Solusi sirkuit akuisisi suhu PT100/PT1000

1. Tabel perubahan ketahanan suhu PT100 dan PT1000
Resistor termal logam seperti nikel, resistor tembaga dan platinum memiliki korelasi positif dengan perubahan resistansi terhadap suhu. Platinum memiliki sifat fisik dan kimia yang paling stabil dan paling banyak digunakan. Rentang pengukuran suhu resistor platinum Pt100 yang umum digunakan adalah -200～850 ℃. Selain itu, rentang pengukuran suhu Pt500, Pt1000, dll.. dikurangi secara berturut-turut. Pt1000, rentang pengukuran suhu -200～420 ℃. Menurut standar internasional IEC751, karakteristik suhu resistor platinum Pt1000 memenuhi persyaratan berikut:

Kurva karakteristik suhu Pt1000

Menurut kurva karakteristik suhu Pt1000, kemiringan kurva karakteristik resistansi sedikit berubah dalam kisaran suhu pengoperasian normal (seperti yang ditunjukkan pada gambar 1). Melalui pemasangan linier, perkiraan hubungan antara resistansi dan suhu adalah:

1.1 Tabel perubahan ketahanan suhu PT100

Tabel perubahan ketahanan suhu PT100

1.2 Tabel perubahan ketahanan suhu PT1000

Tabel Perubahan Ketahanan Suhu PT1000

2. Solusi rangkaian akuisisi yang umum digunakan

2.1 Output pembagian tegangan resistor 0~3.3V/3V tegangan analog

Akuisisi langsung port AD chip tunggal
Rentang keluaran tegangan rangkaian pengukuran suhu adalah 0~3.3V, PT1000 (Nilai resistansi PT1000 sangat berubah, sensitivitas pengukuran suhu lebih tinggi dari PT100; PT100 lebih cocok untuk pengukuran suhu skala besar).

Pembagi tegangan resistor menghasilkan tegangan analog 0~3.3V 3V

Cara paling sederhana adalah dengan menggunakan metode pembagian tegangan. Tegangan tersebut merupakan sumber referensi tegangan 4V yang dihasilkan oleh chip sumber referensi tegangan TL431, atau REF3140 dapat digunakan untuk menghasilkan 4.096V sebagai sumber referensi. Chip sumber referensi juga mencakup REF3120, 3125, 3130, 3133, Dan 3140. Chip ini menggunakan paket SOT-32 dan tegangan input 5V. Tegangan keluaran dapat dipilih sesuai dengan tegangan referensi yang diperlukan. Tentu saja, Sesuai dengan rentang masukan tegangan normal dari port MCU AD, tidak boleh melebihi 3V/3.3V.

2.2 Output pembagian tegangan resistor 0 ~ 5V tegangan analog port MCU AD akuisisi langsung.
Tentu saja, beberapa sirkuit menggunakan catu daya 5V MCU, dan arus operasi maksimum PT1000 adalah 0,5mA, jadi nilai resistansi yang sesuai harus digunakan untuk memastikan pengoperasian normal komponen.
Misalnya, 3.3V pada diagram skema pembagian tegangan di atas diganti dengan 5V. Keuntungannya adalah pembagian tegangan 5V lebih sensitif dibandingkan 3.3V, dan akuisisi lebih akurat. Ingat, tegangan keluaran yang dihitung secara teoritis tidak boleh melebihi +5V. Jika tidak, itu akan menyebabkan kerusakan pada MCU.

2.3 Pengukuran jembatan yang paling umum digunakan
R11, R12, R13 dan Pt1000 digunakan untuk membentuk jembatan ukur, dimana R11=R13=10k, R12 = resistor presisi 1000R. Bila nilai resistansi Pt1000 tidak sama dengan nilai resistansi R12, jembatan akan mengeluarkan sinyal perbedaan tegangan level mV. Sinyal perbedaan tegangan ini diperkuat oleh rangkaian penguat instrumen dan mengeluarkan sinyal tegangan yang diinginkan. Sinyal ini dapat langsung dihubungkan ke chip konversi AD atau port AD mikrokontroler.

