Систем за мерење на температурата на сензорот за термичка отпорност на PT100

2-жица, 3-жица или 4-жична Pt100, Pt500, Сензорите Pt1000 се температурни сензори базирани на платински елементи со висока точност, стабилност и линеарност, и широко се користат на полиња кои бараат точно мерење на температурата. А “Систем за мерење на температурата со термички отпорник PT100” се однесува на систем кој користи сензор PT100, еден вид детектор за отпорна температура (Rtd), за мерење на температурата со откривање на промени во неговиот електричен отпор кои се директно пропорционални со температурата; “PT” се залага за платина, и “100” покажува дека сензорот има отпор од 100 оми на 0°C што го прави многу прецизен и стабилен метод за мерење на температурата во широк опсег.

Платинските отпорници се широко користени во средниот температурен опсег (-200~ 650 ℃). Во моментов, на пазарот има стандардни топлински отпорници за мерење на температурата од метал платина, како што е Pt100, Pt500, Pt1000, итн.

Разберете го принципот на работа на PT100: PT100 е температурен сензор со Pt отпорник. Принципот на работа се заснова на термичкиот ефект на отпорникот. Неговата вредност на отпор се менува со промената на температурата. Оваа промена е линеарна. На 0℃, вредноста на отпорот на PT100 е 100 оми. Како што се зголемува температурата, соодветно се зголемува и вредноста на отпорот, така што температурата може точно да се заклучи со мерење на вредноста на отпорот.

Високопрецизен 4-жичен систем за мерење температура од класа A PT100

2-жица PT100 систем за мерење на температурата на сонда за контрола на температурата на отпорност на платина

3-Систем за мерење на температурата на сензорот со топлински отпорник PT100 со жица

Изберете го соодветниот метод на поврзување: Општо земено, 2-жица, 3-може да се користат методи за поврзување со жица или 4 жици.

Напонскиот сигнал што излегува од мостот

Клучни точки за системот PT100:
Принцип на сензор:
Сензорот PT100 е направен од платина жица чиј електричен отпор се менува предвидливо со температурни флуктуации.

Метод на мерење:
Кога ќе помине струја низ PT100, се мери падот на напонот на сензорот, која потоа се претвора во температура врз основа на познатиот однос помеѓу отпорот и температурата.

Широка примена:
Сензорите PT100 најчесто се користат во индустриските процеси, лаборатории, и други апликации каде што е потребно прецизно мерење на температурата поради нивната висока точност и стабилност.

Компоненти на системот PT100:
Сензор сонда PT100:
Вистинскиот сензорен елемент, обично платина жица обвиткана околу керамичко јадро, кој се вметнува во околината што треба да се мери.

Коло за уредување на сигналот:
Електрониката што го засилува и претвора малиот отпор се менува од PT100 во мерлив напонски сигнал.

Систем за приказ или стекнување податоци:
Уред што ја прикажува измерената температура или ги складира податоците за анализа.

Придобивки од користењето на системот PT100:
Висока точност:　Се смета за еден од најпрецизните достапни сензори за температура.
Широк опсег на температура:　Може да ги мери температурите од -200 ° C до 850 ° C во зависност од дизајнот на сензорот.
Добра линеарност:　Односот помеѓу отпорот и температурата е многу линеарен, правејќи лесно толкување на податоците.
Стабилност:　Платина е многу стабилен материјал, обезбедување конзистентни читања со текот на времето.

Табела за индексирање на термички отпор Pt100

Трите методи за поврзување на платинскиот отпорник PT100 се различни во принцип: 2-жица и 3-жица се мерат со метод на мост, а на крајот е даден односот помеѓу температурната вредност и аналогната излезна вредност. 4-жицата нема мост. Целосно е испратен од извор на постојана струја, мерено со волтметар, и на крајот ја дава измерената вредност на отпорот, што е тешко и скапо за употреба.
Бидејќи PT100 има мала вредност на отпор и висока чувствителност, вредноста на отпорот на оловната жица не може да се игнорира. Употребата на поврзување со 3 жици може да ја елиминира грешката во мерењето предизвикана од отпорот на водната линија.
Системот со 2 жици има слаба точност на мерењето; Системот со 3 жици има подобра точност; системот со 4 жици има висока точност на мерењето, но бара повеќе жици.

