A PT100 hőellenállás érzékelő hőmérsékletmérő rendszere

2-huzal, 3-vezetékes vagy 4 vezetékes Pt100, PT500, A Pt1000 érzékelők nagy pontosságú platinaelemeken alapuló hőmérséklet-érzékelők, stabilitás és linearitás, és széles körben használják olyan területeken, ahol pontos hőmérsékletmérés szükséges. A “PT100 hőellenállás hőmérsékletmérő rendszer” olyan rendszerre vonatkozik, amely PT100 érzékelőt használ, egyfajta ellenállási hőmérséklet-érzékelő (RTD), a hőmérséklet mérésére az elektromos ellenállásában bekövetkező változások észlelésével, amelyek egyenesen arányosak a hőmérséklettel; “PT” a platina rövidítése, és “100” azt jelzi, hogy az érzékelő ellenállása 100 Ohm 0°C-on, így rendkívül pontos és stabil módszer a hőmérséklet mérésére széles tartományban.

A platina ellenállásokat széles körben használják a közepes hőmérsékleti tartományban (-200～ 650 ℃). Jelenleg, A piacon fémplatinából készülnek a hőkezálló hőmérsékletek standard hőmérséklete, mint például a PT100, PT500, PT1000, stb.

Ismerje meg a PT100 működési elvét: A PT100 a Pt ellenállás hőmérséklet-érzékelője. A működési elv az ellenállás hőhatásán alapul. Ellenállási értéke a hőmérséklet változásával változik. Ez a változás lineáris. 0℃-on, a PT100 ellenállásértéke az 100 ohmok. Ahogy a hőmérséklet emelkedik, az ellenállás értéke is ennek megfelelően nő, így az ellenállásérték mérésével a hőmérsékletre pontosan következtethetünk.

Nagy pontosságú, 4 vezetékes A osztályú PT100 hőmérsékletmérő rendszer

2-huzal PT100 platina ellenállás hőmérséklet-szabályozó szonda hőmérsékletmérő rendszer

3-vezetékes PT100 hőellenállás érzékelő hőmérsékletmérő rendszer

Válassza ki a megfelelő bekötési módot: Általában, 2-huzal, 3-vezetékes vagy 4 vezetékes huzalozási módszerek használhatók.

A híd által kiadott feszültségjel

Főbb tudnivalók a PT100 rendszerről:
Érzékelő elve:
A PT100 érzékelő platina huzalból készül, amelynek elektromos ellenállása előre láthatóan változik a hőmérséklet-ingadozásokkal.

Mérési módszer:
Amikor áram folyik át a PT100-on, megmérik az érzékelő feszültségesését, amelyet azután az ellenállás és a hőmérséklet ismert kapcsolata alapján hőmérsékletté alakítanak át.

Széles körű alkalmazás:
A PT100 érzékelőket általában ipari folyamatokban használják, laboratóriumok, és más alkalmazásokhoz, ahol nagy pontosságuk és stabilitásuk miatt pontos hőmérsékletmérés szükséges.

A PT100 rendszer összetevői:
PT100 érzékelő szonda:
A tényleges érzékelő elem, jellemzően egy kerámiamag köré tekert platinahuzal, amelyet beillesztenek a mérendő környezetbe.

Jelkondicionáló áramkör:
Elektronika, amely felerősíti és mérhető feszültségjellé alakítja át a PT100 kis ellenállásváltozását.

Kijelző vagy adatgyűjtő rendszer:
Eszköz, amely megjeleníti a mért hőmérsékletet vagy tárolja az adatokat elemzés céljából.

A PT100 rendszer használatának előnyei:
Nagy pontosságú:　Az egyik legpontosabb hőmérséklet-érzékelőnek tartják.
Széles hőmérsékleti tartomány:　Az érzékelő kialakításától függően -200 ° C és 850 ° C közötti hőmérsékletet képes mérni.
Jó linearitás:　Az ellenállás és a hőmérséklet közötti kapcsolat nagyon lineáris, megkönnyítve az adatok értelmezését.
Stabilitás:　A platina nagyon stabil anyag, állandó leolvasás biztosítása az idő múlásával.

