PT100 lämpövastusanturin lämpötilan mittausjärjestelmä

2-langa, 3-johdin tai 4-johdin Pt100, 500 Pt, Pt1000-anturit ovat korkean tarkkuuden lämpötila-antureita, jotka perustuvat platinaelementteihin, vakautta ja lineaarisuutta, ja niitä käytetään laajalti aloilla, jotka vaativat tarkkaa lämpötilan mittausta. A “PT100 lämpövastuksen lämpötilan mittausjärjestelmä” viittaa järjestelmään, joka käyttää PT100-anturia, eräänlainen vastuslämpötilan ilmaisin (RTD), mittaamaan lämpötilaa havaitsemalla sen sähkövastuksen muutokset, jotka ovat suoraan verrannollisia lämpötilaan; “PT” tarkoittaa platinaa, ja “100” ilmaisee, että anturin vastus on 100 ohmia 0 °C:ssa, joten se on erittäin tarkka ja vakaa menetelmä lämpötilan mittaamiseen laajalla alueella.

Platinavastuksia käytetään laajalti keskilämpötila-alueella (-200～650 ℃). Nykyisessä, markkinoilla on tavallisia lämpötilan mittaavia lämpövastuksia, jotka on valmistettu metalliplatinasta, kuten Pt100, 500 Pt, Pt1000, jne.

Ymmärrä PT100:n toimintaperiaate: PT100 on Pt-vastuksen lämpötila-anturi. Toimintaperiaate perustuu vastuksen lämpövaikutukseen. Sen vastusarvo muuttuu lämpötilan muutoksen myötä. Tämä muutos on lineaarinen. 0℃:ssa, PT100:n vastusarvo on 100 ohmia. Kun lämpötila nousee, myös vastusarvo kasvaa vastaavasti, joten lämpötila voidaan päätellä tarkasti mittaamalla vastusarvo.

Erittäin tarkka 4-johtiminen luokan A PT100 lämpötilanmittausjärjestelmä

2-lanka PT100 platinavastus lämpötilan säätösondin lämpötilan mittausjärjestelmä

3-lanka PT100 lämpövastuksen anturin lämpötilan mittausjärjestelmä

Valitse sopiva kytkentätapa: Yleensä, 2-langa, 3-voidaan käyttää lanka- tai 4-johtimista johdotusmenetelmiä.

Sillan tuoma jännitesignaali

Tärkeimmät kohdat PT100-järjestelmästä:
Anturin periaate:
PT100-anturi on valmistettu platinalangasta, jonka sähkövastus muuttuu ennustettavasti lämpötilan vaihteluiden mukaan.

Mittausmenetelmä:
Kun virta kulkee PT100:n läpi, jännitehäviö anturin yli mitataan, joka muunnetaan sitten lämpötilaksi resistanssin ja lämpötilan välisen tunnetun suhteen perusteella.

Laaja sovellus:
PT100-antureita käytetään yleisesti teollisissa prosesseissa, laboratoriot, ja muihin sovelluksiin, joissa vaaditaan tarkkaa lämpötilan mittausta niiden suuren tarkkuuden ja vakauden vuoksi.

PT100-järjestelmän osat:
PT100 -anturin koetin:
Varsinainen anturielementti, tyypillisesti platinalanka, joka on kiedottu keraamisen ytimen ympärille, joka asetetaan mitattavaan ympäristöön.

Signaalinkäsittelypiirit:
Elektroniikka, joka vahvistaa ja muuntaa pienen resistanssin muutoksen PT100:sta mitattavissa olevaksi jännitesignaaliksi.

Näyttö- tai tiedonkeruujärjestelmä:
Laite, joka näyttää mitatun lämpötilan tai tallentaa tiedot analysointia varten.

