Resistors and Circuits of PT100 and PT1000 Metal Thermal Resistor Sensor Probes

A temperature acquisition circuit for a PT100 or PT1000 sensor probe typically consists of a stable current source to excite the sensor, a high-precision resistance measurement circuit to detect the change in resistance with temperature, and an analog-to-digital converter (ADC) to convert the measured voltage into a digital signal that can be processed by a microcontroller or data acquisition system; the key difference between a PT100 and PT1000 circuit is the scale of resistance values due to the Pt100 having a nominal resistance of 100 ohms at 0°C while a Pt1000 has 1000 ohm pada 0 ° C., often requiring adjustments in the measurement circuit depending on the desired accuracy and application.

The article introduces the resistance change of PT100 and PT1000 metal thermal resistor sensor probes at different temperatures, as well as a variety of temperature acquisition circuit solutions. Including resistance voltage division, bridge measurement, constant current source and AD623, AD620 acquisition circuit. In order to resist interference, especially electromagnetic interference in the aerospace field, an airborne PT1000 temperature sensor acquisition circuit design is proposed, including a T-type filter for filtering and improving measurement accuracy.
Abstract generated by CSDN through intelligent technology

PT100 Temperature cable sensor for Precise temperature measurement in containers, tangki dan pipa

Temperature sensor probe T100 high temperature -50～260 cable

PT100 platinum resistance temperature sensor for transmitter surface temperature

Solusi sirkuit akuisisi suhu PT100/PT1000
1. Temperature resistance change table of PT100 and PT1000 sensors
Resistor termal logam seperti nikel, copper and platinum resistors have a positive correlation with the change of temperature. Platinum memiliki sifat fisik dan kimia yang paling stabil dan paling banyak digunakan. The temperature measurement range of the commonly used platinum resistance Pt100 sensor probes is -200～850℃, and the temperature measurement ranges of Pt500, Pt1000 sensor probes, dll.. dikurangi secara berturut-turut. Pt1000, temperature measurement range is -200～420℃. Menurut standar internasional IEC751, karakteristik suhu resistor platinum Pt1000 memenuhi persyaratan berikut:

Kurva karakteristik suhu Pt1000

Menurut kurva karakteristik suhu Pt1000, the slope of the resistance characteristic curve changes slightly within the normal operating temperature range (seperti yang ditunjukkan pada gambar 1). The approximate relationship between resistance and temperature can be obtained through linear fitting:

Tabel perubahan ketahanan suhu PT100 1

2. Solusi rangkaian akuisisi yang umum digunakan

2. 1 Resistor voltage divider output 0~3.3V/3V analog voltage single chip AD port direct acquisition
Rentang keluaran tegangan rangkaian pengukuran suhu adalah 0~3.3V, PT1000 (Nilai resistansi PT1000 sangat berubah, and the temperature measurement sensitivity is higher than PT100; PT100 lebih cocok untuk pengukuran suhu skala besar).

Cara paling sederhana adalah dengan menggunakan metode pembagian tegangan. The voltage is generated by the TL431 voltage reference source chip, which is a 4V voltage reference source. Alternatifnya, REF3140 can be used to generate 4.096V as a reference source. Reference source chips also include REF3120, 3125, 3130, 3133, Dan 3140. The chip uses a SOT-32 package and a 5V input voltage. Tegangan keluaran dapat dipilih sesuai dengan tegangan referensi yang diperlukan. Tentu saja, according to the normal voltage input range of the AD port of the microcontroller, tidak boleh melebihi 3V/3.3V.

PT100 single chip AD port circuit direct acquisition

2.2 Resistor voltage division output 0~5V analog voltage, and the AD port of the microcontroller directly collects it.
Tentu saja, some circuits are powered by a 5V microcontroller, and the maximum operating current of the PT1000 is 0.5mA, so an appropriate resistance value must be used to ensure the normal operation of the component.
Misalnya, the 3.3V in the voltage division schematic diagram above is replaced by 5V. The advantage of this is that the 5V voltage division is more sensitive than the 3.3V voltage, and the collection is more accurate. Ingat, tegangan keluaran yang dihitung secara teoritis tidak boleh melebihi +5V. Jika tidak, the microcontroller will be damaged.

2.3 Pengukuran jembatan yang paling umum digunakan

The voltage divider circuit of PT100 outputs 0~5V analog voltage

Use R11, R12, R13 and Pt1000 to form a measurement bridge, dimana R11=R13=10k, R12=1000R precision resistor. Bila nilai resistansi Pt1000 tidak sama dengan nilai resistansi R12, the bridge will output a mV level voltage difference signal. Sinyal perbedaan tegangan ini diperkuat oleh rangkaian penguat instrumen dan mengeluarkan sinyal tegangan yang diinginkan, which can be directly connected to the AD conversion chip or the AD port of the microcontroller.

