PT100/PT1000 temperatūros matavimo grandinės sprendimas

1. PT100 ir PT1000 temperatūros atsparumo keitimo lentelė
Metaliniai šiluminiai rezistoriai, tokie kaip nikelis, vario ir platinos rezistoriai turi teigiamą koreliaciją su varžos pokyčiu su temperatūra. Platina turi stabiliausias fizines ir chemines savybes ir yra plačiausiai naudojama. Dažniausiai naudojamo platinos rezistoriaus Pt100 temperatūros matavimo diapazonas yra -200～850 ℃. Be to, temperatūros matavimo diapazonas Pt500, 1000 Pt, ir tt. nuosekliai mažinami. 1000 Pt, temperatūros matavimo diapazonas -200～420 ℃. Pagal IEC751 tarptautinį standartą, platininio rezistoriaus Pt1000 temperatūros charakteristikos atitinka šiuos reikalavimus:

Pt1000 temperatūros charakteristikos kreivė

Pagal Pt1000 temperatūros charakteristikų kreivę, varžos charakteristikų kreivės nuolydis normalios darbinės temperatūros diapazone kinta mažai (kaip parodyta paveiksle 1). Per linijinį tvirtinimą, apytikslis atsparumo ir temperatūros ryšys yra:

1.1 PT100 temperatūros atsparumo keitimo lentelė

PT100 temperatūros atsparumo keitimo lentelė

1.2 PT1000 temperatūros atsparumo keitimo lentelė

PT1000 atsparumo temperatūrai pokyčių lentelė

2. Dažniausiai naudojami gavimo grandinių sprendimai

2.1 Rezistoriaus įtampos padalijimo išėjimas 0~3,3V/3V analoginė įtampa

Tiesioginis vieno lusto AD prievado įsigijimas
Temperatūros matavimo grandinės įtampos išvesties diapazonas yra 0–3,3 V, PT1000 (PT1000 atsparumo vertė labai pasikeičia, temperatūros matavimo jautrumas yra didesnis nei PT100; PT100 labiau tinka didelio masto temperatūros matavimams).

Rezistoriaus įtampos daliklis išveda 0~3,3V 3V analoginę įtampą

Paprasčiausias būdas yra naudoti įtampos padalijimo metodą. Įtampa yra 4 V įtampos atskaitos šaltinis, kurį generuoja TL431 įtampos atskaitos šaltinio lustas, arba REF3140 gali būti naudojamas generuoti 4,096 V kaip atskaitos šaltinį. Referencinio šaltinio lustuose taip pat yra REF3120, 3125, 3130, 3133, ir 3140. Lustas naudoja SOT-32 paketą ir 5V įvesties įtampą. Išėjimo įtampą galima pasirinkti pagal reikiamą atskaitos įtampą. Žinoma, pagal įprastą MCU AD prievado įtampos įvesties diapazoną, ji negali viršyti 3V/3,3V.

2.2 Rezistoriaus įtampos padalijimo išėjimas 0–5 V analoginės įtampos MCU AD prievado tiesioginis gavimas.
Žinoma, kai kurios grandinės naudoja 5 V MCU maitinimo šaltinį, o maksimali PT1000 darbinė srovė yra 0,5 mA, todėl norint užtikrinti normalų komponentų veikimą, reikia naudoti atitinkamą pasipriešinimo vertę.
Pavyzdžiui, 3,3 V įtampos padalijimo schemoje aukščiau pakeičiama 5 V. To pranašumas yra tas, kad 5 V įtampos padalijimas yra jautresnis nei 3,3 V, ir gavimas yra tikslesnis. Prisimink, teorinė skaičiuojama išėjimo įtampa negali viršyti +5V. Priešingu atveju, tai sugadins MCU.

2.3 Dažniausiai naudojamas tilto matavimas
R11, R12, R13 ir Pt1000 naudojami matavimo tilteliui suformuoti, kur R11=R13=10k, R12=1000R tikslumo rezistoriai. Kai Pt1000 varžos vertė nėra lygi R12 varžos vertei, tiltas išduos mV lygio įtampos skirtumo signalą. Šį įtampos skirtumo signalą sustiprina prietaiso stiprintuvo grandinė ir išvedamas norimas įtampos signalas. Šis signalas gali būti tiesiogiai prijungtas prie AD konvertavimo lusto arba mikrovaldiklio AD prievado.

