Temperaturinnsamling av 2, 3, og 4-tråds PT100 temperatursensorer

Artikkelen introduserer hvordan 2, 3, og 4-tråds PT100-sensorer konverteres til spenningssignaler gjennom motstandsendringer, og en konstant strømkilde brukes for å beskytte sensoren og sikre nøyaktigheten av signalkonvertering. En PT100-sensor registrerer temperatur ved å måle endringen i dens elektriske motstand, som direkte korrelerer med temperaturen den utsettes for; når temperaturen øker, motstanden til platinaelementet i sensoren øker også, som muliggjør en nøyaktig beregning av temperaturen basert på denne motstandsendringen; i hovedsak, de “100” i PT100 betyr at sensoren har en motstand på 100 ohm ved 0°C, og denne verdien endres forutsigbart med temperatursvingninger. Bruken av MCP604 operasjonsforsterker i kretsdesign understreker virkningen av dens egenskaper som lav inngangsoffsetspenning og forspenningsstrøm på nøyaktigheten. Programvarekalibrering brukes for å forbedre nøyaktigheten i kretsdesign, unngå ulempen med fysisk tilpasning. Endelig, artikkelen gir forholdsformelen mellom temperatur og platinamotstandsverdi, som brukes til å beregne temperaturverdien.

Temperaturregistreringsdesign av 2-leder PT100 temperatursensor

Temperaturanskaffelse av Kina tilpasset 3-leder PT100 temperatursensor

Temperaturregistrering av 4-leder PT100 temperatursensor

Nøkkelpunkter om PT100 temperaturinnsamling:
Motstandstemperaturdetektor (Rtd):
PT100 er en type RTD, betyr at den måler temperatur ved å oppdage endringer i dens elektriske motstand.
Platina element:
Føleelementet i en PT100 er laget av platina, som viser et meget stabilt og lineært forhold mellom motstand og temperatur.
Måleprosess: Sensoren plasseres i miljøet der temperaturen skal måles.
Motstanden til platinaelementet måles ved hjelp av en dedikert elektronisk krets.
Den målte motstandsverdien konverteres deretter til temperatur ved å bruke en matematisk formel basert på den kjente temperaturkoeffisienten til platina.

Fordeler med PT100-sensorer:
Høy nøyaktighet: Regnes som en av de mest nøyaktige temperatursensorene som er tilgjengelige på grunn av den stabile oppførselen til platina.
Bredt temperaturområde:　Kan måle temperaturer fra -200 ° C til 850 ° C avhengig av sensordesign.
God linearitet: Forholdet mellom motstand og temperatur er relativt lineært, forenkle datatolkning.

Viktige hensyn:
Kalibrering: For å sikre nøyaktige målinger, PT100-sensorer må jevnlig kalibreres mot en referansestandard.
Motstand i blytråd: Motstanden til tilkoblingsledningene kan påvirke målenøyaktigheten, så riktig vurdering av ledningstrådkompensasjon er ofte nødvendig.
Søknadsegnethet: Mens svært nøyaktig, PT100-sensorer er kanskje ikke egnet for ekstremt tøffe miljøer eller applikasjoner som krever veldig raske responstider.

1. Grunnleggende prinsipper for signalinnsamling
PT100 konverterer temperatursignaler til motstandsutganger, og motstandsverdien varierer fra 0 til 200Ω. AD-omformeren kan bare konvertere spenning og kan ikke direkte samle temperatur. Derfor, en 1mA konstant strømkilde er nødvendig for å drive PT100 og konvertere motstandsendringer til spenningsendringer. Fordelen med å bruke en konstantstrømkilde er at det kan forlenge levetiden til sensoren. Siden inngangssignalområdet er 0 til 200mV, signalet må forsterkes og deretter AD-konverteres for å få elektriske signaldata.

Årsaker til ikke å bruke konstantspenningskildedesign:

Hvis en konstant spenningskilde brukes til strømforsyning, og deretter er motstanden og PT100 koblet i serie, og spenningen er delt, det er et problem. Når motstanden til PT100 er for liten, strømmen som går gjennom PT100 er for stor, som resulterer i kortere sensorlevetid.

