पीटी100 थर्मल प्रतिरोध सेंसर का तापमान मापन प्रणाली

2-तार, 3-तार या 4-तार Pt100, पीटी500, पीटी1000 सेंसर उच्च सटीकता वाले प्लैटिनम तत्वों पर आधारित तापमान सेंसर हैं, स्थिरता और रैखिकता, और उन क्षेत्रों में व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है जिनके लिए सटीक तापमान माप की आवश्यकता होती है. ए “PT100 थर्मल अवरोधक तापमान माप प्रणाली” एक ऐसे सिस्टम को संदर्भित करता है जो PT100 सेंसर का उपयोग करता है, एक प्रकार का प्रतिरोध तापमान डिटेक्टर (आरटीडी), इसके विद्युत प्रतिरोध में परिवर्तन का पता लगाकर तापमान को मापना जो तापमान के सीधे आनुपातिक हैं; “पीटी” प्लैटिनम के लिए खड़ा है, और “100” इंगित करता है कि सेंसर का प्रतिरोध है 100 0°C पर ओम इसे व्यापक रेंज में तापमान माप के लिए अत्यधिक सटीक और स्थिर तरीका बनाता है.

मध्यम तापमान रेंज में प्लैटिनम प्रतिरोधकों का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है (-200～650℃). वर्तमान में, बाजार में धातु प्लैटिनम से बने मानक तापमान मापने वाले थर्मल प्रतिरोधक उपलब्ध हैं, जैसे पीटी100, पीटी500, पीटी1000, वगैरह.

पीटी100 के कार्य सिद्धांत को समझें: PT100, Pt रेसिस्टर का एक तापमान सेंसर है. कार्य सिद्धांत प्रतिरोधक के तापीय प्रभाव पर आधारित है. इसका प्रतिरोध मान तापमान परिवर्तन के साथ बदलता रहता है. यह परिवर्तन रैखिक है. 0℃ पर, PT100 का प्रतिरोध मान है 100 ओम. जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, प्रतिरोध मान भी तदनुसार बढ़ता है, इसलिए प्रतिरोध मान को मापकर तापमान का सटीक अनुमान लगाया जा सकता है.

उच्च परिशुद्धता 4-तार क्लास ए पीटी100 तापमान माप प्रणाली

2-तार PT100 प्लैटिनम प्रतिरोध तापमान नियंत्रण जांच तापमान माप प्रणाली

3-तार PT100 थर्मल प्रतिरोधी सेंसर तापमान माप प्रणाली

उपयुक्त वायरिंग विधि चुनें: आम तौर पर, 2-तार, 3-तार या 4-तार वायरिंग विधियों का उपयोग किया जा सकता है.

पुल द्वारा वोल्टेज सिग्नल आउटपुट

PT100 प्रणाली के बारे में मुख्य बातें:
सेंसर सिद्धांत:
PT100 सेंसर एक प्लैटिनम तार से बना है जिसका विद्युत प्रतिरोध तापमान में उतार-चढ़ाव के साथ अनुमानित रूप से बदलता है.

मापन विधि:
जब PT100 से करंट प्रवाहित किया जाता है, सेंसर में वोल्टेज ड्रॉप को मापा जाता है, जिसे फिर प्रतिरोध और तापमान के बीच ज्ञात संबंध के आधार पर तापमान में परिवर्तित किया जाता है.

व्यापक अनुप्रयोग:
PT100 सेंसर आमतौर पर औद्योगिक प्रक्रियाओं में उपयोग किए जाते हैं, प्रयोगशालाएं, और अन्य अनुप्रयोग जहां उनकी उच्च सटीकता और स्थिरता के कारण सटीक तापमान माप की आवश्यकता होती है.

PT100 प्रणाली के घटक:
PT100 सेंसर जांच:
वास्तविक संवेदन तत्व, आमतौर पर एक प्लैटिनम तार जो सिरेमिक कोर के चारों ओर लपेटा जाता है, जिसे मापने के लिए पर्यावरण में डाला जाता है.

सिग्नल कंडीशनिंग सर्किटरी:
इलेक्ट्रॉनिक्स जो पीटी100 से छोटे प्रतिरोध परिवर्तन को मापने योग्य वोल्टेज सिग्नल में बढ़ाते और परिवर्तित करते हैं.

