温度取得 2, 3, および 4 線式 PT100 温度センサー

この記事ではその方法を紹介します 2, 3, 4線PT100センサーは抵抗の変化により電圧信号に変換されます, また、センサーを保護し、信号変換の精度を確保するために、一定の電流源が使用されます. PT100 センサーは、電気抵抗の変化を測定することで温度を取得します。, これは、さらされる温度に直接相関します。; 気温が上がるにつれて, センサー内の白金素子の抵抗も増加します, この抵抗変化に基づいて温度を正確に計算できるようになります。; 本質的に, の “100” PT100 の は、センサーの抵抗値が であることを意味します。 100 0℃でのオーム, そしてこの値は温度変動に伴って予想通り変化します. 回路設計におけるMCP604動作アンプの適用は、低入力オフセット電圧や精度に対するバイアス電流などの特性の影響を強調しています。. ソフトウェアのキャリブレーションは、回路設計の精度を向上させるために使用されます, 身体的調整の不便を避けます. ついに, この記事は、温度とプラチナ抵抗値の関係の式を示しています, 温度値の計算に使用されます.

2線PT100温度センサーの温度獲得設計

中国の温度獲得カスタム3ワイヤPT100温度センサー

4線式PT100温度センサーの温度取得

PT100温度獲得に関する重要なポイント:
測温抵抗体 (測温抵抗体):
PT100はRTDの一種です, つまり、電気抵抗の変化を検出することにより温度を測定します.
プラチナ要素:
PT100のセンシング要素はプラチナでできています, 抵抗と温度の間に非常に安定した線形関係を示す.
測定プロセス: センサーは、温度を測定する必要がある環境に配置されます.
プラチナ要素の抵抗は、専用の電子回路を使用して測定されます.
測定された抵抗値は、プラチナの既知の温度係数に基づく数学的式を使用して温度に変換されます。.

PT100センサーの利点:
高精度: プラチナの安定した動作のために利用可能な最も正確な温度センサーの1つと考えられています.
広い温度範囲:　センサーの設計に応じて、-200°Cから850°Cの温度を測定できます.
良い直線性: 抵抗と温度の関係は比較的線形です, データ解釈を簡素化します.

重要な考慮事項:
較正: 正確な測定を確保するため, PT100センサーは、参照標準に対して定期的に調整する必要があります.
鉛ワイヤ抵抗: 接続ワイヤの抵抗は、測定精度に影響を与える可能性があります, したがって、リードワイヤー補償の適切な検討がしばしば必要です.
アプリケーションの適合性: 非常に正確ですが, PT100センサーは、非常に過酷な環境や非常に速い応答時間を必要とするアプリケーションに適していない場合があります.

1. 信号取得の基本原則
PT100は温度信号を抵抗出力に変換します, その抵抗値は範囲です 0 200Ωに. 広告コンバーターは電圧のみを変換でき、温度を直接収集できません. したがって, PT100に電力を供給し、抵抗の変化を電圧の変化に変換するには、1MA定電源が必要です. 一定の電流源を使用する利点は、センサーの寿命を延ばすことができることです. 入力信号範囲は次のためです 0 200mvまで, 信号を増幅し、ADが変換して電気信号データを取得する必要があります.

一定の電圧ソース設計を使用しない理由:

電源に一定の電圧源が使用されている場合, そして、抵抗器とPT100は直列に接続されています, 電圧は分割されています, 問題があります. PT100の抵抗が小さすぎる場合, PT100を介して流れる電流は大きすぎます, その結果、センサーの寿命が短くなります.

2. OP AMPはMCP604を使用します
MCP604機能:
1) 電圧範囲は2.7〜6.0Vです
2) 出力は鉄道間です
3) 使用温度範囲: -40°C〜 +85°C
4) 入力オフセット電圧は±3mVです, 典型的な値は1mvです, 高感度.
5) 入力バイアス電流は1Paです, Ta = +85°Cの場合, i = 20pa, 取得の精度を向上させます.
6) 線形出力電圧スイング: VSS+0.1〜VDD – 0.1, ユニットはvです.