2. Op-forsterkeren bruker MCP604
MCP604-funksjoner:
1) Spenningsområdet er 2,7~6,0V
2) Utgangen er Rail-to-Rail
3) Driftstemperaturområde: -40°C til +85 °C
4) Input offset spenning er ±3mV, typisk verdi er 1mV, høy følsomhet.
5) Inngangsforspenningsstrøm er 1pA, når TA = +85°C, I=20pA, forbedrer innhentingsnøyaktigheten.
6) Lineær utgangsspenningssving: VSS+0.1 ~ VDD–0.1, enheten er V.

Når strømforsyningsspenningen er 3,3V, den lineære utgangsspenningssvingen er 0,1~3,2V. For å sikre at det forsterkede signalet fungerer i det lineære området, når VDD=3,3V, vi setter MCP604-utgangsspenningen til å forbli på: 0.5V ~ 2,5V for å oppfylle kravene til op-forsterkerkretsdesign.

Op-forsterkeren i boken om analog elektronikk er en ideell operasjonsforsterker, som er forskjellig fra den faktiske forsterkeren. Derfor, det er nødvendig å vurdere “inngangs offset spenning”, “inngangs forspenningsstrøm” og “lineær utgangsspenningssving” når du designer.

3. Kretsskjema
R11 i figuren er en forspenningskrets for å forhindre at siste trinn av differensialforsterkerutgang fra metningsforvrengning.
1) Velg en passende forsterkningsfaktor for å redusere utgangsfeilen. På grunn av eksistensen av input offset spenning, når forsterkningsfaktoren øker, utgangsfeilen vil også øke, som må vurderes i utformingen.
2) Forsterkningsfaktoren til denne kretsen er 10. Forutsatt at den typiske inngangsforskyvningsspenningen er 3mV, hvis inngangssignalet endres til 5mV, 2mV vil ikke bli forsterket, som vil gi en utgangsfeil på 20mV.

PT100 temperaturdetektor op amp bruker MCP604 kretsskjema

Vo4 = (Vin1 – Vref)*10
I=1mA, Vref=Vo3=1,65V
1.7V<=Vin<=1,9V, 1.7V<=V02<=1,9
1.8V<=Vo1<=2V, sørg for at op-forsterkeren fungerer i det lineære området, dette er veldig viktig
0.5V<=Vo4<=2,5V, sørg for at op-forsterkeren fungerer i det lineære området, dette er grunnen til at 50Ω er nødvendig i serie.

Når inngangsmotstanden endres med 1Ω, Vout endres til 10mV. Siden inngangskompensasjonsspenningen til MCP604 er ±3mV, når det er en endring på 0,3333Ω, det vil være en endring på 3.333mV, og innhentingsfølsomheten er høy.
Når 0<=Rin<=200Ω inngang, siden sløyfen er seriekoblet med 50Ω, 50Åh<=Rx<=250Ω
Vin1 – Vref = Rx*0,001, enhet A

4. Programvarekalibrering
Nye ingeniører prøver alltid å forbedre nøyaktigheten til motstander, men feilen er fortsatt stor. Noen ingeniører bruker ganske enkelt kontinuerlig justerbare motstander, justere motstandsverdiene deres, og bruk multimetre for å få utgangen til å møte overføringsforholdet. Denne nøyaktigheten ser ut til å være forbedret, men det er ikke praktisk for produksjon, og vanskeligheten med PCB-design er også økt. Selv om feilsøkingen er ferdig, hvis justeringsskruen berøres for hånd, det kan forårsake feil. Den eneste måten er å bruke faste motstander for produksjon og bruke programvare for å oppnå nøyaktig kalibrering.
1) Når Rin=0, les en spenningsverdi og noter den som V50. Spar V50, den vil ikke endre seg med endringen av PT100 motstandsverdi fordi den drives av en konstant strømkilde.
2) Koble til den nominelle motstanden, la Rs=100Ω, les en spenningsverdi og noter den som V150. Spar V150, spenningsverdien avlest når temperaturen er 0.
3) Beregn gjeldende forsterkningsfaktor: Io = (V150 – V50) / Rs; redd Meg, det betyr at kalibreringen er utført.
4) Når inngangsmotstanden er R, den avleste spenningen er Vo, så R = (Vo- V50) / Io
Gjennom beskrivelsen ovenfor, programvarekalibrering har store fordeler, ikke bare praktisk produksjon, men også høy nøyaktighet. In order to improve the accuracy, the output voltage can also be divided into several intervals, calibrated separately, and different Io can be obtained, so that the output linearity will be better. These ideas are reflected in my design.

