Temperatuurmeetsysteem van PT100 thermische weerstandssensor

2-draad, 3-draad of 4-draads Pt100, Pt500, Pt1000-sensoren zijn temperatuursensoren op basis van platina-elementen met hoge nauwkeurigheid, stabiliteit en lineariteit, en worden veel gebruikt in velden waar nauwkeurige temperatuurmetingen vereist zijn. A “PT100 temperatuurmeetsysteem met thermische weerstand” verwijst naar een systeem dat een PT100-sensor gebruikt, een type weerstandstemperatuurdetector (OTO), om de temperatuur te meten door veranderingen in de elektrische weerstand te detecteren die direct evenredig zijn met de temperatuur; “PT” staat voor platina, En “100” geeft aan dat de sensor een weerstand heeft van 100 ohm bij 0°C, waardoor het een zeer nauwkeurige en stabiele methode is voor temperatuurmeting over een breed bereik.

Platinaweerstanden worden veel gebruikt in het middentemperatuurbereik (-200~650℃). Momenteel, Er zijn standaard temperatuurmeetweerstanden van metaalplatina op de markt, zoals Pt100, Pt500, Pt1000, enz.

Begrijp het werkingsprincipe van PT100: PT100 is een temperatuursensor met Pt-weerstand. Het werkingsprincipe is gebaseerd op het thermische effect van de weerstand. De weerstandswaarde verandert met de verandering van de temperatuur. Deze verandering is lineair. Bij 0℃, de weerstandswaarde van PT100 is 100 ohm. Naarmate de temperatuur stijgt, de weerstandswaarde neemt ook overeenkomstig toe, zodat de temperatuur nauwkeurig kan worden afgeleid door de weerstandswaarde te meten.

Uiterst nauwkeurig 4-draads klasse A PT100-temperatuurmeetsysteem

2-draad PT100 platina weerstand temperatuurregeling sonde temperatuurmeetsysteem

3-draad PT100 thermische weerstand sensor temperatuurmeetsysteem

Kies de juiste bedradingsmethode: Algemeen, 2-draad, 3-Er kunnen draad- of 4-draads bedradingsmethoden worden gebruikt.

Het spanningssignaal dat door de brug wordt afgegeven

Kernpunten over een PT100-systeem:
Sensorprincipe:
De PT100-sensor is gemaakt van platinadraad waarvan de elektrische weerstand voorspelbaar verandert bij temperatuurschommelingen.

Meetmethode:
Wanneer er stroom door de PT100 wordt geleid, De spanningsval over de sensor wordt gemeten, die vervolgens wordt omgezet in temperatuur op basis van de bekende relatie tussen weerstand en temperatuur.

Brede toepassing:
PT100 -sensoren worden vaak gebruikt in industriële processen, laboratoria, en andere toepassingen waar precieze temperatuurmeting vereist is vanwege hun hoge nauwkeurigheid en stabiliteit.

Componenten van een PT100 -systeem:
PT100 -sensorsonde:
Het eigenlijke detectie -element, Meestal een platinadraad gewikkeld rond een keramische kern, die in de te gemeten omgeving wordt ingevoegd.

Signaalconditioneringscircuit:
Elektronica die de kleine weerstandsverandering van de PT100 versterken en omzetten in een meetbaar spanningssignaal.

Display- of data -acquisitiesysteem:
Apparaat dat de gemeten temperatuur weergeeft of de gegevens opslaat voor analyse.

Voordelen van het gebruik van een PT100 -systeem:
Hoge nauwkeurigheid:　Beschouwd als een van de meest nauwkeurige temperatuursensoren die beschikbaar zijn.
Groot temperatuurbereik:　Kan temperaturen meten van -200°C tot 850°C, afhankelijk van het sensorontwerp.
Goede lineariteit:　De relatie tussen weerstand en temperatuur is erg lineair, Zorgen voor eenvoudige gegevensinterpretatie.
Stabiliteit:　Platina is een zeer stabiel materiaal, Zorgen voor consistente metingen in de loop van de tijd.

PT100 thermische weerstand indexeringstabel

De drie bedradingsmethoden van PT100 platinaristor zijn in principe verschillend: 2-Draad en 3-draads worden gemeten met een brugmethode, en de relatie tussen temperatuurwaarde en analoge uitgangswaarde wordt in het einde gegeven. 4-Draad heeft geen brug. Het wordt volledig verzonden door constante stroombron, gemeten door voltmeter, en geeft ten slotte de gemeten weerstandswaarde, wat moeilijk en kostbaar is om te gebruiken.
Omdat PT100 een kleine weerstandswaarde en hoge gevoeligheid heeft, De weerstandswaarde van de looddraad kan niet worden genegeerd. Het gebruik van een 3-draads aansluiting kan de meetfout elimineren die wordt veroorzaakt door de weerstand van de leadlijn.
Het 2-draads systeem heeft een slechte meetnauwkeurigheid; het 3-draads systeem heeft een betere nauwkeurigheid; het 4-draads systeem heeft een hoge meetnauwkeurigheid, maar vereist meer draden.

