Rozwiązanie obwodu pomiaru temperatury PT100/PT1000

1. Tabela zmian rezystancji temperaturowej PT100 i PT1000
Metalowe rezystory termiczne, takie jak nikiel, Rezystory miedziane i platynowe wykazują dodatnią korelację ze zmianą rezystancji pod wpływem temperatury. Platinum ma najbardziej stabilne właściwości fizyczne i chemiczne i jest najczęściej używana. Zakres pomiaru temperatury powszechnie stosowanego rezystora platynowego Pt100 wynosi -200 ~ 850 ℃. Ponadto, zakresy pomiaru temperatury Pt500, PT1000, itp. są kolejno zmniejszone. PT1000, zakres pomiaru temperatury -200～420 ℃. Według międzynarodowego standardu IEC751, Charakterystyka temperatury rezystora platyny PT1000 spełnia następujące wymagania:

PT1000 Charakterystyka temperatury

Zgodnie z krzywą charakterystyczną temperaturową PT1000, nachylenie krzywej charakterystyki rezystancji zmienia się nieznacznie w normalnym zakresie temperatur roboczych (Jak pokazano na rysunku 1). Poprzez dopasowanie liniowe, przybliżona zależność między oporem a temperaturą wynosi:

1.1 Tabela zmiany oporności temperatury PT100

Tabela zmiany oporności temperatury PT100

1.2 Tabela zmian rezystancji temperaturowej PT1000

Tabela zmian rezystancji temperaturowej PT1000

2. Powszechnie stosowane rozwiązania obwodów akwizycji

2.1 Wyjście podziału napięcia rezystora Napięcie analogowe 0 ~ 3,3 V/3 V

Bezpośrednia akwizycja portu AD z jednym chipem
Zakres wyjściowy obwodu pomiaru temperatury wynosi 0 ~ 3,3 V, PT1000 (Wartość odporności PT1000 znacznie się zmienia, czułość pomiaru temperatury jest wyższa niż PT100; PT100 jest bardziej odpowiednie do pomiaru temperatury na dużą skalę).

Rezystorowy dzielnik napięcia wyprowadza napięcie analogowe 0 ~ 3,3 V 3 V

Najprostszym sposobem jest użycie metody podziału napięcia. Napięcie to źródło odniesienia napięcia 4 V generowane przez układ źródła napięcia odniesienia TL431, lub REF3140 można wykorzystać do wygenerowania napięcia 4,096 V jako źródła odniesienia. Referencyjne układy źródłowe obejmują również REF3120, 3125, 3130, 3133, I 3140. Układ wykorzystuje pakiet SOT-32 i napięcie wejściowe 5V. Napięcie wyjściowe można wybrać zgodnie z wymaganym napięciem odniesienia. Oczywiście, zgodnie z normalnym zakresem napięcia wejściowego portu AD MCU, Nie może przekroczyć 3 V/3,3 V.

2.2 Wyjście podziału napięcia rezystora. Napięcie analogowe 0 ~ 5 V. Bezpośrednia akwizycja portu MCU AD.
Oczywiście, niektóre obwody korzystają z zasilacza MCU 5 V, a maksymalny prąd roboczy PT1000 wynosi 0,5 mA, dlatego należy zastosować odpowiednią wartość rezystancji, aby zapewnić normalne działanie komponentów.
Na przykład, wartość 3,3 V na powyższym schemacie podziału napięcia została zastąpiona wartością 5 V. Zaletą tego jest to, że podział napięcia 5 V jest bardziej czuły niż 3,3 V, a akwizycja jest dokładniejsza. Pamiętać, Teoretyczne obliczone napięcie wyjściowe nie może przekraczać +5 V. W przeciwnym razie, spowoduje to uszkodzenie MCU.

2.3 Najczęściej stosowany pomiar mostu
R11, R12, R13 i Pt1000 służą do utworzenia mostka pomiarowego, gdzie r11 = r13 = 10k, R12=1000R rezystory precyzyjne. Gdy wartość rezystancyjna PT1000 nie jest równa wartości oporności R12, mostek wyśle ​​sygnał różnicy napięcia na poziomie mV. Ten sygnał różnicy napięcia jest wzmacniany przez obwód wzmacniacza przyrządu i wysyła pożądany sygnał napięcia. Sygnał ten można podłączyć bezpośrednio do układu konwersji AD lub portu AD mikrokontrolera.