Prinsip pengukuran resistansi rangkaian ini:

1) PT1000 adalah termistor, and its resistance changes basically linearly with the change of temperature.

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. According to the voltage divider principle, we can find Uba = Ub – Melakukan > 0.
4) OP07 adalah penguat operasional, and its voltage amplification factor A depends on the external circuit, 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, using the voltage divider principle, 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, we only need to look up the table according to the resistance value to know the current temperature.

2.4 Sumber arus konstan
Karena efek pemanasan sendiri dari resistor termal, it is necessary to ensure that the current flowing through the resistor is as small as possible, and generally the current is expected to be less than 10mA. Telah diverifikasi bahwa pemanasan sendiri dari resistor platinum PT100 dari 1 mW will cause a temperature change of 0.02 to 0.75℃, so reducing the current of the platinum resistor PT100 can also reduce its temperature change. Namun, jika arusnya terlalu kecil, rentan terhadap gangguan kebisingan, so it is generally taken at 0.5 ke 2 mA, jadi arus sumber arus konstan dipilih sebagai sumber arus konstan 1mA.

The chip selected is the constant voltage source chip TL431, and then the current negative feedback is used to convert it into a constant current source. Rangkaiannya ditunjukkan pada gambar:

Constant current source of resistor PT100 circuit acquisition scheme

The operational amplifier CA3140 is used to improve the load capacity of the current source, dan rumus perhitungan arus keluarannya adalah:
Insert picture description here The resistor should be 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:
Stabilitas suhu: Karena lingkungan pengukuran suhu kita adalah 0-100℃, keluaran dari sumber arus tidak boleh sensitif terhadap suhu. And TL431 has an extremely low temperature coefficient and low temperature drift.

Regulasi beban yang baik: Jika riak arus terlalu besar, itu akan menyebabkan kesalahan membaca. Menurut analisis teoritis. Since the input voltage varies between 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, the change in current during the load change should be less than 0.000278mA. Dalam simulasi sebenarnya, sumber saat ini pada dasarnya tetap tidak berubah.

3. Solusi sirkuit akuisisi AD623
Prinsipnya dapat mengacu pada prinsip pengukuran jembatan di atas.
Akuisisi suhu rendah:

AD620 measures PT100 acquisition solution high temperature (150°)

Akuisisi suhu tinggi
Insert picture description here

4. Solusi sirkuit akuisisi AD620
AD620 PT100 acquisition solution for high temperature (150°):

AD620 measures PT100 acquisition solution at low temperature (-40°)

AD620 PT100 acquisition solution for low temperature (-40°):

AD620 measures PT100 acquisition scheme at room temperature (20°)

AD620 PT100 acquisition solution for room temperature (20°):

PT100 sensor high temperature acquisition circuit

5. Anti-interference filtering analysis of PT100 and PT1000 sensors
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, high-frequency disturbances caused by motor control and high-speed rotation of the motor.

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. In certain strong electromagnetic interference environments, the interference may be converted into DC output offset error after being rectified by the instrument amplifier, mempengaruhi keakuratan pengukuran.

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

AD623 acquisition circuit scheme for PT100 sensor

Filter dipasang di ujung terluar dari rangkaian akuisisi. The PT1000 acquisition preprocessing circuit is suitable for anti-electromagnetic interference preprocessing of airborne electronic equipment interfaces; the specific circuit is:
Tegangan masukan +15V diubah menjadi sumber tegangan presisi tinggi +5V melalui pengatur tegangan. The +5V high-precision voltage source is directly connected to the resistor R1, and the other end of the resistor R1 is divided into two paths. One is connected to the in-phase input end of the op amp, and the other is connected to the PT1000 resistor A end through the T-type filter 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, one through resistor R4 as the differential voltage input D, dan satu melalui resistor R2 ke AGND. Setelah melewati filter S3, ujung B yang lain dari resistor PT1000 dibagi menjadi dua jalur, one through resistor R5 as the differential voltage input 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. The precise resistance value of PT1000 can be calculated by measuring the differential voltage across D and 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 input dalam fase op amp, and the other connected to the A end of the PT1000 resistor through the T-type filter 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. The RFI filter completes the low-pass filtering of the input signal, and the objects filtered out include the differential mode interference and common mode interference carried in the input differential signal. Perhitungan frekuensi cutoff ‑3dB dari interferensi mode umum dan interferensi mode diferensial yang dibawa dalam sinyal input ditunjukkan dalam rumus:

Sirkuit akuisisi PT1000 lintas udara dirgantara

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, with a cutoff frequency of M±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.

3-wire Class B high industrial temperature control PT100 platinum thermal resistor temperature sensor

K-E type compression spring thermocouple, pt100 temperature sensor probe

High precision PT100 temperature sensor for transformer temperature measurement

5.2 Filter tipe-T
Insert picture description here
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.