प्रदर्शन या डेटा अधिग्रहण प्रणाली:
वह उपकरण जो मापा गया तापमान प्रदर्शित करता है या विश्लेषण के लिए डेटा संग्रहीत करता है.

PT100 प्रणाली का उपयोग करने के लाभ:
उच्च सटीकता:　उपलब्ध सबसे सटीक तापमान सेंसरों में से एक माना जाता है.
विस्तृत तापमान सीमा:　सेंसर डिज़ाइन के आधार पर -200°C से 850°C तक तापमान माप सकता है.
अच्छी रैखिकता:　प्रतिरोध और तापमान के बीच का संबंध बहुत रैखिक है, आसान डेटा व्याख्या के लिए बनाना.
स्थिरता:　प्लैटिनम एक बहुत ही स्थिर सामग्री है, समय के साथ लगातार रीडिंग सुनिश्चित करना.

पीटी100 थर्मल प्रतिरोध अनुक्रमण तालिका

PT100 प्लैटिनम रेसिस्टर की तीन वायरिंग विधियाँ सिद्धांत रूप में भिन्न हैं: 2-तार और 3-तार को ब्रिज विधि द्वारा मापा जाता है, और तापमान मान और एनालॉग आउटपुट मान के बीच संबंध अंत में दिया गया है. 4-तार का कोई पुल नहीं है. यह पूरी तरह से निरंतर चालू स्रोत द्वारा भेजा जाता है, वोल्टमीटर द्वारा मापा जाता है, और अंत में मापा गया प्रतिरोध मान देता है, जिसका उपयोग करना कठिन और महंगा है.
क्योंकि PT100 का प्रतिरोध मान छोटा और संवेदनशीलता उच्च है, लीड तार के प्रतिरोध मान को नजरअंदाज नहीं किया जा सकता है. 3-तार कनेक्शन का उपयोग लीड लाइन प्रतिरोध के कारण होने वाली माप त्रुटि को समाप्त कर सकता है.
2-तार प्रणाली में माप सटीकता खराब है; 3-तार प्रणाली में बेहतर सटीकता है; 4-तार प्रणाली में उच्च माप सटीकता है, लेकिन अधिक तारों की आवश्यकता है.

हमें केवल ब्रिज द्वारा वोल्टेज सिग्नल आउटपुट के आधार पर पीटी100 की तापमान स्थिति जानने की जरूरत है. जब PT100 का प्रतिरोध मान Rx के प्रतिरोध मान के बराबर नहीं है, पुल एक विभेदक दबाव संकेत का उत्पादन करता है, जो बहुत छोटा है. चूंकि तापमान सेंसर का आउटपुट सिग्नल आमतौर पर बहुत कमजोर होता है, इसे बढ़ाने या इसे ऐसे रूप में परिवर्तित करने के लिए एक सिग्नल कंडीशनिंग और रूपांतरण सर्किट की आवश्यकता होती है जो संचारित करना आसान हो, प्रक्रिया, रिकॉर्ड करें और प्रदर्शित करें. मापी गई सिग्नल मात्रा में मामूली बदलाव को विद्युत सिग्नल में परिवर्तित करने की आवश्यकता होती है. डीसी सिग्नल को प्रवर्धित करते समय, ऑप amp से गुजरते समय ऑप amp के स्व-बहाव और असंतुलित वोल्टेज को नजरअंदाज नहीं किया जा सकता है. प्रवर्धन के बाद, वांछित आकार का वोल्टेज सिग्नल आउटपुट किया जा सकता है.
प्लैटिनम अवरोधक का प्रतिरोध मान सर्किट गणना या मल्टीमीटर माप द्वारा प्राप्त किया जा सकता है. जब हम PT100 का प्रतिरोध मान जानते हैं, हम प्रतिरोध मान द्वारा तापमान को माप और गणना कर सकते हैं.