電源電圧が3.3Vの場合, 線形出力電圧スイングは0.1〜3.2Vです. 増幅された信号が線形領域で機能するようにするために, VDD = 3.3Vの場合, MCP604出力電圧を設定して留まります: 0.5v〜2.5V OP AMP回路設計の要件を満たす.

アナログエレクトロニクスブックのOPアンプは理想的な運用アンプです, これは実際のアンプとは異なります. したがって, 考慮する必要があります “入力オフセット電圧”, “入力バイアス電流” そして “線形出力電圧スイング” 設計時.

3. 回路図
図のR11は、飽和歪みからの微分アンプ出力の最後の段階を防ぐためのバイアス回路です.
1) 出力エラーを減らすために適切な増幅係数を選択します. 入力オフセット電圧が存在するため, 増幅係数が増加すると, 出力エラーも増加します, デザインで考慮する必要があります.
2) この回路の増幅係数はです 10. 典型的な入力オフセット電圧が3mVであると仮定します, 入力信号が5mVに変更された場合, 2MVは増幅されません, 20mVの出力エラーが生成されます.

MCP604回路図を使用したPT100温度検出器OP AMP

VO4 = (VIN1 – vref)*10
IO = 1MA, vref = vo3 = 1.65V
1.7V<= vin<= 1.9V, 1.7V<= V02<= 1.9
1.8V<= vo1<= 2V, OP AMPが線形領域で機能することを確認してください, これは非常に重要です
0.5V<= vo4<= 2.5V, OP AMPが線形領域で機能することを確認してください, これが、50Ωが直列に必要である理由です.

入力抵抗が1Ω変化したとき, Voutは10mvに変更されます. MCP604の入力補正電圧は±3mVであるため, 0.3333Ωの変更がある場合, 3.333MVの変更があります, そして、獲得感度は高いです.
0の場合<= rin<=200Ω入力, ループは50Ωで直列に接続されているためです, 50おお<= rx<= 250
VIN1 – vref = rx*0.001, ユニットa

4. ソフトウェアキャリブレーション
新しいエンジニアは常に抵抗器の精度を改善しようとします, しかし、エラーはまだ大きいです. 一部のエンジニアは、単に連続的に調整可能な抵抗器を使用します, 抵抗値を調整します, マルチメーターを使用して、出力を転送関係を満たすようにします. この精度は改善されているようです, しかし、それは生産に便利ではありません, また、PCB設計の難しさも増加しています. デバッグが完了していても, 調整ネジが手で触れている場合, エラーを引き起こす可能性があります. 唯一の方法は、生産に固定抵抗器を使用し、ソフトウェアを使用して正確なキャリブレーションを実現することです.
1) rin = 0の場合, 電圧値を読み取り、V50として記録します. V50を保存します, PT100抵抗値の変化が変化しても変わりません。.
2) 公称抵抗器を接続します, rs =100Ωとします, 電圧値を読み取り、V150として記録します. V150を保存します, 温度があるときに読み取られる電圧値 0.
3) 現在の増幅係数を計算します: io = (V150 – V50) / Rs; 私を救ってください, これは、キャリブレーションが行われることを意味します.
4) 入力抵抗がrの場合, 電圧読み取りはVOです, 次にr = (vo- V50) / io
上記の説明を通して, ソフトウェアのキャリブレーションには大きな利点があります, 便利な生産だけではありません, しかし、高精度もあります. 精度を向上させるため, 出力電圧はいくつかの間隔に分けることもできます, 個別に較正されています, そして、異なるIOを取得できます, 出力の線形性が向上するように. これらのアイデアは私のデザインに反映されています.

