Rješenje kruga za prikupljanje temperature PT100/PT1000

1. Tablica promjene temperaturne otpornosti PT100 i PT1000
Metalni toplinski otpornici poput nikla, otpornici od bakra i platine imaju pozitivnu korelaciju s promjenom otpora s temperaturom. Platina ima najstabilnija fizikalna i kemijska svojstva i najviše se koristi. Raspon mjerenja temperature najčešće korištenog platinastog otpornika Pt100 je -200～850 ℃. Uz to, temperaturni raspon mjerenja Pt500, Pt1000, itd. sukcesivno se smanjuju. Pt1000, raspon mjerenja temperature -200～420 ℃. Prema međunarodnom standardu IEC751, temperaturne karakteristike platinastog otpornika Pt1000 zadovoljavaju sljedeće zahtjeve:

Krivulja temperaturne karakteristike Pt1000

Prema krivulji temperaturne karakteristike Pt1000, nagib karakteristične krivulje otpora malo se mijenja unutar normalnog radnog temperaturnog područja (Kao što je prikazano na slici 1). Kroz linearno uklapanje, približan odnos između otpora i temperature je:

1.1 PT100 tablica promjene temperaturne otpornosti

PT100 tablica promjene temperaturne otpornosti

1.2 PT1000 tablica promjene temperaturne otpornosti

PT1000 Tablica promjene temperaturne otpornosti

2. Često korištena rješenja sklopova za prikupljanje podataka

2.1 Izlazni izlaz otpornika napona 0~3,3V/3V analogni napon

Izravna akvizicija AD porta s jednim čipom
Raspon izlaznog napona kruga za mjerenje temperature je 0~3,3 V, PT1000 (Vrijednost otpora PT1000 značajno se mijenja, osjetljivost mjerenja temperature veća je od PT100; PT100 je prikladniji za mjerenje temperature u velikim razmjerima).

Otpornički djelitelj napona daje 0~3,3V 3V analogni napon

Najjednostavniji način je korištenje metode podjele napona. Napon je izvor referentnog napona od 4V koji generira čip izvora referentnog napona TL431, ili REF3140 može se koristiti za generiranje 4,096 V kao referentni izvor. Referentni izvorni čipovi također uključuju REF3120, 3125, 3130, 3133, i 3140. Čip koristi SOT-32 paket i 5V ulaznog napona. Izlazni napon se može odabrati prema potrebnom referentnom naponu. Naravno, prema normalnom rasponu ulaznog napona MCU AD priključka, ne smije prijeći 3V/3,3V.

2.2 Izlazni izlaz otpornika napona 0~5V analogni napon MCU AD priključak izravno prikupljanje.
Naravno, neki sklopovi koriste 5V MCU napajanje, a najveća radna struja PT1000 je 0,5 mA, stoga treba koristiti odgovarajuću vrijednost otpora kako bi se osigurao normalan rad komponenti.
Na primjer, 3,3 V u gornjem shematskom dijagramu podjele napona zamijenjeno je s 5 V. Prednost ovoga je što je podjela napona od 5V osjetljivija od 3,3V, a akvizicija je točnija. Zapamtite, teoretski izračunati izlazni napon ne smije prijeći +5V. Inače, to će uzrokovati oštećenje MCU-a.

2.3 Najčešće korišteno mjerenje mosta
R11, R12, R13 i Pt1000 koriste se za formiranje mjernog mosta, gdje je R11=R13=10k, R12=1000R precizni otpornici. Kada vrijednost otpora Pt1000 nije jednaka vrijednosti otpora R12, most će emitirati signal razlike napona na razini mV. Ovaj signal razlike napona pojačan je krugom pojačala instrumenta i daje željeni signal napona. Ovaj signal se može izravno spojiti na AD pretvorbeni čip ili AD priključak mikrokontrolera.

R11, R12, R13 i Pt1000 koriste se za formiranje mjernog mosta

Princip mjerenja otpora ovog kruga:
1) PT1000 je termistor. Kako se temperatura mijenja, otpor se u osnovi mijenja linearno.
2) Na 0 stupnjeva, otpor PT1000 je 1kΩ, tada su Ub i Ua jednaki, to jest, Uba = Ub – Učini = 0.
3) Uz pretpostavku da pri određenoj temperaturi, otpor PT1000 je 1,5 kΩ, tada Ub i Ua nisu jednaki. Prema principu podjele napona, možemo saznati da je Uba = Ub – učiniti > 0.
4) OP07 je operacijsko pojačalo, a njegov naponski dobitak A ovisi o vanjskom strujnom krugu, gdje je A = R2/R1 = 17.5.
5) Izlazni napon Uo OP07 = Uba * A. Dakle, ako koristimo voltmetar za mjerenje izlaznog napona OP07, možemo zaključiti vrijednost Uab. Budući da je Ua poznata vrijednost, možemo dalje izračunati vrijednost Ub. Zatim, koristeći princip podjele napona, možemo izračunati vrijednost specifičnog otpora PT1000. Ovaj se proces može postići softverskim proračunom.
6) Ako znamo vrijednost otpora PT1000 na bilo kojoj temperaturi, samo trebamo potražiti tablicu na temelju vrijednosti otpora da bismo znali trenutnu temperaturu.

