیری دما از فلز پلاتین در بازار وجود دارد, مانند Pt100, Pt500, Pt1000, OTC.

اصول کار PT100 را درک کنید: PT100 یک سنسور دما از مقاومت پلاتین است. اصل کار بر اساس اثر حرارتی مقاومت است. مقدار مقاومت آن با تغییر دما تغییر می کند. این تغییر خطی است. در 0℃, مقدار مقاومت PT100 است 100 اهم. با افزایش دما, مقدار مقاومت نیز بر این اساس افزایش می یابد, بنابراین با اندازه گیری مقدار مقاومت می توان دما را به طور دقیق استنباط کرد.

سیستم اندازه‌گیری دمای ۴ سیم با دقت بالا کلاس A PT100

2-سیستم اندازه گیری دما پروب کنترل دما مقاومت پلاتین PT100

3-سیستم اندازه گیری دمای سنسور مقاومت حرارتی سیم PT100

روش سیم کشی مناسب را انتخاب کنید: به طور کلی, 2-سیم, 3-می توان از روش های سیم کشی سیمی یا 4 سیمی استفاده کرد.

سیگنال ولتاژ خروجی توسط پل

نکات کلیدی در مورد سیستم PT100:
اصل سنسور:
سنسور PT100 از سیم پلاتینی ساخته شده است که مقاومت الکتریکی آن به طور قابل پیش بینی با نوسانات دما تغییر می کند..

روش اندازه گیری:
وقتی جریانی از PT100 عبور می کند, افت ولتاژ سنسور اندازه گیری می شود, که سپس بر اساس رابطه شناخته شده بین مقاومت و دما به دما تبدیل می شود.

کاربرد گسترده:
سنسورهای PT100 معمولا در فرآیندهای صنعتی استفاده می شوند, آزمایشگاه ها, و سایر کاربردهایی که به دلیل دقت و پایداری بالا، اندازه گیری دقیق دما مورد نیاز است.

اجزای یک سیستم PT100:
پروب سنسور PT100:
عنصر حسگر واقعی, معمولا یک سیم پلاتین که دور یک هسته سرامیکی پیچیده شده است, که برای اندازه گیری وارد محیط می شود.

مدار تهویه سیگنال:
تجهیزات الکترونیکی که مقاومت کوچک را تقویت کرده و از PT100 به سیگنال ولتاژ قابل اندازه گیری تبدیل می کنند..

نمایشگر یا سیستم جمع آوری داده:
دستگاهی که دمای اندازه گیری شده را نمایش می دهد یا داده ها را برای تجزیه و تحلیل ذخیره می کند.

مزایای استفاده از سیستم PT100:
دقت بالا:　یکی از دقیق ترین سنسورهای دمای موجود در نظر گرفته می شود.
محدوده دمایی گسترده:　بسته به طراحی سنسور می تواند دما را از 200- تا 850 درجه سانتی گراد اندازه گیری کند.
خطی بودن خوب:　رابطه بین مقاومت و دما بسیار خطی است, ایجاد تفسیر آسان داده ها.
ثبات:　پلاتین ماده ای بسیار پایدار است, اطمینان از خواندن مداوم در طول زمان.

جدول شاخص مقاومت حرارتی Pt100

سه روش سیم کشی مقاومت پلاتین PT100 در اصل متفاوت است: 2-سیم و 3 سیم به روش بریج اندازه گیری می شوند, و رابطه بین مقدار دما و مقدار خروجی آنالوگ در پایان آورده شده است. 4-سیم پل ندارد. به طور کامل توسط منبع جریان ثابت ارسال می شود, با ولت متر اندازه گیری می شود, و در نهایت مقدار مقاومت اندازه گیری شده را می دهد, که استفاده از آن دشوار و پرهزینه است.
زیرا PT100 مقدار مقاومت کمی دارد و حساسیت بالایی دارد, مقدار مقاومت سیم سرب را نمی توان نادیده گرفت. استفاده از اتصال 3 سیم می تواند خطای اندازه گیری ناشی از مقاومت خط سرب را از بین ببرد.
سیستم 2 سیم دقت اندازه گیری ضعیفی دارد; سیستم 3 سیم دقت بهتری دارد; سیستم 4 سیم دارای دقت اندازه گیری بالایی است, اما به سیم های بیشتری نیاز دارد.