R11, R12, R13 ir Pt1000 naudojami matavimo tilteliui suformuoti

Šios grandinės varžos matavimo principas:
1) PT1000 yra termistorius. Keičiantis temperatūrai, varža kinta iš esmės tiesiškai.
2) At 0 laipsnių, PT1000 varža yra 1kΩ, tada Ub ir Ua yra lygūs, tai yra, Uba = Ub – Daryk = 0.
3) Darant prielaidą, kad esant tam tikrai temperatūrai, PT1000 varža yra 1,5 kΩ, tada Ub ir Ua nėra lygūs. Pagal įtampos padalijimo principą, galime sužinoti, kad Uba = Ub – Daryk > 0.
4) OP07 yra operacinis stiprintuvas, o jo įtampos padidėjimas A priklauso nuo išorinės grandinės, kur A = R2/R1 = 17.5.
5) OP07 išėjimo įtampa Uo = Uba * A. Taigi, jei naudosime voltmetrą OP07 išėjimo įtampai matuoti, galime daryti išvadą apie Uab vertę. Kadangi Ua yra žinoma reikšmė, galime toliau apskaičiuoti Ub reikšmę. Tada, naudojant įtampos padalijimo principą, galime apskaičiuoti specifinę PT1000 varžos vertę. Šis procesas gali būti atliktas naudojant programinės įrangos skaičiavimus.
6) Jei žinome PT1000 varžos vertę bet kurioje temperatūroje, mums tereikia ieškoti lentelės pagal atsparumo vertę, kad sužinotume esamą temperatūrą.

2.4 Nuolatinis srovės šaltinis
Dėl savaime įkaistančio terminio rezistoriaus efekto, srovė, tekanti per rezistorių, turi būti kuo mažesnė. Apskritai, tikimasi, kad srovė bus mažesnė nei 10 mA. Patikrinta, kad platinos rezistorius PT100 savaime įkaista 1 mW sukels temperatūros pokytį 0,02–0,75 ℃. Todėl, sumažinus platininio rezistoriaus PT100 srovę, galima sumažinti ir jo temperatūros pokytį. Tačiau, jei srovė per maža, jis jautrus triukšmo trukdžiams, taigi vertė paprastai yra 0.5-2 Ma, todėl nuolatinės srovės šaltinio srovė pasirenkama kaip 1mA nuolatinės srovės šaltinis.

Lustas pasirinktas kaip nuolatinės įtampos šaltinio lustas TL431, ir tada konvertuojamas į nuolatinės srovės šaltinį, naudojant dabartinį neigiamą grįžtamąjį ryšį. Grandinė parodyta paveikslėlyje

Tarp jų, operacinis stiprintuvas CA3140 naudojamas siekiant pagerinti srovės šaltinio apkrovą, o išėjimo srovės skaičiavimo formulė yra:

Rezistorius turi būti a 0.1% tikslumo rezistorius. Galutinė išėjimo srovė yra 0,996 mA, tai yra, tikslumas yra 0.4%.

Nuolatinės srovės šaltinio grandinė turi turėti šias charakteristikas

Pasirinkite nuolatinės įtampos šaltinio lustą TL431

Temperatūros stabilumas: Kadangi mūsų temperatūros matavimo aplinka yra 0-100 ℃, srovės šaltinio išėjimas neturėtų būti jautrus temperatūrai. TL431 pasižymi itin žemu temperatūros koeficientu ir žemu temperatūrų dreifu.

Geras apkrovos reguliavimas: Jei srovės bangavimas yra per didelis, tai sukels skaitymo klaidas. Pagal teorinę analizę, nes įėjimo įtampa svyruoja tarp 100-138.5mV, ir temperatūros matavimo diapazonas yra 0-100 ℃, temperatūros matavimo tikslumas yra ±1 laipsnis Celsijaus, todėl išėjimo įtampa turėtų pasikeisti 38,5/100 = 0,385 mV kas 1 ℃ aplinkos temperatūrai padidėjus. Siekiant užtikrinti, kad srovės svyravimai neturėtų įtakos tikslumui, apsvarstykite patį ekstremaliausią atvejį, adresu 100 laipsniai Celsijaus, PT100 varžos vertė turėtų būti 138,5R. Tada srovės pulsacija turėtų būti mažesnė nei 0,385/138,5 = 0,000278 mA, tai yra, srovės pokytis keičiant apkrovą turi būti mažesnis nei 0,000278 mA. Realiame modeliavime, dabartinis šaltinis iš esmės išlieka nepakitęs.
3. AD623 gavimo grandinės sprendimas

