Akuisisi Suhu 2, 3, dan Sensor Suhu PT100 4-Kawat

Artikel ini memperkenalkan caranya 2, 3, dan sensor PT100 4 kabel diubah menjadi sinyal tegangan melalui perubahan resistansi, dan sumber arus konstan digunakan untuk melindungi sensor dan memastikan keakuratan konversi sinyal. Sensor PT100 memperoleh suhu dengan mengukur perubahan hambatan listriknya, yang berkorelasi langsung dengan suhu yang terkena; Saat suhu meningkat, resistensi elemen platinum di dalam sensor juga meningkat, memungkinkan penghitungan suhu yang tepat berdasarkan perubahan resistansi ini; pada dasarnya, itu “100” di PT100 menandakan bahwa sensor mempunyai resistansi sebesar 100 ohm pada 0 ° C., dan nilai ini dapat diprediksi berubah seiring fluktuasi suhu. Penerapan penguat operasional MCP604 dalam desain rangkaian menekankan dampak karakteristiknya seperti tegangan offset input rendah dan arus bias pada akurasi. Kalibrasi perangkat lunak digunakan untuk meningkatkan akurasi dalam desain sirkuit, menghindari ketidaknyamanan penyesuaian fisik. Akhirnya, artikel tersebut memberikan rumus hubungan antara suhu dan nilai resistansi platina, yang digunakan untuk menghitung nilai suhu.

Desain akuisisi suhu sensor suhu PT100 2 kabel

Akuisisi suhu sensor suhu PT100 3-kawat khusus Tiongkok

Akuisisi suhu sensor suhu PT100 4-kawat

Poin-poin penting tentang perolehan suhu PT100:
Detektor Suhu Resistansi (Rtd):
PT100 adalah jenis RTD, artinya ia mengukur suhu dengan mendeteksi perubahan hambatan listriknya.
Elemen platina:
Elemen penginderaan pada PT100 terbuat dari platina, yang menunjukkan hubungan yang sangat stabil dan linier antara resistansi dan suhu.
Proses pengukuran: Sensor ditempatkan di lingkungan di mana suhu perlu diukur.
Resistansi elemen platinum diukur menggunakan sirkuit elektronik khusus.
Nilai resistansi yang diukur kemudian diubah menjadi suhu menggunakan rumus matematika berdasarkan koefisien suhu platina yang diketahui.

Keunggulan sensor PT100:
Akurasi tinggi: Dianggap sebagai salah satu sensor suhu paling akurat yang ada karena perilaku stabil platinum.
Kisaran suhu yang luas:　Dapat mengukur suhu dari -200°C hingga 850°C tergantung pada desain sensor.
Linearitas yang baik: Hubungan antara hambatan dan suhu relatif linier, menyederhanakan interpretasi data.

Pertimbangan penting:
Kalibrasi: Untuk memastikan pengukuran yang akurat, Sensor PT100 perlu dikalibrasi secara berkala terhadap standar referensi.
Resistansi kawat timah: Hambatan kabel penghubung dapat mempengaruhi keakuratan pengukuran, jadi pertimbangan yang tepat atas kompensasi kabel timah sering kali diperlukan.
Kesesuaian aplikasi: Meskipun sangat akurat, Sensor PT100 mungkin tidak cocok untuk lingkungan yang sangat keras atau aplikasi yang memerlukan waktu respons sangat cepat.

1. Prinsip dasar perolehan sinyal
PT100 mengubah sinyal suhu menjadi keluaran resistansi, dan nilai resistansinya berkisar antara 0 hingga 200Ω. Konverter AD hanya dapat mengubah tegangan dan tidak dapat mengumpulkan suhu secara langsung. Karena itu, sumber arus konstan 1mA diperlukan untuk memberi daya pada PT100 dan mengubah perubahan resistansi menjadi perubahan tegangan. Keuntungan menggunakan sumber arus konstan adalah dapat memperpanjang umur sensor. Karena rentang sinyal masukan adalah 0 hingga 200mV, sinyal perlu diperkuat dan kemudian AD diubah untuk mendapatkan data sinyal listrik.

Alasan tidak menggunakan desain sumber tegangan konstan:

Jika sumber tegangan konstan digunakan untuk catu daya, dan kemudian resistor dan PT100 dihubungkan secara seri, dan tegangan dibagi, ada masalah. Ketika resistensi PT100 terlalu kecil, arus yang mengalir melalui PT100 terlalu besar, menghasilkan umur sensor yang lebih pendek.

