PT100 termiskās pretestības sensora temperatūras mērīšanas sistēma

2-vads, 3-vads vai 4 vadu Pt100, Pt 500, Pt1000 sensori ir temperatūras sensori, kuru pamatā ir platīna elementi ar augstu precizitāti, stabilitāte un linearitāte, un tos plaši izmanto jomās, kurās nepieciešama precīza temperatūras mērīšana. Izšķirt “PT100 termorezistoru temperatūras mērīšanas sistēma” attiecas uz sistēmu, kas izmanto PT100 sensoru, pretestības temperatūras detektora veids (Rtd), mērīt temperatūru, nosakot tās elektriskās pretestības izmaiņas, kas ir tieši proporcionālas temperatūrai; “PT” apzīmē platīnu, un “100” norāda, ka sensoram ir pretestība 100 omi pie 0°C, padarot to par ļoti precīzu un stabilu metodi temperatūras mērīšanai plašā diapazonā.

Platīna rezistori tiek plaši izmantoti vidējas temperatūras diapazonā (-200～650 ℃). Šobrīd, tirgū ir standarta temperatūras mērīšanas termorezistori, kas izgatavoti no metāla platīna, piemēram, Pt100, Pt 500, PT1000, utt..

Izprotiet PT100 darbības principu: PT100 ir Pt rezistora temperatūras sensors. Darbības princips ir balstīts uz rezistora termisko efektu. Tā pretestības vērtība mainās, mainoties temperatūrai. Šīs izmaiņas ir lineāras. Pie 0℃, PT100 pretestības vērtība ir 100 omi. Temperatūrai paaugstinoties, pretestības vērtība arī attiecīgi palielinās, tāpēc temperatūru var precīzi secināt, izmērot pretestības vērtību.

Augstas precizitātes 4 vadu A klases PT100 temperatūras mērīšanas sistēma

2-stieple PT100 platīna pretestības temperatūras kontroles zondes temperatūras mērīšanas sistēma

3-vadu PT100 termorezistoru sensora temperatūras mērīšanas sistēma

Izvēlieties atbilstošo elektroinstalācijas metodi: Vispārīgi, 2-vads, 3-var izmantot vadu vai 4 vadu elektroinstalācijas metodes.

Sprieguma signāla izvade no tilta

Galvenie punkti par PT100 sistēmu:
Sensora princips:
PT100 sensors ir izgatavots no platīna stieples, kuras elektriskā pretestība mainās paredzami līdz ar temperatūras svārstībām.

Mērīšanas metode:
Kad strāva tiek izlaista caur PT100, tiek mērīts sprieguma kritums pāri sensoram, kas pēc tam tiek pārvērsta temperatūrā, pamatojoties uz zināmo saistību starp pretestību un temperatūru.

Plašs pielietojums:
PT100 sensorus parasti izmanto rūpnieciskajos procesos, laboratorijas, un citiem lietojumiem, kur ir nepieciešama precīza temperatūras mērīšana to augstās precizitātes un stabilitātes dēļ.

PT100 sistēmas sastāvdaļas:
PT100 sensora zonde:
Faktiskais sensora elements, parasti platīna stieple, kas aptīta ap keramikas serdi, kas tiek ievietots mēramajā vidē.

Signāla kondicionēšanas shēma:
Elektronika, kas pastiprina un pārvērš nelielas pretestības izmaiņas no PT100 izmērāmā sprieguma signālā.

Displeja vai datu iegūšanas sistēma:
Ierīce, kas parāda izmērīto temperatūru vai saglabā datus analīzei.

PT100 sistēmas lietošanas priekšrocības:
Augsta precizitāte:　Tiek uzskatīts par vienu no precīzākajiem pieejamajiem temperatūras sensoriem.
Plašs temperatūras diapazons:　Var izmērīt temperatūru no -200°C līdz 850°C atkarībā no sensora konstrukcijas.
Laba linearitāte:　Attiecība starp pretestību un temperatūru ir ļoti lineāra, atvieglojot datu interpretāciju.
Stabilitāte:　Platīns ir ļoti stabils materiāls, nodrošinot konsekventus rādījumus laika gaitā.