AD623 įsigijimo PT1000 grandinės sprendimas

Principas gali būti susijęs su aukščiau nurodytu tilto matavimo principu.
Žemos temperatūros gavimas:

Aukštos temperatūros gavimas

4. AD620 gavimo grandinės sprendimas

AD620 PT100 įsigijimo sprendimas

AD620 PT100 gavimo tirpalas aukšta temperatūra (150°):

AD620 PT100 gavimo tirpalas žemoje temperatūroje (-40°):

AD620 PT100 gavimo tirpalas kambario temperatūroje (20°):

5. PT100 ir PT1000 anti-interferencinė filtravimo analizė

Temperatūros matavimas tam tikrame komplekse, atšiaurioje ar specialioje aplinkoje bus dideli trukdžiai, daugiausia įskaitant EMI ir REI.

Pavyzdžiui, taikant variklio temperatūros matavimą, variklio valdymas ir greitas variklio sukimasis sukelia aukšto dažnio trikdžius.

Taip pat yra daug temperatūros kontrolės scenarijų aviacijos ir kosmoso transporto priemonėse, kurios matuoja ir valdo elektros ir aplinkos kontrolės sistemą. Temperatūros valdymo pagrindas yra temperatūros matavimas. Kadangi termistoriaus varža gali keistis tiesiškai priklausomai nuo temperatūros, Platinos atsparumo naudojimas temperatūrai matuoti yra efektyvus didelio tikslumo temperatūros matavimo metodas. Pagrindinės problemos yra tokios:
1. Švino laido varža lengvai įvedama, taip paveikdamas jutiklio matavimo tikslumą;
2. Kai kuriose stipriose elektromagnetinių trukdžių aplinkose, prietaiso stiprintuvu ištaisius, trukdžiai gali būti konvertuojami į nuolatinės srovės išvestį
Poslinkio klaida, turinčios įtakos matavimo tikslumui.
5.1 Oro erdvėlaivio PT1000 gavimo grandinė

Oro erdvėlaivio PT1000 gavimo grandinė

Dėl antielektromagnetinių trukdžių tam tikroje aviacijoje žr. orlaivių PT1000 gavimo grandinės konstrukciją..

Filtras yra nustatytas atokiausiame gavimo grandinės gale. PT1000 gavimo išankstinio apdorojimo grandinė yra tinkama orlaivių elektroninės įrangos sąsajos išankstiniam apdorojimui prieš elektromagnetinius trukdžius.;
Konkreti grandinė yra:
+15V įėjimo įtampa per įtampos reguliatorių paverčiama +5V didelio tikslumo įtampos šaltiniu, o +5V didelio tikslumo įtampos šaltinis yra tiesiogiai prijungtas prie rezistoriaus R1.
Kitas rezistoriaus R1 galas yra padalintas į du kelius, vienas prijungtas prie operatyvinio stiprintuvo fazės įvesties, o kitas prijungtas prie PT1000 rezistoriaus A galo per T tipo filtrą S1. Operatyvinio stiprintuvo išėjimas yra prijungtas prie invertuojančios įvesties, kad susidarytų įtampos sekiklis, ir invertuojantis įėjimas yra prijungtas prie įtampos reguliatoriaus įžeminimo prievado, kad būtų užtikrinta, jog įtampa fazės įėjime visada būtų lygi nuliui. Praleidus S2 filtrą, vienas PT1000 rezistoriaus galas A padalintas į du kelius, vienas kelias naudojamas kaip diferencinės įtampos įvesties gnybtas D per rezistorių R4, o kitas kelias yra prijungtas prie AGND per rezistorių R2. Praleidus S3 filtrą, kitas PT1000 rezistoriaus galas B yra padalintas į du kelius, vienas kelias naudojamas kaip diferencinės įtampos įvesties gnybtas E per rezistorių R5, o kitas kelias yra prijungtas prie AGND per rezistorių R3. D ir E yra sujungti per kondensatorių C3, D yra prijungtas prie AGND per kondensatorių C1, ir E yra prijungtas prie AGND per kondensatorių C2; tikslią PT1000 varžos vertę galima apskaičiuoti išmatuojant skirtumą tarp D ir E.

