Sistem Pengukuran Suhu Penderia Rintangan Terma PT100

2-wayar, 3-wayar atau 4 wayar Pt100, Pt500, Penderia Pt1000 ialah penderia suhu berdasarkan unsur platinum dengan ketepatan yang tinggi, kestabilan dan kelinearan, dan digunakan secara meluas dalam bidang yang memerlukan pengukuran suhu yang tepat. A “Sistem pengukuran suhu perintang haba PT100” merujuk kepada sistem yang menggunakan sensor PT100, sejenis Pengesan Suhu Rintangan (Rtd), untuk mengukur suhu dengan mengesan perubahan dalam rintangan elektriknya yang berkadar terus dengan suhu; “PT” bermaksud Platinum, dan “100” menunjukkan bahawa sensor mempunyai rintangan sebanyak 100 ohm pada 0°C menjadikannya kaedah yang sangat tepat dan stabil untuk pengukuran suhu merentasi julat yang luas.

Perintang Platinum digunakan secara meluas dalam julat suhu sederhana (-200～ 650 ℃). Pada masa ini, Terdapat suhu standard mengukur perintang haba yang diperbuat daripada platinum logam di pasaran, seperti PT100, Pt500, PT1000, dll.

Memahami prinsip kerja PT100: PT100 adalah sensor suhu perintang PT. Prinsip kerja berdasarkan kesan haba perintang. Nilai rintangannya berubah dengan perubahan suhu. Perubahan ini linear. Pada 0 ℃, nilai rintangan pt100 adalah 100 ohm. Apabila suhu meningkat, Nilai rintangan juga meningkat dengan sewajarnya, Oleh itu, suhu dapat disimpulkan dengan tepat dengan mengukur nilai rintangan.

Sistem pengukuran suhu 4-wayar Kelas A PT100 berketepatan tinggi

2-Wire PT100 Platinum Rintangan Suhu Kawalan Suhu Sistem Pengukuran Suhu

3-Wire PT100 Sistem Pengukuran Suhu Sensor Thermal Resistor

Pilih kaedah pendawaian yang sesuai: Secara amnya, 2-wayar, 3-Kaedah pendawaian dawai atau 4-wayar boleh digunakan.

Output isyarat voltan oleh jambatan

Perkara utama mengenai sistem PT100:
Prinsip Sensor:
Sensor pt100 diperbuat daripada dawai platinum yang rintangan elektriknya berubah dengan turun naik suhu.

Kaedah pengukuran:
Apabila arus dilalui melalui PT100, penurunan voltan merentasi sensor diukur, yang kemudiannya ditukar kepada suhu berdasarkan hubungan yang diketahui antara rintangan dan suhu.

Permohonan yang luas:
Sensor PT100 biasanya digunakan dalam proses perindustrian, makmal, dan aplikasi lain di mana pengukuran suhu yang tepat diperlukan kerana ketepatan dan kestabilan yang tinggi.

Komponen sistem PT100:
Probe sensor PT100:
Elemen penderiaan sebenar, Biasanya dawai platinum yang dibalut dengan teras seramik, yang dimasukkan ke dalam persekitaran untuk diukur.

Litar penyaman isyarat:
Elektronik yang menguatkan dan menukar perubahan rintangan kecil dari pt100 ke dalam isyarat voltan yang boleh diukur.

Sistem Paparan atau Perolehan Data:
Peranti yang memaparkan suhu yang diukur atau menyimpan data untuk analisis.

Faedah menggunakan sistem pt100:
Ketepatan yang tinggi:　Dianggap sebagai salah satu sensor suhu yang paling tepat yang ada.
Julat suhu yang luas:　Boleh mengukur suhu dari -200 ° C hingga 850 ° C bergantung kepada reka bentuk sensor.
Linearity yang baik:　Hubungan antara rintangan dan suhu sangat linear, Membuat tafsiran data yang mudah.
Kestabilan:　Platinum adalah bahan yang sangat stabil, memastikan bacaan yang konsisten dari masa ke masa.

Jadual Pengindeksan Rintangan Thermal PT100

Tiga kaedah pendawaian perintang platinum PT100 berbeza pada prinsip: 2-dawai dan wayar 3 diukur dengan kaedah jambatan, dan hubungan antara nilai suhu dan nilai output analog diberikan pada akhirnya. 4-Kawat tidak mempunyai jambatan. Ia sepenuhnya dihantar oleh sumber semasa yang berterusan, diukur oleh voltmeter, dan akhirnya memberikan nilai rintangan yang diukur, yang sukar dan mahal untuk digunakan.
Kerana PT100 mempunyai nilai rintangan kecil dan kepekaan yang tinggi, nilai rintangan wayar plumbum tidak dapat diabaikan. Penggunaan sambungan 3-wayar dapat menghapuskan ralat pengukuran yang disebabkan oleh rintangan garis utama.
Sistem 2-wayar mempunyai ketepatan pengukuran yang lemah; Sistem 3-wayar mempunyai ketepatan yang lebih baik; Sistem 4-wayar mempunyai ketepatan pengukuran yang tinggi, tetapi memerlukan lebih banyak wayar.