Pt100 termiskās pretestības indeksācijas tabula

Trīs PT100 platīna rezistora elektroinstalācijas metodes principā atšķiras: 2-vadu un 3 vadu mēra ar tilta metodi, un beigās ir dota sakarība starp temperatūras vērtību un analogās izejas vērtību. 4-vadam nav tilta. To pilnībā nosūta pastāvīgs strāvas avots, mēra ar voltmetru, un visbeidzot dod izmērīto pretestības vērtību, kuru ir grūti un dārgi izmantot.
Tā kā PT100 ir maza pretestības vērtība un augsta jutība, nevar ignorēt svina vada pretestības vērtību. Trīs vadu savienojuma izmantošana var novērst mērījumu kļūdu, ko izraisa svina līnijas pretestība.
2 vadu sistēmai ir slikta mērījumu precizitāte; 3 vadu sistēmai ir labāka precizitāte; 4 vadu sistēmai ir augsta mērījumu precizitāte, bet vajag vairāk vadu.

Mums ir jāzina tikai PT100 temperatūras stāvoklis, pamatojoties uz tilta izvadīto sprieguma signālu. Ja PT100 pretestības vērtība nav vienāda ar Rx pretestības vērtību, tilts izdod diferenciālā spiediena signālu, kas ir ļoti mazs. Tā kā temperatūras sensora izejas signāls parasti ir ļoti vājš, signāla kondicionēšanas un pārveidošanas shēma ir nepieciešama, lai to pastiprinātu vai pārveidotu formā, kuru ir viegli pārraidīt, process, ierakstīt un parādīt. Nelielas izmērītā signāla daudzuma izmaiņas ir jāpārvērš elektriskajā signālā. Pastiprinot līdzstrāvas signālu, operētājsistēmas pašnovirzīšanu un nelīdzsvarotu spriegumu nevar ignorēt, kad tas iet caur operācijas pastiprinātāju. Pēc pastiprināšanas, var izvadīt vēlamā izmēra sprieguma signālu.
Platīna rezistora pretestības vērtību var iegūt, aprēķinot ķēdi vai mērot multimetru. Kad mēs zinām PT100 pretestības vērtību, mēs varam izmērīt un aprēķināt temperatūru pēc pretestības vērtības.

Izmantojiet atbilstošus datu apstrādes algoritmus: Izmantojiet zināmo temperatūras un pretestības attiecību, lai aprēķinātu temperatūru, izmantojot programmēšanu. Ņemot vērā, ka PT100 pretestības un temperatūras attiecība ir nelineāra, īpaši zemas vai augstas temperatūras zonās, var būt nepieciešami sarežģītāki algoritmi, lai uzlabotu precizitāti.

Vides faktoru ietekme: Veiktspēju var ietekmēt vides faktori, piemēram, elektromagnētiskie traucējumi, mehāniskā vibrācija, un mitrums.

Pastāv trīs izplatītas temperatūras mērīšanas aprēķina metodes:
Temperatūras mērīšanas aprēķina metode 1:
Kad precīza temperatūra nav nepieciešama, temperatūra paaugstināsies par 2,5 ℃ par katru omu, kas palielinās termiskā rezistora PT100 pretestības vērtībā (izmanto zemā temperatūrā). Temperatūras sensora PT100 pretestības vērtība ir 100 kad ir 0℃, tātad aptuvenā temperatūra šajā laikā = (PT100 pretestības vērtība-100)*2.5.

