Sustav mjerenja temperature PT100 senzora toplinskog otpora

2-žica, 3-žičani ili 4-žilni Pt100, Pt500, Senzori Pt1000 su temperaturni senzori bazirani na elementima od platine visoke točnosti, stabilnost i linearnost, i naširoko se koriste u područjima koja zahtijevaju precizno mjerenje temperature. A “PT100 sustav za mjerenje temperature toplinskog otpornika” odnosi se na sustav koji koristi senzor PT100, vrsta temperaturnog detektora otpora (RTD), za mjerenje temperature otkrivanjem promjena u njegovom električnom otporu koje su izravno proporcionalne temperaturi; “PT” označava Platinum, i “100” označava da senzor ima otpor od 100 ohma na 0°C što ga čini vrlo preciznom i stabilnom metodom za mjerenje temperature u širokom rasponu.

Otpornici od platine naširoko se koriste u srednjem temperaturnom području (-200～650 ℃). Trenutno, na tržištu postoje standardni toplinski otpornici za mjerenje temperature izrađeni od metalne platine, kao što je Pt100, Pt500, Pt1000, itd.

Razumjeti princip rada PT100: PT100 je senzor temperature Pt otpornika. Princip rada temelji se na toplinskom učinku otpornika. Vrijednost njegovog otpora mijenja se s promjenom temperature. Ova promjena je linearna. Na 0℃, vrijednost otpora PT100 je 100 oma. Kako temperatura raste, vrijednost otpora također se povećava u skladu s tim, pa se o temperaturi može točno zaključiti mjerenjem vrijednosti otpora.

Visoko precizni 4-žilni sustav za mjerenje temperature klase A PT100

2-žica PT100 platina otporna sonda za kontrolu temperature sustav za mjerenje temperature

3-žičani PT100 toplinski otpornik senzor sustava za mjerenje temperature

Odaberite odgovarajuću metodu ožičenja: Općenito, 2-žica, 3-mogu se koristiti žičane ili 4-žilne metode ožičenja.

Izlazni naponski signal preko mosta

Ključne točke o PT100 sustavu:
Princip senzora:
Senzor PT100 izrađen je od platinaste žice čiji se električni otpor predvidljivo mijenja s temperaturnim fluktuacijama.

Metoda mjerenja:
Kada struja prolazi kroz PT100, mjeri se pad napona na senzoru, koja se zatim pretvara u temperaturu na temelju poznatog odnosa između otpora i temperature.

Široka primjena:
PT100 senzori se obično koriste u industrijskim procesima, laboratorijima, i druge primjene gdje je potrebno precizno mjerenje temperature zbog njihove visoke točnosti i stabilnosti.

Komponente PT100 sustava:
PT100 senzorska sonda:
Stvarni osjetni element, obično platinasta žica omotana oko keramičke jezgre, koji se ubacuje u okolinu koju treba mjeriti.

Strujni krug za kondicioniranje signala:
Elektronika koja pojačava i pretvara malu promjenu otpora iz PT100 u mjerljivi signal napona.

Prikaz ili sustav prikupljanja podataka:
Uređaj koji prikazuje izmjerenu temperaturu ili pohranjuje podatke za analizu.

Prednosti korištenja PT100 sustava:
Visoka točnost:　Smatra se jednim od najpreciznijih dostupnih senzora temperature.
Širok temperaturni raspon:　Može mjeriti temperature od -200°C do 850°C ovisno o dizajnu senzora.
Dobra linearnost:　Odnos između otpora i temperature je vrlo linearan, što olakšava interpretaciju podataka.
Stabilnost:　Platina je vrlo stabilan materijal, osiguravajući dosljedna očitanja tijekom vremena.

Pt100 tablica za indeksiranje toplinske otpornosti

Tri metode ožičenja PT100 platinastog otpornika načelno su različite: 2-žičani i 3-žilni mjere se metodom mosta, a na kraju je dan odnos između vrijednosti temperature i analogne izlazne vrijednosti. 4-žica nema most. U potpunosti se šalje izvorom stalne struje, mjereno voltmetrom, i na kraju daje izmjerenu vrijednost otpora, koji je težak i skup za korištenje.
Budući da PT100 ima malu vrijednost otpora i visoku osjetljivost, vrijednost otpora vodeće žice ne može se zanemariti. Korištenje 3-žilne veze može eliminirati pogrešku mjerenja uzrokovanu otporom vodova.
2-žilni sustav ima lošu točnost mjerenja; 3-žilni sustav ima bolju točnost; 4-žilni sustav ima visoku točnost mjerenja, ali zahtijeva više žica.

