Lämpötilan hankinta 2, 3, ja 4-johtimiset PT100 lämpötila-anturit

Artikkeli esittelee kuinka 2, 3, ja 4-johtiminen PT100-anturit muunnetaan jännitesignaaleiksi resistanssimuutoksilla, ja vakiovirtalähdettä käytetään suojaamaan anturia ja varmistamaan signaalin muuntamisen tarkkuus. PT100-anturi saa lämpötilan mittaamalla sen sähkövastuksen muutosta, joka korreloi suoraan lämpötilaan, jolle se altistuu; kun lämpötila nousee, myös anturin sisällä olevan platinaelementin vastus kasvaa, mahdollistaa tarkan lämpötilan laskemisen tämän vastuksen muutoksen perusteella; olennaisesti, the “100” PT100:ssa tarkoittaa, että anturin vastus on 100 ohmia 0°C:ssa, ja tämä arvo muuttuu ennustettavasti lämpötilan vaihteluiden myötä. MCP604-operaatiovahvistimen käyttö piirisuunnittelussa korostaa sen ominaisuuksien, kuten alhaisen tulooffset-jännitteen ja bias-virran vaikutusta tarkkuuteen.. Ohjelmistokalibrointia käytetään parantamaan piirisuunnittelun tarkkuutta, välttää fyysisen säätämisen aiheuttamat haitat. Lopuksi, artikkeli antaa suhdekaavan lämpötilan ja platinavastusarvon välillä, jota käytetään lämpötila-arvon laskemiseen.

2-johtimisen PT100 lämpötila-anturin lämpötilan mittausrakenne

Kiinan mukautetun 3-johtimisen PT100-lämpötila-anturin lämpötilan hankinta

4-johtimisen PT100 lämpötila-anturin lämpötilan mittaus

Tärkeimmät kohdat PT100-lämpötilan mittauksesta:
Resistanssilämpötilan ilmaisin (RTD):
PT100 on eräänlainen RTD, tarkoittaa, että se mittaa lämpötilaa havaitsemalla muutoksia sen sähkövastuksessa.
Platina elementti:
PT100:n anturielementti on valmistettu platinasta, jolla on erittäin vakaa ja lineaarinen suhde vastuksen ja lämpötilan välillä.
Mittausprosessi: Anturi sijoitetaan ympäristöön, jossa lämpötila on mitattava.
Platinaelementin resistanssi mitataan käyttämällä erityistä elektronista piiriä.
Mitattu resistanssiarvo muunnetaan sitten lämpötilaksi käyttämällä matemaattista kaavaa, joka perustuu platinan tunnettuun lämpötilakertoimeen.

PT100-anturien edut:
Korkea tarkkuus: Pidetään yhtenä tarkimmista saatavilla olevista lämpötila-antureista platinan vakaan käyttäytymisen vuoksi.
Laaja lämpötila-alue:　Voi mitata lämpötiloja -200°C - 850°C riippuen anturin rakenteesta.
Hyvä lineaarisuus: Resistanssin ja lämpötilan välinen suhde on suhteellisen lineaarinen, yksinkertaistaa tietojen tulkintaa.

Tärkeitä huomioita:
Kalibrointi: Tarkkojen mittausten varmistamiseksi, PT100-anturit on kalibroitava säännöllisesti vertailustandardia vastaan.
Lyijylangan vastus: Liitosjohtojen resistanssi voi vaikuttaa mittaustarkkuuteen, joten lyijylangan kompensoinnin asianmukainen harkinta on usein tarpeen.
Soveltuvuus: Vaikka erittäin tarkka, PT100-anturit eivät välttämättä sovellu erittäin ankariin ympäristöihin tai sovelluksiin, jotka vaativat erittäin nopeita vasteaikoja.

1. Signaalin hankinnan perusperiaatteet
PT100 muuntaa lämpötilasignaalit vastuslähdöiksi, ja sen vastusarvo vaihtelee 0 200Ω asti. AD-muunnin voi muuntaa vain jännitteen, eikä se voi kerätä lämpötilaa suoraan. Siksi, 1 mA:n vakiovirtalähde tarvitaan PT100:n syöttämiseen ja vastuksen muutosten muuntamiseen jännitteen muutoksiksi. Vakiovirtalähteen käytön etuna on, että se voi pidentää anturin käyttöikää. Koska tulosignaalin alue on 0 200mV asti, signaali on vahvistettava ja sitten AD-muunnettava sähköisen signaalidatan saamiseksi.

Syitä olla käyttämättä vakiojännitelähdesuunnittelua:

Jos virtalähteenä käytetään vakiojännitelähdettä, ja sitten vastus ja PT100 kytketään sarjaan, ja jännite jaetaan, on ongelma. Kun PT100:n vastus on liian pieni, PT100:n läpi kulkeva virta on liian suuri, mikä johtaa lyhyempään anturin käyttöikään.

