Stjecanje temperature 2, 3, i 4-žilni PT100 senzori temperature

Članak predstavlja kako 2, 3, i 4-žilni PT100 senzori se pretvaraju u naponske signale kroz promjene otpora, a za zaštitu senzora i osiguranje točnosti pretvorbe signala koristi se izvor stalne struje. Senzor PT100 stječe temperaturu mjerenjem promjene u svom električnom otporu, što izravno korelira s temperaturom kojoj je izložen; kako se temperatura povećava, povećava se i otpor platinskog elementa unutar senzora, omogućujući precizan izračun temperature na temelju ove promjene otpora; bitno, the “100” u PT100 znači da senzor ima otpor od 100 oma na 0°C, a ta se vrijednost predvidljivo mijenja s temperaturnim fluktuacijama. Primjena operacijskog pojačala MCP604 u dizajnu krugova naglašava utjecaj njegovih karakteristika kao što su niski ulazni napon pomaka i struja prednapona na točnost. Softverska kalibracija koristi se za poboljšanje točnosti u dizajnu krugova, izbjegavanje neugodnosti tjelesne prilagodbe. Konačno, članak daje formulu odnosa između temperature i vrijednosti otpora platine, koji se koristi za izračunavanje vrijednosti temperature.

Dizajn mjerenja temperature 2-žilnog temperaturnog senzora PT100

Nabavka temperaturnog osjetnika 3-žičnog PT100 po narudžbi u Kini

Snimanje temperature 4-žilnog senzora temperature PT100

Ključne točke o PT100 mjerenju temperature:
Otporni temperaturni detektor (RTD):
PT100 je vrsta RTD-a, što znači da mjeri temperaturu otkrivajući promjene u svom električnom otporu.
Platinasti element:
Osjetljivi element u PT100 izrađen je od platine, koji pokazuje vrlo stabilan i linearan odnos između otpora i temperature.
Proces mjerenja: Senzor se postavlja u okolinu u kojoj treba mjeriti temperaturu.
Otpor platinastog elementa mjeri se pomoću namjenskog elektroničkog sklopa.
Izmjerena vrijednost otpora zatim se pretvara u temperaturu pomoću matematičke formule koja se temelji na poznatom temperaturnom koeficijentu platine.

Prednosti PT100 senzora:
Visoka točnost: Smatra se jednim od najpreciznijih dostupnih senzora temperature zbog stabilnog ponašanja platine.
Širok temperaturni raspon:　Može mjeriti temperature od -200°C do 850°C ovisno o dizajnu senzora.
Dobra linearnost: Odnos između otpora i temperature je relativno linearan, pojednostavljenje interpretacije podataka.

Važna razmatranja:
Kalibriranje: Kako bi se osigurala točna mjerenja, PT100 senzore potrebno je redovito kalibrirati u odnosu na referentni standard.
Otpor olovne žice: Otpor spojnih žica može utjecati na točnost mjerenja, pa je često potrebno odgovarajuće razmatranje kompenzacije olovne žice.
Prikladnost primjene: Iako je vrlo precizan, Senzori PT100 možda nisu prikladni za ekstremno oštra okruženja ili aplikacije koje zahtijevaju vrlo brzo vrijeme odziva.

1. Osnovni principi akvizicije signala
PT100 pretvara temperaturne signale u otporne izlaze, a vrijednost otpora mu se kreće od 0 do 200Ω. AD pretvarač može samo pretvarati napon i ne može izravno prikupljati temperaturu. Stoga, izvor stalne struje od 1 mA potreban je za napajanje PT100 i pretvaranje promjena otpora u promjene napona. Prednost korištenja izvora stalne struje je u tome što može produljiti vijek trajanja senzora. Budući da je raspon ulaznog signala 0 do 200mV, signal je potrebno pojačati i zatim AD pretvoriti kako bi se dobili podaci o električnom signalu.

Razlozi za nekorištenje dizajna izvora konstantnog napona:

Ako se za napajanje koristi izvor stalnog napona, a zatim se serijski spoje otpornik i PT100, a napon se dijeli, postoji problem. Kada je otpor PT100 premali, struja koja teče kroz PT100 je prevelika, što rezultira kraćim vijekom trajanja senzora.