Trebamo znati samo temperaturno stanje PT100 na temelju izlaznog naponskog signala mosta. Kada vrijednost otpora PT100 nije jednaka vrijednosti otpora Rx, most daje signal diferencijalnog tlaka, koji je vrlo mali. Budući da je izlazni signal senzora temperature općenito vrlo slab, potreban je sklop za kondicioniranje i pretvorbu signala kako bi se on pojačao ili pretvorio u oblik koji je lak za prijenos, proces, snimanje i prikaz. Neznatnu promjenu izmjerene količine signala potrebno je pretvoriti u električni signal. Kod pojačanja istosmjernog signala, samoodnos i neuravnoteženi napon operacijskog pojačala ne mogu se zanemariti pri prolasku kroz operacijsko pojačalo. Nakon pojačanja, može se izvesti naponski signal željene veličine.
Vrijednost otpora platinastog otpornika može se dobiti proračunom kruga ili mjerenjem multimetrom. Kada znamo vrijednost otpora PT100, možemo izmjeriti i izračunati temperaturu pomoću vrijednosti otpora.

Koristite odgovarajuće algoritme za obradu podataka: Koristite poznati odnos temperature i otpora za izračunavanje temperature programiranjem. Uzimajući u obzir da je odnos otpor-temperatura PT100 nelinearan, posebno u područjima niske ili visoke temperature, možda će biti potrebni složeniji algoritmi za poboljšanje točnosti.

Utjecaj okolišnih čimbenika: Na performanse mogu utjecati čimbenici okoline kao što su elektromagnetske smetnje, mehaničke vibracije, i vlažnosti.

Postoje tri uobičajene metode izračuna mjerenja temperature:
Metoda proračuna mjerenja temperature 1:
Kada točna temperatura nije potrebna, temperatura će se povećati za 2,5 ℃ za svaki ohm povećanje vrijednosti otpora toplinskog otpornika PT100 (koristi se na niskim temperaturama). Vrijednost otpora senzora temperature PT100 je 100 kada je 0℃, pa je približna temperatura u ovom trenutku = (PT100 vrijednost otpora-100)*2.5.

Metoda proračuna mjerenja temperature 2:
Odnos između vrijednosti otpora i temperature platinskog otpornika

U rasponu od 0～850℃: Rt=R0(1+At+Bt2);

U rasponu od -200～0℃: Rt=R0[1+Na+Bt2+C(t-100)3];

Rt predstavlja vrijednost otpora platinastog otpornika na temperaturi t℃;

R0 predstavlja vrijednost otpora platinastog otpornika na temperaturi od 0 ℃;

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

Za toplinski otpornik koji zadovoljava gornji odnos, njegov temperaturni koeficijent je oko 3,9×10-3/℃.

Kroz gornju formulu, temperatura se može točno odrediti prema vrijednosti otpora, ali zbog velike količine proračuna ove metode, ne preporučuje se za ovaj eksperiment.

Metoda izračunavanja temperature tri:
PT100 ima dobar linearni odnos s temperaturom i prikladan je za mjerenje srednje i niske temperature. Vrijednost otpora PT100 na različitim temperaturama ima odgovarajuću mjernu ljestvicu jedan prema jedan kao što je prikazano na slici ispod, koji može intuitivno prikazati odgovarajući odnos između različitih temperatura i vrijednosti otpora PT100.
Temperatura se može znati provjerom odgovarajuće vrijednosti otpora na PT100 ljestvici.

Skala toplinskog otpornika Pt100

Uređaj za mjerenje temperature PT100 dizajniran u ovom radu koristi često korišteno jeftino četverostazno operacijsko pojačalo LM324 za dovršetak dizajna strujnog kruga napajanja uređaja i kruga instrumentalnog pojačala s tri operativna pojačala.

