Sistem Pengukuran Suhu Sensor Tahan Termal PT100

2-kabel, 3-kawat atau 4-kawat Pt100, Pt500, Sensor Pt1000 merupakan sensor suhu berbahan dasar elemen platina dengan akurasi tinggi, stabilitas dan linearitas, dan banyak digunakan di bidang yang membutuhkan pengukuran suhu yang akurat. A “Sistem pengukuran suhu resistor termal PT100” mengacu pada sistem yang menggunakan sensor PT100, sejenis Detektor Suhu Resistansi (Rtd), untuk mengukur suhu dengan mendeteksi perubahan hambatan listrik yang berbanding lurus dengan suhu; “PT” singkatan dari Platina, Dan “100” menunjukkan bahwa sensor mempunyai resistansi sebesar 100 ohm pada 0°C menjadikannya metode yang sangat akurat dan stabil untuk pengukuran suhu dalam rentang yang luas.

Resistor platinum banyak digunakan pada kisaran suhu menengah (-200～650℃). Saat ini, ada resistor termal pengukur suhu standar yang terbuat dari logam platinum di pasaran, seperti Pt100, Pt500, Pt1000, dll..

Memahami prinsip kerja PT100: PT100 adalah sensor suhu resistor Pt. Prinsip kerjanya didasarkan pada efek termal resistor. Nilai resistansinya berubah seiring perubahan suhu. Perubahan ini bersifat linier. Pada 0℃, nilai resistansi PT100 adalah 100 ohm. Saat suhu meningkat, nilai resistansi juga meningkat, sehingga suhu dapat disimpulkan secara akurat dengan mengukur nilai resistansi.

Sistem pengukuran suhu PT100 Kelas A 4-kawat presisi tinggi

2-kawat PT100 platinum resistansi kontrol suhu sistem pengukuran suhu probe

3-kawat PT100 sistem pengukuran suhu sensor resistor termal

Pilih metode pengkabelan yang sesuai: Umumnya, 2-kabel, 3-metode pengkabelan kawat atau 4 kawat dapat digunakan.

Sinyal tegangan dikeluarkan oleh jembatan

Poin-poin penting tentang sistem PT100:
Prinsip sensor:
Sensor PT100 terbuat dari kawat platinum yang hambatan listriknya dapat diprediksi berubah seiring fluktuasi suhu.

Metode pengukuran:
Ketika arus dilewatkan melalui PT100, penurunan tegangan pada sensor diukur, yang kemudian diubah menjadi suhu berdasarkan hubungan yang diketahui antara resistansi dan suhu.

Aplikasi luas:
Sensor PT100 biasa digunakan pada proses industri, laboratorium, dan aplikasi lain yang memerlukan pengukuran suhu yang tepat karena akurasi dan stabilitasnya yang tinggi.

Komponen sistem PT100:
Pemeriksaan sensor PT100:
Elemen penginderaan sebenarnya, biasanya kawat platinum yang melilit inti keramik, yang dimasukkan ke dalam lingkungan yang akan diukur.

Sirkuit pengkondisian sinyal:
Elektronik yang memperkuat dan mengubah perubahan resistansi kecil dari PT100 menjadi sinyal tegangan yang dapat diukur.

Sistem tampilan atau akuisisi data:
Perangkat yang menampilkan suhu terukur atau menyimpan data untuk dianalisis.

Manfaat menggunakan sistem PT100:
Akurasi tinggi:　Dianggap sebagai salah satu sensor suhu paling akurat yang tersedia.
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 sangat linier, memudahkan interpretasi data.
Stabilitas:　Platinum adalah bahan yang sangat stabil, memastikan pembacaan yang konsisten dari waktu ke waktu.

Tabel pengindeksan ketahanan termal Pt100

Ketiga metode pengkabelan resistor platinum PT100 pada prinsipnya berbeda: 2-kawat dan 3 kawat diukur dengan metode jembatan, dan hubungan antara nilai suhu dan nilai keluaran analog diberikan pada akhirnya. 4-kawat tidak memiliki jembatan. Itu sepenuhnya dikirim oleh sumber arus konstan, diukur dengan voltmeter, dan akhirnya memberikan nilai resistansi yang diukur, yang sulit dan mahal untuk digunakan.
Karena PT100 mempunyai nilai resistansi yang kecil dan sensitivitas yang tinggi, nilai resistansi kawat timah tidak dapat diabaikan. Penggunaan sambungan 3 kabel dapat menghilangkan kesalahan pengukuran yang disebabkan oleh resistansi saluran utama.
Sistem 2 kabel memiliki akurasi pengukuran yang buruk; sistem 3-kawat memiliki akurasi yang lebih baik; sistem 4 kabel memiliki akurasi pengukuran yang tinggi, tetapi membutuhkan lebih banyak kabel.