R11, R12, R13 i Pt1000 służą do utworzenia mostka pomiarowego

Zasada pomiaru oporu tego obwodu:
1) PT1000 jest termistorem. Gdy zmienia się temperatura, rezystancja zmienia się w zasadzie liniowo.
2) Na 0 stopnie, Rezystancja PT1000 wynosi 1 kΩ, wtedy Ub i Ua są równe, to jest, UBA = UB – Do = 0.
3) Zakładając, że w określonej temperaturze, Rezystancja PT1000 wynosi 1,5 kΩ, wtedy Ub i Ua nie są równe. Zgodnie z zasadą podziału napięcia, możemy dowiedzieć się, że Uba = Ub – Do > 0.
4) OP07 to wzmacniacz operacyjny, a jego wzmocnienie napięciowe A zależy od obwodu zewnętrznego, gdzie a = r2/r1 = 17.5.
5) Napięcie wyjściowe UO OP07 = UBA * A. Więc jeśli użyjemy woltomierza do pomiaru napięcia wyjściowego OP07, Możemy wywnioskować wartość UAB. Ponieważ UA jest znaną wartością, Możemy dalej obliczyć wartość UB. Następnie, stosując zasadę podziału napięcia, Możemy obliczyć wartość oporności specyficznej PT1000. Proces ten można osiągnąć poprzez obliczanie oprogramowania.
6) Jeśli znamy wartość odporności PT1000 w dowolnej temperaturze, wystarczy zajrzeć do tabeli w oparciu o wartość rezystancji, aby poznać aktualną temperaturę.

2.4 Stały źródło prądu
Ze względu na efekt samongerującego rezystora termicznego, prąd płynący przez rezystor powinien być jak najmniejszy. Ogólnie, oczekuje się, że prąd będzie mniejszy niż 10 mA. Sprawdzono, czy samoleczenie platynowego rezystora Pt100 1 mW spowoduje zmianę temperatury o 0,02-0,75℃. Dlatego, zmniejszenie prądu rezystora platynowego PT100 może również zmniejszyć jego zmianę temperatury. Jednakże, Jeśli prąd jest za mały, Jest podatny na zakłócenia szumu, więc wartość jest ogólnie 0.5-2 mama, Tak więc stały prąd źródłowy jest wybierany jako źródło prądu stałego 1mA.

Układ jest wybrany jako układ źródła stałego napięcia TL431, a następnie przekształcony w źródło prądu stałego przy użyciu bieżącego ujemnego sprzężenia zwrotnego. Obwód pokazano na rysunku

Wśród nich, wzmacniacz operacyjny CA3140 służy do poprawy obciążalności źródła prądowego, a formuła obliczeń dla prądu wyjściowego jest:

Rezystor powinien mieć wartość A 0.1% Precision Resistor. Ostateczny prąd wyjściowy wynosi 0,996 mA, to jest, Dokładność jest 0.4%.

Stały obwód źródła prądu powinien mieć następujące cechy

Wybierz układ źródła stałego napięcia TL431

Stabilność temperatury: Ponieważ nasze środowisko pomiaru temperatury wynosi 0-100 ℃, Wyjście źródła prądu nie powinno być wrażliwe na temperaturę. TL431 ma wyjątkowo niski współczynnik temperaturowy i niski dryft temperaturowy.

Dobra regulacja obciążenia: Jeśli bieżące falowanie jest zbyt duże, spowoduje błędy czytania. Zgodnie z analizą teoretyczną, ponieważ napięcie wejściowe waha się między 100-138,5 mV, a zakres pomiaru temperatury wynosi 0-100 ℃, Dokładność pomiaru temperatury wynosi ± 1 stopień Celsjusza, Zatem napięcie wyjściowe powinno zmienić się o 38,5/100 = 0,385 mV dla każdego 1 ℃ Wzrost temperatury otoczenia. Aby zapewnić, że obecna fluktuacja nie wpływa na dokładność, Rozważ najbardziej ekstremalny przypadek, Na 100 stopnie Celsjusza, Wartość odporności PT100 powinna wynosić 138,5r. Wówczas bieżący falista powinna być mniejsza niż 0,385/138,5 = 0,000278mA, to jest, zmiana prądu podczas zmiany obciążenia powinna być mniejsza niż 0,000278 mA. W rzeczywistej symulacji, Obecne źródło pozostaje zasadniczo niezmienione.
3. Rozwiązanie obwodu akwizycji AD623