2.4 Izvor stalne struje
Zbog učinka samozagrijavanja toplinskog otpornika, struja koja teče kroz otpornik treba biti što manja. Općenito, očekuje se da će struja biti manja od 10 mA. Potvrđeno je da samozagrijavanje platinastog otpornika PT100 od 1 mW će uzrokovati promjenu temperature od 0,02-0,75 ℃. Stoga, smanjenje struje platinastog otpornika PT100 također može smanjiti njegovu promjenu temperature. Međutim, ako je struja premala, osjetljiv je na smetnje buke, pa je vrijednost općenito 0.5-2 mA, tako da je struja izvora konstantne struje odabrana kao izvor konstantne struje od 1mA.

Čip je odabran kao čip izvora konstantnog napona TL431, a zatim se pomoću negativne povratne sprege struje pretvara u izvor stalne struje. Krug je prikazan na slici

Među njima, operacijsko pojačalo CA3140 koristi se za poboljšanje nosivosti izvora struje, a formula za izračun izlazne struje je:

Otpornik bi trebao biti a 0.1% precizni otpornik. Konačna izlazna struja je 0,996mA, to jest, točnost je 0.4%.

Krug izvora stalne struje treba imati sljedeće karakteristike

Odaberite čip izvora konstantnog napona TL431

Temperaturna stabilnost: Budući da je naše okruženje za mjerenje temperature 0-100 ℃, izlaz izvora struje ne bi trebao biti osjetljiv na temperaturu. TL431 ima ekstremno nizak temperaturni koeficijent i mali temperaturni pomak.

Dobra regulacija opterećenja: Ako je valovitost struje prevelika, uzrokovat će pogreške u čitanju. Prema teoretskoj analizi, budući da ulazni napon varira između 100-138.5mV, a raspon mjerenja temperature je 0-100 ℃, točnost mjerenja temperature je ±1 stupanj Celzija, tako da bi se izlazni napon trebao promijeniti za 38,5/100=0,385mV za svaki porast temperature okoline od 1 ℃. Kako bi se osiguralo da trenutna fluktuacija ne utječe na točnost, uzeti u obzir najekstremniji slučaj, na 100 Celzijevih stupnjeva, vrijednost otpora PT100 trebala bi biti 138,5R. Tada bi valovitost struje trebala biti manja od 0,385/138,5=0,000278mA, to jest, promjena struje tijekom promjene opterećenja trebala bi biti manja od 0,000278mA. U stvarnoj simulaciji, izvor struje ostaje u osnovi nepromijenjen.
3. AD623 rješenje sklopa za akviziciju

AD623 akvizicijsko rješenje PT1000 sklopa

Princip se može odnositi na gornji princip mjerenja mosta.
Stjecanje niskih temperatura:

Stjecanje visoke temperature

4. AD620 rješenje sklopa za akviziciju

AD620 PT100 rješenje za akviziciju

AD620 PT100 rješenje za akviziciju visoke temperature (150°):

AD620 PT100 rješenje za akviziciju niske temperature (-40°):

AD620 PT100 otopina za akviziciju sobna temperatura (20°):

5. PT100 i PT1000 analiza filtriranja protiv smetnji

Akvizicija temperature u nekom kompleksu, oštra ili posebna okruženja bit će podložna velikim smetnjama, uglavnom uključujući EMI i REI.

Na primjer, u primjeni mjerenja temperature motora, upravljanje motorom i velika brzina vrtnje motora uzrokuju visokofrekventne smetnje.

Također postoji veliki broj scenarija kontrole temperature unutar zrakoplovnih i svemirskih vozila, koji mjere i upravljaju elektroenergetskim sustavom i sustavom upravljanja okolišem. Srž kontrole temperature je mjerenje temperature. Budući da se otpor termistora može mijenjati linearno s temperaturom, korištenje otpora platine za mjerenje temperature učinkovita je metoda mjerenja temperature visoke preciznosti. Glavni problemi su sljedeći:
1. Otpor na provodnoj žici se lako uvodi, čime se utječe na točnost mjerenja senzora;
2. U nekim okruženjima s jakim elektromagnetskim smetnjama, smetnje se mogu pretvoriti u istosmjerni izlaz nakon ispravljanja pomoću instrumentalnog pojačala
Pogreška pomaka, utječu na točnost mjerenja.
5.1 Aerospace airborne PT1000 sklop za prikupljanje

Aerospace airborne PT1000 sklop za prikupljanje

Pogledajte dizajn sklopa za prikupljanje PT1000 u zraku za anti-elektromagnetske smetnje u određenom zrakoplovstvu.