डेटा प्रोसेसिंग के लिए उपयुक्त एल्गोरिदम का उपयोग करें: प्रोग्रामिंग के माध्यम से तापमान की गणना करने के लिए ज्ञात तापमान और प्रतिरोध संबंध का उपयोग करें. यह मानते हुए कि PT100 का प्रतिरोध-तापमान संबंध अरेखीय है, विशेष रूप से कम या उच्च तापमान वाले क्षेत्रों में, सटीकता में सुधार के लिए अधिक जटिल एल्गोरिदम की आवश्यकता हो सकती है.

पर्यावरणीय कारकों का प्रभाव: विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप जैसे पर्यावरणीय कारकों से प्रदर्शन प्रभावित हो सकता है, यांत्रिक कंपन, और नमी.

तीन सामान्य तापमान माप गणना विधियाँ हैं:
तापमान माप गणना विधि 1:
जब सटीक तापमान की आवश्यकता नहीं होती है, PT100 थर्मल रेसिस्टर के प्रतिरोध मान में प्रत्येक ओम वृद्धि के लिए तापमान 2.5℃ बढ़ जाएगा (कम तापमान पर उपयोग किया जाता है). PT100 तापमान सेंसर का प्रतिरोध मान है 100 जब यह 0℃ हो, अतः इस समय अनुमानित तापमान = (पीटी100 प्रतिरोध मान-100)*2.5.

तापमान माप गणना विधि 2:
प्लैटिनम अवरोधक के प्रतिरोध मान और तापमान के बीच संबंध

0～850℃ की रेंज में: आरटी=आर0(1+एटी+बीटी2);

-200～0℃ की रेंज में: आरटी=आर0[1+पर+Bt2+C(टी 100)3];

Rt तापमान t℃ पर प्लैटिनम अवरोधक के प्रतिरोध मान का प्रतिनिधित्व करता है;

R0 0℃ तापमान पर प्लैटिनम अवरोधक के प्रतिरोध मान का प्रतिनिधित्व करता है;

ए, बी, C स्थिरांक हैं, ए=3.96847×10-3/℃; बी=-5.847×10-7/℃; सी=-4.22×10-12/℃;

थर्मल अवरोधक के लिए जो उपरोक्त संबंध को पूरा करता है, इसका तापमान गुणांक लगभग 3.9×10-3/℃ है.

उपरोक्त सूत्र के माध्यम से, प्रतिरोध मान के अनुसार तापमान का सटीक समाधान किया जा सकता है, लेकिन इस विधि की गणना की मात्रा अधिक होने के कारण, यह इस प्रयोग के लिए अनुशंसित नहीं है.

तापमान गणना विधि तीन:
PT100 का तापमान के साथ अच्छा रैखिक संबंध है और यह मध्यम और निम्न तापमान तापमान माप के लिए उपयुक्त है. विभिन्न तापमानों पर PT100 के प्रतिरोध मान में एक-से-एक संबंधित माप पैमाने होते हैं जैसा कि नीचे दिए गए चित्र में दिखाया गया है, जो विभिन्न तापमानों और PT100 के प्रतिरोध मान के बीच संबंधित संबंध को सहजता से प्रदर्शित कर सकता है.
तापमान को PT100 स्केल के माध्यम से संबंधित प्रतिरोध मान की जांच करके जाना जा सकता है.

Pt100 थर्मल रेसिस्टर स्केल

इस पेपर में डिज़ाइन किया गया PT100 तापमान मापने वाला उपकरण डिवाइस पावर सप्लाई सर्किट और तीन-ऑप-एम्प उपकरण एम्पलीफायर सर्किट के डिजाइन को पूरा करने के लिए आमतौर पर इस्तेमाल किए जाने वाले कम लागत वाले चार-तरफा परिचालन एम्पलीफायर LM324 का उपयोग करता है।.

1.1 वोल्टेज स्रोत सर्किट

Pt100 थर्मल रेसिस्टर सेंसर वोल्टेज सोर्स सर्किट

चित्र में सर्किट 1 एक सामान्य आनुपातिक परिचालन सर्किट है. रैखिक क्षेत्र में काम करने वाले आदर्श परिचालन एम्पलीफायर के विश्लेषण के अनुसार, वर्चुअल शॉर्ट और वर्चुअल ब्रेक के सिद्धांत के अनुसार, यह प्राप्त होता है:

व्हीटस्टोन ब्रिज गणना सर्किट सूत्र

​, तब बंद-लूप वोल्टेज प्रवर्धन कारक है 2 टाइम्स, और फिर V= 10V प्राप्त होता है, और इसका उपयोग व्हीटस्टोन ब्रिज सर्किट के स्थिर बिजली आपूर्ति वोल्टेज के रूप में किया जाता है.