Треба само да ја знаеме температурната состојба на PT100 врз основа на излезниот сигнал на напонот од мостот. Кога вредноста на отпорот на PT100 не е еднаква на вредноста на отпорот на Rx, мостот дава сигнал за диференцијален притисок, што е многу мало. Бидејќи излезниот сигнал на сензорот за температура е генерално многу слаб, потребно е коло за кондиционирање и конверзија на сигналот за да се засили или да се претвори во форма што е лесна за пренос, процес, снимање и прикажување. Малата промена во измерената количина на сигнал треба да се претвори во електричен сигнал. При засилување на DC сигналот, самоодносот и неурамнотежениот напон на операциониот засилувач не може да се игнорираат при минување низ операциониот засилувач. По засилување, може да излезе напонски сигнал со саканата големина.
Вредноста на отпорот на платинскиот отпор може да се добие со пресметка на колото или мерење на мултиметар. Кога ја знаеме вредноста на отпорот на PT100, можеме да ја измериме и пресметаме температурата со вредноста на отпорот.

Користете соодветни алгоритми за обработка на податоци: Користете ја познатата температура и односот отпор за да ја пресметате температурата преку програмирање. Имајќи предвид дека односот отпор-температура на PT100 е нелинеарен, особено во области со ниски или високи температури, може да бидат потребни посложени алгоритми за да се подобри точноста.

Влијание на факторите на животната средина: На перформансите може да влијаат фактори на животната средина како што се електромагнетни пречки, механички вибрации, и влажност.

Постојат три вообичаени методи за пресметување на мерење на температурата:
Метод за пресметување на мерење на температурата 1:
Кога не е потребна точната температура, температурата ќе се зголеми за 2,5℃ за секое зголемување на вредноста на отпорот на PT100 термичкиот отпорник PT100 (се користи на ниски температури). Вредноста на отпорот на сензорот за температура PT100 е 100 кога е 0℃, така што приближната температура во ова време = (Вредност на отпорност PT100-100)*2.5.

Метод за пресметување на мерење на температурата 2:
Однос помеѓу вредноста на отпорот и температурата на платинскиот отпорник

Во опсег од 0-850℃: Rt=R0(1+На + Bt2);

Во опсег од -200 ~ 0 ℃: Rt=R0[1+На + Bt2 + C(т-100)3];

Rt ја претставува вредноста на отпорот на платинскиот отпорник на температура t℃;

R0 ја претставува вредноста на отпорот на платинскиот отпорник на температура 0℃;

А, Б, C се константи, A=3,96847×10-3/℃; B=-5,847×10-7/℃; C=-4,22×10-12/℃;

За термичкиот отпорник што ги исполнува горенаведените односи, неговиот температурен коефициент е околу 3,9×10-3/℃.

Преку горната формула, температурата може точно да се реши според вредноста на отпорот, но поради големиот износ на пресметка на овој метод, не се препорачува за овој експеримент.

Метод за пресметка на температурата три:
PT100 има добра линеарна врска со температурата и е погоден за мерење на температурата на средна и ниска температура. Вредноста на отпорот на PT100 на различни температури има соодветна мерна скала еден-на-еден како што е прикажано на сликата подолу, што може интуитивно да ја прикаже соодветната врска помеѓу различни температури и вредноста на отпорот на PT100.
Температурата може да се знае со проверка на соодветната вредност на отпорот преку скалата PT100.

Термичка скала на отпорник Pt100

Уредот за мерење температура PT100 дизајниран во овој труд го користи најчесто користениот евтин четиринасочен оперативен засилувач LM324 за да го комплетира дизајнот на колото за напојување на уредот и колото на засилувачот на инструментот со три операциони засилувачи.