Filtar je postavljen na krajnjem vanjskom kraju kruga za prikupljanje. PT1000 sklop za predprocesiranje akvizicije prikladan je za predprocesiranje protiv elektromagnetskih smetnji sučelja elektroničke opreme u zraku;
Konkretni sklop je:
Ulazni napon od +15 V pretvara se u izvor napona visoke preciznosti od +5 V preko regulatora napona, a izvor napona visoke preciznosti +5V izravno je spojen na otpornik R1.
Drugi kraj otpornika R1 je podijeljen na dvije staze, jedan spojen na in-fazni ulaz operativnog pojačala, a drugi spojen na kraj otpornika PT1000 A kroz T-filtar S1. Izlaz operacijskog pojačala spojen je na invertirajući ulaz kako bi se formirao sljedbenik napona, a invertirajući ulaz spojen je na priključak za uzemljenje regulatora napona kako bi se osiguralo da je napon na infaznom ulazu uvijek nula. Nakon prolaska kroz S2 filter, jedan kraj A otpornika PT1000 podijeljen je u dvije staze, jedan put se koristi kao ulazni priključak D diferencijalnog napona kroz otpornik R4, a drugi put je spojen na AGND preko otpornika R2. Nakon prolaska kroz S3 filter, drugi kraj B otpornika PT1000 podijeljen je u dvije staze, jedan put se koristi kao ulazni priključak E diferencijalnog napona kroz otpornik R5, a drugi put je spojen na AGND preko otpornika R3. D i E su spojeni preko kondenzatora C3, D je spojen na AGND preko kondenzatora C1, a E je spojen na AGND preko kondenzatora C2; točna vrijednost otpora PT1000 može se izračunati mjerenjem diferencijalnog napona između D i E.

Ulazni napon od +15 V pretvara se u izvor napona visoke preciznosti od +5 V preko regulatora napona. +5V je izravno spojen na R1. Drugi kraj R1 je podijeljen na dvije staze, jedan je spojen na in-fazni ulazni terminal operativnog pojačala, a drugi je spojen na PT1000 otpornik A preko T-tipa filtra S1. Izlaz operacijskog pojačala spojen je na invertirajući ulaz kako bi se formirao sljedbenik napona, a invertirajući ulaz spojen je na priključak za uzemljenje regulatora napona kako bi se osiguralo da je napon na invertirajućem ulazu uvijek nula. U ovom trenutku, struja koja teče kroz R1 je konstantna 0,5 mA. Regulator napona koristi AD586TQ/883B, a operativno pojačalo koristi OP467A.

Nakon prolaska kroz S2 filter, jedan kraj A otpornika PT1000 podijeljen je u dvije staze, jedan kroz otpornik R4 kao ulazni kraj diferencijalnog napona D, a jedan kroz otpornik R2 na AGND; nakon prolaska kroz S3 filter, drugi kraj B otpornika PT1000 podijeljen je u dvije staze, jedan kroz otpornik R5 kao ulazni kraj diferencijalnog napona E, a jedan kroz otpornik R3 na AGND. D i E su spojeni preko kondenzatora C3, D je spojen na AGND preko kondenzatora C1, a E je spojen na AGND preko kondenzatora C2.
Otpor R4 i R5 je 4,02 k ohma, otpor R1 i R2 je 1M ohma, kapacitet C1 i C2 je 1000pF, a kapacitet C3 je 0,047uF. R4, R5, C1, C2, i C3 zajedno tvore mrežu RFI filtera, čime je završeno niskopropusno filtriranje ulaznog signala, a objekti koje treba filtrirati uključuju smetnje diferencijalnog načina rada i smetnje zajedničkog načina rada koje se prenose u ulaznom diferencijalnom signalu. Izračun granične frekvencije od -3dB za smetnje zajedničkog načina rada i smetnje diferencijalnog načina rada koje nosi ulazni signal prikazan je u formuli:

Zamjena vrijednosti otpora u izračun, granična frekvencija zajedničkog načina rada je 40 kHz, a granična frekvencija diferencijalnog načina je 2,6 KHZ.
Krajnja točka B spojena je na AGND preko S4 filtra. Među njima, svi terminali za uzemljenje filtera od S1 do S4 spojeni su na zaštitno uzemljenje zrakoplova. Budući da je struja koja teče kroz PT1000 poznatih 0,05 mA, točna vrijednost otpora PT1000 može se izračunati mjerenjem diferencijalnog napona na oba kraja D i E.
S1 do S4 koriste filtre tipa T, model GTL2012X‑103T801, s graničnom frekvencijom od 1M±20%. Ovaj sklop uvodi niskopropusne filtre u linije vanjskog sučelja i izvodi RFI filtriranje na diferencijalnom naponu. Kao krug predprocesiranja za PT1000, učinkovito eliminira smetnje elektromagnetskog i RFI zračenja, što uvelike poboljšava pouzdanost prikupljenih vrijednosti. Uz to, napon se izravno mjeri s oba kraja otpornika PT1000, uklanjanje pogreške uzrokovane otporom elektrode i poboljšanje točnosti vrijednosti otpora.

5.2 Filter tipa T
Filtar tipa T sastoji se od dva induktora i kondenzatora. Oba njegova kraja imaju visoku impedanciju, a njegova učinkovitost unesenih gubitaka slična je onoj filtra tipa π, ali nije sklono “zvonjenje” a mogu se koristiti u sklopnim krugovima.