PT100-järjestelmän käytön edut:
Korkea tarkkuus:　Pidetään yhtenä tarkimmista saatavilla olevista lämpötila-antureista.
Laaja lämpötila-alue:　Voi mitata lämpötiloja -200°C - 850°C riippuen anturin rakenteesta.
Hyvä lineaarisuus:　Resistanssin ja lämpötilan välinen suhde on hyvin lineaarinen, helpottaa tietojen tulkintaa.
Vakaus:　Platina on erittäin vakaa materiaali, varmistaa johdonmukaiset lukemat ajan mittaan.

Pt100 lämpövastusindeksitaulukko

PT100 platinavastuksen kolme kytkentätapaa ovat periaatteessa erilaisia: 2-johdin ja 3-johdin mitataan siltamenetelmällä, ja lämpötila-arvon ja analogisen lähtöarvon välinen suhde annetaan lopussa. 4-johdolla ei ole siltaa. Se lähetetään kokonaan vakiovirtalähteestä, mitattuna volttimittarilla, ja lopuksi antaa mitatun resistanssiarvon, jota on vaikea ja kallista käyttää.
Koska PT100:lla on pieni vastusarvo ja korkea herkkyys, johtolangan resistanssiarvoa ei voida jättää huomiotta. 3-johtimisella liitännällä voidaan poistaa johdinresistanssista johtuva mittausvirhe.
2-johtimisella järjestelmällä on huono mittaustarkkuus; 3-johdinjärjestelmässä on parempi tarkkuus; 4-johtimisella järjestelmällä on korkea mittaustarkkuus, mutta vaatii enemmän johtoja.

Meidän tarvitsee vain tietää PT100:n lämpötilatila sillan antaman jännitesignaalin perusteella. Kun PT100:n resistanssiarvo ei ole yhtä suuri kuin Rx:n resistanssiarvo, silta antaa paine-erosignaalin, joka on hyvin pieni. Koska lämpötila-anturin lähtösignaali on yleensä erittäin heikko, signaalin muokkaus- ja muunnospiiri tarvitaan sen vahvistamiseksi tai muuntamiseksi helposti siirrettävään muotoon, käsitellä, tallentaa ja näyttää. Pieni muutos mitatussa signaalimäärässä on muutettava sähköiseksi signaaliksi. Kun vahvistetaan DC-signaalia, operaatiovahvistimen itsestään ajautuvaa ja epäsymmetristä jännitettä ei voida jättää huomiotta, kun se kulkee operaatiovahvistimen läpi. Vahvistuksen jälkeen, halutun kokoinen jännitesignaali voidaan lähettää.
Platinavastuksen resistanssiarvo voidaan saada piirilaskelmalla tai yleismittarimittauksella. Kun tiedämme PT100:n resistanssiarvon, voimme mitata ja laskea lämpötilan vastusarvolla.

Käytä asianmukaisia ​​algoritmeja tietojen käsittelyyn: Käytä tunnettua lämpötilan ja vastuksen suhdetta lämpötilan laskemiseen ohjelmoinnin avulla. Ottaen huomioon, että PT100:n resistanssi-lämpötila-suhde on epälineaarinen, erityisesti matalan tai korkean lämpötilan alueilla, monimutkaisempia algoritmeja saatetaan tarvita tarkkuuden parantamiseksi.

Ympäristötekijöiden vaikutus: Ympäristötekijät, kuten sähkömagneettiset häiriöt, voivat vaikuttaa suorituskykyyn, mekaaninen tärinä, ja kosteus.

On olemassa kolme yleistä lämpötilan mittauslaskentamenetelmää:
Lämpötilamittauksen laskentamenetelmä 1:
Kun tarkkaa lämpötilaa ei tarvita, lämpötila nousee 2,5 ℃ jokaista ohmin lisäystä PT100 lämpövastuksen vastuksen arvossa (käytetään matalissa lämpötiloissa). PT100 lämpötila-anturin resistanssiarvo on 100 kun on 0℃, joten likimääräinen lämpötila tällä hetkellä = (PT100 resistanssiarvo -100)*2.5.