1.1 Коло за извор на напон

Коло за извор на напон на сензорот за топлински отпорник Pt100

Колото на слика 1 е заедничко пропорционално оперативно коло. Според анализата на идеалниот операциски засилувач кој работи во линеарен регион, според принципот на виртуелна кратка и виртуелна пауза, се добива:

Формула на колото за пресметување на мостот Витстоун

​, тогаш факторот на засилување на напонот во затворена јамка е 2 пати, а потоа се добива V= 10V, и се користи како стабилен напон за напојување на колото на мостот Витстон.

1.2 Три-жична врска на мостот Витстоун и PT100.
Горенаведената слика е Витстон мост. Услов мостот да биде избалансиран е потенцијалите на точките Б и Г да се еднакви. Значи, кога мостот е избалансиран, додека R1, R2 (обично фиксни вредности) и R0 (обично прилагодливи вредности) се читаат, може да се добие отпорот Rx што треба да се мери. R1/R2=M, повикани “множител”.

Витстон мост и метод на поврзување со три жици PT100

Според принципот за мерење на температурата PT100, вредноста на отпорот на PT100 треба да се знае правилно, но вредноста на отпорот не може директно да се измери, па затоа е потребно коло за конверзија. Вредноста на отпорот се претвора во напонски сигнал што може да се открие од микроконтролерот”. Колото на мостот Витстон е инструмент што може правилно да го мери отпорот. Како што е прикажано на слика 2, R1, R2, R3, и R4 се неговите мост краци соодветно. Кога мостот е избалансиран, R1xR3=R2xR4 е задоволен. Кога мостот е неурамнотежен, ќе има разлика на напон помеѓу точките a и b. Според напонот на точките a и b, може да се пресмета соодветниот отпор. Ова е принципот на мерење отпор со неурамнотежен мост:

PT100 метод за поврзување со три жица коло

Всушност, поради малиот отпор и високата чувствителност на PT100, отпорот на оловната жица ќе предизвика грешки. Затоа, методот за поврзување со три жици често се користи во индустријата за да се елиминира оваа грешка. Како што е прикажано на точкиот дел од сликата 2, вредноста на отпорот на оловната жица е еднаква и е r. Во ова време, краците на мостот стануваат Р, Р, R+2r, и Rt+2r. Кога мостот е избалансиран: R2. (R1 + 2r) =R1.(R3 + 2r), средена: Rt= R1R3/ R2+2 R1r/ R2- 2р. Анализата покажува дека кога R1=R2, промената на отпорот на жицата нема ефект врз резултатот од мерењето.

1.3 Коло за засилувач на инструменти со три операциони засилувачи
Кога температурата се менува од 0℃~100℃, отпорот на PT100 се менува приближно линеарно во опсег од 100Ω~138,51Ω. Според горенаведеното мостно коло, мостот е избалансиран на 0℃, па теоретската вредност на излезниот напон на мостот треба да биде 0 V, и кога температурата е 100℃, излезот на мостот е: Uab=U7x(R1/(R1 + R2)-R3/(R2 + R3)), односно, Uab=10x(138.51/(10000 + 138.51)-100/(10000 + 100)) =0,037599V. Бидејќи ова е миливолтен сигнал, потребно е да се засили овој напон за да биде забележлив со АД чипот.

Како што е прикажано на слика 3, засилувачот на инструменти е уред кој засилува мали сигнали во бучна средина. Има низа предности како што е низок нанос, мала потрошувачка на енергија, висок коефициент на отфрлање на заеднички режим, широк опсег на напојување и мала големина. Ги користи карактеристиките на диференцијални мали сигнали надредени на поголеми сигнали со заеднички режим, кои можат да ги отстранат сигналите со заеднички режим и истовремено да ги засилуваат диференцијалните сигнали. Излезниот напон на стандардното коло со инструментални засилувачи со три операциони засилувачи е, тука R8=R10 =20 kΩ, R9=R11=20 kΩ, R4=R7=100kΩ, што може да го засили сигналот на влезниот напон за околу 150 пати, така што теоретскиот излезен напон на мостот може да се засили до 0 ~ 2,34 В. Но, ова е само теоретска вредност. Во вистинскиот процес, има многу фактори кои можат да предизвикаат промени во отпорот. Затоа, R3 може да се замени со прецизен прилагодлив отпорник за да се олесни нулањето на колото.