Kita hanya perlu mengetahui keadaan suhu PT100 berdasarkan output isyarat voltan oleh jambatan. Apabila nilai rintangan PT100 tidak sama dengan nilai rintangan Rx, jambatan mengeluarkan isyarat tekanan berbeza, yang sangat kecil. Oleh kerana isyarat keluaran penderia suhu secara amnya sangat lemah, penyaman isyarat dan litar penukaran diperlukan untuk menguatkannya atau menukarnya ke dalam bentuk yang mudah dihantar, proses, rekod dan paparan. Perubahan sedikit dalam kuantiti isyarat yang diukur perlu ditukar kepada isyarat elektrik. Apabila menguatkan isyarat DC, voltan hanyut sendiri dan tidak seimbang op amp tidak boleh diabaikan apabila melalui op amp. Selepas amplifikasi, isyarat voltan saiz yang dikehendaki boleh dikeluarkan.
Nilai rintangan perintang platinum boleh didapati dengan pengiraan litar atau pengukuran multimeter. Apabila kita mengetahui nilai rintangan PT100, kita boleh mengukur dan mengira suhu dengan nilai rintangan.

Gunakan algoritma yang sesuai untuk pemprosesan data: Gunakan hubungan suhu dan rintangan yang diketahui untuk mengira suhu melalui pengaturcaraan. Memandangkan hubungan rintangan-suhu PT100 adalah tak linear, terutamanya di kawasan bersuhu rendah atau tinggi, algoritma yang lebih kompleks mungkin diperlukan untuk meningkatkan ketepatan.

Kesan faktor persekitaran: Prestasi mungkin dipengaruhi oleh faktor persekitaran seperti gangguan elektromagnet, getaran mekanikal, dan kelembapan.

Terdapat tiga kaedah pengiraan pengukuran suhu biasa:
Kaedah pengiraan pengukuran suhu 1:
Apabila suhu yang tepat tidak diperlukan, Suhu akan meningkat sebanyak 2.5 ℃ untuk setiap kenaikan ohm dalam nilai rintangan perintang terma PT100 (digunakan pada suhu rendah). Nilai rintangan sensor suhu PT100 adalah 100 Bila 0 ℃, Jadi suhu anggaran pada masa ini = (Nilai rintangan PT100-100)*2.5.

Kaedah pengiraan pengukuran suhu 2:
Hubungan antara nilai rintangan dan suhu perintang platinum

Dalam julat 0 ～ 850 ℃: RT = R0(1+AT+BT2);

Dalam julat -200 ～ 0 ℃: RT = R0[1+Pada+bt2+c(T-100)3];

RT mewakili nilai rintangan perintang platinum pada suhu T ℃;

R0 mewakili nilai rintangan perintang platinum pada suhu 0 ℃;

A, B, C adalah pemalar, A = 3.96847 × 10-3/℃; B = -5.847 × 10-7/℃; C = -4.22 × 10-12/℃;

Untuk perintang haba yang memenuhi hubungan di atas, Pekali suhunya adalah kira-kira 3.9 × 10-3/℃.

Melalui formula di atas, suhu dapat diselesaikan dengan tepat mengikut nilai rintangan, tetapi disebabkan oleh banyak pengiraan kaedah ini, Tidak disyorkan untuk percubaan ini.

Kaedah Pengiraan Suhu Tiga:
PT100 mempunyai hubungan linear yang baik dengan suhu dan sesuai untuk pengukuran suhu sederhana dan rendah. Nilai rintangan PT100 pada suhu yang berbeza mempunyai skala pengukuran satu sama lain seperti yang ditunjukkan dalam gambar di bawah, yang secara intuitif dapat memaparkan hubungan yang sama antara suhu yang berbeza dan nilai rintangan pt100.
Suhu boleh diketahui dengan menyemak nilai rintangan yang sepadan melalui skala PT100.

Skala perintang haba Pt100

Peranti pengukur suhu PT100 yang direka dalam kertas ini menggunakan penguat kendalian empat hala kos rendah LM324 yang biasa digunakan untuk melengkapkan reka bentuk litar bekalan kuasa peranti dan litar penguat instrumen tiga-op-amp.

