Temperaturmålingssystem for PT100 termisk motstandssensor

2-metalltråd, 3-ledning eller 4-ledning PT100, PT500, PT1000 -sensorer er temperatursensorer basert på platinaelementer med høy nøyaktighet, stabilitet og linearitet, og er mye brukt i felt som krever nøyaktig temperaturmåling. EN “PT100 Termisk motstandstemperatur Målesystem” refererer til et system som bruker en PT100 -sensor, en type motstandstemperaturdetektor (Rtd), For å måle temperaturen ved å oppdage endringer i dens elektriske motstand som er direkte proporsjonal med temperaturen; “Pt” står for Platinum, og “100” indikerer at sensoren har en motstand av 100 Ohm ved 0 ° C, noe som gjør det til en svært nøyaktig og stabil metode for temperaturmåling over et bredt område.

Platinemotstander er mye brukt i middels temperaturområde (-200～ 650 ℃). For tiden, Det er standard temperatur som måler termiske motstander laget av metallplatina på markedet, som PT100, PT500, PT1000, osv.

Forstå arbeidsprinsippet til PT100: PT100 er en temperatursensor for PT -motstand. Arbeidsprinsippet er basert på den termiske effekten av motstand. Motstandsverdien endres med temperaturendringen. Denne endringen er lineær. Kl 0 ℃, Motstandsverdien til PT100 er 100 Ohm. Når temperaturen stiger, Motstandsverdien øker også deretter, Så temperaturen kan utledes nøyaktig ved å måle motstandsverdien.

Høypresisjon 4-ledningsklasse A PT100 Temperaturmålingssystem

2-Wire PT100 Platinum Motstandstemperaturkontroll Sondemperatur Målesystem

3-Wire PT100 Termisk motstandssensortemperatur Målesystem

Velg riktig ledningsmetode: Generelt, 2-metalltråd, 3-lednings- eller 4-ledningsledningsmetoder kan brukes.

Spenningssignalutgangen ved broen

Nøkkelpunkter om et PT100 -system:
Sensorprinsipp:
PT100 -sensoren er laget av en platina -ledning hvis elektriske motstand endres forutsigbart med temperatursvingninger.

Målemetode:
Når en strøm føres gjennom PT100, Spenningsfallet over sensoren måles, som deretter konverteres til temperatur basert på det kjente forholdet mellom motstand og temperatur.

Bred applikasjon:
PT100 -sensorer brukes ofte i industrielle prosesser, Laboratorier, og andre applikasjoner der det kreves presis temperaturmåling på grunn av deres høye nøyaktighet og stabilitet.

Komponenter i et PT100 -system:
PT100 sensorsonde:
Selve sensingelementet, Vanligvis en platinatråd pakket rundt en keramisk kjerne, som settes inn i miljøet som skal måles.

Signalkondisjoneringskretser:
Elektronikk som forsterker og konverterer den lille motstandsendringen fra PT100 til et målbart spenningssignal.

Visnings- eller datainnsamlingssystem:
Enhet som viser den målte temperaturen eller lagrer dataene for analyse.

Fordelene ved å bruke et PT100 -system:
Høy nøyaktighet:　Betraktet som en av de mest nøyaktige temperatursensorene som er tilgjengelige.
Bredt temperaturområde:　Kan måle temperaturer fra -200 ° C til 850 ° C avhengig av sensordesign.
God linearitet:　Forholdet mellom motstand og temperatur er veldig lineært, sørger for enkel tolkning av data.
Stabilitet:　Platinum er et veldig stabilt materiale, sikre jevnlig avlesninger over tid.

PT100 Termisk motstandsindekseringstabell

De tre ledningsmetodene for PT100 platinastransmotstand er i prinsippet forskjellige: 2-ledning og 3-ledning måles ved broemetode, og forholdet mellom temperaturverdi og analog utgangsverdi er gitt til slutt. 4-Wire har ingen bro. Den sendes fullstendig med konstant strømkilde, målt med voltmeter, og gir til slutt den målte motstandsverdien, Noe som er vanskelig og kostbart å bruke.
Fordi PT100 har en liten motstandsverdi og høy følsomhet, Motstandsverdien på ledetråden kan ikke ignoreres. Bruken av 3-ledningstilkobling kan eliminere målefeilen forårsaket av blylinjemotstanden.
2-ledningssystemet har dårlig målingsnøyaktighet; 3-ledningssystemet har bedre nøyaktighet; 4-ledningssystemet har høy målingsnøyaktighet, men krever flere ledninger.