We hoeven alleen de temperatuurstatus van de PT100 te kennen op basis van het spanningssignaal dat door de brug wordt afgegeven. Wanneer de weerstandswaarde van PT100 niet gelijk is aan de weerstandswaarde van Rx, de brug geeft een verschildruksignaal af, wat erg klein is. Omdat het uitgangssignaal van de temperatuursensor over het algemeen erg zwak is, er is een signaalconditionerings- en conversiecircuit nodig om het te versterken of om te zetten in een vorm die gemakkelijk kan worden verzonden, proces, opnemen en weergeven. De kleine verandering in de gemeten signaalhoeveelheid moet worden omgezet in een elektrisch signaal. Bij het versterken van het DC-signaal, de zelfdrift en ongebalanceerde spanning van de opamp kan niet worden genegeerd wanneer deze door de opamp gaat. Na versterking, er kan een spanningssignaal van de gewenste grootte worden afgegeven.
De weerstandswaarde van de platinaweerstand kan worden verkregen door circuitberekening of multimetermeting. Als we de weerstandswaarde van PT100 kennen, we kunnen de temperatuur meten en berekenen aan de hand van de weerstandswaarde.

Gebruik geschikte algoritmen voor gegevensverwerking: Gebruik de bekende temperatuur- en weerstandsrelatie om de temperatuur te berekenen door middel van programmeren. Gezien het feit dat de relatie tussen weerstand en temperatuur van PT100 niet-lineair is, vooral in gebieden met lage of hoge temperaturen, Er kunnen complexere algoritmen nodig zijn om de nauwkeurigheid te verbeteren.

Impact van omgevingsfactoren: De prestaties kunnen worden beïnvloed door omgevingsfactoren zoals elektromagnetische interferentie, mechanische trillingen, en vochtigheid.

Er zijn drie veelgebruikte berekeningsmethoden voor temperatuurmetingen:
Berekeningsmethode voor temperatuurmeting 1:
Wanneer de exacte temperatuur niet nodig is, de temperatuur zal met 2,5℃ stijgen voor elke ohm stijging van de weerstandswaarde van de PT100 thermische weerstand (gebruikt bij lage temperaturen). De weerstandswaarde van de PT100 temperatuursensor is 100 als het 0℃ is, dus de geschatte temperatuur op dit moment = (PT100 weerstandswaarde-100)*2.5.

Berekeningsmethode voor temperatuurmeting 2:
Verband tussen de weerstandswaarde en de temperatuur van de platinaweerstand

In het bereik van 0~850℃: Rt=R0(1+AT+BT2);

In het bereik van -200~0℃: Rt=R0[1+Bij+Bt2+C(t-100)3];

Rt vertegenwoordigt de weerstandswaarde van een platinaweerstand bij temperatuur t℃;

R0 vertegenwoordigt de weerstandswaarde van een platinaweerstand bij een temperatuur van 0 ℃;

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

Voor de thermische weerstand die aan de bovenstaande relatie voldoet, de temperatuurcoëfficiënt is ongeveer 3,9×10-3/℃.

Via bovenstaande formule, de temperatuur kan nauwkeurig worden opgelost volgens de weerstandswaarde, maar vanwege de grote hoeveelheid berekeningen van deze methode, het wordt niet aanbevolen voor dit experiment.

Temperatuurberekeningsmethode drie:
De PT100 heeft een goede lineaire relatie met de temperatuur en is geschikt voor temperatuurmetingen bij gemiddelde en lage temperaturen. De weerstandswaarde van PT100 bij verschillende temperaturen heeft een één-op-één overeenkomstige meetschaal zoals weergegeven in de onderstaande figuur, die intuïtief de overeenkomstige relatie tussen verschillende temperaturen en de weerstandswaarde van PT100 kunnen weergeven.
De temperatuur kan bekend zijn door de overeenkomstige weerstandswaarde te controleren via de PT100 -schaal.

PT100 thermische weerstandsschaal

Het PT100-temperatuurmeetapparaat dat in dit artikel is ontworpen, maakt gebruik.