1.1 Litar sumber voltan

Litar sumber voltan penderia perintang haba Pt100

Litar dalam Rajah 1 ialah litar operasi berkadar sepunya. Menurut analisis penguat operasi ideal yang berfungsi di kawasan linear, mengikut prinsip rehat pendek dan maya maya, ia diperolehi:

Formula litar pengiraan jambatan Wheatstone

​, maka faktor penguatan voltan gelung tertutup ialah 2 kali, dan kemudian V= 10V diperolehi, dan ia digunakan sebagai voltan bekalan kuasa stabil litar jambatan Wheatstone.

1.2 Sambungan tiga wayar jambatan Wheatstone dan PT100.
Rajah di atas ialah jambatan Wheatstone. Syarat untuk jambatan itu seimbang ialah potensi titik B dan D adalah sama. Jadi apabila jambatan itu seimbang, selagi R1, R2 (biasanya nilai tetap) dan R0 (biasanya nilai boleh laras) dibaca, rintangan Rx yang hendak diukur boleh diperolehi. R1/R2=M, dipanggil “pengganda”.

Jambatan Wheatstone dan kaedah sambungan tiga wayar PT100

Mengikut prinsip pengukuran suhu PT100, nilai rintangan PT100 perlu diketahui dengan betul, tetapi nilai rintangan tidak boleh diukur secara langsung, jadi litar penukaran diperlukan. Nilai rintangan ditukar kepada isyarat voltan yang boleh dikesan oleh mikropengawal”. Litar jambatan Wheatstone ialah instrumen yang boleh mengukur rintangan dengan betul. Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2, R1, R2, R3, dan R4 ialah lengan jambatannya masing-masing. Apabila jambatan itu seimbang, R1xR3=R2xR4 berpuas hati. Apabila jambatan tidak seimbang, akan terdapat perbezaan voltan antara titik a dan b. Mengikut voltan titik a dan b, rintangan yang sepadan boleh dikira. Ini adalah prinsip mengukur rintangan dengan jambatan yang tidak seimbang:

Kaedah sambungan litar tiga wayar PT100

Sebenarnya, disebabkan oleh rintangan kecil dan sensitiviti tinggi PT100, rintangan wayar plumbum akan menyebabkan ralat. Oleh itu, kaedah sambungan tiga wayar sering digunakan dalam industri untuk menghapuskan ralat ini. Seperti yang ditunjukkan dalam bahagian bertitik Rajah 2, nilai rintangan wayar plumbum adalah sama dan ialah r. Pada masa ini, lengan jambatan menjadi R, R, R+2r, dan Rt+2r. Apabila jambatan itu seimbang: R2. (R1+2r) =R1.(R3+2r), diselesaikan: Rt= R1R3/ R2+2 R1r/ R2- 2r. Analisis menunjukkan bahawa apabila R1=R2, perubahan rintangan wayar tidak mempunyai kesan ke atas hasil pengukuran.

1.3 Litar penguat instrumentasi tiga-op-amp
Apabila suhu berubah dari 0℃~100℃, rintangan PT100 berubah lebih kurang secara linear dalam julat 100Ω~138.51Ω. Mengikut litar jambatan di atas, jambatan itu seimbang pada 0 ℃, jadi nilai teori voltan keluaran jambatan sepatutnya 0 V, dan apabila suhu 100 ℃, keluaran jambatan ialah: Uab=U7x(R1/(R1 + R2)-R3/(R2 + R3)), itu, Uab=10x(138.51/(10000 + 138.51)-100/(10000 + 100)) =0.037599V. Oleh kerana ini adalah isyarat milivolt, adalah perlu untuk menguatkan voltan ini untuk menjadikannya dapat dikesan oleh cip AD.

Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3, penguat instrumentasi ialah peranti yang menguatkan isyarat kecil dalam persekitaran yang bising. Ia mempunyai beberapa kelebihan seperti drift rendah, penggunaan kuasa yang rendah, nisbah penolakan mod biasa yang tinggi, julat bekalan kuasa yang luas dan saiz yang kecil. Ia menggunakan ciri-ciri isyarat kecil pembezaan yang ditindih pada isyarat mod biasa yang lebih besar, yang boleh mengeluarkan isyarat mod biasa dan menguatkan isyarat pembezaan pada masa yang sama. Voltan keluaran litar penguat instrumentasi tiga-op-amp piawai ialah, di sini R8=R10 =20 kΩ, R9=R11=20 kΩ, R4=R7=100kΩ, yang boleh menguatkan isyarat voltan masukan dengan kira-kira 150 kali, supaya voltan keluaran teori jambatan boleh dikuatkan kepada 0 ~2.34 V. Tetapi ini hanya nilai teori. Dalam proses sebenar, terdapat banyak faktor yang boleh menyebabkan perubahan rintangan. Oleh itu, R3 boleh digantikan dengan perintang boleh laras ketepatan untuk memudahkan sifar litar.