Temperatūras mērīšanas aprēķina metode 2:
Attiecība starp platīna rezistora pretestības vērtību un temperatūru

Diapazonā no 0～850℃: Rt=R0(1+At+Bt2);

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

Rt apzīmē platīna rezistora pretestības vērtību temperatūrā t℃;

R0 apzīmē platīna rezistora pretestības vērtību 0 ℃ temperatūrā;

Izšķirt, Bārts, C ir konstantes, A = 3,96847 × 10-3/℃; B=-5,847 × 10-7/℃; C=-4,22×10-12/℃;

Termiskajam rezistoram, kas atbilst iepriekšminētajām attiecībām, tā temperatūras koeficients ir aptuveni 3,9 × 10-3/℃.

Izmantojot iepriekš minēto formulu, temperatūru var precīzi atrisināt atbilstoši pretestības vērtībai, bet šīs metodes lielā aprēķinu apjoma dēļ, tas nav ieteicams šim eksperimentam.

Temperatūras aprēķināšanas metode trīs:
PT100 ir labas lineāras attiecības ar temperatūru, un tas ir piemērots vidējas un zemas temperatūras mērīšanai. PT100 pretestības vērtībai dažādās temperatūrās ir atbilstoša mērījumu skala viens pret vienu, kā parādīts zemāk esošajā attēlā, kas var intuitīvi parādīt atbilstošo attiecību starp dažādām temperatūrām un PT100 pretestības vērtību.
Temperatūru var uzzināt, pārbaudot atbilstošo pretestības vērtību caur PT100 skalu.

Pt100 termisko rezistoru skala

Šajā dokumentā izstrādātā temperatūras mērīšanas ierīce PT100 izmanto plaši izmantoto zemo izmaksu četrvirzienu darbības pastiprinātāju LM324, lai pabeigtu ierīces barošanas avota ķēdes un trīs darbības pastiprinātāja instrumenta pastiprinātāja shēmas dizainu..

1.1 Sprieguma avota ķēde

Pt100 termorezistora sensora sprieguma avota ķēde

Ķēde attēlā 1 ir kopēja proporcionāla darbības ķēde. Saskaņā ar ideālā darbības pastiprinātāja analīzi, kas darbojas lineārajā reģionā, pēc virtuālās īsās un virtuālās pārtraukuma principa, tas tiek iegūts:

Vitstonas tilta aprēķina shēmas formula

), tad slēgtā cikla sprieguma pastiprināšanas koeficients ir 2 reizes, un tad iegūst V= 10V, un to izmanto kā stabilu Vitstonas tilta ķēdes barošanas spriegumu.

1.2 Vitstonas tilta un PT100 trīs vadu savienojums.
Iepriekš redzamais attēls ir Vitstonas tilts. Nosacījums, lai tilts būtu līdzsvarots, ir, lai punktu B un D potenciāli būtu vienādi. Tātad, kad tilts ir līdzsvarots, tik ilgi, cik R1, R2 (parasti fiksētas vērtības) un R0 (parasti regulējamas vērtības) tiek lasīti, var iegūt izmērāmo pretestību Rx. R1/R2=M, sauca “reizinātājs”.

Vitstona tilta un PT100 trīsvadu savienojuma metode

Saskaņā ar PT100 temperatūras mērīšanas principu, pareizi jāzina PT100 pretestības vērtība, bet pretestības vērtību nevar tieši izmērīt, tāpēc ir nepieciešama konversijas ķēde. Pretestības vērtība tiek pārveidota par sprieguma signālu, ko var noteikt mikrokontrolleris”. Vitstonas tilta shēma ir instruments, kas var pareizi izmērīt pretestību. Kā parādīts attēlā 2, R1, R2, R3, un R4 ir attiecīgi tā tilta atzari. Kad tilts ir līdzsvarots, R1xR3=R2xR4 ir apmierināts. Kad tilts ir nelīdzsvarots, starp punktiem a un b būs sprieguma starpība. Atbilstoši punktu a un b spriegumam, var aprēķināt atbilstošo pretestību. Tas ir pretestības mērīšanas princips ar nelīdzsvarotu tiltu:

