Acquisizione della temperatura di 2, 3, e sensori di temperatura PT100 a 4 fili

L'articolo spiega come 2, 3, e i sensori PT100 a 4 fili vengono convertiti in segnali di tensione attraverso variazioni di resistenza, e una fonte di corrente costante viene utilizzata per proteggere il sensore e garantire la precisione della conversione del segnale. Un sensore PT100 acquisisce la temperatura misurando la variazione della sua resistenza elettrica, che è direttamente correlato alla temperatura a cui è esposto; all'aumentare della temperatura, aumenta anche la resistenza dell'elemento in platino all'interno del sensore, consentendo un calcolo preciso della temperatura in base a questa variazione di resistenza; essenzialmente, IL “100” in PT100 significa che il sensore ha una resistenza di 100 ohm a 0°C, e questo valore cambia in modo prevedibile con le fluttuazioni della temperatura. L'applicazione dell'amplificatore operazionale MCP604 nella progettazione del circuito enfatizza l'impatto delle sue caratteristiche come bassa tensione di offset in ingresso e corrente di polarizzazione sulla precisione. La calibrazione del software viene utilizzata per migliorare la precisione nella progettazione dei circuiti, evitando l'inconveniente dell'adattamento fisico. Finalmente, nell'articolo viene fornita la formula del rapporto tra temperatura e valore di resistenza del platino, che viene utilizzato per calcolare il valore della temperatura.

Progettazione dell'acquisizione della temperatura del sensore di temperatura PT100 a 2 fili

Acquisizione della temperatura del sensore di temperatura PT100 a 3 fili personalizzato cinese

Acquisizione della temperatura del sensore di temperatura PT100 a 4 fili

Punti chiave sull'acquisizione della temperatura PT100:
Rilevatore di temperatura della resistenza (RST):
PT100 è un tipo di RTD, ciò significa che misura la temperatura rilevando i cambiamenti nella sua resistenza elettrica.
Elemento platino:
L'elemento sensibile in un PT100 è realizzato in platino, che presenta una relazione molto stabile e lineare tra resistenza e temperatura.
Processo di misurazione: Il sensore viene posizionato nell'ambiente in cui è necessario misurare la temperatura.
La resistenza dell'elemento in platino viene misurata utilizzando un circuito elettronico dedicato.
Il valore di resistenza misurato viene quindi convertito in temperatura utilizzando una formula matematica basata sul noto coefficiente di temperatura del platino.

Vantaggi dei sensori PT100:
Alta precisione: Considerato uno dei sensori di temperatura più accurati disponibili grazie al comportamento stabile del platino.
Ampio intervallo di temperature:　Può misurare le temperature da -200 ° C a 850 ° C a seconda del design del sensore.
Buona linearità: La relazione tra resistenza e temperatura è relativamente lineare, semplificare l’interpretazione dei dati.

Considerazioni importanti:
Calibrazione: Per garantire misurazioni accurate, I sensori PT100 devono essere calibrati regolarmente rispetto a uno standard di riferimento.
Resistenza del cavo: La resistenza dei fili di collegamento può influenzare la precisione della misurazione, pertanto è spesso necessaria un'adeguata considerazione della compensazione del cavo.
Idoneità dell'applicazione: Anche se estremamente accurato, I sensori PT100 potrebbero non essere adatti ad ambienti estremamente difficili o ad applicazioni che richiedono tempi di risposta molto rapidi.

1. Principi base dell'acquisizione del segnale
PT100 converte i segnali di temperatura in uscite di resistenza, e il suo valore di resistenza varia da 0 a 200Ω. Il convertitore AD può solo convertire la tensione e non può raccogliere direttamente la temperatura. Perciò, è necessaria una fonte di corrente costante da 1 mA per alimentare il PT100 e convertire le variazioni di resistenza in variazioni di tensione. Il vantaggio di utilizzare una fonte di corrente costante è che può prolungare la durata del sensore. Poiché l'intervallo del segnale di ingresso è 0 a 200mV, il segnale deve essere amplificato e quindi convertito in AD per ottenere i dati del segnale elettrico.

Motivi per non utilizzare il progetto della sorgente a tensione costante:

Se per l'alimentazione viene utilizzata una fonte di tensione costante, quindi il resistore e il PT100 sono collegati in serie, e la tensione è divisa, c'è un problema. Quando la resistenza del PT100 è troppo piccola, la corrente che scorre attraverso il PT100 è troppo elevata, con conseguente riduzione della durata del sensore.