Rozwiązanie obwodu PT1000 do akwizycji AD623

Zasada może odnosić się do powyższej zasady pomiaru mostu.
Akwizycja w niskiej temperaturze:

Akwizycja w wysokiej temperaturze

4. Rozwiązanie obwodu akwizycji AD620

Rozwiązanie do akwizycji AD620 PT100

AD620 PT100 rozwiązanie do akwizycji w wysokiej temperaturze (150°):

AD620 Rozwiązanie do akwizycji PT100 w niskiej temperaturze (-40°):

Temperatura pokojowa roztworu pomiarowego AD620 PT100 (20°):

5. Analiza filtrowania przeciwzakłóceniowego PT100 i PT1000

Akwizycja temperatury w jakimś kompleksie, surowe lub specjalne środowiska będą podlegać wielkim zakłóceniu, W tym głównie EMI i REI.

Na przykład, w stosowaniu akwizycji temperatury silnika, sterowanie silnikiem i duże prędkości obrotowe silnika powodują zakłócenia o wysokiej częstotliwości.

Istnieje również wiele scenariuszy kontroli temperatury w pojazdach lotniczych i lotniczych, które mierzą i kontroluje system elektrowni i system kontroli środowiska. Rdzeniem kontroli temperatury jest pomiar temperatury. Ponieważ rezystancja termistora może zmieniać się liniowo wraz z temperaturą, Zastosowanie oporności platyny do pomiaru temperatury jest skuteczną metodą pomiaru temperatury precyzyjnej. Główne problemy są następujące:
1. Opór na przewodzie ołowiu można łatwo wprowadzić, wpływając w ten sposób na dokładność pomiaru czujnika;
2. W niektórych środowiskach z silnymi zakłóceniami elektromagnetycznymi, zakłócenia mogą zostać przetworzone na sygnał wyjściowy prądu stałego po wyprostowaniu przez wzmacniacz przyrządu
Błąd offsetu, wpływając na dokładność pomiaru.
5.1 Aerospace Airborne PT1000 Obwód akwizycji

Aerospace Airborne PT1000 Obwód akwizycji

Zapoznaj się z projektem obwodu akwizycji w powietrzu PT1000 w celu uzyskania ingerencji antyelektromagnetycznej w pewnym lotnictwie.

Filtr jest ustawiony na najbardziej zewnętrznym końcu obwodu akwizycji. Obwód wstępnego przetwarzania akwizycji PT1000 nadaje się do wstępnego przetwarzania zakłóceń przeciwzakłóceniowych w interfejsie sprzętu elektronicznego pokładowego;
Konkretny obwód to:
Napięcie wejściowe +15V jest konwertowane na źródło napięcia o wysokiej precyzji A +5V przez regulator napięcia, a precyzyjne źródło napięcia +5 V jest bezpośrednio podłączone do rezystora R1.
Drugi koniec rezystora R1 jest podzielony na dwie ścieżki, jeden podłączony do wejścia w fazie wzmacniacza OP, a drugi podłączony do końca A rezystora PT1000 przez filtr typu T S1. Wyjście wzmacniacza operacyjnego jest podłączone do wejścia odwracającego w celu utworzenia popychacza napięcia, a wejście odwracające jest podłączone do portu uziemienia regulatora napięcia, aby zapewnić, że napięcie na wejściu w fazie wynosi zawsze zero. Po przejściu przez filtr S2, Jeden koniec A rezystora PT1000 jest podzielony na dwie ścieżki, jedna ścieżka jest używana jako zacisk wejściowy D napięcia różnicowego poprzez rezystor R4, a druga ścieżka jest połączona z AGND poprzez rezystor R2. Po przejściu przez filtr S3, Drugi koniec B rezystora PT1000 jest podzielony na dwie ścieżki, jedna ścieżka jest wykorzystywana jako zacisk wejściowy E napięcia różnicowego poprzez rezystor R5, a druga ścieżka jest połączona z AGND poprzez rezystor R3. D i E są połączone przez kondensator C3, D jest podłączony do AGND przez kondensator C1, a E jest podłączone do AGND przez kondensator C2; Dokładną wartość rezystancji PT1000 można obliczyć, mierząc napięcie różnicowe między D i E.