Kita hanya perlu mengetahui keadaan suhu PT100 berdasarkan sinyal tegangan yang dikeluarkan oleh jembatan. Apabila nilai resistansi PT100 tidak sama dengan nilai resistansi Rx, jembatan mengeluarkan sinyal tekanan diferensial, yang sangat kecil. Karena sinyal keluaran sensor suhu umumnya sangat lemah, diperlukan rangkaian pengkondisian dan konversi sinyal untuk memperkuat atau mengubahnya menjadi bentuk yang mudah untuk ditransmisikan, proses, merekam dan menampilkan. Sedikit perubahan dalam kuantitas sinyal yang diukur perlu diubah menjadi sinyal listrik. Saat memperkuat sinyal DC, tegangan op amp yang melayang sendiri dan tidak seimbang tidak dapat diabaikan ketika melewati op amp. Setelah amplifikasi, sinyal tegangan dengan ukuran yang diinginkan dapat dikeluarkan.
Nilai resistansi resistor platina dapat diperoleh dengan perhitungan rangkaian atau pengukuran multimeter. Bila kita mengetahui nilai resistansi PT100, kita dapat mengukur dan menghitung suhu dengan nilai resistansi.

Gunakan algoritma yang tepat untuk pemrosesan data: Gunakan hubungan suhu dan resistansi yang diketahui untuk menghitung suhu melalui pemrograman. Mengingat hubungan resistansi-suhu PT100 bersifat nonlinier, terutama di daerah bersuhu rendah atau tinggi, algoritma yang lebih kompleks mungkin diperlukan untuk meningkatkan akurasi.

Dampak faktor lingkungan: Kinerja mungkin dipengaruhi oleh faktor lingkungan seperti interferensi elektromagnetik, getaran mekanis, dan kelembaban.

Ada tiga metode perhitungan pengukuran suhu yang umum:
Metode perhitungan pengukuran suhu 1:
Ketika suhu yang tepat tidak diperlukan, suhu akan meningkat sebesar 2,5℃ untuk setiap kenaikan ohm pada nilai resistansi resistor termal PT100 (digunakan pada suhu rendah). Nilai resistansi sensor suhu PT100 adalah 100 ketika suhunya 0℃, jadi perkiraan suhu saat ini = (Nilai resistansi PT100-100)*2.5.

Metode perhitungan pengukuran suhu 2:
Hubungan antara nilai resistansi dan suhu resistor platina

Dalam kisaran 0～850℃: Rt=R0(1+Di+Bt2);

Dalam kisaran -200～0℃: Rt=R0[1+Pada+Bt2+C(t-100)3];

Rt mewakili nilai resistansi resistor platina pada suhu t℃;

R0 mewakili nilai resistansi resistor platina pada suhu 0℃;

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

Untuk resistor termal yang memenuhi hubungan di atas, koefisien suhunya sekitar 3,9×10-3/℃.

Melalui rumus di atas, suhu dapat diselesaikan secara akurat sesuai dengan nilai resistansi, namun karena banyaknya perhitungan metode ini, tidak disarankan untuk percobaan ini.

Metode perhitungan suhu tiga:
PT100 memiliki hubungan linier yang baik dengan suhu dan cocok untuk pengukuran suhu suhu sedang dan rendah. Nilai resistansi PT100 pada temperatur yang berbeda memiliki skala pengukuran yang sesuai satu-satu seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini, yang secara intuitif dapat menampilkan hubungan yang sesuai antara suhu yang berbeda dan nilai resistansi PT100.
Suhu dapat diketahui dengan memeriksa nilai resistansi yang sesuai melalui skala PT100.

Skala resistor termal Pt100

Alat pengukur suhu PT100 yang dirancang dalam makalah ini menggunakan penguat operasional empat arah berbiaya rendah LM324 yang umum digunakan untuk melengkapi desain rangkaian catu daya perangkat dan rangkaian penguat instrumen tiga op-amp.

1.1 Rangkaian sumber tegangan

Rangkaian sumber tegangan sensor resistor termal Pt100

Rangkaian pada Gambar 1 adalah rangkaian operasional proporsional umum. Menurut analisis penguat operasional ideal yang bekerja pada daerah linier, sesuai dengan prinsip istirahat pendek virtual dan istirahat virtual, itu diperoleh:

Rumus rangkaian perhitungan jembatan Wheatstone

​, maka faktor amplifikasi tegangan loop tertutup adalah 2 kali, dan kemudian V = 10V diperoleh, dan digunakan sebagai tegangan catu daya stabil dari rangkaian jembatan Wheatstone.