2. Operaatiovahvistin käyttää MCP604:ää
MCP604:n ominaisuudet:
1) Jännitealue on 2,7-6,0 V
2) Lähtö on Rail-to-Rail
3) Käyttölämpötila-alue: -40°C - +85 °C
4) Tulon offset-jännite on ±3 mV, Tyypillinen arvo on 1mV, korkea herkkyys.
5) Tulon bias-virta on 1pA, kun TA = +85°C, I = 20 pA, parantaa hankinnan tarkkuutta.
6) Lineaarinen lähtöjännitteen heilahdus: VSS+0.1 ~ VDD–0.1, yksikkö on V.

Kun virtalähteen jännite on 3,3V, lineaarinen lähtöjännitteen heilahdus on 0,1 ~ 3,2 V. Sen varmistamiseksi, että vahvistettu signaali toimii lineaarisella alueella, kun VDD = 3,3V, asetimme MCP604-lähtöjännitteen pysymään arvossa: 0.5V ~ 2,5 V operaatiovahvistinpiirin suunnittelun vaatimusten täyttämiseksi.

Analogisen elektroniikkakirjan operaatiovahvistin on ihanteellinen operaatiovahvistin, joka eroaa varsinaisesta vahvistimesta. Siksi, on tarpeen harkita “tulooffset jännite”, “tulo bias virta” ja “lineaarinen lähtöjännitteen heilahdus” suunniteltaessa.

3. Piirikaavio
Kuvan R11 on bias-piiri estämään differentiaalivahvistimen lähdön viimeistä vaihetta saturaatiosäröltä.
1) Valitse sopiva vahvistuskerroin lähtövirheen vähentämiseksi. Tulon offset-jännitteen olemassaolon vuoksi, kun vahvistuskerroin kasvaa, myös lähtövirhe kasvaa, jotka on otettava huomioon suunnittelussa.
2) Tämän piirin vahvistuskerroin on 10. Olettaen, että tyypillinen tulooffset-jännite on 3 mV, jos tulosignaali muuttuu 5 mV:ksi, 2mV ei vahvistu, joka tuottaa 20mV ulostulovirheen.

PT100 lämpötilailmaisimen käyttövahvistin MCP604-piirikaaviolla

Vo4 = (Vin1 – Vref)*10
I = 1 mA, Vref = Vo3 = 1,65 V
1.7V<=Vin<= 1,9 V, 1.7V<=V02<=1.9
1.8V<=Vo1<= 2V, varmista, että operaatiovahvistin toimii lineaarisella alueella, tämä on erittäin tärkeää
0.5V<=Vo4<= 2,5V, varmista, että operaatiovahvistin toimii lineaarisella alueella, siksi tarvitaan 50Ω sarjassa.

Kun tulovastus muuttuu 1Ω, Vout muuttuu 10mV. Koska MCP604:n tulokompensointijännite on ±3 mV, kun muutos on 0,3333Ω, tulee muutos 3,333 mV, ja hankintaherkkyys on korkea.
Kun 0<=Rin<=200Ω tulo, koska silmukka on kytketty sarjaan 50Ω:n kanssa, 50Voi<=Rx<= 250Ω
Vin1 – Vref = Rx*0,001, yksikkö A

4. Ohjelmiston kalibrointi
Uudet insinöörit yrittävät aina parantaa vastusten tarkkuutta, mutta virhe on silti suuri. Jotkut insinöörit käyttävät yksinkertaisesti jatkuvasti säädettäviä vastuksia, säätää vastusarvojaan, ja käytä yleismittareita, jotta tulos vastaa siirtosuhdetta. Tämä tarkkuus näyttää paranevan, mutta se ei ole kätevä tuotantoon, ja PCB-suunnittelun vaikeus lisääntyy myös. Vaikka virheenkorjaus on tehty, jos säätöruuvia kosketetaan käsin, se voi aiheuttaa virheitä. Ainoa tapa on käyttää kiinteitä vastuksia tuotannossa ja käyttää ohjelmistoja tarkan kalibroinnin saavuttamiseksi.
1) Kun Rin=0, lue jännitearvo ja kirjaa se V50:ksi. Säästä V50, se ei muutu PT100:n resistanssiarvon muutoksen myötä, koska se saa virtansa vakiovirtalähteestä.
2) Kytke nimellisvastus, olkoon Rs = 100Ω, lue jännitearvo ja tallenna se V150:ksi. Säästä V150, jännitearvo, joka luetaan lämpötilan ollessa 0.
3) Laske nykyinen vahvistuskerroin: Io = (V150 – V50) / Rs; pelasta Minut, se tarkoittaa, että kalibrointi on tehty.
4) Kun tulovastus on R, lukema jännite on Vo, sitten R = (Vo- V50) / Io
Yllä olevan kuvauksen kautta, ohjelmiston kalibroinnilla on suuria etuja, ei vain kätevää tuotantoa, mutta myös korkea tarkkuus. Tarkkuuden parantamiseksi, lähtöjännite voidaan myös jakaa useaan aikaväliin, kalibroitu erikseen, ja eri Io voidaan saada, jotta ulostulon lineaarisuus on parempi. Nämä ajatukset näkyvät suunnittelussani.