R11, R12, R13 dan Pt1000 digunakan untuk membentuk jembatan pengukuran

Prinsip pengukuran resistansi rangkaian ini:
1) PT1000 adalah termistor. Saat suhu berubah, resistensi pada dasarnya berubah secara linier.
2) Pada 0 derajat, resistansi PT1000 adalah 1kΩ, maka Ub dan Ua sama besarnya, yaitu, Uba = Ub – Lakukan = 0.
3) Dengan asumsi bahwa pada suhu tertentu, resistansi PT1000 adalah 1,5kΩ, maka Ub dan Ua tidak sama. Menurut prinsip pembagian tegangan, kita dapat mengetahui bahwa Uba = Ub – Melakukan > 0.
4) OP07 adalah penguat operasional, dan penguatan tegangannya A bergantung pada rangkaian eksternal, dimana A = R2/R1 = 17.5.
5) Tegangan keluaran Uo dari OP07 = Uba * A. Jadi jika kita menggunakan voltmeter untuk mengukur tegangan keluaran OP07, kita dapat menyimpulkan nilai Uab. Karena Ua adalah nilai yang diketahui, selanjutnya kita dapat menghitung nilai Ub. Kemudian, menggunakan prinsip pembagian tegangan, kita dapat menghitung nilai resistansi spesifik PT1000. Proses ini dapat dicapai melalui perhitungan perangkat lunak.
6) Jika kita mengetahui nilai resistansi PT1000 pada suhu berapa pun, kita hanya perlu mencari tabel berdasarkan nilai resistansinya untuk mengetahui suhu saat ini.

2.4 Sumber arus konstan
Karena efek pemanasan sendiri dari resistor termal, arus yang mengalir melalui resistor harus sekecil mungkin. Umumnya, arus diperkirakan kurang dari 10mA. Telah diverifikasi bahwa pemanasan sendiri dari resistor platinum PT100 dari 1 mW akan menyebabkan perubahan suhu 0,02-0,75℃. Karena itu, mengurangi arus resistor platina PT100 juga dapat mengurangi perubahan suhunya. Namun, jika arusnya terlalu kecil, rentan terhadap gangguan kebisingan, jadi nilainya secara umum 0.5-2 mA, jadi arus sumber arus konstan dipilih sebagai sumber arus konstan 1mA.

Chip tersebut dipilih sebagai chip sumber tegangan konstan TL431, dan kemudian diubah menjadi sumber arus konstan menggunakan umpan balik negatif saat ini. Rangkaiannya ditunjukkan pada gambar

Diantaranya, penguat operasional CA3140 digunakan untuk meningkatkan kapasitas beban sumber arus, dan rumus perhitungan arus keluarannya adalah:

Resistornya harus a 0.1% resistor presisi. Arus keluaran akhir adalah 0,996mA, yaitu, keakuratannya adalah 0.4%.

Rangkaian sumber arus konstan harus mempunyai ciri-ciri sebagai berikut

Pilih chip sumber tegangan konstan TL431

Stabilitas suhu: Karena lingkungan pengukuran suhu kita adalah 0-100℃, keluaran dari sumber arus tidak boleh sensitif terhadap suhu. TL431 memiliki koefisien suhu yang sangat rendah dan penyimpangan suhu yang rendah.

Regulasi beban yang baik: Jika riak arus terlalu besar, itu akan menyebabkan kesalahan membaca. Menurut analisis teoritis, karena tegangan input bervariasi antara 100-138.5mV, dan rentang pengukuran suhu adalah 0-100℃, akurasi pengukuran suhu ±1 derajat Celcius, jadi tegangan keluaran harus berubah sebesar 38,5/100=0,385mV untuk setiap kenaikan 1℃ pada suhu sekitar. Untuk memastikan bahwa fluktuasi saat ini tidak mempengaruhi keakuratan, pertimbangkan kasus yang paling ekstrim, pada 100 derajat Celsius, nilai resistansi PT100 harus 138,5R. Maka riak arus harus kurang dari 0,385/138,5=0,000278mA, yaitu, perubahan arus selama perubahan beban harus kurang dari 0,000278mA. Dalam simulasi sebenarnya, sumber saat ini pada dasarnya tetap tidak berubah.
3. Solusi sirkuit akuisisi AD623