Lämpötilamittauksen laskentamenetelmä 2:
Platinavastuksen resistanssiarvon ja lämpötilan välinen suhde

Alueella 0～850℃: Rt = R0(1+At+Bt2);

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

Rt edustaa platinavastuksen resistanssiarvoa lämpötilassa t℃;

R0 edustaa platinavastuksen resistanssiarvoa lämpötilassa 0 ℃;

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

Lämpövastukselle, joka täyttää yllä olevan suhteen, sen lämpötilakerroin on noin 3,9×10-3/℃.

Yllä olevan kaavan kautta, lämpötila voidaan ratkaista tarkasti vastusarvon mukaan, mutta tämän menetelmän suuren laskentamäärän vuoksi, sitä ei suositella tähän kokeeseen.

Lämpötilan laskentamenetelmä kolme:
PT100:lla on hyvä lineaarinen suhde lämpötilaan ja se soveltuu keski- ja matalalämpötilamittauksiin. PT100:n resistanssiarvolla eri lämpötiloissa on yksi-yhteen vastaava mitta-asteikko alla olevan kuvan mukaisesti, joka voi intuitiivisesti näyttää vastaavan suhteen eri lämpötilojen ja PT100:n vastusarvon välillä.
Lämpötila voidaan tietää tarkistamalla vastaava resistanssiarvo PT100-asteikolta.

Pt100 lämpövastuksen asteikko

Tässä artikkelissa suunniteltu PT100-lämpötilan mittauslaite käyttää yleisesti käytettyä edullista nelisuuntaista operaatiovahvistinta LM324 täydentämään laitteen virtalähdepiirin ja kolmen toimintovahvistimen instrumenttivahvistinpiirin suunnittelua..

1.1 Jännitelähdepiiri

Pt100 lämpövastuksen anturin jännitelähdepiiri

Piiri kuvassa 1 on yleinen suhteellinen toimintapiiri. Lineaarisella alueella toimivan ihanteellisen operaatiovahvistimen analyysin mukaan, virtuaalisen lyhyen ja virtuaalisen tauon periaatteen mukaisesti, se saadaan:

Wheatstonen sillan laskentapiirikaava

​, silloin suljetun silmukan jännitteenvahvistuskerroin on 2 kertaa, ja sitten saadaan V= 10V, ja sitä käytetään Wheatstonen siltapiirin vakaana virtalähteenä.

1.2 Kolmijohtiminen Wheatstone-sillan ja PT100:n liitäntä.
Yllä oleva kuva on Wheatstonen silta. Sillan tasapainon ehtona on, että pisteiden B ja D potentiaalit ovat yhtä suuret. Siis kun silta on tasapainossa, niin kauan kuin R1, R2 (yleensä kiinteät arvot) ja R0 (yleensä säädettävät arvot) luetaan, mitattava resistanssi Rx voidaan saada. R1/R2 = M, soitti “kerroin”.

Wheatstonen silta ja PT100 kolmijohtiminen liitäntämenetelmä

PT100 lämpötilan mittausperiaatteen mukaan, PT100:n resistanssiarvo on tiedettävä oikein, mutta vastusarvoa ei voi mitata suoraan, joten muunnospiiri tarvitaan. Resistanssiarvo muunnetaan jännitesignaaliksi, jonka mikro-ohjain pystyy havaitsemaan”. Wheatstonen siltapiiri on instrumentti, joka voi mitata resistanssin oikein. Kuten kuvassa on esitetty 2, R1, R2, R3, ja R4 ovat vastaavasti sen siltavarsia. Kun silta on tasapainossa, R1xR3=R2xR4 on tyytyväinen. Kun silta on epätasapainossa, pisteiden a ja b välillä on jännite-ero. Pisteiden a ja b jännitteen mukaan, vastaava vastus voidaan laskea. Tämä on periaate resistanssin mittaamisesta epätasapainoisella sillalla:

