PT100熱抵抗センサーの温度測定システム

2-ワイヤー, 3-ワイヤーまたは4ワイヤーPt100, Pt500, Pt1000センサーは白金元素をベースとした高精度の温度センサーです, 安定性と直線性, 正確な温度測定が必要な分野で広く使用されています。. あ “PT100 サーマルレジスタ温度測定システム” PT100センサーを使用するシステムを指します。, 測温抵抗体の一種 (測温抵抗体), 温度に正比例する電気抵抗の変化を検出することで温度を測定する; “PT” プラチナの略です, そして “100” センサーの抵抗値が 100 0°C でのオームを測定するため、広範囲にわたって高精度で安定した温度測定方法となります。.

白金抵抗器は中温度範囲で広く使用されています (-200～650℃). 現在のところ, 金属プラチナ製の標準的な温度測定用熱抵抗器が市販されています。, Pt100など, Pt500, Pt1000, 等.

PT100の動作原理を理解する: PT100は白金抵抗体の温度センサーです. 動作原理は抵抗器の熱効果に基づいています。. 温度変化により抵抗値が変化します. この変化は直線的です. 0℃の場合, PT100の抵抗値は 100 オーム. 気温が上がるにつれて, それに応じて抵抗値も増加します, 抵抗値を測定することで温度を正確に推測できるようになります。.

高精度 4 線式クラス A PT100 温度測定システム

2-ワイヤー PT100 白金抵抗温度制御プローブ温度測定システム

3-ワイヤー PT100 熱抵抗センサー温度測定システム

適切な配線方法を選択してください: 一般的に, 2-ワイヤー, 3-有線または4線式の配線方法が使用可能.

ブリッジが出力する電圧信号

PT100 システムの重要なポイント:
センサー原理:
PT100 センサーは白金線でできており、その電気抵抗は温度変化に応じて予測どおりに変化します。.

測定方法:
PT100に電流を流した場合, センサー両端の電圧降下が測定されます, 次に、抵抗と温度の間の既知の関係に基づいて温度に変換されます。.

幅広い用途:
PT100 センサーは工業プロセスで一般的に使用されています, 研究室, 高い精度と安定性により正確な温度測定が必要とされるその他の用途に使用できます。.

PT100 システムのコンポーネント:
PT100センサープローブ:
実際の検出素子, 通常、セラミックコアの周りに巻き付けられたプラチナワイヤー, 測定対象の環境に挿入されるもの.

信号調整回路:
PT100 からの小さな抵抗変化を増幅し、測定可能な電圧信号に変換する電子機器.

表示またはデータ収集システム:
測定した温度を表示したり、分析用にデータを保存したりする装置.

PT100 システムを使用する利点:
高精度:　入手可能な温度センサーの中で最も正確である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非常に直線的です, データの解釈を容易にする.
安定性:　プラチナは非常に安定した素材です, 長期にわたって一貫した測定値を保証する.

Pt100熱抵抗指数表

PT100白金抵抗器の3つの配線方法は原理が異なります。: 2-ワイヤーと3ワイヤーはブリッジ法で測定されます, 最後に温度値とアナログ出力値の関係を示します。. 4-ワイヤーにはブリッジがありません. 完全に定電流源で送る, 電圧計で測定, そして最後に測定された抵抗値を与えます, 使用するのが難しく、コストがかかる.
PT100は抵抗値が小さく感度が高いため, リード線の抵抗値は無視できません. 3線式接続によりリード線抵抗による測定誤差を解消.
2 線式システムは測定精度が低い; 3 線式システムの方が精度が良い; 4 線式システムは高い測定精度を備えています, ただし、より多くの配線が必要です.

ブリッジが出力する電圧信号に基づいて PT100 の温度状態を知る必要があるだけです。. PT100の抵抗値とRxの抵抗値が異なる場合, ブリッジは差圧信号を出力します, それはとても小さいです. 温度センサーの出力信号は一般に非常に微弱であるため、, 信号を増幅したり、送信しやすい形式に変換するには、信号調整および変換回路が必要です, プロセス, 記録して表示する. 測定した信号量のわずかな変化を電気信号に変換する必要がある. DC信号を増幅する場合, オペアンプを通過する際、オペアンプの自己ドリフトと不平衡電圧は無視できません。. 増幅後, 任意の大きさの電圧信号を出力可能.
白金抵抗器の抵抗値は回路計算またはマルチメータ測定により求めることができます。. PT100の抵抗値が分かる場合, 抵抗値によって温度を測定および計算できます.

データ処理に適切なアルゴリズムを使用する: 既知の温度と抵抗の関係を使用して、プログラミングを通じて温度を計算します。. PT100 の抵抗と温度の関係が非線形であることを考慮すると、, 特に低温または高温の領域では, 精度を向上させるには、より複雑なアルゴリズムが必要になる場合があります.