Solusi sirkuit PT1000 akuisisi AD623

Prinsipnya dapat mengacu pada prinsip pengukuran jembatan di atas.
Akuisisi suhu rendah:

Akuisisi suhu tinggi

4. Solusi sirkuit akuisisi AD620

Solusi akuisisi AD620 PT100

Solusi akuisisi AD620 PT100 suhu tinggi (150°):

Solusi akuisisi AD620 PT100 suhu rendah (-40°):

Solusi akuisisi AD620 PT100 suhu kamar (20°):

5. Analisis penyaringan anti-interferensi PT100 dan PT1000

Akuisisi suhu di beberapa kompleks, lingkungan yang keras atau khusus akan mengalami gangguan besar, terutama termasuk EMI dan REI.

Misalnya, dalam penerapan akuisisi suhu motor, kendali motor dan putaran motor berkecepatan tinggi menyebabkan gangguan frekuensi tinggi.

Ada juga sejumlah besar skenario pengendalian suhu di dalam kendaraan penerbangan dan ruang angkasa, yang mengukur dan mengendalikan sistem tenaga listrik dan sistem pengendalian lingkungan. Inti dari pengendalian suhu adalah pengukuran suhu. Karena resistansi termistor dapat berubah secara linier terhadap suhu, menggunakan resistansi platinum untuk mengukur suhu adalah metode pengukuran suhu presisi tinggi yang efektif. Masalah utamanya adalah sebagai berikut:
1. Hambatan pada kawat timah mudah terjadi, sehingga mempengaruhi akurasi pengukuran sensor;
2. Di beberapa lingkungan interferensi elektromagnetik yang kuat, interferensi dapat diubah menjadi keluaran DC setelah diperbaiki oleh penguat instrumen
Kesalahan offset, mempengaruhi keakuratan pengukuran.
5.1 Sirkuit akuisisi PT1000 lintas udara dirgantara

Sirkuit akuisisi PT1000 lintas udara dirgantara

Mengacu pada desain sirkuit akuisisi PT1000 di udara untuk interferensi anti-elektromagnetik pada penerbangan tertentu.

Filter dipasang di ujung terluar dari rangkaian akuisisi. Sirkuit prapemrosesan akuisisi PT1000 cocok untuk prapemrosesan interferensi anti-elektromagnetik pada antarmuka peralatan elektronik di udara;
Sirkuit spesifiknya adalah:
Tegangan masukan +15V diubah menjadi sumber tegangan presisi tinggi +5V melalui pengatur tegangan, dan sumber tegangan presisi tinggi +5V terhubung langsung ke resistor R1.
Ujung lain dari resistor R1 dibagi menjadi dua jalur, satu terhubung ke input dalam fase op amp, dan yang lainnya terhubung ke resistor PT1000 ujung A melalui filter tipe-T S1. Keluaran op amp dihubungkan dengan masukan pembalik sehingga membentuk pengikut tegangan, dan masukan pembalik dihubungkan ke port ground pengatur tegangan untuk memastikan bahwa tegangan pada masukan dalam fasa selalu nol. Setelah melewati filter S2, salah satu ujung A dari resistor PT1000 dibagi menjadi dua jalur, satu jalur digunakan sebagai terminal input tegangan diferensial D melalui resistor R4, dan jalur lainnya dihubungkan ke AGND melalui resistor R2. Setelah melewati filter S3, ujung B yang lain dari resistor PT1000 dibagi menjadi dua jalur, satu jalur digunakan sebagai terminal input tegangan diferensial E melalui resistor R5, dan jalur lainnya dihubungkan ke AGND melalui resistor R3. D dan E dihubungkan melalui kapasitor C3, D terhubung ke AGND melalui kapasitor C1, dan E dihubungkan ke AGND melalui kapasitor C2; nilai resistansi tepat PT1000 dapat dihitung dengan mengukur tegangan diferensial antara D dan E.