1.2 Koneksi tiga kabel jembatan Wheatstone dan PT100.
Gambar di atas adalah jembatan Wheatstone. Syarat agar jembatan seimbang adalah potensial titik B dan D sama besar. Jadi ketika jembatan itu seimbang, selama R1, R2 (biasanya nilai tetap) dan R0 (biasanya nilainya dapat disesuaikan) dibaca, resistansi Rx yang akan diukur dapat diperoleh. R1/R2=M, ditelepon “pengali”.

Jembatan Wheatstone dan metode koneksi tiga kawat PT100

Menurut prinsip pengukuran suhu PT100, nilai resistansi PT100 perlu diketahui dengan benar, namun nilai resistansinya tidak dapat diukur secara langsung, jadi diperlukan rangkaian konversi. Nilai resistansi diubah menjadi sinyal tegangan yang dapat dideteksi oleh mikrokontroler”. Rangkaian jembatan Wheatstone merupakan instrumen yang dapat mengukur hambatan dengan benar. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2, R1, R2, R3, dan R4 masing-masing adalah lengan jembatannya. Ketika jembatan seimbang, R1xR3=R2xR4 puas. Ketika jembatan tidak seimbang, akan ada perbedaan tegangan antara titik a dan b. Menurut tegangan titik a dan b, resistensi yang sesuai dapat dihitung. Ini adalah prinsip pengukuran hambatan dengan jembatan tidak seimbang:

Metode koneksi sirkuit tiga kawat PT100

nyatanya, karena resistensi kecil dan sensitivitas tinggi PT100, hambatan kawat timah akan menyebabkan kesalahan. Karena itu, metode koneksi tiga kabel sering digunakan di industri untuk menghilangkan kesalahan ini. Seperti yang ditunjukkan pada bagian bertitik pada Gambar 2, nilai resistansi kawat timah sama dengan r. Saat ini, lengan jembatan menjadi R, R, R+2r, dan Rt+2r. Ketika jembatan seimbang: R2. (R1+2r) =R1.(R3+2r), beres: Rt= R1R3/ R2+2 R1r/ R2- 2R. Analisis menunjukkan bahwa ketika R1=R2, perubahan hambatan kawat tidak berpengaruh terhadap hasil pengukuran.

1.3 Rangkaian penguat instrumentasi tiga op-amp
Saat suhu berubah dari 0℃~100℃, resistansi PT100 berubah kira-kira secara linier dalam kisaran 100Ω~138.51Ω. Sesuai dengan rangkaian jembatan di atas, jembatan seimbang pada 0℃, jadi nilai teoritis tegangan keluaran jembatan seharusnya 0 V, dan ketika suhu 100℃, keluaran jembatan adalah: Uab=U7x(R1/(R1 + R2)-R3/(R2 + R3)), yaitu, Uab=10x(138.51/(10000 + 138.51)-100/(10000 + 100)) =0,037599V. Karena ini adalah sinyal milivolt, tegangan ini perlu diperkuat agar dapat dideteksi oleh chip AD.

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3, penguat instrumentasi adalah perangkat yang memperkuat sinyal kecil di lingkungan yang bising. Ia memiliki serangkaian keunggulan seperti drift rendah, konsumsi daya rendah, rasio penolakan mode umum yang tinggi, jangkauan catu daya yang luas dan ukuran kecil. Ia menggunakan karakteristik sinyal kecil diferensial yang ditumpangkan pada sinyal mode umum yang lebih besar, yang dapat menghilangkan sinyal mode umum dan memperkuat sinyal diferensial pada saat yang bersamaan. Tegangan keluaran rangkaian penguat instrumentasi tiga op-amp standar adalah, di sini R8=R10 =20 kΩ, R9=R11=20kΩ, R4=R7=100kΩ, Yang dapat memperkuat sinyal tegangan masukan sekitar 150 kali, sehingga tegangan keluaran teoritis jembatan dapat diperkuat 0 ~2,34V. Tapi ini hanya nilai teoritis. Dalam proses sebenarnya, ada banyak faktor yang dapat menyebabkan perubahan resistensi. Karena itu, R3 dapat diganti dengan resistor yang dapat disesuaikan secara presisi untuk memfasilitasi rangkaian zeroing.