PT100 trīs vadu ķēdes savienojuma metode

Patiesībā, PT100 mazās pretestības un augstās jutības dēļ, svina vada pretestība radīs kļūdas. Tāpēc, rūpniecībā bieži izmanto trīs vadu savienojuma metodi, lai novērstu šo kļūdu. Kā parādīts attēla punktētajā daļā 2, svina stieples pretestības vērtība ir vienāda un ir r. Šajā laikā, tilta rokas kļūst par R, R, R+2r, un Rt+2r. Kad tilts ir līdzsvarots: R2. (R1+2r) =R1.(R3+2r), sakārtots: Rt= R1R3/ R2+2 R1r/ R2- 2r. Analīze parāda, ka tad, kad R1=R2, stieples pretestības izmaiņas neietekmē mērījuma rezultātu.

1.3 Trīs op-amp instrumentu pastiprinātāja ķēde
Kad temperatūra mainās no 0 ℃ ~ 100 ℃, PT100 pretestība mainās aptuveni lineāri diapazonā no 100Ω ~ 138,51Ω. Saskaņā ar iepriekš minēto tilta shēmu, tilts ir līdzsvarots pie 0℃, tātad tilta izejas sprieguma teorētiskajai vērtībai jābūt 0 V, un kad temperatūra ir 100 ℃, tilta izvade ir: Uab=U7x(R1/(R1 + R2)-R3/(R2 + R3)), tas ir, Uab = 10x(138.51/(10000 + 138.51)-100/(10000 + 100)) =0,037599V. Tā kā tas ir milivoltu signāls, ir nepieciešams pastiprināt šo spriegumu, lai tas būtu nosakāms ar AD mikroshēmu.

Kā parādīts attēlā 3, instrumentu pastiprinātājs ir ierīce, kas pastiprina mazus signālus trokšņainā vidē. Tam ir virkne priekšrocību, piemēram, zema novirze, zems enerģijas patēriņš, augsts kopējā režīma noraidīšanas koeficients, plašs barošanas avota diapazons un mazs izmērs. Tas izmanto diferenciālu mazu signālu raksturlielumus, kas uzlikti lielākiem kopējā režīma signāliem, kas vienlaikus var noņemt kopējā režīma signālus un pastiprināt diferenciālos signālus. Standarta trīs op-amp instrumentu pastiprinātāja ķēdes izejas spriegums ir, šeit R8=R10 =20 kΩ, R9=R11=20 kΩ, R4=R7=100kΩ, kas var pastiprināt ieejas sprieguma signālu par aptuveni 150 reizes, lai tilta teorētisko izejas spriegumu varētu pastiprināt līdz 0 ~2,34 V. Bet tā ir tikai teorētiska vērtība. Faktiskajā procesā, ir daudzi faktori, kas var izraisīt pretestības izmaiņas. Tāpēc, R3 var aizstāt ar precīzi regulējamu rezistoru, lai atvieglotu ķēdes nulles iestatīšanu.

PT100 sensora trīs op amp instrumenta pastiprinātāja ķēde

2. Programmatūras dizains

2.1 Mazāko kvadrātu metode un PT100 lineārā montāža

Temperatūras diapazonā 0℃≤t≤850℃, attiecības starp Pt100 pretestību un temperatūru ir: R=100 (1 +At+Bt2), kur A = 3,90802x 10-3; B=- -5.80netraucēts 10-7; C=4,2735 x 10-12

Var redzēt, ka PT100 pretestība un temperatūra nav absolūta lineāra sakarība, bet gan parabola. Tāpēc, ja t ir jāizņem, ir nepieciešama kvadrātsaknes darbība, kas ievieš sarežģītāku funkciju darbību un aizņem lielu daudzumu vienas mikroshēmas mikrodatora CPU resursu. Lai atrisinātu šo problēmu, mēs varam izmantot mazāko kvadrātu metodi, lai lineāri pielāgotu sakarību starp temperatūru un pretestību. ” Mazāko kvadrātu līknes pielāgošana ir izplatīta metode eksperimentālai datu apstrādei. Tās princips ir atrast polinoma funkciju, lai samazinātu kvadrātkļūdu summu ar sākotnējiem datiem.