Pt100 hőellenállás indexelő táblázat

A PT100 platina ellenállás három bekötési módja elvileg különbözik: 2-vezeték és 3 vezetékes mérése híd módszerrel történik, és a végén megadjuk a hőmérséklet érték és az analóg kimeneti érték közötti kapcsolatot. 4-a vezetéknek nincs hídja. Teljesen állandó áramforrás küldi, voltmérővel mérve, és végül megadja a mért ellenállásértéket, amelynek használata nehéz és költséges.
Mivel a PT100 kis ellenállásértékkel és nagy érzékenységgel rendelkezik, a vezeték ellenállás értékét nem lehet figyelmen kívül hagyni. A 3 vezetékes csatlakozás használatával kiküszöbölhető a vezeték ellenállása okozta mérési hiba.
A 2 vezetékes rendszer gyenge mérési pontossággal rendelkezik; a 3 vezetékes rendszer pontosabb; a 4 vezetékes rendszer nagy mérési pontossággal rendelkezik, de több vezetéket igényel.

Csak a PT100 hőmérsékleti állapotát kell ismernünk a híd által kiadott feszültségjel alapján. Ha a PT100 ellenállásértéke nem egyenlő az Rx ellenállásértékével, a híd nyomáskülönbség jelet ad ki, ami nagyon kicsi. Mivel a hőmérséklet-érzékelő kimeneti jele általában nagyon gyenge, jelkondicionáló és átalakító áramkör szükséges annak felerősítéséhez, vagy könnyen átvihető formába való átalakításához, folyamat, rögzíteni és megjeleníteni. A mért jelmennyiség enyhe változását elektromos jellé kell alakítani. A DC jel erősítésekor, a műveleti erősítő önsodródása és kiegyensúlyozatlan feszültsége nem hagyható figyelmen kívül, amikor áthalad a műveleti erősítőn. Erősítés után, kívánt méretű feszültségjel adható ki.
A platina ellenállás ellenállásértékét áramköri számítással vagy multiméteres méréssel kaphatjuk meg. Ha ismerjük a PT100 ellenállás értékét, ellenállásértékkel tudjuk mérni és kiszámítani a hőmérsékletet.

Használjon megfelelő algoritmusokat az adatfeldolgozáshoz: Használja az ismert hőmérséklet és ellenállás összefüggést a hőmérséklet kiszámításához programozással. Figyelembe véve, hogy a PT100 ellenállás-hőmérséklet kapcsolata nemlineáris, különösen alacsony vagy magas hőmérsékletű területeken, bonyolultabb algoritmusokra lehet szükség a pontosság javításához.

A környezeti tényezők hatása: A teljesítményt befolyásolhatják a környezeti tényezők, például az elektromágneses interferencia, mechanikai rezgés, és páratartalom.

Három általános hőmérsékletmérési számítási módszer létezik:
Hőmérsékletmérés számítási módszere 1:
Amikor nincs szükség a pontos hőmérsékletre, a hőmérséklet 2,5°C-kal nő a PT100 hőellenállás ellenállásértékének minden ohmos növekedésével (alacsony hőmérsékleten használják). A PT100 hőmérséklet-érzékelő ellenállásértéke a 100 amikor 0℃ van, tehát a hozzávetőleges hőmérséklet ekkor = (PT100 ellenállás értéke-100)*2.5.

Hőmérsékletmérés számítási módszere 2:
A platina ellenállás ellenállásértéke és hőmérséklete közötti összefüggés

0～850℃ tartományban: Rt=R0(1+At+Bt2);

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

Rt a platina ellenállás ellenállásértéke t℃ hőmérsékleten;

R0 a platina ellenállás ellenállásértéke 0 ℃ hőmérsékleten;

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

A fenti összefüggésnek megfelelő hőellenálláshoz, hőmérsékleti együtthatója körülbelül 3,9×10-3/℃.

A fenti képlet segítségével, a hőmérséklet az ellenállásérték szerint pontosan megoldható, de ennek a módszernek a nagyszámú számítása miatt, ehhez a kísérlethez nem ajánlott.

Hőmérséklet számítási módszer 3:
A PT100-nak jó lineáris kapcsolata van a hőmérséklettel, és alkalmas közepes és alacsony hőmérsékletű hőmérséklet mérésére. A PT100 ellenállásértéke különböző hőmérsékleteken egy az egyhez megfelelő mérési skálával rendelkezik, az alábbi ábrán látható módon, amely intuitív módon képes megjeleníteni a megfelelő összefüggést a különböző hőmérsékletek és a PT100 ellenállásértéke között.
A hőmérséklet a megfelelő ellenállásérték PT100 skálán keresztül történő ellenőrzésével ismerhető meg.

Pt100 hőellenállás skála

Az ebben a cikkben tervezett PT100 hőmérsékletmérő eszköz az általánosan használt, alacsony költségű, négyutas LM324 műveleti erősítőt használja az eszköz tápáramkörének és három műveleti erősítős műszererősítő áramkörének tervezéséhez..