OP AMP MCP604 circuit design

5. Calculate temperature
When the temperature is less than 0,
R0*C*t^4 – 100R0*C*t^3 + R0*B*t^2 + R0*A*t + R0 – Rt=0
When the temperature is greater than or equal to 0, Rt=R0*(1+A*t+B*t*t)
Beskrivelse:
Rt is the resistance value of the platinum resistor at t℃
R0 is the resistance value of the platinum resistor at 0℃ 100Ω
A=3.9082×10^-3
B=-5.80195×10^-7
C=-4.2735×10^-12

6. Pt100 temperature sensor
Pt100 temperature sensor is a positive temperature coefficient thermistor sensor, and its main technical parameters are as follows:
1) Measurement temperature range: -200℃ ~ +850 ℃;
2) Tillatt avviksverdi Δ℃: Karakter A ±(0.15+0.002|t|), Karakter B ±(0.30+0.005|t|);
3) Minimum innstikksdybde: Minimum innsettingsdybde for den termiske motstanden er ≥200 mm;
4) Tillatt strøm: < 5mA;
5) Pt100 temperatursensor har også fordelene med vibrasjonsmotstand, god stabilitet, høy nøyaktighet, og høyt trykk. Platina termisk motstand har god linearitet. Når du bytter mellom 0 og 100 grader Celsius, det maksimale ikke-lineære avviket er mindre enn 0,5 ℃;
Når temperaturen < 0, R0*C*t^4 – 100R0*C*t^3 + R0*B*t^2 + R0*A*t + R0 – Rt=0
Når temperaturen ≥ 0, Rt= R0*(1+A*t+B*t*t)
I henhold til forholdet ovenfor, det omtrentlige motstandsområdet er: 18Ω~390,3Ω, -197℃ er 18Ω, 850Ω er 390,3 Ω;
Beskrivelse:
Rt is the resistance value of the platinum resistor at t℃, R0 er motstandsverdien til platinamotstanden ved 0 ℃, 100Åh
A=3.9082×10^-3, B=-5.80195×10^-7, C=-4.2735×10^-12
PT100 platina metall temperatursensor bruksanvisning
6) Kretsdesign
7) Forholdet mellom PT100 temperatur og motstand
PT100 temperatur og motstand tilfredsstiller følgende ligning:
Når temperatur ≤0, R0*C*t^4 – 100*R0*C*t^3 + R0*B*t^2 + R0*A*t + R0 – Rt=0
Når temperatur ≥0, R0*B*t^2 + R0*A*t + R0 – Rt = 0

PT100 temperatur- og motstandssammenligningstabell

Beskrivelse:
Rt is the resistance value of the platinum resistor at t℃, R0 er motstandsverdien til platinamotstanden ved 0 ℃, 100Åh
A=3.9082×10^-3, B=-5.80195×10^-7, C=-4.2735×10^-12

1. For enkelhets skyld ved beregningen, når temperaturen er ≤0, la:
dobbel a=R0*C*100000=100*(-4.2735×10^-12)*100000=-4,2735/100000
dobbel b=–100*R0*C*100000=-100*100*(-4.2735×10^-12)*100000=4,2735/1000
dobbel c= R0*B*100000=100*(-5.80195×10^-7)*100000= -5,80195
dobbel d=R0*A*100000=100*(3.9082×10^-3)*100000=39082
dobbel e= (100-Rt)*100000
Når temperaturen ≤ 0, a*t^4 + b*t^3 + c*t^2 + d*t + e=0
hvor x3 er løsningen av PT100 når den er mindre enn 0 ℃.

2. For enkel utregning, når temperaturen er større enn eller lik 0
dobbel a= R0*B*100000=100*(-5.80195×10^-7)*100000= -5,80195
dobbel b=R0*A*100000=100*(3.9082×10^-3)*100000=39082
dobbel c= (100-Rt)*100000
Når temperaturen er ≥0, a*t^2 + b*t + c = 0
t = [ SQRT( b*b – 4*a*c )-b ] / 2 / en
19.785Ω tilsvarer -197℃, temperaturen på flytende nitrogen
18.486Ω tilsvarer -200 ℃
96.085Ω tilsvarer -10℃
138.505Ω tilsvarer 100℃
175.845Ω tilsvarer 200 ℃
247.045Ω tilsvarer 400 ℃