2. L'amplificatore operazionale utilizza MCP604
Caratteristiche dell'MCP604:
1) L'intervallo di tensione è 2,7 ~ 6,0 V
2) L'uscita è Rail-to-Rail
3) Intervallo di temperatura operativa: -40°C fino a +85°C
4) La tensione di offset in ingresso è ±3 mV, il valore tipico è 1 mV, alta sensibilità.
5) La corrente di polarizzazione in ingresso è 1pA, quando TA = +85°C, I=20pA, migliora la precisione dell'acquisizione.
6) Oscillazione lineare della tensione di uscita: VSS+0,1 ~ VDD–0,1, l'unità è V.

Quando la tensione di alimentazione è 3,3 V, l'oscillazione lineare della tensione di uscita è 0,1 ~ 3,2 V. Per garantire che il segnale amplificato funzioni nella regione lineare, quando VDD=3,3 V, impostiamo la tensione di uscita dell'MCP604 su cui rimanere: 0.5V ~ 2,5 V per soddisfare i requisiti di progettazione del circuito dell'amplificatore operazionale.

L'amplificatore operazionale nel libro dell'elettronica analogica è un amplificatore operazionale ideale, che è diverso dall'amplificatore reale. Perciò, è necessario considerare “tensione di offset in ingresso”, “corrente di polarizzazione in ingresso” E “oscillazione lineare della tensione di uscita” durante la progettazione.

3. Schema elettrico
R11 nella figura è un circuito di polarizzazione per impedire la distorsione da saturazione dell'ultimo stadio dell'uscita dell'amplificatore differenziale.
1) Selezionare un fattore di amplificazione adatto per ridurre l'errore di uscita. A causa dell'esistenza della tensione di offset in ingresso, quando il fattore di amplificazione aumenta, aumenterà anche l'errore di output, che devono essere considerati nella progettazione.
2) Il fattore di amplificazione di questo circuito è 10. Supponendo che la tipica tensione di offset in ingresso sia 3 mV, se il segnale di ingresso cambia a 5 mV, 2mV non verrà amplificato, che produrrà un errore di uscita di 20 mV.

Amplificatore operazionale del rilevatore di temperatura PT100 che utilizza lo schema elettrico MCP604

Vo4 = (Vin1 – Vref)*10
Io=1mA, Vref=Vo3=1,65V
1.7V<=Vin<=1,9 V, 1.7V<=V02<=1,9
1.8V<=Vo1<=2V, assicurarsi che l'amplificatore operazionale funzioni nella regione lineare, questo è molto importante
0.5V<=Vo4<=2,5 V, assicurarsi che l'amplificatore operazionale funzioni nella regione lineare, ecco perché sono necessari 50Ω in serie.

Quando la resistenza di ingresso cambia di 1Ω, Vout passa a 10 mV. Poiché la tensione di compensazione in ingresso di MCP604 è ±3 mV, quando c'è una variazione di 0,3333Ω, ci sarà una variazione di 3.333mV, e la sensibilità di acquisizione è elevata.
Quando 0<= Rin<=ingresso 200Ω, poiché il loop è collegato in serie con 50Ω, 50OH<=Rx<=250Ω
Vin1 – Vref = Rx*0,001, unità A

4. Calibrazione del software
I nuovi ingegneri cercano sempre di migliorare la precisione dei resistori, ma l'errore è ancora grande. Alcuni ingegneri utilizzano semplicemente resistori regolabili in continuo, regolare i loro valori di resistenza, e utilizzare i multimetri per far sì che l'output soddisfi la relazione di trasferimento. Questa precisione sembra essere migliorata, ma non è conveniente per la produzione, e aumenta anche la difficoltà di progettazione del PCB. Anche se il debug è stato eseguito, se la vite di regolazione viene toccata con le mani, potrebbe causare errori. L'unico modo è utilizzare resistori fissi per la produzione e utilizzare software per ottenere una calibrazione accurata.
1) Quando Rin=0, leggere un valore di tensione e registrarlo come V50. Risparmia V50, non cambierà con il cambiamento del valore della resistenza PT100 perché è alimentato da una fonte di corrente costante.
2) Collegare la resistenza nominale, sia Rs=100Ω, leggere un valore di tensione e registrarlo come V150. Risparmia V150, il valore di tensione letto quando la temperatura è 0.
3) Calcolare il fattore di amplificazione corrente: Io = (V150 – V50) / Rs; save Io, significa che la calibrazione è effettuata.
4) Quando la resistenza di ingresso è R, la tensione letta è Vo, allora R = (Vo- V50) / Io
Attraverso la descrizione di cui sopra, la calibrazione del software presenta grandi vantaggi, non solo produzione conveniente, ma anche alta precisione. Al fine di migliorare la precisione, la tensione di uscita può anche essere suddivisa in più intervalli, calibrato separatamente, e si possono ottenere Io diversi, in modo che la linearità dell'output sia migliore. Queste idee si riflettono nel mio design.