1.1 Feszültségforrás áramkör

Pt100 hőellenállás érzékelő feszültségforrás áramkör

ábra szerinti áramkör 1 egy közös arányos működési áramkör. A lineáris tartományban működő ideális műveleti erősítő elemzése szerint, virtuális rövid és virtuális szünet elve szerint, azt kapják:

Wheatstone-híd számítási áramköri képlete

), akkor a zárt hurkú feszültségerősítési tényező az 2 idő, és akkor V= 10V kapjuk, és a Wheatstone-híd áramkör stabil tápfeszültségeként használják.

1.2 A Wheatstone Bridge és a PT100 három vezetékes csatlakozása.
A fenti ábra egy Wheatstone-híd. A híd kiegyensúlyozottságának feltétele, hogy a B és D pont potenciálja egyenlő legyen. Tehát amikor a híd kiegyensúlyozott, amíg R1, R2 (általában rögzített értékek) és R0 (általában állítható értékek) olvassák, a mérendő Rx ellenállást kaphatjuk meg. R1/R2=M, hívott “szorzó”.

Wheatstone híd és PT100 háromvezetékes csatlakozási módszer

A PT100 hőmérséklet mérési elv szerint, a PT100 ellenállásértékét helyesen kell ismerni, de az ellenállás értéke közvetlenül nem mérhető, tehát átalakító áramkörre van szükség. Az ellenállásértéket a mikrokontroller által érzékelhető feszültségjellé alakítják át”. A Wheatstone-híd áramkör olyan műszer, amely képes helyesen mérni az ellenállást. ábrán látható módon 2, R1, R2, R3, és R4 a hídkarja. Amikor a híd kiegyensúlyozott, R1xR3=R2xR4 teljesül. Amikor a híd kiegyensúlyozatlan, feszültségkülönbség lesz az a és b pont között. Az a és b pont feszültsége szerint, a megfelelő ellenállás kiszámítható. Ez a kiegyensúlyozatlan híd ellenállásmérésének elve:

PT100 háromvezetékes áramkör csatlakozási módja

Valójában, a PT100 kis ellenállása és nagy érzékenysége miatt, a vezeték ellenállása hibákat okoz. Ezért, a háromvezetékes csatlakozási módszert az iparban gyakran alkalmazzák ennek a hibának a kiküszöbölésére. Az ábra pontozott részén látható módon 2, a vezeték ellenállás értéke egyenlő és r. Ebben az időben, a hídkarok R-vé válnak, R, R+2r, és Rt+2r. Amikor a híd kiegyensúlyozott: R2. (R1+2r) =R1.(R3+2r), rendezve: Rt= R1R3/ R2+2 R1r/ R2- 2r. Az elemzés azt mutatja, hogy ha R1=R2, a vezeték ellenállásának változása nincs hatással a mérési eredményre.

1.3 Három műveleti erősítő műszeres erősítő áramkör
Amikor a hőmérséklet 0 ℃ ~ 100 ℃ között változik, a PT100 ellenállása megközelítőleg lineárisan változik a 100Ω-138,51Ω tartományban. A fenti hídáramkör szerint, a híd 0℃-on kiegyensúlyozott, tehát a híd kimeneti feszültségének elméleti értéke legyen 0 V, és amikor a hőmérséklet 100 ℃, a híd kimenete az: Uab=U7x(R1/(R1 + R2)-R3/(R2 + R3)), vagyis, Uab=10x(138.51/(10000 + 138.51)-100/(10000 + 100)) =0,037599V. Mivel ez egy millivoltos jel, ezt a feszültséget fel kell erősíteni, hogy az AD chip által észlelhető legyen.

ábrán látható módon 3, a műszererősítő egy olyan eszköz, amely zajos környezetben kis jeleket erősít fel. Számos előnye van, mint például az alacsony sodródás, alacsony energiafogyasztás, magas közös módú elutasítási arány, széles tápellátási tartomány és kis méret. A kisebb, differenciális jelek jellemzőit használja nagyobb közös módú jelekre szuperponálva, amely egyszerre képes eltávolítani a közös módú jeleket és felerősíteni a differenciáljeleket. A szabványos három műveletes erősítő műszeres erősítő áramkör kimeneti feszültsége a, itt R8=R10 =20 kΩ, R9=R11=20 kΩ, R4=R7=100kΩ, amely a bemeneti feszültségjelet kb 150 idő, hogy a híd elméleti kimeneti feszültsége felerősíthető legyen 0 ~2,34 V. De ez csak elméleti érték. A tényleges folyamatban, számos tényező okozhat ellenállásváltozást. Ezért, Az R3 precíziósan állítható ellenállással helyettesíthető az áramkör nullázásának megkönnyítése érdekében.