OP AMP MCP604回路設計

5. 温度を計算します
温度が少ない場合 0,
R0*C*T^4 – 100R0*C*T^3 + r0*b*t^2 + R0*a*t + R0 – rt = 0
温度が大きい場合 0, rt = r0*(1+A*t+B*t*t)
説明:
RTは、T℃のプラチナ抵抗器の抵抗値です
R0は、0年のプラチナ抵抗器の抵抗値です100Ω
A = 3.9082×10^-3
B = -5.80195×10^-7
C = -4.2735×10^-12

6. PT100温度センサー
PT100温度センサーは正の温度係数サーミスタセンサーです, そして、その主な技術的パラメーターは次のとおりです:
1) 測定温度範囲: -200℃〜 +850℃;
2) 許容偏差値Δ℃: グレードA±(0.15+0.002|t|), グレードB±(0.30+0.005|t|);
3) 最小挿入深度: 熱抵抗器の最小挿入深さは≥200mmです;
4) 許容電流: < 5ミリアンペア;
5) PT100温度センサーには、振動抵抗の利点もあります, 良い安定性, 高い正確性, そして高圧. プラチナサーマル抵抗器は良好な直線性を持っています. を変更するとき 0 そして 100 摂氏, 最大非線形偏差は0.5°未満です;
温度の場合 < 0, R0*C*T^4 – 100R0*C*T^3 + r0*b*t^2 + R0*a*t + R0 – rt = 0
温度≥ 0, rt = r0*(1+A*t+B*t*t)
上記の関係によると, おおよその抵抗範囲はです: 18ああ〜390.3o, -197℃は18Ωです, 850ああ、390.3oです;
説明:
RTは、T℃のプラチナ抵抗器の抵抗値です, R0は、0のプラチナ抵抗器の抵抗値です。, 100おお
A = 3.9082×10^-3, B = -5.80195×10^-7, C = -4.2735×10^-12
PT100プラチナ金属温度センサー取扱説明書
6) 回路設計
7) PT100温度と抵抗との関係
PT100温度と抵抗は、次の方程式を満たします:
温度≤0の場合, r0*c*t^4 - 100*r0*c*t^3 + r0*b*t^2 + R0*a*t + R0 – rt = 0
温度≥0の場合, r0*b*t^2 + R0*a*t + R0 – rt = 0

PT100温度と抵抗の比較表

説明:
RTは、T℃のプラチナ抵抗器の抵抗値です, R0は、0のプラチナ抵抗器の抵抗値です。, 100おお
A = 3.9082×10^-3, B = -5.80195×10^-7, C = -4.2735×10^-12

1. 計算の利便性のため, 温度が≤0の場合, させて:
double a = r0*c*100000 = 100*(-4.2735×10^-12)*100000= -4.2735/100000
double b = –100*r0*c*100000 = -100*100*(-4.2735×10^-12)*100000= 4.2735/1000
double c = r0*b*100000 = 100*(-5.80195×10^-7)*100000= -5.80195
double d = r0*a*100000 = 100*(3.9082×10^-3)*100000= 39082
ダブルE = (100-RT)*100000
温度≤ 0, A*T^4 + b*t^3 + C*T^2 + d*t + E = 0
ここで、x3は0℃の場合のpt100の解です。.

2. 計算を容易にします, 温度が大きい場合 0
double a = r0*b*100000 = 100*(-5.80195×10^-7)*100000= -5.80195
double b = r0*a*100000 = 100*(3.9082×10^-3)*100000= 39082
ダブルC = (100-RT)*100000
温度が0以上の場合, A*T^2 + b*t + c = 0
t = [ SQRT( b*b – 4*a*c )-b ] / 2 / ある
19.785ωは-197℃に対応します, 液体窒素の温度
18.486ωは-200℃に対応します
96.085ωは-10℃に対応します
138.505ωは100°に対応します
175.845ωは200°に対応します
247.045ωは400℃に対応します