Temperatūras iegūšana 2, 3, un 4 vadu PT100 temperatūras sensori

Rakstā ir aprakstīts, kā 2, 3, un 4 vadu PT100 sensori tiek pārveidoti sprieguma signālos, mainot pretestību, un pastāvīgas strāvas avots tiek izmantots, lai aizsargātu sensoru un nodrošinātu signāla pārveidošanas precizitāti. PT100 sensors iegūst temperatūru, mērot tā elektriskās pretestības izmaiņas, kas tieši korelē ar temperatūru, kurai tas ir pakļauts; temperatūrai paaugstinoties, palielinās arī platīna elementa pretestība sensorā, ļaujot precīzi aprēķināt temperatūru, pamatojoties uz šo pretestības izmaiņu; būtībā, uz “100” PT100 nozīmē, ka sensora pretestība ir 100 omi 0 ° C, un šī vērtība paredzami mainās līdz ar temperatūras svārstībām. Operacionālā pastiprinātāja MCP604 pielietojums ķēdes projektēšanā uzsver tā raksturlielumu, piemēram, zemā ieejas nobīdes sprieguma un nobīdes strāvas ietekmi uz precizitāti.. Programmatūras kalibrēšana tiek izmantota, lai uzlabotu ķēdes projektēšanas precizitāti, izvairoties no fiziskās pielāgošanas neērtībām. Beidzot, rakstā ir dota sakarības formula starp temperatūru un platīna pretestības vērtību, ko izmanto temperatūras vērtības aprēķināšanai.

2 vadu PT100 temperatūras sensora temperatūras uztveršanas dizains

Ķīnas pielāgotā 3 vadu PT100 temperatūras sensora temperatūras noteikšana

4 vadu PT100 temperatūras sensora temperatūras noteikšana

Galvenie punkti par PT100 temperatūras iegūšanu:
Pretestības temperatūras detektors (Rtd):
PT100 ir RTD veids, tas nozīmē, ka tas mēra temperatūru, nosakot izmaiņas tās elektriskajā pretestībā.
Platīna elements:
PT100 sensora elements ir izgatavots no platīna, kas uzrāda ļoti stabilu un lineāru attiecību starp pretestību un temperatūru.
Mērīšanas process: Sensors ir novietots vidē, kur jāmēra temperatūra.
Platīna elementa pretestību mēra, izmantojot īpašu elektronisko shēmu.
Pēc tam izmērītā pretestības vērtība tiek pārvērsta temperatūrā, izmantojot matemātisko formulu, kuras pamatā ir zināms platīna temperatūras koeficients.

PT100 sensoru priekšrocības:
Augsta precizitāte: Tas tiek uzskatīts par vienu no precīzākajiem pieejamajiem temperatūras sensoriem platīna stabilās uzvedības dēļ.
Plašs temperatūras diapazons:　Var izmērīt temperatūru no -200°C līdz 850°C atkarībā no sensora konstrukcijas.
Laba linearitāte: Attiecība starp pretestību un temperatūru ir samērā lineāra, datu interpretācijas vienkāršošana.

Svarīgi apsvērumi:
Kalibrēšana: Lai nodrošinātu precīzus mērījumus, PT100 sensori ir regulāri jākalibrē atbilstoši atsauces standartam.
Svina stieples pretestība: Savienojošo vadu pretestība var ietekmēt mērījumu precizitāti, tāpēc bieži vien ir pienācīgi jāapsver svina stieples kompensācija.
Pielietojuma piemērotība: Lai gan ļoti precīzi, PT100 sensori var nebūt piemēroti īpaši skarbām vidēm vai lietojumiem, kuriem nepieciešams ļoti ātrs reakcijas laiks.

1. Signāla iegūšanas pamatprincipi
PT100 pārvērš temperatūras signālus pretestības izejās, un tā pretestības vērtība svārstās no 0 līdz 200Ω. AD pārveidotājs var pārveidot tikai spriegumu un nevar tieši savākt temperatūru. Tāpēc, ir nepieciešams 1 mA pastāvīgas strāvas avots, lai darbinātu PT100 un pārveidotu pretestības izmaiņas sprieguma izmaiņās. Pastāvīga strāvas avota izmantošanas priekšrocība ir tāda, ka tas var pagarināt sensora kalpošanas laiku. Tā kā ieejas signāla diapazons ir 0 līdz 200mV, signāls ir jāpastiprina un pēc tam AD jāpārveido, lai iegūtu elektriskā signāla datus.

Pastāvīga sprieguma avota dizaina neizmantošanas iemesli:

Ja strāvas padevei tiek izmantots pastāvīga sprieguma avots, un tad rezistors un PT100 ir savienoti virknē, un spriegums ir sadalīts, ir problēma. Ja PT100 pretestība ir pārāk maza, strāva, kas plūst caur PT100, ir pārāk liela, kā rezultātā sensora kalpošanas laiks ir īsāks.

