PT100 šiluminio atsparumo jutiklio temperatūros matavimo sistema

2-viela, 3-viela arba 4 laidų Pt100, 500 Pt, Pt1000 jutikliai yra didelio tikslumo temperatūros jutikliai, pagaminti iš platinos elementų, stabilumas ir tiesiškumas, ir yra plačiai naudojami srityse, kuriose reikalingas tikslus temperatūros matavimas. A “PT100 terminio rezistoriaus temperatūros matavimo sistema” reiškia sistemą, kuri naudoja PT100 jutiklį, atsparumo temperatūros detektoriaus tipas (Rtd), matuoti temperatūrą, nustatant jos elektrinės varžos pokyčius, kurie yra tiesiogiai proporcingi temperatūrai; “PT” reiškia platiną, ir “100” rodo, kad jutiklis turi varžą 100 omų 0°C temperatūroje, todėl tai labai tikslus ir stabilus temperatūros matavimo metodas plačiame diapazone.

Platininiai rezistoriai plačiai naudojami vidutinės temperatūros diapazone (-200～650 ℃). Šiuo metu, rinkoje yra standartinių temperatūros matavimo šiluminių varžų, pagamintų iš metalinės platinos, pvz Pt100, 500 Pt, 1000 Pt, ir tt.

Supraskite PT100 veikimo principą: PT100 yra Pt rezistoriaus temperatūros jutiklis. Veikimo principas pagrįstas rezistoriaus šiluminiu efektu. Jo atsparumo vertė keičiasi keičiantis temperatūrai. Šis pokytis yra linijinis. Esant 0 ℃, PT100 varžos vertė yra 100 omų. Kylant temperatūrai, atsparumo reikšmė taip pat atitinkamai didėja, todėl išmatuojant varžos vertę galima tiksliai nustatyti temperatūrą.

Didelio tikslumo 4 laidų A klasės PT100 temperatūros matavimo sistema

2-vielos PT100 platinos atsparumo temperatūros valdymo zondo temperatūros matavimo sistema

3-vielos PT100 terminio rezistoriaus jutiklio temperatūros matavimo sistema

Pasirinkite tinkamą laidų prijungimo būdą: Apskritai, 2-viela, 3-gali būti naudojami laidų arba 4 laidų laidų sujungimo būdai.

Tilto išvedamas įtampos signalas

Pagrindiniai dalykai apie PT100 sistemą:
Jutiklio principas:
PT100 jutiklis pagamintas iš platinos vielos, kurios elektrinė varža nuspėjamai keičiasi kintant temperatūrai.

Matavimo metodas:
Kai srovė praeina per PT100, matuojamas įtampos kritimas ant jutiklio, kuri vėliau paverčiama temperatūra, remiantis žinomu atsparumo ir temperatūros ryšiu.

Platus pritaikymas:
PT100 jutikliai dažniausiai naudojami pramoniniuose procesuose, laboratorijos, ir kitose srityse, kur dėl didelio tikslumo ir stabilumo reikalingas tikslus temperatūros matavimas.

PT100 sistemos komponentai:
PT100 jutiklio zondas:
Tikrasis jutimo elementas, paprastai platinos viela, apvyniota aplink keraminę šerdį, kuris įterpiamas į matuojamą aplinką.

Signalo kondicionavimo grandinė:
Elektronika, kuri sustiprina ir paverčia nedidelį PT100 pasipriešinimo pokytį į išmatuojamą įtampos signalą.

Ekrano arba duomenų rinkimo sistema:
Prietaisas, kuris rodo išmatuotą temperatūrą arba saugo duomenis analizei.

PT100 sistemos naudojimo pranašumai:
Didelis tikslumas:　Laikomas vienu tiksliausių temperatūros jutiklių.
Platus temperatūros diapazonas:　Gali išmatuoti temperatūrą nuo –200 ° C iki 850 ° C, priklausomai nuo jutiklio konstrukcijos.
Geras tiesiškumas:　Ryšys tarp pasipriešinimo ir temperatūros yra labai tiesinis, leidžia lengvai interpretuoti duomenis.
Stabilumas:　Platina yra labai stabili medžiaga, užtikrinant nuoseklius rodmenis laikui bėgant.

Pt100 šiluminės varžos indeksavimo lentelė

Trys platininio rezistoriaus PT100 laidų prijungimo būdai iš esmės skiriasi: 2-viela ir 3 laidai matuojami tilto metodu, ir santykis tarp temperatūros vertės ir analoginės išvesties vertės pateikiamas pabaigoje. 4-viela neturi tilto. Jį visiškai siunčia nuolatinės srovės šaltinis, matuojamas voltmetru, ir galiausiai pateikia išmatuotą pasipriešinimo vertę, kurį sunku ir brangu naudoti.
Kadangi PT100 turi mažą atsparumo vertę ir didelį jautrumą, negalima ignoruoti švino laido varžos vertės. Naudojant 3 laidų jungtį galima pašalinti matavimo paklaidą, kurią sukelia laido linijos varža.
2 laidų sistemos matavimo tikslumas yra prastas; 3 laidų sistema turi didesnį tikslumą; 4 laidų sistema pasižymi dideliu matavimo tikslumu, bet reikia daugiau laidų.