Rangkaian penguat instrumen tiga op amp sensor PT100

2. Desain Perangkat Lunak

2.1 Metode Kuadrat Terkecil dan Fitting Linear PT100

Dalam kisaran suhu 0℃≤t≤850℃, hubungan antara resistansi Pt100 dan suhu adalah: R = 100 (1 +Di+Bt2), dimana A=3,90802x 10-3; B=- -5.80X 10-7; C=4,2735 x 10-12

Terlihat bahwa hambatan PT100 dan suhu bukanlah hubungan linier mutlak melainkan parabola. Karena itu, jika t ingin diekstraksi, diperlukan operasi akar kuadrat, yang memperkenalkan operasi fungsi yang lebih kompleks dan menempati sejumlah besar sumber daya CPU dari komputer mikro chip tunggal. Untuk mengatasi masalah ini, kita dapat menggunakan metode kuadrat terkecil untuk menyesuaikan hubungan antara suhu dan hambatan secara linier. ” Pemasangan kurva kuadrat terkecil adalah metode umum untuk pemrosesan data eksperimen. Prinsipnya adalah mencari fungsi polinomial untuk meminimalkan jumlah kesalahan kuadrat dengan data aslinya.

2.2 Suhu konversi digital IKLAN
Prinsip pengukuran suhu PT100 adalah mendapatkan nilai suhu berdasarkan nilai resistansinya, jadi nilai resistansi dari thermal resistor harus ditentukan terlebih dahulu. Menurut rangkaian perangkat keras, hubungan antara tegangan keluaran Uab rangkaian jembatan dan tegangan keluaran Uad rangkaian penguat instrumen op amp adalah: Uad = Uab. Auf Karena sistemnya menggunakan chip AD 12-bit, hubungan antara besaran digital dan besaran analog adalah: Uad/AD=5/4096. Hubungan antara tegangan keluaran jembatan dan besaran digital AD dapat diperoleh dengan menggabungkan dua persamaan sebelumnya, yaitu, Uad/AD=5/(4096Pada). Kemudian, itu diganti ke dalam ekspresi tegangan keluaran jembatan Uab= U7x (Rt/ (R1+Rt) -R3/ (R2+R3) ), dan ekspresi Rr dan besaran digital AD dapat diperoleh. Solusinya adalah:

Rumus suhu konversi digital AD

Setelah diketahui nilai resistansi PT100, nilai suhu yang sesuai dapat diperoleh sesuai dengan persamaan pemasangan linier di Bagian 2.1.

2.3 Penyaringan digital chip tunggal
Untuk meningkatkan akurasi pengukuran suhu PT100, program penyaringan digital dapat ditambahkan dalam pemrograman perangkat lunak, yang tidak memerlukan penambahan rangkaian perangkat keras serta dapat meningkatkan stabilitas dan keandalan sistem. Ada banyak metode penyaringan dalam sistem aplikasi mikrokomputer chip tunggal. Saat membuat pilihan tertentu, kelebihan dan kekurangan metode penyaringan dan objek yang diterapkan harus dianalisis dan dibandingkan, untuk memilih metode penyaringan yang sesuai. Algoritma metode pemfilteran rata-rata median adalah dengan terlebih dahulu mengumpulkan N data secara terus menerus, lalu hapus nilai minimum dan nilai maksimum, dan terakhir menghitung mean aritmatika dari data yang tersisa. Metode penyaringan ini cocok untuk mengukur parameter yang berubah secara perlahan, seperti suhu, dan secara efektif dapat mengurangi gangguan yang disebabkan oleh fluktuasi yang disebabkan oleh faktor yang tidak disengaja atau kesalahan yang disebabkan oleh ketidakstabilan sampler.

Proses kerja sistem:
Ketika suhu benda yang diukur berubah, resistensi perubahan PT100, dan jembatan Wheatstone akan mengeluarkan sinyal tegangan yang sesuai. Sinyal ini merupakan fungsi dari resistensi PT100. Sinyal milivolt ini diperkuat oleh penguat instrumentasi tiga op-amp dan dikirim ke chip AD, yang mengubah besaran analog menjadi besaran digital dan dibaca oleh mikrokontroler. Mikrokontroler membaca chip dari chip AD dan menjalankan program penyaringan, mengubah kuantitas digital yang stabil menjadi resistansi PT100 melalui perhitungan. Kemudian mikrokontroler akan memilih model linier yang dipasang sesuai dengan ukuran nilai resistansi untuk menghitung nilai suhu saat ini, dan terakhir menampilkan data suhu pada layar LCD.