Progettazione del circuito OP AMP MCP604

5. Calcola la temperatura
Quando la temperatura è inferiore a 0,
R0*C*t^4 – 100R0*C*t^3 + R0*B*t^2 + R0*A*t + R0 – Rt=0
Quando la temperatura è maggiore o uguale a 0, Rt=R0*(1+A*t+B*t*t)
Descrizione:
Rt è il valore di resistenza del resistore al platino a t℃
R0 è il valore di resistenza del resistore al platino a 0℃ 100Ω
A=3,9082×10^-3
B=-5,80195×10^-7
C=-4,2735×10^-12

6. Sensore di temperatura Pt100
Il sensore di temperatura Pt100 è un sensore termistore a coefficiente di temperatura positivo, e i suoi principali parametri tecnici sono i seguenti:
1) Intervallo di temperatura di misurazione: -200℃ ~ +850 ℃;
2) Valore di deviazione consentito Δ℃: Grado A±(0.15+0.002|T|), Grado B±(0.30+0.005|T|);
3) Profondità minima di inserimento: La profondità minima di inserimento della termoresistenza è ≥200mm;
4) Corrente consentita: < 5mA;
5) Il sensore di temperatura Pt100 presenta anche i vantaggi della resistenza alle vibrazioni, buona stabilità, alta precisione, e alta pressione. La resistenza termica al platino ha una buona linearità. Quando si cambia tra 0 E 100 gradi Celsius, la deviazione non lineare massima è inferiore a 0,5 ℃;
Quando la temperatura < 0, R0*C*t^4 – 100R0*C*t^3 + R0*B*t^2 + R0*A*t + R0 – Rt=0
Quando la temperatura ≥ 0, Rt=R0*(1+A*t+B*t*t)
Secondo la relazione di cui sopra, l'intervallo di resistenza approssimativo è: 18Ω~390,3Ω, -197℃ è 18Ω, 850Ω è 390,3 Ω;
Descrizione:
Rt è il valore di resistenza del resistore al platino a t℃, R0 è il valore di resistenza del resistore al platino a 0℃, 100OH
A=3,9082×10^-3, B=-5,80195×10^-7, C=-4,2735×10^-12
Manuale di istruzioni del sensore di temperatura in metallo platino PT100
6) Progettazione del circuito
7) Relazione tra temperatura e resistenza PT100
La temperatura e la resistenza del PT100 soddisfano la seguente equazione:
Quando la temperatura ≤0, R0*C*t^4 – 100*R0*C*t^3 + R0*B*t^2 + R0*A*t + R0 – Rt=0
Quando la temperatura ≥0, R0*B*t^2 + R0*A*t + R0 – Rt=0

Tabella comparativa temperatura e resistenza PT100

Descrizione:
Rt è il valore di resistenza del resistore al platino a t℃, R0 è il valore di resistenza del resistore al platino a 0℃, 100OH
A=3,9082×10^-3, B=-5,80195×10^-7, C=-4,2735×10^-12

1. Per comodità di calcolo, quando la temperatura è ≤0, permettere:
doppio a=R0*C*100000=100*(-4.2735×10^-12)*100000=-4.2735/100000
doppio b=–100*R0*C*100000=-100*100*(-4.2735×10^-12)*100000=4,2735/1000
doppio c= R0*B*100000=100*(-5.80195×10^-7)*100000=-5.80195
doppio d=R0*A*100000=100*(3.9082×10^-3)*100000=39082
doppia e= (100-Rt)*100000
Quando la temperatura ≤ 0, a*t^4 + b*t^3 + c*t^2 + d*t + e=0
dove x3 è la soluzione di PT100 quando è inferiore a 0℃.

2. Per facilità di calcolo, quando la temperatura è maggiore o uguale a 0
doppio a= R0*B*100000=100*(-5.80195×10^-7)*100000=-5.80195
doppio b=R0*A*100000=100*(3.9082×10^-3)*100000=39082
doppia c= (100-Rt)*100000
Quando la temperatura è ≥ 0, a*t^2 + cavolo + c = 0
t = [ SQRT( b*b – 4*a*c )-B ] / 2 / UN
19.785Ω corrisponde a -197℃, la temperatura dell'azoto liquido
18.486Ω corrisponde a -200℃
96.085Ω corrisponde a -10℃
138.505Ω corrisponde a 100℃
175.845Ω corrisponde a 200℃
247.045Ω corrisponde a 400℃