Mums tereikia žinoti PT100 temperatūros būseną pagal tilto išvestą įtampos signalą. Kai PT100 varžos vertė nėra lygi Rx varžos reikšmei, tiltas duoda diferencinio slėgio signalą, kuri yra labai maža. Kadangi temperatūros jutiklio išvesties signalas paprastai yra labai silpnas, reikalinga signalo kondicionavimo ir konvertavimo grandinė, norint jį sustiprinti arba konvertuoti į formą, kurią būtų lengva perduoti, procesas, įrašyti ir rodyti. Nedidelį išmatuoto signalo kiekio pokytį reikia paversti elektriniu signalu. Stiprinant nuolatinės srovės signalą, negalima ignoruoti operatyvinio stiprintuvo savaiminio dreifo ir nesubalansuotos įtampos, kai jis praeina per operacijų stiprintuvą. Po stiprinimo, gali būti išvestas norimo dydžio įtampos signalas.
Platinos rezistoriaus varžos vertę galima gauti apskaičiuojant grandinę arba matuojant multimetrą. Kai žinome PT100 varžos vertę, temperatūrą galime išmatuoti ir apskaičiuoti pagal varžos vertę.

Duomenų apdorojimui naudokite tinkamus algoritmus: Norėdami apskaičiuoti temperatūrą programuodami, naudokite žinomą temperatūros ir varžos ryšį. Atsižvelgiant į tai, kad PT100 atsparumo ir temperatūros santykis yra netiesinis, ypač žemos arba aukštos temperatūros zonose, tikslumui pagerinti gali prireikti sudėtingesnių algoritmų.

Aplinkos veiksnių įtaka: Veikimą gali paveikti aplinkos veiksniai, pvz., elektromagnetiniai trukdžiai, mechaninė vibracija, ir drėgmės.

Yra trys įprasti temperatūros matavimo skaičiavimo metodai:
Temperatūros matavimo skaičiavimo metodas 1:
Kai nereikia tikslios temperatūros, temperatūra padidės 2,5 ℃ kiekvieną kartą padidinus PT100 šiluminio rezistoriaus varžos vertę, (naudojamas žemoje temperatūroje). PT100 temperatūros jutiklio varžos vertė yra 100 kai yra 0 ℃, taigi apytikslė temperatūra šiuo metu = (PT100 varžos vertė-100)*2.5.

Temperatūros matavimo skaičiavimo metodas 2:
Ryšys tarp platininio rezistoriaus varžos vertės ir temperatūros

0–850 ℃ diapazone: Rt = R0(1+At+Bt2);

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

Rt reiškia platininio rezistoriaus varžos vertę esant temperatūrai t℃;

R0 reiškia platininio rezistoriaus varžos vertę esant 0 ℃ temperatūrai;

A, B, C yra konstantos, A = 3,96847 × 10-3 / ℃; B = -5,847 × 10-7 / ℃; C=-4,22×10-12/℃;

Šiluminiam rezistoriui, kuris atitinka aukščiau pateiktą ryšį, jo temperatūros koeficientas yra apie 3,9×10-3/℃.

Pagal aukščiau pateiktą formulę, temperatūra gali būti tiksliai išspręsta pagal atsparumo vertę, bet dėl ​​didelio šio metodo skaičiavimo kiekio, nerekomenduojama atlikti šį eksperimentą.

Trečiasis temperatūros skaičiavimo metodas:
PT100 turi gerą linijinį ryšį su temperatūra ir tinka vidutinei ir žemai temperatūrai matuoti. PT100 varžos vertė esant skirtingoms temperatūroms turi atitinkamą matavimo skalę vienas su vienu, kaip parodyta paveikslėlyje žemiau, kuris gali intuityviai parodyti atitinkamą ryšį tarp skirtingų temperatūrų ir PT100 varžos vertės.
Temperatūrą galima sužinoti patikrinus atitinkamą varžos vertę per PT100 skalę.

Pt100 terminio rezistoriaus skalė

Šiame dokumente sukurtame temperatūros matavimo įrenginyje PT100 naudojamas dažniausiai naudojamas nebrangus keturių krypčių operacinis stiprintuvas LM324, kad užbaigtų įrenginio maitinimo grandinės ir trijų operacijų stiprintuvo instrumento stiprintuvo grandinės projektavimą..