2. Op ampnya menggunakan MCP604
Fitur MCP604:
1) Kisaran tegangan adalah 2.7~6.0V
2) Outputnya adalah Rail-to-Rail
3) Kisaran suhu pengoperasian: -40°C hingga +85 °C
4) Tegangan offset masukan adalah ±3mV, nilai tipikalnya adalah 1mV, sensitivitas tinggi.
5) Arus bias masukan adalah 1pA, ketika TA = +85°C, Saya = 20pA, meningkatkan akurasi akuisisi.
6) Ayunan tegangan keluaran linier: VSS+0,1 ~ VDD–0,1, satuannya adalah V.

Ketika tegangan catu daya adalah 3.3V, ayunan tegangan keluaran linier adalah 0,1~3.2V. Untuk memastikan bahwa sinyal yang diperkuat bekerja di wilayah linier, ketika VDD = 3.3V, kita atur tegangan keluaran MCP604 tetap pada: 0.5V ~ 2.5V untuk memenuhi persyaratan desain sirkuit op amp.

Op amp dalam buku elektronik analog adalah penguat operasional yang ideal, Yang berbeda dari penguat sebenarnya. Karena itu, itu perlu untuk dipertimbangkan “tegangan offset masukan”, “arus bias masukan” Dan “ayunan tegangan keluaran linier” saat mendesain.

3. Diagram sirkuit
R11 pada gambar adalah rangkaian bias untuk mencegah tahap terakhir keluaran penguat diferensial dari distorsi saturasi.
1) Pilih faktor amplifikasi yang sesuai untuk mengurangi kesalahan keluaran. Karena adanya tegangan offset masukan, ketika faktor amplifikasi meningkat, kesalahan keluaran juga akan meningkat, yang harus diperhatikan dalam perancangan.
2) Faktor penguatan rangkaian ini adalah 10. Dengan asumsi tegangan offset masukan tipikal adalah 3mV, jika sinyal input berubah menjadi 5mV, 2mV tidak akan diperkuat, yang akan menghasilkan kesalahan keluaran 20mV.

Op amp pendeteksi suhu PT100 menggunakan diagram rangkaian MCP604

Vo4 = (Vin1 – Vref)*10
saya = 1mA, Vref=Vo3=1,65V
1.7V<= Vin<=1.9V, 1.7V<=V02<=1.9
1.8V<=Vo1<=2V, memastikan bahwa op amp bekerja di wilayah linier, ini sangat penting
0.5V<=Vo4<=2.5V, memastikan bahwa op amp bekerja di wilayah linier, inilah mengapa 50Ω diperlukan secara seri.

Ketika resistansi masukan berubah sebesar 1Ω, Vout berubah menjadi 10mV. Karena tegangan kompensasi masukan MCP604 adalah ±3mV, ketika terjadi perubahan sebesar 0,3333Ω, akan terjadi perubahan sebesar 3,333mV, dan sensitivitas akuisisinya tinggi.
Kapan 0<=Rin<= masukan 200Ω, karena loop dihubungkan secara seri dengan 50Ω, 50Oh<=Rx<=250Ω
Vin1 – Vref = Rx*0,001, satuan A

4. Kalibrasi perangkat lunak
Insinyur baru selalu berusaha meningkatkan keakuratan resistor, tapi kesalahannya masih besar. Beberapa insinyur hanya menggunakan resistor yang dapat disesuaikan secara terus menerus, menyesuaikan nilai resistansinya, dan gunakan multimeter untuk membuat output memenuhi hubungan transfer. Akurasi ini tampaknya ditingkatkan, tetapi tidak nyaman untuk produksi, dan kesulitan desain PCB juga meningkat. Bahkan jika debugging sudah selesai, jika sekrup penyetel disentuh dengan tangan, hal ini dapat menyebabkan kesalahan. Satu-satunya cara adalah dengan menggunakan resistor tetap untuk produksi dan menggunakan perangkat lunak untuk membantu mencapai kalibrasi yang akurat.
1) Ketika Rin=0, membaca nilai tegangan dan mencatatnya sebagai V50. Hemat V50, tidak akan berubah seiring dengan perubahan nilai resistansi PT100 karena ditenagai oleh sumber arus konstan.
2) Hubungkan resistor nominal, misalkan Rs = 100Ω, membaca nilai tegangan dan mencatatnya sebagai V150. Hemat V150, nilai tegangan terbaca pada saat suhu 0.
3) Hitung faktor amplifikasi saat ini: Io = (V150 – V50) / Rp; selamatkan Aku, itu berarti kalibrasi sudah selesai.
4) Ketika resistansi masukan adalah R, tegangan yang terbaca adalah Vo, maka R = (Ya- V50) / Io
Melalui uraian di atas, kalibrasi perangkat lunak memiliki keuntungan besar, tidak hanya produksi yang nyaman, tetapi juga akurasi yang tinggi. Untuk meningkatkan akurasi, tegangan keluaran juga dapat dibagi menjadi beberapa interval, dikalibrasi secara terpisah, dan Io yang berbeda dapat diperoleh, sehingga linearitas keluarannya akan lebih baik. Ide-ide ini tercermin dalam desain saya.