2.2 AD digitālās konversijas temperatūra
PT100 temperatūras mērīšanas princips ir iegūt temperatūras vērtību, pamatojoties uz tās pretestības vērtību, tāpēc vispirms ir jānosaka termiskā rezistora pretestības vērtība. Saskaņā ar aparatūras shēmu, attiecības starp tilta ķēdes izejas spriegumu Uab un operētājsistēmas pastiprinātāja instrumenta pastiprinātāja ķēdes izejas spriegumu Uad ir: Uad = Uab. Auf Tā kā sistēma izmanto 12 bitu AD mikroshēmu, attiecības starp digitālo un analogo daudzumu ir: Uad/AD=5/4096. Sakarību starp tilta izejas spriegumu un digitālo lielumu AD var iegūt, apvienojot divus iepriekšējos vienādojumus, tas ir, Uad/AD=5/(4096Ieslēgts). Tad, to aizstāj tilta izejas sprieguma izteiksmē Uab= U7x (Rt/ (R1+Rt) -R3/ (R2+R3) ), un var iegūt Rr izteiksmi un digitālo lielumu AD. Risinājums ir:

AD digitālās konversijas temperatūras formula

Pēc PT100 pretestības vērtības uzzināšanas, atbilstošo temperatūras vērtību var iegūt saskaņā ar lineāro montāžas vienādojumu sadaļā 2.1.

2.3 Viena mikroshēmas digitālā filtrēšana
Lai uzlabotu PT100 temperatūras mērīšanas precizitāti, programmatūras programmēšanai var pievienot digitālās filtrēšanas programmu, kas neprasa aparatūras ķēžu pievienošanu un var uzlabot sistēmas stabilitāti un uzticamību. Viena mikroshēmas mikrodatoru lietojumprogrammu sistēmā ir daudz filtrēšanas metožu. Veicot konkrētu atlasi, jāanalizē un jāsalīdzina filtrēšanas metodes un pielietojamo objektu priekšrocības un trūkumi, lai izvēlētos atbilstošo filtrēšanas metodi. Vidējās vidējās filtrēšanas metodes algoritms ir vispirms nepārtraukti savākt N datus, pēc tam noņemiet minimālo vērtību un maksimālo vērtību, un visbeidzot aprēķiniet atlikušo datu vidējo aritmētisko. Šī filtrēšanas metode ir piemērota lēni mainīgu parametru mērīšanai, piemēram, temperatūra, un var efektīvi samazināt traucējumus, ko izraisa nejaušu faktoru izraisītas svārstības vai kļūdas, ko izraisa paraugu ņemšanas nestabilitāte.

Sistēmas darba process:
Kad mainās mērāmā objekta temperatūra, PT100 pretestība mainās, un Vitstonas tilts izvadīs atbilstošu sprieguma signālu. Šis signāls ir PT100 pretestības funkcija. Šo milivoltu signālu pastiprina trīs darbības pastiprinātāju instrumentu pastiprinātājs un nosūta uz AD mikroshēmu., kas pārvērš analogo daudzumu digitālā daudzumā un nolasa mikrokontrolleris. Mikrokontrolleris nolasa mikroshēmu no AD mikroshēmas un izpilda filtrēšanas programmu, stabila digitālā daudzuma pārvēršana PT100 pretestībā, izmantojot aprēķinus. Pēc tam mikrokontrolleris izvēlēsies atbilstošo uzstādīto lineāro modeli atbilstoši pretestības vērtības lielumam, lai aprēķinātu pašreizējo temperatūras vērtību, un beidzot parādīt temperatūras datus LCD displejā.