ما فقط باید وضعیت دمای PT100 را بر اساس سیگنال خروجی ولتاژ توسط پل بدانیم.. هنگامی که مقدار مقاومت PT100 با مقدار مقاومت Rx برابر نیست, پل یک سیگنال فشار دیفرانسیل خروجی می دهد, که بسیار کوچک است. از آنجایی که سیگنال خروجی سنسور دما به طور کلی بسیار ضعیف است, یک مدار تهویه و تبدیل سیگنال برای تقویت یا تبدیل آن به شکلی که انتقال آسان باشد مورد نیاز است., فرآیند, ضبط و نمایش. تغییر جزئی در مقدار سیگنال اندازه گیری شده باید به سیگنال الکتریکی تبدیل شود. هنگام تقویت سیگنال DC, هنگام عبور از آپ امپ نمی توان از خود رانش و ولتاژ نامتعادل آپ امپ چشم پوشی کرد.. پس از تقویت, یک سیگنال ولتاژ با اندازه دلخواه می تواند خروجی شود.
مقدار مقاومت مقاومت پلاتین را می توان با محاسبه مدار یا اندازه گیری مولتی متر بدست آورد. زمانی که مقدار مقاومت PT100 را بدانیم, می توانیم دما را با مقدار مقاومت اندازه گیری و محاسبه کنیم.

از الگوریتم های مناسب برای پردازش داده ها استفاده کنید: از رابطه دما و مقاومت شناخته شده برای محاسبه دما از طریق برنامه ریزی استفاده کنید. با توجه به اینکه رابطه مقاومت و دما PT100 غیرخطی است, به خصوص در مناطق با دمای پایین یا بالا, ممکن است برای بهبود دقت به الگوریتم های پیچیده تری نیاز باشد.

تاثیر عوامل محیطی: عملکرد ممکن است تحت تأثیر عوامل محیطی مانند تداخل الکترومغناطیسی قرار گیرد, لرزش مکانیکی, و رطوبت.

سه روش معمول برای محاسبه دما وجود دارد:
روش محاسبه اندازه گیری دما 1:
زمانی که دمای دقیق مورد نیاز نیست, دما به ازای هر اهم افزایش در مقدار مقاومت مقاومت حرارتی PT100 2.5 درجه سانتیگراد افزایش می یابد. (در دماهای پایین استفاده می شود). مقدار مقاومت سنسور دمای PT100 است 100 وقتی 0 درجه است, بنابراین دمای تقریبی در این زمان = (مقدار مقاومت PT100-100)*2.5.

روش محاسبه اندازه گیری دما 2:
رابطه بین مقدار مقاومت و دمای مقاومت پلاتین

در محدوده 0 ~ 850 ℃: Rt=R0(1+در + Bt2);

در محدوده -200-0℃: Rt=R0[1+در + Bt2 + C(t-100)3];

Rt نشان دهنده مقدار مقاومت مقاومت پلاتین در دمای t℃ است;

R0 نشان دهنده مقدار مقاومت مقاومت پلاتین در دمای 0 درجه سانتیگراد است;

بوها, ب, C ثابت هستند, A=3.96847×10-3/℃; B=-5.847×10-7/℃; C=-4.22×10-12/℃;

برای مقاومت حرارتی که رابطه فوق را برآورده می کند, ضریب دمای آن حدود 3.9×10-3 / ℃ است.

از طریق فرمول بالا, دما را می توان با دقت با توجه به مقدار مقاومت حل کرد, اما به دلیل حجم زیاد محاسبه این روش, برای این آزمایش توصیه نمی شود.

روش محاسبه دما سه:
PT100 رابطه خطی خوبی با دما دارد و برای اندازه گیری دمای متوسط ​​و پایین مناسب است. مقدار مقاومت PT100 در دماهای مختلف دارای یک مقیاس اندازه گیری متناظر یک به یک است که در شکل زیر نشان داده شده است., که می تواند به طور مستقیم رابطه متناظر بین دماهای مختلف و مقدار مقاومت PT100 را نمایش دهد.
دما را می توان با بررسی مقدار مقاومت مربوطه از طریق مقیاس PT100 شناخت.

مقیاس مقاومت حرارتی Pt100

دستگاه اندازه‌گیری دما PT100 طراحی‌شده در این مقاله از تقویت‌کننده عملیاتی کم‌هزینه LM324 استفاده می‌کند تا طراحی مدار منبع تغذیه دستگاه و مدار تقویت‌کننده ابزار سه آپشن را تکمیل کند..

1.1 مدار منبع ولتاژ

مدار منبع ولتاژ سنسور مقاومت حرارتی Pt100

مدار در شکل 1 یک مدار عملیاتی تناسبی مشترک است. با توجه به تجزیه و تحلیل تقویت کننده عملیاتی ایده آل که در منطقه خطی کار می کند, طبق اصل کوتاه مجازی و استراحت مجازی, به دست می آید:

فرمول مدار محاسبه پل وتستون

را, سپس ضریب تقویت ولتاژ حلقه بسته است 2 بار, و سپس V=10V بدست می آید, و به عنوان ولتاژ منبع تغذیه پایدار مدار پل وتستون استفاده می شود.