Desain sirkuit OP AMP MCP604

5. Hitung suhu
Ketika suhu kurang dari 0,
R0*C*t^4 – 100R0*C*t^3 + R0*B*t^2 + R0*A*t + R0 – Rt=0
Ketika suhu lebih besar dari atau sama dengan 0, Rt=R0*(1+A*t+B*t*t)
Keterangan:
Rt adalah nilai resistansi resistor platina pada t℃
R0 adalah nilai resistansi resistor platina pada 0℃ 100Ω
SEBUAH=3,9082×10^-3
B=-5,80195×10^-7
C=-4,2735×10^-12

6. Sensor suhu Pt100
Sensor suhu Pt100 adalah sensor termistor koefisien suhu positif, dan parameter teknis utamanya adalah sebagai berikut:
1) Kisaran suhu pengukuran: -200℃ ~ +850℃;
2) Nilai deviasi yang diijinkan Δ℃: Kelas A ±(0.15+0.002|T|), Kelas B ±(0.30+0.005|T|);
3) Kedalaman penyisipan minimum: Kedalaman penyisipan minimum resistor termal adalah ≥200mm;
4) Arus yang diijinkan: < 5mA;
5) Sensor suhu PT100 juga memiliki keunggulan ketahanan terhadap getaran, stabilitas yang baik, akurasi tinggi, dan tekanan tinggi. Resistor termal platinum memiliki linearitas yang baik. Saat berganti antara 0 Dan 100 derajat Celsius, deviasi nonlinier maksimum kurang dari 0,5℃;
Saat suhu < 0, R0*C*t^4 – 100R0*C*t^3 + R0*B*t^2 + R0*A*t + R0 – Rt=0
Ketika suhu ≥ 0, Rt= R0*(1+A*t+B*t*t)
Menurut hubungan di atas, perkiraan kisaran resistensi adalah: 18Ω~390,3Ω, -197℃ adalah 18Ω, 850Ω adalah 390,3Ω;
Keterangan:
Rt adalah nilai resistansi resistor platina pada t℃, R0 adalah nilai resistansi resistor platina pada 0℃, 100Oh
SEBUAH=3,9082×10^-3, B=-5,80195×10^-7, C=-4,2735×10^-12
Manual instruksi sensor suhu logam platinum PT100
6) Desain sirkuit
7) Hubungan antara suhu dan resistansi PT100
Suhu dan resistansi PT100 memenuhi persamaan berikut:
Ketika suhu ≤0, R0*C*t^4 – 100*R0*C*t^3 + R0*B*t^2 + R0*A*t + R0 – Rt=0
Ketika suhu ≥0, R0*B*t^2 + R0*A*t + R0 – Rt =0

Tabel perbandingan suhu dan resistansi PT100

Keterangan:
Rt adalah nilai resistansi resistor platina pada t℃, R0 adalah nilai resistansi resistor platina pada 0℃, 100Oh
SEBUAH=3,9082×10^-3, B=-5,80195×10^-7, C=-4,2735×10^-12

1. Untuk kenyamanan perhitungan, ketika suhu ≤0, membiarkan:
ganda a=R0*C*100000=100*(-4.2735×10^-12)*100000=-4.2735/100000
ganda b=–100*R0*C*100000=-100*100*(-4.2735×10^-12)*100000=4,2735/1000
ganda c= R0*B*100000=100*(-5.80195×10^-7)*100000=-5.80195
ganda d=R0*A*100000=100*(3.9082×10^-3)*100000=39082
ganda e= (100-Rt)*100000
Ketika suhu ≤ 0, a*t^4 + jalang^3 + c*t^2 + sialan + e=0
dimana x3 adalah solusi PT100 ketika kurang dari 0℃.

2. Untuk kemudahan perhitungan, ketika suhu lebih besar atau sama dengan 0
ganda a= R0*B*100000=100*(-5.80195×10^-7)*100000=-5.80195
ganda b=R0*A*100000=100*(3.9082×10^-3)*100000=39082
ganda c= (100-Rt)*100000
Ketika suhu ≥0, a*t^2 + jalang + c =0
t = [ persegi( jalang – 4*a*c )-B ] / 2 / A
19.785Ω sesuai dengan -197℃, suhu nitrogen cair
18.486Ω sesuai dengan -200℃
96.085Ω sesuai dengan -10℃
138.505Ω sesuai dengan 100℃
175.845Ω sesuai dengan 200℃
247.045Ω sesuai dengan 400℃