2. Operatīvais pastiprinātājs izmanto MCP604
MCP604 funkcijas:
1) Sprieguma diapazons ir 2,7–6,0 V
2) Izvade ir no dzelzceļa līdz dzelzceļam
3) Darba temperatūras diapazons: -40°C līdz +85 °C
4) Ieejas nobīdes spriegums ir ±3mV, tipiskā vērtība ir 1 mV, augsta jutība.
5) Ieejas nobīdes strāva ir 1pA, kad TA = +85°C, I=20pA, uzlabo iegūšanas precizitāti.
6) Lineārās izejas sprieguma svārstības: VSS+0,1 ~ VDD–0,1, vienība ir V.

Ja barošanas spriegums ir 3,3 V, lineārās izejas sprieguma svārstības ir 0,1–3,2 V. Lai nodrošinātu, ka pastiprinātais signāls darbojas lineārajā reģionā, kad VDD=3,3V, mēs iestatījām MCP604 izejas spriegumu, lai tas paliktu: 0.5V ~ 2,5 V, lai atbilstu operētājsistēmas pastiprinātāja shēmas dizaina prasībām.

Operatīvais pastiprinātājs analogās elektronikas grāmatā ir ideāls darbības pastiprinātājs, kas atšķiras no faktiskā pastiprinātāja. Tāpēc, ir nepieciešams apsvērt “ieejas nobīdes spriegums”, “ieejas novirzes strāva” un “lineāras izejas sprieguma svārstības” projektējot.

3. Shēmas shēma
R11 attēlā ir nobīdes ķēde, lai novērstu diferenciālā pastiprinātāja izejas pēdējo posmu no piesātinājuma kropļojumiem.
1) Izvēlieties piemērotu pastiprinājuma koeficientu, lai samazinātu izvades kļūdu. Ieejas nobīdes sprieguma esamības dēļ, kad palielinās pastiprināšanas koeficients, palielināsies arī izvades kļūda, kas jāņem vērā projektēšanā.
2) Šīs ķēdes pastiprināšanas koeficients ir 10. Pieņemot, ka tipiskais ieejas nobīdes spriegums ir 3 mV, ja ieejas signāls mainās uz 5mV, 2mV netiks pastiprināts, kas radīs izejas kļūdu 20mV.

PT100 temperatūras detektora darbības pastiprinātājs, izmantojot MCP604 shēmas shēmu

Vo4 = (Vin1 – Vref)*10
I = 1 mA, Vref=Vo3=1,65V
1.7V<=Vin<= 1,9 V, 1.7V<=V02<=1,9
1.8V<=Vo1<= 2V, nodrošināt, lai darbības pastiprinātājs darbotos lineārajā reģionā, tas ir ļoti svarīgi
0.5V<=Vo4<= 2,5 V, nodrošināt, lai darbības pastiprinātājs darbotos lineārajā reģionā, tāpēc virknē ir nepieciešami 50Ω.

Kad ieejas pretestība mainās par 1Ω, Vout mainās uz 10mV. Tā kā MCP604 ieejas kompensācijas spriegums ir ±3 mV, kad notiek izmaiņas par 0.3333Ω, būs 3,333mV izmaiņas, un iegūšanas jutība ir augsta.
Kad 0<=Rin<=200Ω ieeja, jo cilpa ir savienota virknē ar 50Ω, 50Ak<=Rx<=250Ω
Vin1 – Vref = Rx*0,001, vienība A

4. Programmatūras kalibrēšana
Jaunie inženieri vienmēr cenšas uzlabot rezistoru precizitāti, bet kļūda joprojām ir liela. Daži inženieri vienkārši izmanto nepārtraukti regulējamus rezistorus, pielāgot to pretestības vērtības, un izmantojiet multimetrus, lai izvade atbilstu pārsūtīšanas attiecībām. Šķiet, ka šī precizitāte ir uzlabojusies, bet tas nav ērti ražošanai, un palielinās arī PCB projektēšanas grūtības. Pat ja atkļūdošana ir veikta, ja regulēšanas skrūvei pieskaras ar roku, tas var radīt kļūdas. Vienīgais veids ir ražošanā izmantot fiksētos rezistorus un izmantot programmatūru, kas palīdz sasniegt precīzu kalibrēšanu.
1) Kad Rin=0, nolasīt sprieguma vērtību un ierakstīt to kā V50. Ietaupiet V50, tas nemainīsies, mainoties PT100 pretestības vērtībai, jo to darbina pastāvīgs strāvas avots.
2) Pievienojiet nominālo rezistoru, lai Rs = 100Ω, nolasīt sprieguma vērtību un ierakstīt to kā V150. Ietaupiet V150, sprieguma vērtību nolasa, kad temperatūra ir 0.
3) Aprēķiniet strāvas pastiprinājuma koeficientu: Io = (V150 – V50) / Rs; izglāb Mani, tas nozīmē, ka kalibrēšana ir veikta.
4) Kad ieejas pretestība ir R, sprieguma nolasījums ir Vo, tad R = (Vo- V50) / Io
Izmantojot iepriekš minēto aprakstu, programmatūras kalibrēšanai ir lielas priekšrocības, ne tikai ērta ražošana, bet arī augsta precizitāte. Lai uzlabotu precizitāti, izejas spriegumu var arī sadalīt vairākos intervālos, kalibrēts atsevišķi, un var iegūt dažādus Io, lai izejas linearitāte būtu labāka. Šīs idejas ir atspoguļotas manā dizainā.