1.1 Krug izvora napona

Krug izvora napona senzora toplinskog otpornika Pt100

Strujni krug na slici 1 je uobičajeni proporcionalni radni krug. Prema analizi idealnog operacijskog pojačala koje radi u linearnom području, po principu virtualnog kratkog i virtualnog odmora, dobiva se:

Formula za izračun kruga Wheatstoneovog mosta

​, tada je faktor pojačanja napona zatvorene petlje 2 puta, i tada se dobije V= 10V, a koristi se kao stabilni napon napajanja kruga Wheatstoneovog mosta.

1.2 Trožilni spoj Wheatstoneovog mosta i PT100.
Gornja slika je Wheatstoneov most. Uvjet da most bude uravnotežen je da su potencijali točaka B i D jednaki. Dakle, kada je most uravnotežen, sve dok R1, R2 (obično fiksne vrijednosti) i R0 (obično podesive vrijednosti) se čitaju, može se dobiti otpor Rx koji treba izmjeriti. R1/R2=M, pozvan “multiplikator”.

Wheatstoneov most i trožilni način povezivanja PT100

Prema principu mjerenja temperature PT100, vrijednost otpora PT100 mora biti točno poznata, ali se vrijednost otpora ne može izravno izmjeriti, pa je potreban krug pretvorbe. Vrijednost otpora pretvara se u naponski signal koji može detektirati mikrokontroler”. Krug Wheatstoneovog mosta je instrument koji može ispravno mjeriti otpor. Kao što je prikazano na slici 2, R1, R2, R3, i R4 su njegovi krakovi mosta. Kada je most uravnotežen, R1xR3=R2xR4 je zadovoljeno. Kada je most neuravnotežen, doći će do razlike napona između točaka a i b. Prema naponu točaka a i b, može se izračunati odgovarajući otpor. Ovo je princip mjerenja otpora s neuravnoteženim mostom:

PT100 način povezivanja trožilnog kruga

Zapravo, zbog malog otpora i velike osjetljivosti PT100, otpor provodne žice uzrokovat će pogreške. Stoga, trožilni način povezivanja često se koristi u industriji kako bi se uklonila ova greška. Kao što je prikazano na točkastom dijelu slike 2, vrijednost otpora žice je jednaka i iznosi r. U ovom trenutku, krakovi mosta postaju R, R, R+2r, i Rt+2r. Kada je most uravnotežen: R2. (R1+2r) =R1.(R3+2r), srediti: Rt= R1R3/ R2+2 R1r/ R2- 2r. Analiza pokazuje da kada je R1=R2, promjena otpora žice nema utjecaja na rezultat mjerenja.

1.3 Sklop instrumentacijskog pojačala s tri operacijska pojačala
Kada se temperatura mijenja od 0℃~100℃, otpor PT100 mijenja se približno linearno u rasponu od 100Ω~138.51Ω. Prema gornjem krugu mosta, most je uravnotežen na 0 ℃, pa bi teorijska vrijednost izlaznog napona mosta trebala biti 0 V, a kada je temperatura 100℃, izlaz mosta je: Uab=U7x(R1/(R1 + R2)-R3/(R2 + R3)), to jest, Uab=10x(138.51/(10000 + 138.51)-100/(10000 + 100)) =0,037599V. Budući da je ovo milivoltni signal, potrebno je pojačati ovaj napon kako bi ga mogao otkriti AD čip.

Kao što je prikazano na slici 3, instrumentacijsko pojačalo je uređaj koji pojačava male signale u bučnom okruženju. Ima niz prednosti poput niskog zanošenja, mala potrošnja energije, visok omjer odbijanja zajedničkog načina rada, širok raspon napajanja i mala veličina. Koristi karakteristike diferencijalnih malih signala superponiranih na veće zajedničke signale, koji može ukloniti zajednički način signala i pojačati diferencijalne signale u isto vrijeme. Izlazni napon standardnog kruga instrumentacijskog pojačala s tri op-amp je, ovdje R8=R10 =20 kΩ, R9=R11=20 kΩ, R4=R7=100kΩ, koji može pojačati ulazni naponski signal za oko 150 puta, tako da se teoretski izlazni napon mosta može pojačati na 0 ~2,34 V. Ali ovo je samo teoretska vrijednost. U stvarnom procesu, postoje mnogi čimbenici koji mogu uzrokovati promjene otpora. Stoga, R3 se može zamijeniti preciznim podesivim otpornikom kako bi se olakšalo nuliranje kruga.