Vi trenger bare å vite temperaturtilstanden til PT100 basert på spenningssignalutgangen ved broen. Når motstandsverdien til PT100 ikke er lik motstandsverdien til Rx, broen sender ut et differensialt trykksignal, som er veldig lite. Siden utgangssignalet til temperatursensoren generelt er veldig svak, En signalkondisjonering og konverteringskrets er nødvendig for å forsterke den eller konvertere den til en form som er lett å overføre, behandle, Rekord og visning. Den svake endringen i den målte signalmengden må konverteres til et elektrisk signal. Når du forsterker DC -signalet, Selvkjøring og ubalansert spenning på OP-forsterkeren kan ikke ignoreres når du passerer gjennom OP-forsterkeren. Etter forsterkning, Et spenningssignal med ønsket størrelse kan sendes ut.
Motstandsverdien av platinastransmotstanden kan oppnås ved kretsberegning eller multimetermåling. Når vi kjenner motstandsverdien til PT100, Vi kan måle og beregne temperaturen med motstandsverdien.

Bruk passende algoritmer for databehandling: Bruk det kjente forholdet mellom temperatur og motstand for å beregne temperaturen gjennom programmering. Tatt i betraktning at forholdet mellom motstandstemperatur til PT100 er ikke-lineær, Spesielt i områder med lav eller høy temperatur, Mer komplekse algoritmer kan være nødvendig for å forbedre nøyaktigheten.

Effekt av miljøfaktorer: Ytelsen kan bli påvirket av miljøfaktorer som elektromagnetisk interferens, Mekanisk vibrasjon, og fuktighet.

Det er tre vanlige metoder for måling av temperaturer:
Temperaturmåling Beregningsmetode 1:
Når den nøyaktige temperaturen ikke er nødvendig, Temperaturen vil øke med 2,5 ℃ for hver ohm -økning i motstandsverdien til PT100 termisk motstand (brukt ved lave temperaturer). Motstandsverdien til PT100 -temperatursensoren er 100 Når det er 0 ℃, Så den omtrentlige temperaturen på dette tidspunktet = (PT100 motstandsverdi-100)*2.5.

Temperaturmåling Beregningsmetode 2:
Forholdet mellom motstandsverdien og temperaturen på platinaristens

I området 0 ～ 850 ℃: RT = R0(1+AT+BT2);

I området -200 ～ 0 ℃: RT = R0[1+AT+BT2+C.(T-100)3];

RT representerer motstandsverdien av platinaresistens ved temperatur T ℃;

R0 representerer motstandsverdien av platinaresistens ved temperatur 0 ℃;

EN, B, C er konstanter, A = 3,96847 × 10-3/℃; B = -5.847 × 10-7/℃; C = -4.22 × 10-12/℃;

For den termiske motstanden som oppfyller forholdet ovenfor, Temperaturkoeffisienten er omtrent 3,9 × 10-3/℃.

Gjennom ovennevnte formel, Temperaturen kan løses nøyaktig i henhold til motstandsverdien, Men på grunn av den store mengden beregning av denne metoden, Det anbefales ikke for dette eksperimentet.

Temperaturberegningsmetode tre:
PT100 har et godt lineært forhold til temperatur og er egnet for måling av middels og lav temperatur temperatur. Motstandsverdien på PT100 ved forskjellige temperaturer har en en-til-en tilsvarende måleskala som vist på figuren nedenfor, som intuitivt kan vise det tilsvarende forholdet mellom forskjellige temperaturer og motstandsverdien til PT100.
Temperaturen kan være kjent ved å sjekke den tilsvarende motstandsverdien gjennom PT100 -skalaen.

PT100 Termisk motstandsskala

PT100 Temperaturmåleanordningen designet i dette papiret bruker den ofte brukte lavkostnads ​​fireveis operasjonelle forsterker LM324 for å fullføre utformingen av enhetens strømforsyningskrets og tre-op-amp instrumentforsterkerkrets.