Napięcie wejściowe +15V jest konwertowane na źródło napięcia o wysokiej precyzji A +5V przez regulator napięcia. +5v jest bezpośrednio podłączony do R1. Drugi koniec R1 jest podzielony na dwie ścieżki, jeden jest podłączony do wejściowego zacisku wejściowego w fazie wzmacniacza operacyjnego, a drugi jest podłączony do rezystora PT1000 A poprzez filtr typu T S1. Wyjście wzmacniacza operacyjnego jest podłączone do wejścia odwracającego w celu utworzenia popychacza napięcia, a wejście odwracające jest podłączone do portu uziemienia regulatora napięcia, aby zapewnić, że napięcie na wejściu odwracającym wynosi zawsze zero. W tej chwili, Prąd przepływający przez R1 jest stałym 0,5 mA. Regulator napięcia używa AD586TQ/883B, a wzmacniacz operacyjny używa OP467A.

Po przejściu przez filtr S2, Jeden koniec A rezystora PT1000 jest podzielony na dwie ścieżki, jeden przez rezystor R4 jako różnicowy koniec napięcia D., i jeden przez rezystor R2 do AGND; po przejściu przez filtr S3, Drugi koniec B rezystora PT1000 jest podzielony na dwie ścieżki, jeden przez rezystor R5 jako różnicowy koniec napięcia E, i jeden przez rezystor R3 do AGND. D i E są połączone przez kondensator C3, D jest podłączony do AGND przez kondensator C1, a E jest podłączone do AGND przez kondensator C2.
Odporność R4 i R5 wynosi 4,02k omów, Odporność R1 i R2 wynosi 1m omów, Pojemność C1 i C2 wynosi 1000pf, a pojemność C3 wynosi 0,047Uf. R4, R5, C1, C2, i C3 razem tworzą sieć filtrów RFI, co kończy filtrowanie dolnoprzepustowe sygnału wejściowego, a obiekty, które należy odfiltrować, obejmują zakłócenia trybu różnicowego i zakłócenia trybu wspólnego przenoszone w wejściowym sygnale różnicowym. Obliczenie częstotliwości odcięcia ‑3dB interferencji trybu wspólnego i interferencji trybu różnicowego przenoszona w sygnał wejściowym pokazano w wzorze:

Zastępując wartość rezystancji w obliczeniach, Częstotliwość odcięcia trybu wspólnego wynosi 40 kHz, a częstotliwość odcięcia trybu różnicowego wynosi 2,6 kHz.
Punkt końcowy B jest podłączony do AGND przez filtr S4. Wśród nich, Zaciski uziemienia filtra od S1 do S4 są podłączone do gruntu osłonowego samolotu. Ponieważ prąd przepływający przez PT1000 jest znany 0,05 mA, Dokładną wartość rezystancyjną PT1000 można obliczyć, mierząc napięcie różnicowe na obu końcach D i E..
S1 do S4 Użyj filtrów typu T, Model GTL2012X - 103T801, z częstotliwością odcięcia 1M±20%. Ten obwód wprowadza filtry dolnoprzepustowe do zewnętrznych linii interfejsu i wykonuje filtrowanie RFI na napięciu różnicowym. Jako obwód wstępny dla PT1000, Skutecznie eliminuje interferencję promieniowania elektromagnetycznego i RFI, co znacznie poprawia niezawodność zebranych wartości. Ponadto, Napięcie jest mierzone bezpośrednio z obu końców rezystora PT1000, Wyeliminowanie błędu spowodowanego odpornością na wiodącą i poprawą dokładności wartości oporności.

5.2 Filtr typu T.
Filtr typu T składa się z dwóch cewek i kondensatorów. Oba jego końce mają wysoką impedancję, a jego wydajność utraty wstawiania jest podobna do wydajności filtra typu π, ale nie jest to podatne “dzwonienie” i może być używane w obwodach przełączających.