PT100 érzékelős háromműködésű erősítő műszererősítő áramkör

2. Szoftver tervezés

2.1 A legkisebb négyzetek módszere és a PT100 lineáris illesztés

0℃≤t≤850℃ hőmérséklet-tartományban, a Pt100 ellenállás és a hőmérséklet közötti összefüggés az: R=100 (1 +At+Bt2), ahol A=3,90802x 10-3; B=- -5.80x 10-7; C = 4,2735 x 10-12

Látható, hogy a PT100 ellenállása és a hőmérséklet nem abszolút lineáris összefüggés, hanem parabola. Ezért, ha t kell kinyerni, négyzetgyök művelet szükséges, amely egy bonyolultabb funkcióműveletet vezet be és nagy mennyiségű CPU erőforrást foglal el az egychipes mikroszámítógépben. A probléma megoldásához, a legkisebb négyzetek módszerével lineárisan illeszthetjük a hőmérséklet és ellenállás összefüggését. ” A legkisebb négyzetek görbe illesztése a kísérleti adatfeldolgozás általános módszere. Elve az, hogy olyan polinom függvényt találunk, amely minimalizálja az eredeti adatok négyzetes hibáinak összegét.

2.2 AD digitális konverziós hőmérséklet
A PT100 hőmérséklet mérési elve az, hogy a hőmérséklet értéket az ellenállás értéke alapján kapjuk meg, tehát először a hőellenállás ellenállásértékét kell meghatározni. A hardveres áramkör szerint, a hídáramkör Uab kimeneti feszültsége és a műveleti erősítő műszererősítő áramkörének Uad kimeneti feszültsége közötti kapcsolat: Uad = Uab. Auf Mert a rendszer 12 bites AD chipet használ, a digitális mennyiség és az analóg mennyiség közötti kapcsolat az: Uad/AD=5/4096. A híd kimeneti feszültsége és az AD digitális mennyiség közötti összefüggést az előző két egyenlet kombinálásával kaphatjuk meg, vagyis, Uad/AD=5/(4096On). Majd, behelyettesítjük az Uab= U7x híd kimeneti feszültség kifejezésébe (Rt/ (R1+Rt) -R3/ (R2+R3) ), és az Rr kifejezése és az AD digitális mennyiség megkapható. A megoldás az:

AD digitális konverziós hőmérsékleti képlet

A PT100 ellenállás értékének ismerete után, szakaszban található lineáris illesztési egyenlet szerint kaphatjuk meg a megfelelő hőmérsékleti értéket 2.1.

2.3 Egy chipes digitális szűrés
A PT100 hőmérséklet mérési pontosságának javítása érdekében, a szoftverprogramozáshoz digitális szűrőprogram is hozzáadható, amely nem igényel hardveres áramkörök hozzáadását, és javíthatja a rendszer stabilitását és megbízhatóságát. Az egychipes mikroszámítógépes alkalmazási rendszerben számos szűrési módszer létezik. Egy konkrét kiválasztás során, elemezni és összehasonlítani kell a szűrési módszer és az alkalmazható objektumok előnyeit és hátrányait, a megfelelő szűrési mód kiválasztásához. A medián átlag szűrési módszer algoritmusa az, hogy először folyamatosan N adatot gyűjtünk, majd távolítson el egy minimális és egy maximális értéket, és végül számítsuk ki a maradék adatok számtani átlagát. Ez a szűrési módszer lassan változó paraméterek mérésére alkalmas, mint például a hőmérséklet, és hatékonyan csökkentheti a véletlen tényezők által okozott ingadozások vagy a mintavevő instabilitása által okozott hibák által okozott interferenciát.

A rendszer működési folyamata:
Amikor a mért tárgy hőmérséklete megváltozik, a PT100 ellenállása megváltozik, és a Wheatstone-híd megfelelő feszültségjelet ad ki. Ez a jel a PT100 ellenállásának függvénye. Ezt a millivoltos jelet egy három műveleti erősítő műszeres erősítő erősíti fel, és továbbítja az AD chipnek, amely az analóg mennyiséget digitális mennyiséggé alakítja és a mikrokontroller beolvassa. A mikrokontroller kiolvassa a chipet az AD chipről, és végrehajtja a szűrőprogramot, a stabil digitális mennyiség átszámítása a PT100 ellenállásába számítással. Ezután a mikrokontroller kiválasztja a megfelelő illesztett lineáris modellt az ellenállás értékének megfelelően az aktuális hőmérséklet érték kiszámításához, és végül megjeleníti a hőmérsékleti adatokat az LCD kijelzőn.