1.2 व्हीटस्टोन ब्रिज और PT100 का तीन-तार कनेक्शन.
उपरोक्त आकृति एक व्हीटस्टोन पुल है. पुल के संतुलित होने की शर्त यह है कि बिंदु B और D की क्षमताएँ बराबर हों. तो जब पुल संतुलित होता है, जब तक R1, आर2 (आमतौर पर निश्चित मान) और R0 (आमतौर पर समायोज्य मूल्य) पढ़े जाते हैं, मापा जाने वाला प्रतिरोध Rx प्राप्त किया जा सकता है. आर1/आर2=एम, बुलाया “गुणक”.

व्हीटस्टोन ब्रिज और PT100 तीन-तार कनेक्शन विधि

PT100 तापमान माप सिद्धांत के अनुसार, PT100 के प्रतिरोध मान को सही ढंग से जानने की आवश्यकता है, लेकिन प्रतिरोध मान को सीधे मापा नहीं जा सकता, इसलिए एक रूपांतरण सर्किट की आवश्यकता है. प्रतिरोध मान को वोल्टेज सिग्नल में परिवर्तित किया जाता है जिसे माइक्रोकंट्रोलर द्वारा पता लगाया जा सकता है”. व्हीटस्टोन ब्रिज सर्किट एक उपकरण है जो प्रतिरोध को सही ढंग से माप सकता है. जैसा कि चित्र में दिखाया गया है 2, आर 1, आर2, आर3, और R4 क्रमशः इसकी ब्रिज भुजाएँ हैं. जब पुल संतुलित हो, R1xR3=R2xR4 संतुष्ट है. जब पुल असंतुलित हो जाता है, बिंदु a और b के बीच वोल्टेज अंतर होगा. बिंदु a और b के वोल्टेज के अनुसार, संगत प्रतिरोध की गणना की जा सकती है. यह असंतुलित पुल के साथ प्रतिरोध को मापने का सिद्धांत है:

PT100 तीन-तार सर्किट कनेक्शन विधि

वास्तव में, PT100 के छोटे प्रतिरोध और उच्च संवेदनशीलता के कारण, लीड तार का प्रतिरोध त्रुटियों का कारण बनेगा. इसलिए, इस त्रुटि को खत्म करने के लिए उद्योग में अक्सर तीन-तार कनेक्शन विधि का उपयोग किया जाता है. जैसा कि चित्र के बिंदीदार भाग में दिखाया गया है 2, लीड तार का प्रतिरोध मान बराबर है और r है. इस समय, पुल की भुजाएँ R बन जाती हैं, आर, आर+2आर, और आरटी+2आर. जब पुल संतुलित हो: आर2. (आर1+2आर) =आर1.(आर3+2आर), हल निकाला: आरटी= R1R3/ R2+2 R1r/ R2- 2आर. विश्लेषण से पता चलता है कि जब R1=R2, तार के प्रतिरोध में परिवर्तन का माप परिणाम पर कोई प्रभाव नहीं पड़ता है.

1.3 थ्री-ऑप-एम्प इंस्ट्रुमेंटेशन एम्पलीफायर सर्किट
जब तापमान 0℃~100℃ से बदलता है, PT100 का प्रतिरोध 100Ω~138.51Ω की सीमा में लगभग रैखिक रूप से बदलता है. उपरोक्त ब्रिज सर्किट के अनुसार, पुल 0℃ पर संतुलित है, तो ब्रिज आउटपुट वोल्टेज का सैद्धांतिक मूल्य होना चाहिए 0 वी, और जब तापमान 100℃ हो, ब्रिज आउटपुट है: Uab=U7x(आर1/(आर1 + आर2)-आर3/(आर2 + आर3)), वह है, यूएबी=10x(138.51/(10000 + 138.51)-100/(10000 + 100)) =0.037599V. चूंकि यह एक मिलीवोल्ट सिग्नल है, इस वोल्टेज को AD चिप द्वारा पता लगाने योग्य बनाने के लिए इसे बढ़ाना आवश्यक है.