環境要因の影響: パフォーマンスは電磁干渉などの環境要因の影響を受ける可能性があります, 機械的振動, 湿度と.

一般的な温度測定の計算方法は 3 つあります:
温度測定の計算方法 1:
正確な温度が必要ない場合, PT100 熱抵抗器の抵抗値がオーム増加するごとに、温度は 2.5℃上昇します。 (低温で使用される). PT100温度センサーの抵抗値は 100 0℃のとき, したがって、この時点のおおよその温度 = (PT100抵抗値-100)*2.5.

温度測定の計算方法 2:
白金抵抗体の抵抗値と温度の関係

0～850℃の範囲内: Rt=R0(1+at+bt2);

-200～0℃の範囲: Rt=R0[1+アット+Bt2+C(T-100)3];

Rtは温度t℃における白金抵抗体の抵抗値を表します。;

R0は温度0℃における白金抵抗体の抵抗値を表します。;

あ, B, Cは定数です, A=3.96847×10-3/℃; B=-5.847×10-7/℃; C=-4.22×10-12/℃;

上記関係を満たす熱抵抗器の場合, 温度係数は約3.9×10-3/℃です。.

上記の式から, 抵抗値に応じて温度を正確に求めることができます, ただし、この方法では計算量が膨大になるため、, この実験にはお勧めできません.

温度計算方法３:
PT100は温度と良好な直線関係を持ち、中低温の温度測定に適しています。. さまざまな温度における PT100 の抵抗値には、以下の図に示すように 1 対 1 に対応する測定スケールがあります。, PT100の温度と抵抗値の対応関係を直感的に表示できます。.
PT100スケールで対応する抵抗値を確認することで温度を知ることができます。.

Pt100 感熱抵抗器目盛

この論文で設計した PT100 温度測定デバイスは、一般的に使用されている低コストの 4 ウェイ オペアンプ LM324 を使用して、デバイスの電源回路と 3 つのオペアンプ計器アンプ回路の設計を完了しています。.

1.1 電圧源回路

Pt100 熱抵抗センサー電圧源回路

図の回路 1 一般的な比例演算回路です. 線形領域で動作する理想的なオペアンプの解析によると, 仮想ショートと仮想休憩の原則に従って, それは得られます:

ホイートストンブリッジ計算回路式

​, この場合、閉ループ電圧増幅率は次のようになります。 2 回, そして、V= 10Vが得られます, ホイートストンブリッジ回路の安定電源電圧として使用されます。.

1.2 ホイートストンブリッジと PT100 の 3 線接続.
上の図はホイートストン橋です. ブリッジのバランスがとれる条件は、点 B と点 D の電位が等しいことです。. したがって、ブリッジのバランスが取れているときは、, R1まで, R2 (通常は固定値) そしてR0 (通常は調整可能な値) 読まれています, 測定する抵抗値 Rx を取得できます. R1/R2=M, 呼ばれた “乗数”.

ホイートストンブリッジとPT100の3線接続方式

PT100の温度測定原理による, PT100の抵抗値を正確に知る必要があります, ただし、抵抗値を直接測定することはできません, なので変換回路が必要です. 抵抗値は、マイクロコントローラーで検出できる電圧信号に変換されます。”. ホイートストンブリッジ回路は抵抗を正確に測定できる機器です. 図に示すように 2, R1, R2, R3, R4 はそれぞれブリッジアームです. ブリッジのバランスが取れているとき, R1×R3=R2×R4を満たす. ブリッジのバランスが崩れているとき, a点とb点の間には電圧差が生じます. a点とb点の電圧に応じて, 対応する抵抗を計算できます. これは不平衡ブリッジで抵抗を測定する原理です:

PT100 3線式回路接続方法

実際には, PT100は抵抗値が小さく感度が高いため、, リード線の抵抗により誤差が生じます. したがって, 3 線式接続方法は、このエラーを排除するために業界でよく使用されます。. 図の点線部分に示すように 2, リード線の抵抗値は等しく、r. 現時点では, ブリッジアームはRになります, R, R+2r, そしてRt+2r. ブリッジのバランスが取れているとき: R2. (R1+2r) =R1。(R3+2r), 整理された: Rt= R1R3/ R2+2 R1r/ R2- 2r. 分析によると、R1=R2 の場合, ワイヤ抵抗の変化は測定結果に影響を与えません.

1.3 3 オペアンプ計装アンプ回路
0℃～100℃の温度変化時, PT100の抵抗値は100Ω～138.51Ωの範囲でほぼ直線的に変化します。. 上記のブリッジ回路によれば、, ブリッジは0℃でバランスがとれています, したがって、ブリッジ出力電圧の理論値は次のようになります。 0 V, そして温度が100℃のとき, ブリッジ出力は: Uab=U7x(R1/(R1 + R2)-R3/(R2 + R3)), あれは, Uab=10x(138.51/(10000 + 138.51)-100/(10000 + 100)) =0.037599V. これはミリボルトの信号なので、, ADチップで検出できるようにするには、この電圧を増幅する必要があります。.