PT100 kolmijohtiminen piirikytkentämenetelmä

Itse asiassa, PT100:n pienen vastuksen ja suuren herkkyyden vuoksi, johtolangan vastus aiheuttaa virheitä. Siksi, kolmijohtimista liitäntämenetelmää käytetään usein teollisuudessa tämän virheen poistamiseksi. Kuten kuvan katkoviivassa näkyy 2, lyijylangan resistanssiarvo on yhtä suuri ja on r. Tällä hetkellä, sillan käsivarret ovat R, R, R+2r, ja Rt+2r. Kun silta on tasapainossa: R2. (R1+2r) =R1.(R3+2r), selvitetty: Rt = R1R3/R2+2R1r/R2- 2r. Analyysi osoittaa, että kun R1 = R2, langan resistanssin muutos ei vaikuta mittaustulokseen.

1.3 Kolmen toimintovahvistimen instrumentointivahvistinpiiri
Kun lämpötila muuttuu välillä 0 ℃ ~ 100 ℃, PT100:n resistanssi muuttuu suunnilleen lineaarisesti välillä 100Ω ~ 138,51Ω. Yllä olevan siltapiirin mukaan, silta on tasapainotettu 0℃:ssa, joten sillan lähtöjännitteen teoreettisen arvon pitäisi olla 0 V, ja kun lämpötila on 100 ℃, sillan lähtö on: Uab = U7x(R1/(R1 + R2)-R3/(R2 + R3)), eli, Uab = 10x(138.51/(10000 + 138.51)-100/(10000 + 100)) =0,037599V. Koska tämä on millivolttisignaali, tätä jännitettä on vahvistettava, jotta se voidaan havaita AD-sirun avulla.

Kuten kuvassa on esitetty 3, instrumentointivahvistin on laite, joka vahvistaa pieniä signaaleja meluisassa ympäristössä. Sillä on useita etuja, kuten alhainen ajautuminen, alhainen virrankulutus, korkea yhteisen tilan hylkäyssuhde, laaja virtalähdevalikoima ja pieni koko. Se käyttää pienten differentiaalisignaalien ominaisuuksia päällekkäin suurempien yhteismuotoisten signaalien kanssa, joka voi poistaa yhteismoodin signaaleja ja vahvistaa differentiaalisignaaleja samanaikaisesti. Normaalin kolmen toimintovahvistimen instrumentointivahvistinpiirin lähtöjännite on, tässä R8=R10 =20 kΩ, R9=R11=20 kΩ, R4=R7=100kΩ, joka voi vahvistaa tulojännitesignaalia noin 150 kertaa, niin, että sillan teoreettinen lähtöjännite voidaan vahvistaa 0 ~2,34 V. Mutta tämä on vain teoreettinen arvo. Varsinaisessa prosessissa, on monia tekijöitä, jotka voivat aiheuttaa vastustuskyvyn muutoksia. Siksi, R3 voidaan korvata tarkasti säädettävällä vastuksella piirin nollauksen helpottamiseksi.

PT100 anturin kolmitoimivahvistimen instrumenttivahvistinpiiri

2. Ohjelmiston suunnittelu

2.1 Pienimmän neliösumman menetelmä ja PT100 lineaarinen sovitus

Lämpötila-alueella 0℃≤t≤850℃, Pt100-vastuksen ja lämpötilan välinen suhde on: R = 100 (1 +At+Bt2), jossa A = 3,90802x 10-3; B=- -5.80x 10-7; C = 4,2735 x 10-12

Voidaan nähdä, että PT100:n vastus ja lämpötila eivät ole absoluuttinen lineaarinen suhde vaan paraabeli. Siksi, jos t aiotaan poimia, tarvitaan neliöjuurioperaatio, joka tuo käyttöön monimutkaisemman toimintotoiminnan ja vie suuren määrän yksisiruisen mikrotietokoneen CPU-resursseja. Tämän ongelman ratkaisemiseksi, voimme käyttää pienimmän neliösumman menetelmää lämpötilan ja vastuksen välisen suhteen sovittamiseksi lineaarisesti. ” Pienimmän neliösumman käyrän sovitus on yleinen menetelmä kokeellisessa tietojenkäsittelyssä. Sen periaate on löytää polynomifunktio, joka minimoi alkuperäisen datan neliövirheiden summan.