1.2 اتصال سه سیم پل وتستون و PT100.
شکل بالا یک پل وتستون است. شرط متعادل بودن پل این است که پتانسیل های نقاط B و D برابر باشند. بنابراین وقتی پل متعادل است, تا زمانی که R1, R2 (معمولا مقادیر ثابت) و R0 (معمولا مقادیر قابل تنظیم) خوانده می شوند, مقاومت Rx قابل اندازه گیری را می توان بدست آورد. R1/R2=M, فراخوانی “ضرب کننده”.

روش اتصال سه سیم پل وتستون و PT100

طبق اصل اندازه گیری دما PT100, مقدار مقاومت PT100 باید به درستی شناخته شود, اما مقدار مقاومت را نمی توان به طور مستقیم اندازه گیری کرد, بنابراین یک مدار تبدیل مورد نیاز است. مقدار مقاومت به یک سیگنال ولتاژ تبدیل می شود که می تواند توسط میکروکنترلر تشخیص داده شود”. مدار پل وتستون ابزاری است که می تواند مقاومت را به درستی اندازه گیری کند. همانطور که در شکل نشان داده شده است 2, R1, R2, R3, و R4 به ترتیب بازوهای پل آن هستند. وقتی پل متعادل است, R1xR3=R2xR4 راضی است. وقتی پل نامتعادل است, بین نقاط a و b اختلاف ولتاژ وجود خواهد داشت. با توجه به ولتاژ نقاط a و b, مقاومت مربوطه را می توان محاسبه کرد. این اصل اندازه گیری مقاومت با یک پل نامتعادل است:

روش اتصال مدار سه سیم PT100

در واقع, به دلیل مقاومت کوچک و حساسیت بالای PT100, مقاومت سیم سرب باعث خطا می شود. از این رو, روش اتصال سه سیم اغلب در صنعت برای از بین بردن این خطا استفاده می شود. همانطور که در قسمت نقطه چین شکل نشان داده شده است 2, مقدار مقاومت سیم سربی برابر است و r است. در این زمان, بازوهای پل به R تبدیل می شوند, آر, R+2r, و Rt+2r. وقتی پل متعادل است: R2. (R1+2r) =R1.(R3+2r), مرتب شد: Rt= R1R3/ R2+2 R1r/ R2- 2r. تجزیه و تحلیل نشان می دهد که زمانی که R1=R2, تغییر مقاومت سیم هیچ تاثیری بر نتیجه اندازه گیری ندارد.

1.3 مدار تقویت کننده ابزار دقیق سه اپراپی
هنگامی که دما از 0℃~100℃ تغییر می کند, مقاومت PT100 تقریباً به صورت خطی در محدوده 100Ω~138.51Ω تغییر می کند.. طبق مدار پل فوق, پل در دمای 0 درجه متعادل است, بنابراین مقدار نظری ولتاژ خروجی پل باید باشد 0 حرفهای, و زمانی که دما 100 درجه سانتیگراد است, خروجی پل است: Uab=U7x(R1/(R1 + R2)-R3/(R2 + R3)), این است, Uab=10x(138.51/(10000 + 138.51)-100/(10000 + 100)) =0.037599V. از آنجایی که این یک سیگنال میلی ولت است, لازم است این ولتاژ تقویت شود تا توسط تراشه AD قابل تشخیص باشد.

همانطور که در شکل نشان داده شده است 3, تقویت کننده ابزار دقیق دستگاهی است که سیگنال های کوچک را در یک محیط پر سر و صدا تقویت می کند. یه سری مزیت داره مثل دریفت کم, مصرف برق کم, نسبت رد حالت مشترک بالا, محدوده منبع تغذیه گسترده و اندازه کوچک. از ویژگی‌های سیگنال‌های کوچک دیفرانسیل استفاده می‌کند که روی سیگنال‌های حالت مشترک بزرگ‌تر قرار گرفته‌اند, که می تواند سیگنال های حالت مشترک را حذف کرده و سیگنال های دیفرانسیل را همزمان تقویت کند. ولتاژ خروجی مدار آمپلی فایر ابزار دقیق سه اپراپی استاندارد است, در اینجا R8 = R10 = 20 کیلو اهم, R9=R11=20kΩ, R4=R7=100kΩ, که می تواند سیگنال ولتاژ ورودی را حدوداً تقویت کند 150 بار, به طوری که ولتاژ خروجی نظری پل را می توان تقویت کرد 0 ~2.34 V. اما این فقط یک ارزش نظری است. در روند واقعی, عوامل زیادی وجود دارند که می توانند باعث تغییر مقاومت شوند. از این رو, R3 را می توان با یک مقاومت قابل تنظیم دقیق جایگزین کرد تا مدار صفر را تسهیل کند.