図に示すように 3, 計装アンプは、ノイズの多い環境で小さな信号を増幅するデバイスです。. 低ドリフトなどの一連の利点があります, 低消費電力, 高いコモンモード除去比, 広い電源範囲と小型サイズ. より大きなコモンモード信号に重畳された差動小信号の特性を利用します。, コモンモード信号の除去と差動信号の増幅を同時に行うことができます。. 標準的な 3 つのオペアンプ計装アンプ回路の出力電圧は、, ここで R8=R10 =20kΩ, R9=R11=20kΩ, R4=R7=100kΩ, 入力電圧信号を約1倍に増幅できます。 150 回, ブリッジの理論上の出力電圧を次のように増幅できるようにします。 0 ～2.34V. ただし、これはあくまで理論値です. 実際のプロセスでは, 抵抗変化を引き起こす要因は数多くあります. したがって, R3 を高精度に調整可能な抵抗器に置き換えて、回路のゼロ調整を容易にすることができます。.

PT100 センサー 3 オペアンプ計測器アンプ回路

2. ソフトウェア設計

2.1 最小二乗法と PT100 線形フィッティング

0℃≦t≦850℃の温度範囲において, Pt100 の抵抗と温度の関係は次のとおりです。: R=100 (1 +at+bt2), ここで、A=3.90802x 10-3; B=- -5.80× 10-7; C=4.2735× 10-12

PT100の抵抗と温度は絶対的な線形関係ではなく、放物線であることがわかります。. したがって, t を抽出する場合, 平方根演算が必要です, より複雑な関数演算が導入され、シングルチップ マイクロコンピュータの大量の CPU リソースが占有されます。. この問題を解決するには, 最小二乗法を使用して、温度と抵抗の関係を線形に当てはめることができます。. ” 最小二乗曲線フィッティングは実験データ処理の一般的な方法です. その原理は、元のデータとの二乗誤差の合計を最小化する多項式関数を見つけることです。.

2.2 ADデジタル変換温度
PT100 の温度測定原理は、抵抗値に基づいて温度値を取得することです。, したがって、熱抵抗器の抵抗値を最初に決定する必要があります. ハードウェア回路によると, ブリッジ回路の出力電圧 Uab とオペアンプ計器増幅回路の出力電圧 Uad の関係は、: ウアド = ウアブ. Auf システムは 12 ビット AD チップを使用しているため, デジタル量とアナログ量の関係は: Uad/AD=5/4096. ブリッジ出力電圧とデジタル量 AD の関係は、前の 2 つの式を組み合わせることで得られます。, あれは, Uad/AD=5/(4096の上). それから, ブリッジ出力電圧式 Uab= U7x に代入されます。 (RT/ (R1+Rt) -R3/ (R2+R3) ), Rrの式とデジタル量ADが得られます. 解決策は:

ADデジタル変換温度計算式

PT100の抵抗値がわかったら, 対応する温度値は、セクションの線形フィッティング式に従って取得できます。 2.1.

2.3 シングルチップデジタルフィルタリング
PT100の温度測定精度を向上させるために, デジタルフィルタリングプログラムはソフトウェアプログラミングに追加できます, ハードウェア回路を追加する必要がなく、システムの安定性と信頼性を向上させることができます。. ワンチップマイコン応用システムには多くのフィルタリング方式がある. 特定の選択をするとき, フィルタリング方法の長所と短所および適用可能なオブジェクトを分析して比較する必要があります, 適切なフィルタリング方法を選択するため. 中央値平均フィルタリング法のアルゴリズムは、まず N 個のデータを継続的に収集します。, 次に、最小値と最大値を削除します, 最後に残りのデータの算術平均を計算します。. このフィルタリング方法は、ゆっくりと変化するパラメータの測定に適しています。, 温度など, 偶発的要因による変動やサンプラーの不安定性によるエラーによる干渉を効果的に低減できます。.

システムの作業プロセス:
測定対象物の温度が変化した場合, PT100の抵抗が変化します, ホイートストンブリッジは対応する電圧信号を出力します。. この信号は PT100 の抵抗の関数です. このミリボルト信号は、3 つのオペアンプを備えた計装アンプによって増幅され、AD チップに送信されます。, アナログ量をデジタル量に変換し、マイクロコントローラーによって読み取られます。. マイクロコントローラーはADチップからチップを読み取り、フィルタリングプログラムを実行します。, 安定したデジタル量を演算​​によりPT100の抵抗値に変換. 次に、マイクロコントローラーは、抵抗値の大きさに応じて、対応する適合線形モデルを選択し、現在の温度値を計算します。, 最後に温度データをLCDディスプレイに表示します。.