1.1 Spenningskilderkrets

PT100 Termisk motstand Sensor Spenning Kildekrets

Kretsen i figur 1 er en vanlig proporsjonal operativ krets. I henhold til analysen av den ideelle operasjonsforsterkeren som arbeider i det lineære området, I henhold til prinsippet om virtuell kort og virtuell pause, det oppnås:

Wheatstone Bridge Beregningskretsformel

​, da er den lukkede spenningen for sløyfen 2 ganger, og deretter oppnås V = 10V, og den brukes som den stabile strømforsyningsspenningen til Wheatstone Bridge Circuit.

1.2 Tre-tråds tilkobling av Wheatstone Bridge og PT100.
Figuren ovenfor er en hvetsteinsbro. Tilstanden for at broen skal balanseres er at potensialene til punktene B og D er like. Så når broen er balansert, Så lenge R1, R2 (vanligvis faste verdier) og R0 (vanligvis justerbare verdier) leses, Motstanden Rx som skal måles kan oppnås. R1/R2 = m, ringte “multiplikator”.

Wheatstone Bridge og PT100 tre-tråds tilkoblingsmetode

I henhold til PT100 -temperaturmålingsprinsippet, Motstandsverdien til PT100 må være kjent riktig, Men motstandsverdien kan ikke måles direkte, Så det kreves en konverteringskrets. Motstandsverdien blir konvertert til et spenningssignal som kan oppdages av mikrokontrolleren”. Wheatstone Bridge Circuit er et instrument som kan måle motstand riktig. Som vist i figur 2, R1, R2, R3, og R4 er henholdsvis broarmene. Når broen er balansert, R1XR3 = R2XR4 er fornøyd. Når broen er ubalansert, Det vil være en spenningsforskjell mellom punktene A og B. I henhold til spenningen til punktene A og B, Tilsvarende motstand kan beregnes. Dette er prinsippet om å måle motstand med en ubalansert bro:

PT100 TRE-WIRE CIRCUIT-tilkoblingsmetode

Faktisk, På grunn av den lille motstanden og den høye følsomheten til PT100, Motstanden til ledetråden vil forårsake feil. Derfor, Tre-Wire Connection Method brukes ofte i industrien for å eliminere denne feilen. Som vist i den stiplede delen av figuren 2, Ledetrådmotstandsverdien er lik og er r. På dette tidspunktet, broarmene blir r, R, R+2R, og RT+2R. Når broen er balansert: R2. (R1+2r) = R1.(R3+2R), sortert ut: RT = R1R3/ R2+2 R1R/ R2- 2r. Analyse viser at når R1 = R2, Endringen i trådmotstand har ingen effekt på målesultatet.

1.3 Tre-op-amp instrumenteringsforsterkerkrets
Når temperaturen endres fra 0 ℃ ~ 100 ℃, Motstanden til PT100 endres omtrent lineært i området 100Ω ~ 138,51Ω. I følge brokretsen ovenfor, broen er balansert ved 0 ℃, Så den teoretiske verdien av broutgangsspenningen skal være 0 V, og når temperaturen er 100 ℃, broutgangen er: Uab = u7x(R1/(R1+ R2)-R3/(R2 + R3)), det er, UAB = 10x(138.51/(10000 + 138.51)-100/(10000 + 100)) = 0,037599V. Siden dette er et millivoltsignal, Det er nødvendig å forsterke denne spenningen for å gjøre den påvisbar med annonsebrikken.

Som vist i figur 3, Instrumenteringsforsterkeren er en enhet som forsterker små signaler i et støyende miljø. Den har en serie fordeler som lav drift, Lavt strømforbruk, Høy fellesmodus avvisningsforhold, bred strømforsyningsområde og liten størrelse. Den bruker egenskapene til differensielle små signaler overlagret på større fellesmodussignaler, som kan fjerne signaler for vanlig modus og forsterke differensialsignaler samtidig. Utgangsspenningen til standard tre-op-amp instrumenteringsforsterkerkrets er, Her R8 = R10 = 20 kΩ, R9 = R11 = 20 kΩ, R4 = R7 = 100KΩ, som kan forsterke inngangsspenningssignalet med omtrent 150 ganger, slik at broens teoretiske utgangsspenning kan forsterkes til 0 ~ 2,34 v. Men dette er bare en teoretisk verdi. I selve prosessen, Det er mange faktorer som kan forårsake motstandsendringer. Derfor, R3 kan erstattes med en presisjonsjusterbar motstand for å lette kretsliving.