1.1 Įtampos šaltinio grandinė

Pt100 terminio rezistoriaus jutiklio įtampos šaltinio grandinė

Grandinė paveiksle 1 yra bendra proporcinga veikimo grandinė. Pagal idealaus operacinio stiprintuvo, veikiančio tiesinėje srityje, analizę, pagal virtualios trumposios ir virtualios pertraukos principą, jis gaunamas:

Vitstono tilto skaičiavimo grandinės formulė

,, tada uždarojo ciklo įtampos stiprinimo koeficientas yra 2 kartų, ir tada gaunama V= 10V, ir ji naudojama kaip stabili Wheatstone tilto grandinės maitinimo įtampa.

1.2 Trijų laidų Wheatstone tilto ir PT100 jungtis.
Aukščiau pateikta figūra yra Vitstono tiltas. Sąlyga, kad tiltas būtų subalansuotas, yra ta, kad taškų B ir D potencialai yra lygūs. Taigi, kai tiltas yra subalansuotas, tol, kol R1, R2 (dažniausiai fiksuotos vertės) ir R0 (paprastai reguliuojamos vertės) yra skaitomi, galima gauti išmatuojamą varžą Rx. R1/R2=M, paskambino “daugiklis”.

Vitstono tilto ir PT100 trijų laidų sujungimo būdas

Pagal PT100 temperatūros matavimo principą, reikia teisingai žinoti PT100 varžos vertę, tačiau pasipriešinimo vertės tiesiogiai išmatuoti negalima, todėl reikalinga konversijos grandinė. Atsparumo vertė paverčiama įtampos signalu, kurį gali aptikti mikrovaldiklis”. Wheatstone tilto grandinė yra prietaisas, galintis teisingai išmatuoti pasipriešinimą. Kaip parodyta paveiksle 2, R1, R2, R3, ir R4 yra atitinkamai jo tilto atšakos. Kai tiltas subalansuotas, R1xR3=R2xR4 yra patenkintas. Kai tiltas yra nesubalansuotas, tarp taškų a ir b bus įtampos skirtumas. Pagal taškų a ir b įtampą, galima apskaičiuoti atitinkamą varžą. Tai yra pasipriešinimo matavimo nesubalansuotu tilteliu principas:

PT100 trijų laidų grandinės prijungimo būdas

Tiesą sakant, dėl mažo PT100 atsparumo ir didelio jautrumo, švino laido varža sukels klaidas. Todėl, Šiai klaidai pašalinti pramonėje dažnai naudojamas trijų laidų sujungimo būdas. Kaip parodyta punktyrinėje paveikslo dalyje 2, švino laido varžos vertė yra lygi ir yra r. Šiuo metu, tilto rankos tampa R, R, R+2r, ir Rt+2r. Kai tiltas subalansuotas: R2. (R1+2r) =R1.(R3+2r), sutvarkyta: Rt= R1R3/ R2+2 R1r/ R2- 2r. Analizė rodo, kad kai R1=R2, laido varžos pokytis neturi įtakos matavimo rezultatui.

1.3 Trijų operacijų stiprintuvų prietaisų stiprintuvo grandinė
Kai temperatūra pasikeičia nuo 0 ℃ ~ 100 ℃, PT100 varža kinta maždaug tiesiškai 100Ω ~ 138,51Ω diapazone. Pagal aukščiau pateiktą tilto grandinę, tiltas subalansuotas esant 0 ℃, taigi teorinė tilto išėjimo įtampos vertė turėtų būti 0 V, ir kai temperatūra yra 100 ℃, tilto išvestis yra: Uab = U7x(R1/(R1 + R2)-R3/(R2 + R3)), tai yra, Uab = 10x(138.51/(10000 + 138.51)-100/(10000 + 100)) =0,037599 V. Kadangi tai yra milivoltų signalas, būtina sustiprinti šią įtampą, kad ją aptiktų AD lustas.

Kaip parodyta paveiksle 3, prietaisų stiprintuvas yra įrenginys, kuris stiprina mažus signalus triukšmingoje aplinkoje. Jis turi daugybę privalumų, tokių kaip mažas dreifas, Mažos energijos suvartojimas, didelis bendrojo režimo atmetimo koeficientas, platus maitinimo šaltinių asortimentas ir mažas dydis. Jame naudojamos diferencialinių mažų signalų charakteristikos, uždedamos didesniems bendrojo režimo signalams, kuris gali pašalinti bendrojo režimo signalus ir tuo pačiu metu sustiprinti diferencinius signalus. Standartinės trijų operacijų stiprintuvų prietaisų stiprintuvo grandinės išėjimo įtampa yra, čia R8=R10 =20 kΩ, R9=R11=20 kΩ, R4=R7=100kΩ, kuris gali sustiprinti įėjimo įtampos signalą maždaug 150 kartų, kad būtų galima sustiprinti teorinę tilto išėjimo įtampą 0 ~2,34 V. Bet tai tik teorinė vertybė. Realiame procese, yra daug veiksnių, galinčių sukelti atsparumo pokyčius. Todėl, R3 galima pakeisti tiksliai reguliuojamu rezistoriumi, kad būtų lengviau nustatyti grandinės nulį.