Коло за засилувач на инструмент со три операциони засилувачи PT100 сензор

2. Дизајн на софтвер

2.1 Метод на најмали квадрати и PT100 линеарно фитинг

Во температурен опсег од 0℃≤t≤850℃, односот помеѓу отпорот Pt100 и температурата е: R=100 (1 +На + Bt2), каде A=3,90802x 10-3; Б=- -5.80x 10-7; C=4,2735 x 10-12

Може да се види дека отпорот на PT100 и температурата не се апсолутна линеарна врска, туку парабола. Затоа, ако треба да се извлече т, потребна е операција со квадратен корен, што воведува посложена функционална операција и зафаќа голема количина на ресурси на процесорот на микрокомпјутерот со еден чип. За да се реши овој проблем, можеме да го користиме методот на најмали квадрати за линеарно да ја прилагодиме врската помеѓу температурата и отпорот. ” Фитинг на кривата на најмали квадрати е вообичаен метод за експериментална обработка на податоци. Нејзиниот принцип е да се најде полиномна функција за да се минимизира збирот на квадратни грешки со оригиналните податоци.

2.2 АД дигитална температура на конверзија
Принципот за мерење на температурата PT100 е да се добие температурната вредност врз основа на вредноста на неговата отпорност, па прво мора да се одреди вредноста на отпорот на топлинскиот отпорник. Според хардверското коло, односот помеѓу излезниот напон Uab на колото на мостот и излезниот напон Uad на колото на засилувачот на инструментот за оптимизација е: Uad = Uab. Auf Бидејќи системот користи 12-битен AD чип, односот помеѓу дигиталната количина и аналогната количина е: Uad/AD=5/4096. Односот помеѓу излезниот напон на мостот и дигиталната количина AD може да се добие со комбинирање на претходните две равенки, односно, Uad/AD=5/(4096Вклучено). Потоа, се заменува во изразот на излезен напон на мостот Uab= U7x (Rt/ (R1 + Rt) -R3/ (R2+R3) ), а може да се добие изразот на Rr и дигиталната величина AD. Решението е:

Формула за температура за дигитална конверзија на АД

Откако ќе се знае вредноста на отпорот на PT100, соодветната температурна вредност може да се добие според линеарната равенка на фитинг во Дел 2.1.

2.3 Дигитално филтрирање со еден чип
Со цел да се подобри точноста на мерењето на температурата на PT100, може да се додаде програма за дигитално филтрирање во софтверското програмирање, што не бара додавање на хардверски кола и може да ја подобри стабилноста и доверливоста на системот. Постојат многу методи за филтрирање во системот за апликација на микрокомпјутер со еден чип. Кога правите специфичен избор, треба да се анализираат и споредат предностите и недостатоците на методот на филтрирање и применливите објекти, за да се избере соодветен метод за филтрирање. Алгоритмот на методот на филтрирање на средна просечна вредност е прво континуирано да собира N податоци, потоа отстранете минимална и максимална вредност, и на крај пресметајте ја аритметичката средина на преостанатите податоци. Овој метод на филтрирање е погоден за мерење на параметри кои бавно се менуваат, како што е температурата, и може ефикасно да ги намали пречките предизвикани од флуктуации предизвикани од случајни фактори или грешки предизвикани од нестабилност на семплерот.

Процес на работа на системот:
Кога се менува температурата на предметот што се мери, отпорот на PT100 се менува, и Wheatstone мостот ќе даде соодветен напонски сигнал. Овој сигнал е во функција на отпорот на PT100. Овој миливолтен сигнал се засилува со инструментациски засилувач со три операциони засилувачи и се испраќа до чипот AD, која ја претвора аналогната количина во дигитална големина и ја чита микроконтролерот. Микроконтролерот го чита чипот од чипот АД и ја извршува програмата за филтрирање, претворање на стабилната дигитална количина во отпорност на PT100 преку пресметка. Потоа, микроконтролерот ќе го избере соодветниот вграден линеарен модел според големината на вредноста на отпорот за да ја пресмета тековната вредност на температурата, и конечно прикажување на податоците за температурата на LCD дисплејот.