OP AMP MCP604 piirisuunnittelu

5. Laske lämpötila
Kun lämpötila on alle 0,
R0*C*t^4 – 100R0*C*t^3 + R0*B*t^2 + R0*A*t + R0 – Rt = 0
Kun lämpötila on suurempi tai yhtä suuri kuin 0, Rt=R0*(1+A*t+B*t*t)
Kuvaus:
Rt on platinavastuksen resistanssiarvo t℃:ssä
R0 on platinavastuksen resistanssiarvo 0℃ 100Ω
A = 3,9082 × 10^-3
B = -5,80195 × 10^-7
C = -4,2735 × 10^-12

6. Pt100 lämpötila-anturi
Pt100 lämpötila-anturi on positiivinen lämpötilakerroin termistorianturi, ja sen tärkeimmät tekniset parametrit ovat seuraavat:
1) Mittauslämpötila-alue: -200℃ ~ +850 ℃;
2) Sallittu poikkeamaarvo Δ℃: Arvosana A ±(0.15+0.002|t|), Arvosana B ±(0.30+0.005|t|);
3) Pienin asennussyvyys: Lämpövastuksen vähimmäissyvyys on ≥200 mm;
4) Sallittu virta: < 5mA;
5) Pt100 lämpötila-anturin etuna on myös tärinänkestävyys, hyvä vakaus, korkea tarkkuus, ja korkea paine. Platinalämpövastuksen lineaarisuus on hyvä. Kun vaihdat välillä 0 ja 100 celsiusastetta, suurin epälineaarinen poikkeama on alle 0,5 ℃;
Kun lämpötila < 0, R0*C*t^4 – 100R0*C*t^3 + R0*B*t^2 + R0*A*t + R0 – Rt = 0
Kun lämpötila ≥ 0, Rt = R0*(1+A*t+B*t*t)
Yllä olevan suhteen mukaan, likimääräinen vastusalue on: 18Ω ~ 390,3 Ω, -197℃ on 18Ω, 850Ω on 390,3 Ω;
Kuvaus:
Rt on platinavastuksen resistanssiarvo t℃:ssä, R0 on platinavastuksen resistanssiarvo lämpötilassa 0 ℃, 100Voi
A = 3,9082 × 10^-3, B = -5,80195 × 10^-7, C = -4,2735 × 10^-12
PT100 platinametallilämpötila-anturin käyttöohje
6) Piirin suunnittelu
7) PT100:n lämpötilan ja vastuksen välinen suhde
PT100 lämpötila ja vastus täyttävät seuraavan yhtälön:
Kun lämpötila ≤0, R0*C*t^4 – 100*R0*C*t^3 + R0*B*t^2 + R0*A*t + R0 – Rt = 0
Kun lämpötila ≥0, R0*B*t^2 + R0*A*t + R0 – Rt = 0

PT100 lämpötilan ja vastuksen vertailutaulukko

Kuvaus:
Rt on platinavastuksen resistanssiarvo t℃:ssä, R0 on platinavastuksen resistanssiarvo lämpötilassa 0 ℃, 100Voi
A = 3,9082 × 10^-3, B = -5,80195 × 10^-7, C = -4,2735 × 10^-12

1. Laskennan helpottamiseksi, kun lämpötila on ≤0, anna:
double a=R0*C*100000=100*(-4.2735×10^-12)*100000= -4,2735/100000
tupla b=–100*R0*C*100000=-100*100*(-4.2735×10^-12)*100000=4,2735/1000
tupla c= R0*B*100000=100*(-5.80195×10^-7)*100000=-5,80195
kaksinkertainen d=R0*A*100000=100*(3.9082×10^-3)*100000=39082
tupla e= (100-Rt)*100000
Kun lämpötila ≤ 0, a*t^4 + b*t^3 + c*t^2 + d*t + e=0
missä x3 on PT100:n liuos, kun se on alle 0 ℃.

2. Laskennan helpottamiseksi, kun lämpötila on suurempi tai yhtä suuri kuin 0
double a= R0*B*100000=100*(-5.80195×10^-7)*100000=-5,80195
tupla b=R0*A*100000=100*(3.9082×10^-3)*100000=39082
tupla c= (100-Rt)*100000
Kun lämpötila on ≥0, a*t^2 + b*t + c = 0
t = [ SQRT( b*b – 4*a*c )-b ] / 2 / a
19.785Ω vastaa -197 ℃, nestemäisen typen lämpötila
18.486Ω vastaa -200 ℃
96.085Ω vastaa -10 ℃
138.505Ω vastaa 100 ℃
175.845Ω vastaa 200 ℃
247.045Ω vastaa 400 ℃