PT100 sensor tre-op amp instrumentforsterkerkrets

2. Programvaredesign

2.1 Minste kvadratmetode og PT100 lineær montering

I temperaturområdet 0 ℃ ≤T≤850 ℃, forholdet mellom PT100 -motstand og temperatur er: R = 100 (1 +AT+BT2), hvor a = 3,90802x 10-3; B =- -5.80x 10-7; C = 4.2735 x 10-12

Det kan sees at motstanden til PT100 og temperatur ikke er et absolutt lineært forhold, men en parabola. Derfor, Hvis T skal tas ut, Det kreves en kvadratrotoperasjon, som introduserer en mer kompleks funksjonsoperasjon og okkuperer en stor mengde CPU-ressurser til en-chip mikrodatamaskin. For å løse dette problemet, Vi kan bruke den minste kvadratmetoden for å lineært passe sammen forholdet mellom temperatur og motstand. ” Den minste kvadratiske kurveinnstillingen er en vanlig metode for eksperimentell databehandling. Prinsippet er å finne en polynomfunksjon for å minimere summen av kvadratfeil med de opprinnelige dataene.

2.2 AD digital konverteringstemperatur
PT100 -temperaturmålingsprinsippet er å oppnå temperaturverdien basert på dens motstandsverdi, Så motstandsverdien til den termiske motstanden må bestemmes først. I henhold til maskinvarekretsen, forholdet mellom utgangsspenningen UAB på brokretsen og utgangsspenningen UAD for OP amp -instrumentforsterkerkretsen er: Nikk = jav. AUF fordi systemet bruker en 12-biters annonsebrikke, forholdet mellom den digitale mengden og den analoge mengden er: UAD/AD = 5/4096. Forholdet mellom broutgangsspenningen og den digitale mengdeannonsen kan oppnås ved å kombinere de to foregående ligningene, det er, UAD/AD = 5/(4096På). Da, det er erstattet i broutgangsspenningen UAB = u7x (Rt/ (R1+Rt) -R3/ (R2+R3) ), og uttrykket av RR og den digitale mengdeannonsen kan oppnås. Løsningen er:

AD digital konverteringstemperaturformel

Etter å ha kjent motstandsverdien til PT100, Den tilsvarende temperaturverdien kan oppnås i henhold til den lineære monteringslikningen i seksjonen 2.1.

2.3 Enkeltbrikke digital filtrering
For å forbedre temperaturmålingsnøyaktigheten til PT100, Et digitalt filtreringsprogram kan legges til i programmeringsprogrammeringen, som ikke krever tillegg av maskinvarekretser og kan forbedre stabiliteten og påliteligheten til systemet. Det er mange filtreringsmetoder i applikasjonssystemet for en enkelt brikke.. Når du foretar et spesifikt valg, Fordelene og ulempene med filtreringsmetoden og gjeldende objekter bør analyseres og sammenlignes, for å velge riktig filtreringsmetode. Algoritmen til median gjennomsnittlig filtreringsmetode er å først kontinuerlig samle inn N -data, Fjern deretter en minimumsverdi og en maksimal verdi, og til slutt beregne det aritmetiske gjennomsnittet av de gjenværende dataene. Denne filtreringsmetoden er egnet for å måle parametere som endres sakte, for eksempel temperatur, og kan effektivt redusere forstyrrelsen forårsaket av svingninger forårsaket av utilsiktede faktorer eller feil forårsaket av sampler -ustabilitet.

Systemarbeidsprosess:
Når temperaturen på objektet blir målt endres, Motstanden til PT100 endres, og Wheatstone Bridge vil sende ut et tilsvarende spenningssignal. Dette signalet er en funksjon av motstanden til PT100. Dette millivoltsignalet forsterkes av en tre-op-amp instrumenteringsforsterker og sendes til annonsebrikken, som konverterer den analoge mengden til en digital mengde og blir lest av mikrokontrolleren. Mikrokontrolleren leser brikken fra annonsebrikken og utfører filtreringsprogrammet, Konvertere den stabile digitale mengden til motstanden til PT100 gjennom beregning. Deretter vil mikrokontrolleren velge den tilsvarende monterte lineære modellen i henhold til størrelsen på motstandsverdien for å beregne gjeldende temperaturverdi, og til slutt vise temperaturdataene på LCD -skjermen.