مدار آمپلی فایر ابزار سه آپشن سنسور PT100

2. طراحی نرم افزار

2.1 روش حداقل مربعات و برازش خطی PT100

در محدوده دمایی 0℃≤t≤850℃, رابطه بین مقاومت Pt100 و دما است: R=100 (1 +در + Bt2), که در آن A=3.90802x 10-3; B=- -5.80x 10-7; C=4.2735 x 10-12

می توان دید که مقاومت PT100 و دما یک رابطه خطی مطلق نیستند بلکه یک سهمی هستند. از این رو, اگر قرار است t استخراج شود, یک عملیات ریشه مربع مورد نیاز است, که عملکرد پیچیده تری را معرفی می کند و مقدار زیادی از منابع CPU میکروکامپیوتر تک تراشه را اشغال می کند.. برای حل این مشکل, ما می توانیم از روش حداقل مربعات برای برازش خطی رابطه بین دما و مقاومت استفاده کنیم. ” برازش منحنی حداقل مربعات یک روش رایج برای پردازش داده های تجربی است. اصل آن یافتن یک تابع چند جمله ای برای به حداقل رساندن مجموع خطاهای مربع با داده های اصلی است.

2.2 دمای تبدیل دیجیتال AD
اصل اندازه گیری دمای PT100 به دست آوردن مقدار دما بر اساس مقدار مقاومت آن است, بنابراین ابتدا باید مقدار مقاومت مقاومت حرارتی تعیین شود. طبق مدار سخت افزاری, رابطه بین ولتاژ خروجی Uab مدار پل و ولتاژ خروجی Uad مدار تقویت کننده ابزار آپ امپ است.: Uad = Uab. Auf زیرا سیستم از یک تراشه AD 12 بیتی استفاده می کند, رابطه بین کمیت دیجیتال و کمیت آنالوگ است: Uad/AD=5/4096. رابطه بین ولتاژ خروجی پل و کمیت دیجیتال AD را می توان با ترکیب دو معادله قبلی به دست آورد., این است, Uad/AD=5/(4096روشن). سپس, به عبارت ولتاژ خروجی پل Uab=U7x جایگزین می شود (Rt/ (R1+Rt) -R3/ (R2 + R3) ), و بیان Rr و کمیت دیجیتال AD را می توان به دست آورد. راه حل این است:

فرمول دمای تبدیل دیجیتال AD

پس از دانستن مقدار مقاومت PT100, مقدار دمای مربوطه را می توان با توجه به معادله برازش خطی در بخش به دست آورد 2.1.

2.3 فیلتر دیجیتال تک تراشه
به منظور بهبود دقت اندازه گیری دما PT100, یک برنامه فیلترینگ دیجیتال را می توان در برنامه نویسی نرم افزار اضافه کرد, که نیازی به افزودن مدارهای سخت افزاری ندارد و می تواند پایداری و قابلیت اطمینان سیستم را بهبود بخشد. روش های فیلترینگ زیادی در سیستم کاربردی میکرو کامپیوتر تک تراشه ای وجود دارد. هنگام انتخاب خاص, مزایا و معایب روش فیلترینگ و اشیاء قابل استفاده باید تجزیه و تحلیل و مقایسه شوند, تا روش فیلتر مناسب را انتخاب کنید. الگوریتم روش فیلتر میانگین میانه این است که ابتدا به طور پیوسته N داده جمع آوری شود, سپس یک مقدار حداقل و یک مقدار حداکثر را حذف کنید, و در نهایت میانگین حسابی داده های باقی مانده را محاسبه کنید. این روش فیلتر برای اندازه گیری پارامترهایی که به کندی تغییر می کنند مناسب است, مانند دما, و می تواند به طور موثر تداخل ناشی از نوسانات ناشی از عوامل تصادفی یا خطاهای ناشی از بی ثباتی نمونه را کاهش دهد..

فرآیند کار سیستم:
هنگامی که دمای جسم مورد اندازه گیری تغییر می کند, مقاومت PT100 تغییر می کند, و پل وتستون یک سیگنال ولتاژ مربوطه را خروجی می دهد. این سیگنال تابعی از مقاومت PT100 است. این سیگنال میلی ولت توسط یک آمپلی فایر ابزار دقیق سه عملیاتی تقویت شده و به تراشه AD ارسال می شود., که کمیت آنالوگ را به کمیت دیجیتال تبدیل می کند و توسط میکروکنترلر خوانده می شود. میکروکنترلر تراشه را از تراشه AD می خواند و برنامه فیلتر را اجرا می کند, تبدیل کمیت دیجیتال پایدار به مقاومت PT100 از طریق محاسبه. سپس میکروکنترلر مدل خطی مناسب مربوطه را با توجه به اندازه مقدار مقاومت انتخاب می کند تا مقدار دمای فعلی را محاسبه کند., و در نهایت داده های دما را روی نمایشگر LCD نمایش دهید.