1.1 Spanningsbroncircuit

PT100 thermische weerstandssensorspanningsbroncircuit

Het circuit in figuur 1 is een gemeenschappelijk proportioneel operationeel circuit. Volgens de analyse van de ideale operationele versterker die in de lineaire regio werkt, Volgens het principe van virtuele korte en virtuele pauze, het wordt verkregen:

Wheatstone Bridge -berekening Circuit Formule

​, dan is de gesloten-lusspanningsversterkingsfactor 2 keer, en dan wordt v = 10V verkregen, en het wordt gebruikt als de stabiele voedingsspanning van het Wheatstone -brugcircuit.

1.2 Drie-draads verbinding van Wheatstone Bridge en PT100.
Het bovenstaande figuur is een Wheatstone -brug. De voorwaarde dat de brug in evenwicht kan worden gebalanceerd, is dat de potentialen van punten B en D gelijk zijn. Dus als de brug in balans is, Zolang R1, R2 (meestal vaste waarden) en R0 (Meestal verstelbare waarden) worden gelezen, De te gemeten weerstand RX kan worden verkregen. R1/r2 = m, genaamd “vermenigvuldiger”.

Wheatstone Bridge en PT100 drie-draads verbindingsmethode

Volgens het PT100 temperatuurmeetprincipe, de weerstandswaarde van PT100 moet correct bekend zijn, maar de weerstandswaarde kan niet direct worden gemeten, er is dus een conversiecircuit vereist. De weerstandswaarde wordt omgezet in een spanningssignaal dat door de microcontroller kan worden gedetecteerd”. Het Wheatstone-brugcircuit is een instrument dat weerstand correct kan meten. Zoals getoond in figuur 2, R1, R2, R3, en R4 zijn respectievelijk de brugarmen. Als de brug in evenwicht is, R1xR3=R2xR4 is voldaan. Wanneer de brug uit balans is, er zal een spanningsverschil zijn tussen de punten a en b. Volgens de spanning van de punten a en b, de bijbehorende weerstand kan worden berekend. Dit is het principe van het meten van weerstand met een ongebalanceerde brug:

PT100 driedraads circuitaansluitmethode

In werkelijkheid, Vanwege de kleine weerstand en hoge gevoeligheid van PT100, De weerstand van de looddraad zal fouten veroorzaken. Daarom, De drie-draads verbindingsmethode wordt vaak gebruikt in de industrie om deze fout te elimineren. Zoals getoond in het gestippelde deel van de figuur 2, De weerstandswaarde van de looddraad is gelijk en is r. Op dit moment, De brugarmen worden r, R, R+2R, en RT+2R. Als de brug in evenwicht is: R2. (R1+2R) = R1.(R3+2R), uitgelost: RT = R1R3/ R2+2 R1R/ R2- 2R. Analyse toont aan dat wanneer R1 = R2, De verandering in draadweerstand heeft geen effect op het meetresultaat.

1.3 Drie-op-amp instrumenten versterkercircuit
Wanneer de temperatuur verandert van 0 ℃ ~ 100 ℃, De weerstand van PT100 verandert ongeveer lineair in het bereik van 100Ω ~ 138,51Ω. Volgens het bovenstaande brugcircuit, De brug is gebalanceerd op 0 ℃, Dus de theoretische waarde van de uitgangsspanning van de brug moet zijn 0 V, en wanneer de temperatuur 100 ℃ is, De bruguitgang is: Uab = u7x(R1/(R1+ R2)-R3/(R2 + R3)), dat is, UAB = 10x(138.51/(10000 + 138.51)-100/(10000 + 100)) = 0,037599v. Omdat dit een Millivolt -signaal is, Het is noodzakelijk om deze spanning te versterken om deze door de AD -chip te detecteren.

Zoals getoond in figuur 3, De instrumentatieversterker is een apparaat dat kleine signalen versterkt in een lawaaierige omgeving. Het heeft een reeks voordelen zoals lage drift, Laag stroomverbruik, Hoge afwijzingsverhouding, breed voedingsbereik en klein formaat. Het gebruikt de kenmerken van differentiële kleine signalen gesuperponeerd op grotere gemeenschappelijke signalen, die gemeenschappelijke modussignalen kunnen verwijderen en differentiaalsignalen tegelijkertijd kunnen versterken. De uitgangsspanning van het standaard drie-op-amp instrumentatie-versterkercircuit is, Hier r8 = r10 = 20 kΩ, R9=R11=20 kΩ, R4=R7=100kΩ, die het ingangsspanningssignaal met ongeveer kan versterken 150 keer, zodat de theoretische uitgangsspanning van de brug kan worden versterkt 0 ~2,34 V. Maar dit is slechts een theoretische waarde. In het daadwerkelijke proces, Er zijn veel factoren die weerstandsveranderingen kunnen veroorzaken. Daarom, R3 kan worden vervangen door een nauwkeurig instelbare weerstand om het op nul zetten van het circuit te vergemakkelijken.