जैसा कि चित्र में दिखाया गया है 3, इंस्ट्रुमेंटेशन एम्पलीफायर एक ऐसा उपकरण है जो शोर वाले वातावरण में छोटे सिग्नलों को प्रवर्धित करता है. इसमें कम बहाव जैसे कई फायदे हैं, कम बिजली की खपत, उच्च सामान्य-मोड अस्वीकृति अनुपात, विस्तृत बिजली आपूर्ति रेंज और छोटा आकार. यह बड़े सामान्य-मोड संकेतों पर आरोपित विभेदक छोटे संकेतों की विशेषताओं का उपयोग करता है, जो सामान्य-मोड संकेतों को हटा सकता है और एक ही समय में विभेदक संकेतों को बढ़ा सकता है. मानक तीन-ऑप-एम्प इंस्ट्रुमेंटेशन एम्पलीफायर सर्किट का आउटपुट वोल्टेज है, यहाँ R8=R10 =20 kΩ, R9=R11=20 kΩ, R4=R7=100kΩ, जो इनपुट वोल्टेज सिग्नल को लगभग तक बढ़ा सकता है 150 टाइम्स, ताकि पुल के सैद्धांतिक आउटपुट वोल्टेज को बढ़ाया जा सके 0 ~2.34 वी. लेकिन यह केवल सैद्धांतिक मूल्य है. वास्तविक प्रक्रिया में, ऐसे कई कारक हैं जो प्रतिरोध परिवर्तन का कारण बन सकते हैं. इसलिए, सर्किट शून्यीकरण की सुविधा के लिए R3 को एक सटीक समायोज्य अवरोधक से बदला जा सकता है.

PT100 सेंसर थ्री-ऑप amp इंस्ट्रूमेंट एम्पलीफायर सर्किट

2. सॉफ्टवेयर डिजाइन

2.1 न्यूनतम वर्ग विधि और पीटी100 रैखिक फिटिंग

0℃≤t≤850℃ की तापमान सीमा में, Pt100 प्रतिरोध और तापमान के बीच संबंध है: आर=100 (1 +एटी+बीटी2), जहां A=3.90802x 10-3; बी=- -5.80एक्स 10-7; सी=4.2735 एक्स 10-12

यह देखा जा सकता है कि PT100 और तापमान का प्रतिरोध एक पूर्ण रैखिक संबंध नहीं है बल्कि एक परवलय है. इसलिए, यदि t निकालना है, एक वर्गमूल संक्रिया की आवश्यकता है, जो अधिक जटिल फ़ंक्शन ऑपरेशन का परिचय देता है और सिंगल-चिप माइक्रो कंप्यूटर के सीपीयू संसाधनों की एक बड़ी मात्रा पर कब्जा कर लेता है. इस समस्या का समाधान करने के लिए, हम तापमान और प्रतिरोध के बीच संबंध को रैखिक रूप से फिट करने के लिए न्यूनतम वर्ग विधि का उपयोग कर सकते हैं. ” प्रयोगात्मक डेटा प्रोसेसिंग के लिए न्यूनतम वर्ग वक्र फिटिंग एक सामान्य विधि है. इसका सिद्धांत मूल डेटा के साथ वर्ग त्रुटियों के योग को कम करने के लिए एक बहुपद फ़ंक्शन ढूंढना है.