PT100 jutiklio trijų operacijų stiprintuvo instrumento stiprintuvo grandinė

2. Programinės įrangos dizainas

2.1 Mažiausių kvadratų metodas ir PT100 tiesinis montavimas

Temperatūros diapazone 0℃≤t≤850℃, ryšys tarp Pt100 varžos ir temperatūros yra: R = 100 (1 +At+Bt2), kur A = 3,90802x 10-3; B=- -5.80x 10-7; C = 4,2735 x 10-12

Galima pastebėti, kad PT100 atsparumas ir temperatūra yra ne absoliutus tiesinis ryšys, o parabolė. Todėl, jei t reikia išgauti, reikalinga kvadratinės šaknies operacija, kuris įveda sudėtingesnę funkcijų operaciją ir užima daug vieno lusto mikrokompiuterio procesoriaus išteklių. Norėdami išspręsti šią problemą, galime naudoti mažiausiųjų kvadratų metodą, kad tiesiškai pritaikytume ryšį tarp temperatūros ir pasipriešinimo. ” Mažiausių kvadratų kreivės pritaikymas yra įprastas eksperimentinio duomenų apdorojimo metodas. Jo principas yra rasti daugianario funkciją, kad būtų sumažinta pirminių duomenų kvadratinių klaidų suma.

2.2 AD skaitmeninės konversijos temperatūra
PT100 temperatūros matavimo principas yra gauti temperatūros vertę pagal atsparumo vertę, todėl pirmiausia reikia nustatyti šiluminio rezistoriaus varžos vertę. Pagal aparatūros grandinę, ryšys tarp tilto grandinės išėjimo įtampos Uab ir operacinio stiprintuvo instrumento stiprintuvo grandinės išėjimo įtampos Uad yra: Uad = Uab. Auf Kadangi sistema naudoja 12 bitų AD lustą, ryšys tarp skaitmeninio kiekio ir analoginio dydžio yra: Uad/AD=5/4096. Ryšį tarp tilto išėjimo įtampos ir skaitmeninio dydžio AD galima gauti sujungus dvi ankstesnes lygtis, tai yra, Uad/AD=5/(4096Įjungta). Tada, ji pakeičiama tilto išėjimo įtampos išraiška Uab= U7x (Rt/ (R1+Rt) -R3/ (R2+R3) ), ir galima gauti Rr išraišką ir skaitmeninį dydį AD. Sprendimas yra:

AD skaitmeninės konversijos temperatūros formulė

Sužinoję PT100 varžos reikšmę, atitinkamą temperatūros vertę galima gauti pagal tiesinės tvirtinimo lygtį skyriuje 2.1.

2.3 Vieno lusto skaitmeninis filtravimas
Siekiant pagerinti PT100 temperatūros matavimo tikslumą, Skaitmeninio filtravimo programa gali būti įtraukta į programinės įrangos programavimą, kuriai nereikia pridėti aparatinės įrangos grandinių ir galima pagerinti sistemos stabilumą bei patikimumą. Vieno lusto mikrokompiuterių taikomojoje sistemoje yra daug filtravimo metodų. Atliekant konkretų pasirinkimą, reikia išanalizuoti ir palyginti filtravimo metodo bei taikomų objektų privalumus ir trūkumus, kad pasirinktumėte tinkamą filtravimo metodą. Vidutinio vidurkio filtravimo metodo algoritmas yra pirmiausia nuolat rinkti N duomenų, tada pašalinkite mažiausią ir didžiausią vertę, ir galiausiai apskaičiuokite likusių duomenų aritmetinį vidurkį. This filtering method is suitable for measuring parameters that change slowly, such as temperature, and can effectively reduce the interference caused by fluctuations caused by accidental factors or errors caused by sampler instability.

System working process:
When the temperature of the object being measured changes, the resistance of PT100 changes, and the Wheatstone bridge will output a corresponding voltage signal. This signal is a function of the resistance of PT100. This millivolt signal is amplified by a three-op-amp instrumentation amplifier and sent to the AD chip, which converts the analog quantity into a digital quantity and is read by the microcontroller. The microcontroller reads the chip from the AD chip and executes the filtering program, stabilaus skaitmeninio dydžio konvertavimas į PT100 varžą skaičiavimo būdu. Tada mikrovaldiklis pasirinks atitinkamą pritaikytą linijinį modelį pagal pasipriešinimo vertės dydį, kad apskaičiuotų esamą temperatūros vertę, ir galiausiai LCD ekrane parodykite temperatūros duomenis.