2.2 AD digitaalinen muunnoslämpötila
PT100:n lämpötilan mittausperiaate on saada lämpötila-arvo sen vastusarvon perusteella, joten lämpövastuksen resistanssiarvo on määritettävä ensin. Laitepiirin mukaan, suhde siltapiirin lähtöjännitteen Uab ja operaatiovahvistimen instrumenttivahvistinpiirin lähtöjännitteen Uad välillä on: Uad = Uab. Auf Koska järjestelmä käyttää 12-bittistä AD-sirua, digitaalisen suuren ja analogisen suuren välinen suhde on: Uad/AD=5/4096. Sillan lähtöjännitteen ja digitaalisen suuren AD välinen suhde saadaan yhdistämällä kaksi edellistä yhtälöä, eli, Uad/AD=5/(4096Päällä). Sitten, se korvataan sillan lähtöjännitelausekkeella Uab= U7x (RT/ (R1+Rt) -R3/ (R2+R3) ), ja Rr:n ja digitaalisen suuren AD lauseke voidaan saada. Ratkaisu on:

AD digitaalinen muunnoslämpötilakaava

Kun tiedät PT100:n resistanssiarvon, vastaava lämpötila-arvo voidaan saada kappaleen lineaarisen sovitusyhtälön mukaisesti 2.1.

2.3 Yksisiruinen digitaalinen suodatus
PT100:n lämpötilan mittaustarkkuuden parantamiseksi, ohjelmiston ohjelmointiin voidaan lisätä digitaalinen suodatusohjelma, joka ei vaadi laitteistopiirien lisäämistä ja voi parantaa järjestelmän vakautta ja luotettavuutta. Yksisiruisessa mikrotietokonesovellusjärjestelmässä on monia suodatusmenetelmiä. Kun teet tiettyä valintaa, suodatusmenetelmän ja sovellettavien kohteiden edut ja haitat tulee analysoida ja verrata, sopivan suodatustavan valitsemiseksi. Mediaanikeskiarvosuodatusmenetelmän algoritmi on kerätä ensin jatkuvasti N dataa, poista sitten minimi- ja maksimiarvo, ja lopuksi laskea jäljellä olevien tietojen aritmeettinen keskiarvo. Tämä suodatusmenetelmä soveltuu hitaasti muuttuvien parametrien mittaamiseen, kuten lämpötila, ja voi tehokkaasti vähentää satunnaisten tekijöiden tai näytteenottimen epävakauden aiheuttamien virheiden aiheuttamia häiriöitä.

Järjestelmän työprosessi:
Kun mitattavan kohteen lämpötila muuttuu, PT100:n vastus muuttuu, ja Wheatstonen silta lähettää vastaavan jännitesignaalin. Tämä signaali on PT100:n vastuksen funktio. Tämä millivolttisignaali vahvistetaan kolmen toimintovahvistimen instrumentointivahvistimella ja lähetetään AD-sirulle, joka muuntaa analogisen suuren digitaaliseksi suureksi ja lukee sen mikro-ohjaimella. Mikrokontrolleri lukee sirun AD-sirulta ja suorittaa suodatusohjelman, vakaan digitaalisen suuren muuntaminen PT100:n resistanssiksi laskennan avulla. Sitten mikro-ohjain valitsee vastaavan sovitetun lineaarimallin resistanssiarvon koon mukaan laskeakseen nykyisen lämpötila-arvon, ja lopuksi näytä lämpötilatiedot LCD-näytöllä.