2. Operativno pojačalo koristi MCP604
Značajke MCP604:
1) Raspon napona je 2,7~6,0V
2) Izlaz je Rail-to-Rail
3) Raspon radne temperature: -40°C do +85 °C
4) Ulazni napon pomaka je ±3mV, tipična vrijednost je 1mV, visoka osjetljivost.
5) Ulazna prednaponska struja je 1pA, kada je TA = +85°C, I=20pA, poboljšava točnost akvizicije.
6) Linearna promjena izlaznog napona: VSS+0,1 ~ VDD–0,1, jedinica je V.

Kada je napon napajanja 3,3V, linearni izlazni napon je 0,1~3,2V. Kako bi se osiguralo da pojačani signal radi u linearnom području, kada je VDD=3.3V, postavili smo izlazni napon MCP604 da ostane na: 0.5V ~ 2,5 V kako bi se zadovoljili zahtjevi dizajna kruga operativnog pojačala.

Operacijsko pojačalo u knjizi analogne elektronike je idealno operacijsko pojačalo, koji se razlikuje od stvarnog pojačala. Stoga, potrebno je razmotriti “ulazni napon pomaka”, “ulazna prednaponska struja” i “linearni izlazni napon swing” prilikom projektiranja.

3. Dijagram spoja
R11 na slici je prednaponski krug za sprječavanje izobličenja zasićenja na zadnjem stupnju izlaza diferencijalnog pojačala.
1) Odaberite odgovarajući faktor pojačanja kako biste smanjili izlaznu pogrešku. Zbog postojanja ulaznog offset napona, kada se poveća faktor pojačanja, pogreška izlaza će se također povećati, što se mora uzeti u obzir pri projektiranju.
2) Faktor pojačanja ovog sklopa je 10. Uz pretpostavku da je tipični ulazni napon pomaka 3mV, ako se ulazni signal promijeni na 5mV, 2mV neće biti pojačan, što će proizvesti grešku izlaza od 20mV.

PT100 operacijsko pojačalo detektora temperature pomoću dijagrama strujnog kruga MCP604

Vo4 = (Vin1 – Vref)*10
I=1mA, Vref=Vo3=1,65V
1.7V<=Vin<=1,9 V, 1.7V<=V02<=1,9
1.8V<=Vo1<=2V, osigurati da operacijsko pojačalo radi u linearnom području, ovo je vrlo važno
0.5V<=Vo4<=2,5 V, osigurati da operacijsko pojačalo radi u linearnom području, zbog toga je potrebno 50Ω u seriji.

Kada se ulazni otpor promijeni za 1Ω, Vout se mijenja na 10mV. Budući da je ulazni kompenzacijski napon MCP604 ±3mV, kada postoji promjena od 0,3333Ω, doći će do promjene od 3,333mV, a osjetljivost akvizicije je visoka.
Kada 0<=Rin<=200Ω ulaz, budući da je petlja spojena u seriju s 50Ω, 50Oh<=Rx<=250Ω
Vin1 – Vref = Rx*0,001, jedinica A

4. Softverska kalibracija
Novi inženjeri uvijek pokušavaju poboljšati točnost otpornika, ali greška je i dalje velika. Neki inženjeri jednostavno koriste kontinuirano podesive otpornike, prilagoditi njihove vrijednosti otpora, i koristiti multimetre kako bi izlaz zadovoljio odnos prijenosa. Čini se da je ova točnost poboljšana, ali nije pogodan za proizvodnju, a povećava se i težina dizajna PCB-a. Čak i ako je otklanjanje pogrešaka obavljeno, ako se vijak za podešavanje dotakne rukom, može uzrokovati pogreške. Jedini način je koristiti fiksne otpornike za proizvodnju i koristiti softver za postizanje točne kalibracije.
1) Kada je Rin=0, očitajte vrijednost napona i zabilježite je kao V50. Uštedite V50, neće se promijeniti s promjenom vrijednosti otpora PT100 jer se napaja iz izvora konstantne struje.
2) Spojite nazivni otpornik, neka je Rs=100Ω, očitajte vrijednost napona i zabilježite je kao V150. Uštedite V150, očitana vrijednost napona kada je temperatura 0.
3) Izračunajte trenutni faktor pojačanja: Io = (V150 – V50) / Rs; spasi Me, znači da je kalibracija obavljena.
4) Kada je ulazni otpor R, očitani napon je Vo, tada je R = (Vo- V50) / Io
Kroz gornji opis, softverska kalibracija ima velike prednosti, ne samo zgodna proizvodnja, ali i visoka točnost. Kako bi se poboljšala točnost, izlazni napon također se može podijeliti u nekoliko intervala, kalibriran zasebno, a mogu se dobiti različiti Io, tako da će linearnost izlaza biti bolja. Ove ideje odražavaju se u mom dizajnu.