Tegangan masukan +15V diubah menjadi sumber tegangan presisi tinggi +5V melalui pengatur tegangan. +5V terhubung langsung ke R1. Ujung R1 yang lain dibagi menjadi dua jalur, satu terhubung ke terminal input dalam fase op amp, dan yang lainnya dihubungkan ke resistor PT1000 A melalui filter tipe-T S1. Keluaran op amp dihubungkan dengan masukan pembalik sehingga membentuk pengikut tegangan, dan masukan pembalik dihubungkan ke port ground pengatur tegangan untuk memastikan bahwa tegangan pada masukan pembalik selalu nol. Saat ini, arus yang mengalir melalui R1 adalah konstan 0,5mA. Regulator tegangan menggunakan AD586TQ/883B, dan op ampnya menggunakan OP467A.

Setelah melewati filter S2, salah satu ujung A dari resistor PT1000 dibagi menjadi dua jalur, satu melalui resistor R4 sebagai ujung input tegangan diferensial D, dan satu melalui resistor R2 ke AGND; setelah melewati filter S3, ujung B yang lain dari resistor PT1000 dibagi menjadi dua jalur, satu melalui resistor R5 sebagai ujung masukan tegangan diferensial E, dan satu melalui resistor R3 ke AGND. D dan E dihubungkan melalui kapasitor C3, D terhubung ke AGND melalui kapasitor C1, dan E dihubungkan ke AGND melalui kapasitor C2.
Hambatan R4 dan R5 adalah 4,02k ohm, hambatan R1 dan R2 adalah 1M ohm, kapasitansi C1 dan C2 adalah 1000pF, dan kapasitansi C3 adalah 0,047uF. R4, R5, C1, C2, dan C3 bersama-sama membentuk jaringan filter RFI, yang menyelesaikan penyaringan low-pass dari sinyal input, dan objek yang akan disaring meliputi interferensi mode diferensial dan interferensi mode umum yang dibawa dalam sinyal diferensial masukan. Perhitungan frekuensi cutoff ‑3dB dari interferensi mode umum dan interferensi mode diferensial yang dibawa dalam sinyal input ditunjukkan dalam rumus:

Mengganti nilai resistansi ke dalam perhitungan, frekuensi cutoff mode umum adalah 40kHZ, dan frekuensi cutoff mode diferensial adalah 2.6KHZ.
Titik akhir B terhubung ke AGND melalui filter S4. Diantaranya, terminal ground filter dari S1 hingga S4 semuanya terhubung ke ground pelindung pesawat. Karena arus yang mengalir melalui PT1000 diketahui sebesar 0,05mA, nilai resistansi tepat PT1000 dapat dihitung dengan mengukur tegangan diferensial pada kedua ujung D dan E.
S1 hingga S4 menggunakan filter tipe-T, model GTL2012X‑103T801, dengan frekuensi cutoff 1M±20%. Sirkuit ini memperkenalkan filter low-pass ke jalur antarmuka eksternal dan melakukan penyaringan RFI pada tegangan diferensial. Sebagai rangkaian preprocessing untuk PT1000, itu secara efektif menghilangkan gangguan radiasi elektromagnetik dan RFI, yang sangat meningkatkan keandalan nilai yang dikumpulkan. Selain itu, tegangan diukur langsung dari kedua ujung resistor PT1000, menghilangkan kesalahan yang disebabkan oleh resistansi timbal dan meningkatkan akurasi nilai resistansi.

5.2 Filter tipe-T
Filter tipe-T terdiri dari dua induktor dan kapasitor. Kedua ujungnya mempunyai impedansi yang tinggi, dan kinerja kerugian penyisipannya mirip dengan filter tipe π, tapi itu tidak rentan terhadapnya “dering” dan dapat digunakan dalam rangkaian switching.