2.2 एडी डिजिटल रूपांतरण तापमान
PT100 तापमान माप सिद्धांत इसके प्रतिरोध मान के आधार पर तापमान मान प्राप्त करना है, इसलिए थर्मल अवरोधक का प्रतिरोध मान पहले निर्धारित किया जाना चाहिए. हार्डवेयर सर्किट के अनुसार, ब्रिज सर्किट के आउटपुट वोल्टेज यूएबी और ऑप एम्प इंस्ट्रूमेंट एम्पलीफायर सर्किट के आउटपुट वोल्टेज यूएडी के बीच संबंध है: उअद = उब. Auf क्योंकि सिस्टम 12-बिट AD चिप का उपयोग करता है, डिजिटल मात्रा और एनालॉग मात्रा के बीच संबंध है: उड/एडी=5/4096. ब्रिज आउटपुट वोल्टेज और डिजिटल मात्रा AD के बीच संबंध पिछले दो समीकरणों को मिलाकर प्राप्त किया जा सकता है, वह है, उड/एडी=5/(4096पर). तब, इसे ब्रिज आउटपुट वोल्टेज एक्सप्रेशन Uab= U7x में प्रतिस्थापित किया जाता है (आरटी/ (आर1+आरटी) -आर3/ (आर2+आर3) ), और आरआर और डिजिटल मात्रा एडी की अभिव्यक्ति प्राप्त की जा सकती है. समाधान है:

एडी डिजिटल रूपांतरण तापमान सूत्र

PT100 का प्रतिरोध मान जानने के बाद, अनुभाग में रैखिक फिटिंग समीकरण के अनुसार संबंधित तापमान मान प्राप्त किया जा सकता है 2.1.

2.3 सिंगल-चिप डिजिटल फ़िल्टरिंग
पीटी100 की तापमान माप सटीकता में सुधार करने के लिए, सॉफ़्टवेयर प्रोग्रामिंग में एक डिजिटल फ़िल्टरिंग प्रोग्राम जोड़ा जा सकता है, जिसमें हार्डवेयर सर्किट जोड़ने की आवश्यकता नहीं होती है और यह सिस्टम की स्थिरता और विश्वसनीयता में सुधार कर सकता है. सिंगल-चिप माइक्रो कंप्यूटर एप्लिकेशन सिस्टम में कई फ़िल्टरिंग विधियाँ हैं. एक विशिष्ट चयन करते समय, फ़िल्टरिंग विधि के फायदे और नुकसान और लागू वस्तुओं का विश्लेषण और तुलना की जानी चाहिए, ताकि उपयुक्त फ़िल्टरिंग विधि का चयन किया जा सके. माध्यिका औसत फ़िल्टरिंग विधि का एल्गोरिदम पहले लगातार एन डेटा एकत्र करना है, फिर न्यूनतम मान और अधिकतम मान हटा दें, और अंत में शेष डेटा के अंकगणितीय माध्य की गणना करें. यह फ़िल्टरिंग विधि उन मापदंडों को मापने के लिए उपयुक्त है जो धीरे-धीरे बदलते हैं, जैसे तापमान, और आकस्मिक कारकों के कारण होने वाले उतार-चढ़ाव या सैंपलर अस्थिरता के कारण होने वाली त्रुटियों के कारण होने वाले हस्तक्षेप को प्रभावी ढंग से कम कर सकता है.

सिस्टम कार्य प्रक्रिया:
जब मापी जा रही वस्तु का तापमान बदल जाता है, PT100 का प्रतिरोध बदल जाता है, और व्हीटस्टोन ब्रिज संबंधित वोल्टेज सिग्नल आउटपुट करेगा. यह सिग्नल PT100 के प्रतिरोध का एक कार्य है. इस मिलीवोल्ट सिग्नल को तीन-ऑप-एम्प इंस्ट्रुमेंटेशन एम्पलीफायर द्वारा प्रवर्धित किया जाता है और एडी चिप को भेजा जाता है, जो एनालॉग मात्रा को डिजिटल मात्रा में परिवर्तित करता है और माइक्रोकंट्रोलर द्वारा पढ़ा जाता है. माइक्रोकंट्रोलर एडी चिप से चिप को पढ़ता है और फ़िल्टरिंग प्रोग्राम निष्पादित करता है, गणना के माध्यम से स्थिर डिजिटल मात्रा को PT100 के प्रतिरोध में परिवर्तित करना. फिर माइक्रोकंट्रोलर वर्तमान तापमान मान की गणना करने के लिए प्रतिरोध मान के आकार के अनुसार संबंधित फिट रैखिक मॉडल का चयन करेगा, और अंत में एलसीडी डिस्प्ले पर तापमान डेटा प्रदर्शित करें.