Dizajn kruga OP AMP MCP604

5. Izračunajte temperaturu
Kada je temperatura manja od 0,
R0*C*t^4 – 100R0*C*t^3 + R0*B*t^2 + R0*A*t + R0 – Rt=0
Kada je temperatura veća ili jednaka 0, Rt=R0*(1+A*t+B*t*t)
Opis:
Rt je vrijednost otpora platinastog otpornika na t℃
R0 je vrijednost otpora platinastog otpornika na 0℃ 100Ω
A=3,9082×10^-3
B=-5,80195×10^-7
C=-4,2735×10^-12

6. Senzor temperature Pt100
Senzor temperature Pt100 je termistorski senzor s pozitivnim temperaturnim koeficijentom, a njegovi glavni tehnički parametri su sljedeći:
1) Raspon temperature mjerenja: -200℃ ~ +850 ℃;
2) Dopuštena vrijednost odstupanja Δ℃: Ocjena A ±(0.15+0.002|t|), Ocjena B ±(0.30+0.005|t|);
3) Minimalna dubina umetanja: Minimalna dubina umetanja toplinskog otpornika je ≥200 mm;
4) Dopuštena struja: < 5mA;
5) Senzor temperature Pt100 također ima prednosti otpornosti na vibracije, dobra stabilnost, visoka točnost, i visokog pritiska. Platinum toplinski otpornik ima dobru linearnost. Prilikom promjene između 0 i 100 Celzijevih stupnjeva, maksimalno nelinearno odstupanje je manje od 0,5 ℃;
Kada temperatura < 0, R0*C*t^4 – 100R0*C*t^3 + R0*B*t^2 + R0*A*t + R0 – Rt=0
Kada je temperatura ≥ 0, Rt= R0*(1+A*t+B*t*t)
Prema navedenom odnosu, približni raspon otpora je: 18Ω ~ 390,3 Ω, -197℃ je 18Ω, 850Ω je 390,3 Ω;
Opis:
Rt je vrijednost otpora platinastog otpornika na t℃, R0 je vrijednost otpora platinastog otpornika na 0 ℃, 100Oh
A=3,9082×10^-3, B=-5,80195×10^-7, C=-4,2735×10^-12
PT100 platinski metalni temperaturni senzor priručnik s uputama
6) Projektiranje sklopova
7) Odnos između temperature PT100 i otpora
Temperatura i otpor PT100 zadovoljavaju sljedeću jednadžbu:
Kada je temperatura ≤0, R0*C*t^4 – 100*R0*C*t^3 + R0*B*t^2 + R0*A*t + R0 – Rt=0
Kada je temperatura ≥0, R0*B*t^2 + R0*A*t + R0 – Rt =0

PT100 tablica za usporedbu temperature i otpora

Opis:
Rt je vrijednost otpora platinastog otpornika na t℃, R0 je vrijednost otpora platinastog otpornika na 0 ℃, 100Oh
A=3,9082×10^-3, B=-5,80195×10^-7, C=-4,2735×10^-12

1. Radi lakšeg izračuna, kada je temperatura ≤0, neka:
dvostruko a=R0*C*100000=100*(-4.2735×10^-12)*100000= -4,2735/100000
dvostruko b=–100*R0*C*100000=-100*100*(-4.2735×10^-12)*100000=4,2735/1000
dvostruko c= R0*B*100000=100*(-5.80195×10^-7)*100000= -5,80195
dvostruko d=R0*A*100000=100*(3.9082×10^-3)*100000=39082
dvostruko e= (100-Rt)*100000
Kada je temperatura ≤ 0, a*t^4 + b*t^3 + c*t^2 + d*t + e=0
gdje je x3 otopina PT100 kada je niža od 0 ℃.

2. Radi lakšeg računanja, kada je temperatura veća ili jednaka 0
dvostruko a= R0*B*100000=100*(-5.80195×10^-7)*100000= -5,80195
dvostruko b=R0*A*100000=100*(3.9082×10^-3)*100000=39082
dvostruko c= (100-Rt)*100000
Kada je temperatura ≥0, a*t^2 + k*t + c =0
t = [ SQRT( b*b – 4*a*c )-b ] / 2 / a
19.785Ω odgovara -197 ℃, temperatura tekućeg dušika
18.486Ω odgovara -200 ℃
96.085Ω odgovara -10 ℃
138.505Ω odgovara 100 ℃
175.845Ω odgovara 200 ℃
247.045Ω odgovara 400 ℃