Litar penguat instrumen tiga-op amp sensor PT100

2. Reka Bentuk Perisian

2.1 Kaedah Kuasa Dua Terkecil dan Pemasangan Linear PT100

Dalam julat suhu 0℃≤t≤850℃, hubungan antara rintangan Pt100 dan suhu ialah: R=100 (1 +AT+BT2), di mana A=3.90802x 10-3; B=- -5.80x 10-7; C=4.2735 x 10-12

Dapat dilihat bahawa rintangan PT100 dan suhu bukanlah hubungan linear mutlak tetapi parabola. Oleh itu, jika t hendak diekstrak, operasi punca kuasa dua diperlukan, yang memperkenalkan operasi fungsi yang lebih kompleks dan menduduki sejumlah besar sumber CPU mikrokomputer cip tunggal. Untuk menyelesaikan masalah ini, kita boleh menggunakan kaedah kuasa dua terkecil untuk menyesuaikan secara linear hubungan antara suhu dan rintangan. ” Pemasangan lengkung kuasa dua terkecil ialah kaedah biasa untuk pemprosesan data eksperimen. Prinsipnya ialah mencari fungsi polinomial untuk meminimumkan jumlah ralat kuasa dua dengan data asal.

2.2 Suhu penukaran digital AD
Prinsip pengukuran suhu PT100 adalah untuk mendapatkan nilai suhu berdasarkan nilai rintangannya, jadi nilai rintangan perintang haba mesti ditentukan terlebih dahulu. Mengikut litar perkakasan, hubungan antara voltan keluaran Uab litar jambatan dan voltan keluaran Uad litar penguat instrumen op amp ialah: Uad = Uab. Auf Kerana sistem menggunakan cip AD 12-bit, Hubungan antara kuantiti digital dan kuantiti analog adalah: UAD/AD = 5/4096. Hubungan antara voltan keluaran jambatan dan iklan kuantiti digital dapat diperoleh dengan menggabungkan dua persamaan sebelumnya, itu, Uad/ad = 5/(4096Pada). Kemudian, ia digantikan ke dalam ekspresi voltan keluaran jambatan uab = u7x (Rt/ (R1+RT) -R3/ (R2+R3) ), dan ungkapan RR dan AD kuantiti digital dapat diperoleh. Penyelesaiannya adalah:

Formula suhu penukaran digital iklan

Setelah mengetahui nilai rintangan PT100, Nilai suhu yang sepadan boleh diperolehi mengikut persamaan pemasangan linear di bahagian 2.1.

2.3 Penapisan digital tunggal-cip
Untuk meningkatkan ketepatan pengukuran suhu PT100, Program penapisan digital boleh ditambah dalam pengaturcaraan perisian, yang tidak memerlukan penambahan litar perkakasan dan boleh meningkatkan kestabilan dan kebolehpercayaan sistem. Terdapat banyak kaedah penapisan dalam sistem aplikasi mikrokomputer cip tunggal. Apabila membuat pemilihan tertentu, kebaikan dan keburukan kaedah penapisan dan objek yang berkenaan hendaklah dianalisis dan dibandingkan, supaya dapat memilih kaedah penapisan yang sesuai. Algoritma kaedah penapisan purata median ialah mengumpul data N secara berterusan, kemudian keluarkan nilai minimum dan nilai maksimum, dan akhirnya mengira min aritmetik bagi data yang tinggal. Kaedah penapisan ini sesuai untuk mengukur parameter yang berubah secara perlahan, seperti suhu, dan berkesan dapat mengurangkan gangguan yang disebabkan oleh turun naik yang disebabkan oleh faktor atau kesilapan yang tidak disengajakan yang disebabkan oleh ketidakstabilan sampler.

Proses kerja sistem:
Apabila suhu objek diukur perubahan, rintangan perubahan PT100, dan jambatan wheatstone akan mengeluarkan isyarat voltan yang sepadan. Isyarat ini adalah fungsi rintangan pt100. Isyarat millivolt ini dikuatkan oleh penguat instrumentasi tiga-op-amp dan dihantar ke cip iklan, yang menukarkan kuantiti analog menjadi kuantiti digital dan dibaca oleh mikropengong. Mikrokontroler membaca cip dari cip iklan dan melaksanakan program penapisan, Menukar kuantiti digital yang stabil ke dalam rintangan pt100 melalui pengiraan. Kemudian mikropengawal akan memilih model linear dipasang yang sepadan mengikut saiz nilai rintangan untuk mengira nilai suhu semasa, dan akhirnya memaparkan data suhu pada paparan LCD.