OP AMP MCP604 shēmas dizains

5. Aprēķināt temperatūru
Kad temperatūra ir zemāka par 0,
R0*C*t^4 – 100R0*C*t^3 + R0*B*t^2 + R0*A*t + R0 – Rt=0
Kad temperatūra ir lielāka vai vienāda ar 0, Rt=R0*(1+A*t+B*t*t)
Apraksts:
Rt ir platīna rezistora pretestības vērtība pie t℃
R0 ir platīna rezistora pretestības vērtība pie 0℃ 100Ω
A=3,9082 × 10^-3
B=-5,80195×10^-7
C = -4,2735 × 10^-12

6. Pt100 temperatūras sensors
Pt100 temperatūras sensors ir pozitīva temperatūras koeficienta termistora sensors, un tā galvenie tehniskie parametri ir šādi:
1) Mērīšanas temperatūras diapazons: -200℃ ~ +850 ℃;
2) Pieļaujamā novirzes vērtība Δ℃: A pakāpe ±(0.15+0.002|t|), B pakāpe ±(0.30+0.005|t|);
3) Minimālais ievietošanas dziļums: Termorezistora minimālais ievietošanas dziļums ir ≥200 mm;
4) Pieļaujamā strāva: < 5maiņa;
5) Pt100 temperatūras sensoram ir arī vibrācijas izturības priekšrocības, laba stabilitāte, augsta precizitāte, un augsts spiediens. Platīna termiskajam rezistoram ir laba linearitāte. Mainot starp 0 un 100 grādi pēc Celsija, maksimālā nelineārā novirze ir mazāka par 0,5 ℃;
Kad temperatūra < 0, R0*C*t^4 – 100R0*C*t^3 + R0*B*t^2 + R0*A*t + R0 – Rt=0
Ja temperatūra ≥ 0, Rt= R0*(1+A*t+B*t*t)
Saskaņā ar iepriekš minētajām attiecībām, aptuvenais pretestības diapazons ir: 18Ω~390,3Ω, -197℃ ir 18Ω, 850Ω ir 390,3 Ω;
Apraksts:
Rt ir platīna rezistora pretestības vērtība pie t℃, R0 ir platīna rezistora pretestības vērtība pie 0 ℃, 100Ak
A=3,9082 × 10^-3, B=-5,80195×10^-7, C = -4,2735 × 10^-12
PT100 platīna metāla temperatūras sensora lietošanas instrukcija
6) Ķēdes dizains
7) PT100 temperatūras un pretestības saistība
PT100 temperatūra un pretestība atbilst šādam vienādojumam:
Kad temperatūra ≤0, R0*C*t^4 – 100*R0*C*t^3 + R0*B*t^2 + R0*A*t + R0 – Rt=0
Ja temperatūra ≥0, R0*B*t^2 + R0*A*t + R0 – Rt =0

PT100 temperatūras un pretestības salīdzināšanas tabula

Apraksts:
Rt ir platīna rezistora pretestības vērtība pie t℃, R0 ir platīna rezistora pretestības vērtība pie 0 ℃, 100Ak
A=3,9082 × 10^-3, B=-5,80195×10^-7, C = -4,2735 × 10^-12

1. Aprēķinu ērtībai, kad temperatūra ir ≤0, ļaut:
dubultā a=R0*C*100000=100*(-4.2735×10^-12)*100000=-4,2735/100000
dubultā b=-100*R0*C*100000=-100*100*(-4.2735×10^-12)*100000=4,2735/1000
dubultā c= R0*B*100000=100*(-5.80195×10^-7)*100000=-5,80195
dubultā d=R0*A*100000=100*(3.9082×10^-3)*100000=39082
dubultā e= (100-Rt)*100000
Kad temperatūra ≤ 0, a*t^4 + b*t^3 + c*t^2 + d*t + e=0
kur x3 ir PT100 šķīdums, ja tas ir mazāks par 0 ℃.

2. Aprēķinu ērtībai, kad temperatūra ir lielāka vai vienāda ar 0
dubultā a= R0*B*100000=100*(-5.80195×10^-7)*100000=-5,80195
dubultā b=R0*A*100000=100*(3.9082×10^-3)*100000=39082
dubultā c= (100-Rt)*100000
Kad temperatūra ir ≥0, a*t^2 + b*t + c =0
t = [ SQRT( b*b – 4*a*c )-b ] / 2 / a
19.785Ω atbilst -197 ℃, šķidrā slāpekļa temperatūra
18.486Ω atbilst -200 ℃
96.085Ω atbilst -10 ℃
138.505Ω atbilst 100 ℃
175.845Ω atbilst 200 ℃
247.045Ω atbilst 400 ℃