PT100 senzorski krug instrumentalnog pojačala s tri operativna pojačala

2. Dizajn softvera

2.1 Metoda najmanjih kvadrata i PT100 linearna prilagodba

U temperaturnom rasponu od 0℃≤t≤850℃, odnos između otpora Pt100 i temperature je: R=100 (1 +At+Bt2), gdje je A=3,90802x 10-3; B=- -5.80x 10-7; C=4,2735 x 10-12

Može se vidjeti da otpor PT100 i temperatura nisu apsolutni linearni odnos, već parabola. Stoga, ako se želi izvući t, potrebna je operacija kvadratnog korijena, koji uvodi složeniji rad funkcija i zauzima veliku količinu CPU resursa mikroračunala s jednim čipom. Za rješavanje ovog problema, možemo koristiti metodu najmanjih kvadrata da linearno prilagodimo odnos između temperature i otpora. ” Prilagodba krivulje najmanjih kvadrata uobičajena je metoda za eksperimentalnu obradu podataka. Njegovo načelo je pronaći polinomsku funkciju za minimiziranje zbroja kvadratnih pogrešaka s izvornim podacima.

2.2 Temperatura AD digitalne pretvorbe
Princip mjerenja temperature PT100 je dobivanje vrijednosti temperature na temelju njegove vrijednosti otpora, pa se prvo mora odrediti vrijednost otpora toplinskog otpornika. Prema hardverskom sklopu, odnos između izlaznog napona Uab premosnog kruga i izlaznog napona Uad kruga instrumentalnog pojačala operacijskog pojačala je: Uad = Uab. Auf Jer sustav koristi 12-bitni AD čip, odnos između digitalne veličine i analogne veličine je: Uad/AD=5/4096. Odnos između izlaznog napona mosta i digitalne veličine AD može se dobiti kombinacijom prethodne dvije jednadžbe, to jest, Uad/AD=5/(4096Na). Zatim, zamjenjuje se u izraz izlaznog napona mosta Uab= U7x (Rt/ (R1+Rt) -R3/ (R2+R3) ), te se može dobiti izraz Rr i digitalna veličina AD. Rješenje je:

Formula za temperaturu AD digitalne pretvorbe

Nakon saznanja vrijednosti otpora PT100, odgovarajuća vrijednost temperature može se dobiti prema linearnoj jednadžbi prilagodbe u odjeljku 2.1.

2.3 Digitalno filtriranje s jednim čipom
Kako bi se poboljšala točnost mjerenja temperature PT100, program digitalnog filtriranja može se dodati u programiranje softvera, koji ne zahtijeva dodavanje hardverskih sklopova i može poboljšati stabilnost i pouzdanost sustava. Postoji mnogo metoda filtriranja u aplikacijskom sustavu mikroračunala s jednim čipom. Prilikom konkretnog odabira, treba analizirati i usporediti prednosti i nedostatke metode filtriranja i primjenjivih objekata, kako biste odabrali odgovarajuću metodu filtriranja. Algoritam metode filtriranja srednjeg prosjeka je prvo kontinuirano prikupljanje N podataka, zatim uklonite minimalnu i maksimalnu vrijednost, te na kraju izračunati aritmetičku sredinu preostalih podataka. Ova metoda filtriranja je prikladna za mjerenje parametara koji se sporo mijenjaju, kao što su temperatura, i može učinkovito smanjiti smetnje uzrokovane fluktuacijama uzrokovanim slučajnim čimbenicima ili pogreškama uzrokovanim nestabilnošću uzorkivača.

Proces rada sustava:
Kada se promijeni temperatura objekta koji se mjeri, otpor PT100 se mijenja, a Wheatstoneov most će emitirati odgovarajući naponski signal. Ovaj signal je funkcija otpora PT100. Ovaj milivoltni signal se pojačava instrumentacijskim pojačalom s tri op-ampa i šalje na AD čip, koji pretvara analognu veličinu u digitalnu veličinu i očitava je mikrokontroler. Mikrokontroler čita čip s AD čipa i izvršava program filtriranja, pretvaranje stabilne digitalne veličine u otpornost PT100 kroz proračun. Zatim će mikrokontroler odabrati odgovarajući ugrađeni linearni model prema veličini vrijednosti otpora za izračunavanje trenutne vrijednosti temperature, te na kraju prikazati podatke o temperaturi na LCD zaslonu.