+15V įėjimo įtampa per įtampos reguliatorių paverčiama +5V didelio tikslumo įtampos šaltiniu. +5V yra tiesiogiai prijungtas prie R1. Kitas R1 galas yra padalintas į du kelius, vienas yra prijungtas prie operacinės stiprintuvo fazės įvesties gnybto, o kitas yra prijungtas prie PT1000 rezistoriaus A per T tipo filtrą S1. Operatyvinio stiprintuvo išėjimas yra prijungtas prie invertuojančios įvesties, kad susidarytų įtampos sekiklis, ir invertuojantis įėjimas yra prijungtas prie įtampos reguliatoriaus įžeminimo prievado, kad būtų užtikrinta, jog įtampa invertuojamajame įėjime visada būtų lygi nuliui. Šiuo metu, srovė, tekanti per R1, yra pastovi 0,5 mA. Įtampos reguliatorius naudoja AD586TQ/883B, o operacinės sistemos stiprintuvas naudoja OP467A.

Praleidus S2 filtrą, vienas PT1000 rezistoriaus galas A padalintas į du kelius, vienas per rezistorių R4 kaip diferencinės įtampos įvesties galas D, ir vienas per rezistorių R2 į AGND; praėjus per S3 filtrą, kitas PT1000 rezistoriaus galas B yra padalintas į du kelius, vienas per rezistorių R5 kaip diferencinės įtampos įvesties galas E, ir vienas per rezistorių R3 į AGND. D ir E yra sujungti per kondensatorių C3, D yra prijungtas prie AGND per kondensatorių C1, ir E yra prijungtas prie AGND per kondensatorių C2.
R4 ir R5 varža yra 4,02k omų, R1 ir R2 varža yra 1M omų, C1 ir C2 talpa yra 1000pF, o C3 talpa yra 0,047 uF. R4, R5, C1, C2, ir C3 kartu sudaro RFI filtrų tinklą, kuris užbaigia įvesties signalo žemųjų dažnių filtravimą, o objektai, kuriuos reikia filtruoti, apima diferencinio režimo trikdžius ir bendrojo režimo trikdžius, perduodamus įvesties diferenciniame signale. Įvesties signale perduodamų bendrojo režimo trukdžių ir diferencinio režimo trukdžių –3dB ribinio dažnio apskaičiavimas parodytas formulėje:

Atsparumo vertės pakeitimas skaičiavime, bendrojo režimo ribinis dažnis yra 40 kHz, ir diferencinio režimo ribinis dažnis yra 2,6 KHZ.
Pabaigos taškas B yra prijungtas prie AGND per S4 filtrą. Tarp jų, visi filtro įžeminimo gnybtai nuo S1 iki S4 yra prijungti prie orlaivio ekranavimo įžeminimo. Kadangi srovė, tekanti per PT1000, yra žinoma 0,05 mA, tikslią PT1000 varžos vertę galima apskaičiuoti išmatuojant skirtingą įtampą abiejuose D ir E galuose.
Nuo S1 iki S4 naudojami T tipo filtrai, modelis GTL2012X-103T801, su ribiniu dažniu 1M±20%. Ši grandinė įveda žemųjų dažnių filtrus į išorinės sąsajos linijas ir atlieka RFI filtravimą pagal diferencinę įtampą. Kaip PT1000 išankstinio apdorojimo grandinė, efektyviai pašalina elektromagnetinius ir RFI spinduliuotės trukdžius, o tai labai pagerina surinktų vertybių patikimumą. Be to, įtampa tiesiogiai matuojama iš abiejų PT1000 rezistoriaus galų, pašalinant laidų pasipriešinimo sukeltą klaidą ir pagerinant varžos vertės tikslumą.

5.2 T tipo filtras
T tipo filtras susideda iš dviejų induktorių ir kondensatorių. Abu jo galai turi didelę varžą, ir jo įterpimo nuostolių efektyvumas yra panašus į π tipo filtro, bet tai nėra linkusi “skambėjimas” ir gali būti naudojamas perjungimo grandinėse.