PT100 sensor drie-op versterker instrumentversterkercircuit

2. Software-ontwerp

2.1 Kleinste kwadratenmethode en PT100 lineaire fitting

In het temperatuurbereik van 0℃≤t≤850℃, de relatie tussen Pt100-weerstand en temperatuur is: R=100 (1 +AT+BT2), waarbij A=3,90802x 10-3; B=- -5.80X 10-7; C=4,2735x 10-12

Het is duidelijk dat de weerstand van PT100 en de temperatuur geen absoluut lineaire relatie zijn, maar een parabool. Daarom, als t moet worden geëxtraheerd, een vierkantswortelbewerking is vereist, wat een complexere functiebewerking introduceert en een grote hoeveelheid CPU-bronnen van de microcomputer met één chip in beslag neemt. Om dit probleem op te lossen, we kunnen de kleinste kwadratenmethode gebruiken om de relatie tussen temperatuur en weerstand lineair in kaart te brengen. ” De kleinste kwadratencurve-aanpassing is een gebruikelijke methode voor experimentele gegevensverwerking. Het principe ervan is het vinden van een polynoomfunctie om de som van kwadratische fouten met de originele gegevens te minimaliseren.

2.2 AD digitale conversietemperatuur
Het principe van de PT100-temperatuurmeting is om de temperatuurwaarde te verkrijgen op basis van de weerstandswaarde, dus de weerstandswaarde van de thermische weerstand moet eerst worden bepaald. Volgens het hardwarecircuit, de relatie tussen de uitgangsspanning Uab van het brugcircuit en de uitgangsspanning Uad van het opamp-instrumentversterkercircuit is: Uad = Uab. Auf Omdat het systeem gebruik maakt van een 12-bit AD-chip, de relatie tussen de digitale grootheid en de analoge grootheid is: Uad/AD=5/4096. De relatie tussen de bruguitgangsspanning en de digitale grootheid AD kan worden verkregen door de voorgaande twee vergelijkingen te combineren, dat is, Uad/AD=5/(4096Op). Dan, het wordt gesubstitueerd in de bruguitgangsspanningsuitdrukking Uab= U7x (RT/ (R1+Rt) -R3/ (R2+R3) ), en de uitdrukking van Rr en de digitale grootheid AD kan worden verkregen. De oplossing is:

AD digitale conversietemperatuurformule

Na het kennen van de weerstandswaarde van PT100, de overeenkomstige temperatuurwaarde kan worden verkregen volgens de lineaire aanpassingsvergelijking in Sectie 2.1.

2.3 Digitale filtering met één chip
Om de nauwkeurigheid van de temperatuurmeting van PT100 te verbeteren, een digitaal filterprogramma kan worden toegevoegd aan de softwareprogrammering, waarvoor geen toevoeging van hardwarecircuits nodig is en die de stabiliteit en betrouwbaarheid van het systeem kan verbeteren. Er zijn veel filtermethoden in het toepassingssysteem voor microcomputers met één chip. Bij het maken van een specifieke selectie, de voor- en nadelen van de filtermethode en de toepasselijke objecten moeten worden geanalyseerd en vergeleken, om de juiste filtermethode te selecteren. Het algoritme van de filtermethode voor het mediaangemiddelde is om eerst continu N-gegevens te verzamelen, verwijder vervolgens een minimumwaarde en een maximumwaarde, en bereken tenslotte het rekenkundig gemiddelde van de resterende gegevens. Deze filtermethode is geschikt voor het meten van parameters die langzaam veranderen, zoals temperatuur, en kan effectief de interferentie verminderen die wordt veroorzaakt door fluctuaties veroorzaakt door toevallige factoren of fouten veroorzaakt door instabiliteit van de sampler.

Systeem werkproces:
Wanneer de temperatuur van het te meten object verandert, de weerstand van PT100 verandert, en de Wheatstone-brug zal een overeenkomstig spanningssignaal uitvoeren. Dit signaal is een functie van de weerstand van PT100. Dit millivoltsignaal wordt versterkt door een instrumentatieversterker met drie versterkers en naar de AD-chip gestuurd, die de analoge grootheid omzet in een digitale grootheid en wordt gelezen door de microcontroller. De microcontroller leest de chip van de AD-chip en voert het filterprogramma uit, De stabiele digitale hoeveelheid omzetten in de weerstand van PT100 door berekening. Vervolgens selecteert de microcontroller het overeenkomstige gepaste lineaire model volgens de grootte van de weerstandswaarde om de huidige temperatuurwaarde te berekenen, en geef uiteindelijk de temperatuurgegevens weer op het LCD -display.