Rozwiązanie obwodu pomiaru temperatury PT100/PT1000

1. PT100 and PT1000 temperature resistance change table
Metalowe rezystory termiczne, takie jak nikiel, copper and platinum resistors have a positive correlation with the change in resistance with temperature. Platinum ma najbardziej stabilne właściwości fizyczne i chemiczne i jest najczęściej używana. The temperature measurement range of the commonly used platinum resistor Pt100 is -200～850 ℃. Ponadto, the temperature measurement ranges of Pt500, PT1000, itp. są kolejno zmniejszone. PT1000, temperature measurement range -200～420 ℃. Według międzynarodowego standardu IEC751, Charakterystyka temperatury rezystora platyny PT1000 spełnia następujące wymagania:

PT1000 Charakterystyka temperatury

Zgodnie z krzywą charakterystyczną temperaturową PT1000, the slope of the resistance characteristic curve changes little within the normal operating temperature range (Jak pokazano na rysunku 1). Through linear fitting, the approximate relationship between resistance and temperature is:

1.1 Tabela zmiany oporności temperatury PT100

Tabela zmiany oporności temperatury PT100

1.2 PT1000 temperature resistance change table

PT1000 Temperature Resistance Change Table

2. Powszechnie stosowane rozwiązania obwodów akwizycji

2.1 Resistor voltage division output 0~3.3V/3V analog voltage

Single-chip AD port direct acquisition
Zakres wyjściowy obwodu pomiaru temperatury wynosi 0 ~ 3,3 V, PT1000 (Wartość odporności PT1000 znacznie się zmienia, temperature measurement sensitivity is higher than PT100; PT100 jest bardziej odpowiednie do pomiaru temperatury na dużą skalę).

Resistor voltage divider outputs 0~3.3V 3V analog voltage

Najprostszym sposobem jest użycie metody podziału napięcia. The voltage is the voltage reference source 4V generated by the TL431 voltage reference source chip, or REF3140 can be used to generate 4.096V as the reference source. The reference source chips also include REF3120, 3125, 3130, 3133, I 3140. The chip uses SOT-32 package and 5V input voltage. Napięcie wyjściowe można wybrać zgodnie z wymaganym napięciem odniesienia. Oczywiście, according to the normal voltage input range of the MCU AD port, Nie może przekroczyć 3 V/3,3 V.

2.2 Resistor voltage division output 0~5V analog voltage MCU AD port direct acquisition.
Oczywiście, some circuits use 5V MCU power supply, and the maximum operating current of PT1000 is 0.5mA, so appropriate resistance value should be used to ensure the normal operation of the components.
Na przykład, the 3.3V in the voltage division schematic diagram above is replaced with 5V. The advantage of this is that the 5V voltage division is more sensitive than 3.3V, and the acquisition is more accurate. Pamiętać, Teoretyczne obliczone napięcie wyjściowe nie może przekraczać +5 V. W przeciwnym razie, it will cause damage to the MCU.

2.3 Najczęściej stosowany pomiar mostu
R11, R12, R13 and Pt1000 are used to form a measuring bridge, gdzie r11 = r13 = 10k, R12=1000R precision resistors. Gdy wartość rezystancyjna PT1000 nie jest równa wartości oporności R12, the bridge will output a mV-level voltage difference signal. Ten sygnał różnicy napięcia jest wzmacniany przez obwód wzmacniacza przyrządu i wysyła pożądany sygnał napięcia. This signal can be directly connected to the AD conversion chip or the AD port of the microcontroller.

R11, R12, R13 and Pt1000 are used to form a measurement bridge

Zasada pomiaru oporu tego obwodu:
1) PT1000 jest termistorem. Gdy zmienia się temperatura, the resistance changes basically linearly.
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. According to the voltage division principle, we can find out that Uba = Ub – Do > 0.
4) OP07 to wzmacniacz operacyjny, and its voltage gain A depends on the external circuit, 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, using the voltage division principle, Możemy obliczyć wartość oporności specyficznej PT1000. Proces ten można osiągnąć poprzez obliczanie oprogramowania.
6) Jeśli znamy wartość odporności PT1000 w dowolnej temperaturze, we only need to look up the table based on the resistance value to know the current temperature.

2.4 Stały źródło prądu
Ze względu na efekt samongerującego rezystora termicznego, the current flowing through the resistor should be as small as possible. Ogólnie, the current is expected to be less than 10mA. Sprawdzono, czy samoleczenie platynowego rezystora Pt100 1 mW will cause a temperature change of 0.02-0.75℃. Dlatego, reducing the current of the platinum resistor PT100 can also reduce its temperature change. Jednakże, Jeśli prąd jest za mały, Jest podatny na zakłócenia szumu, so the value is generally 0.5-2 mama, Tak więc stały prąd źródłowy jest wybierany jako źródło prądu stałego 1mA.

The chip is selected as the constant voltage source chip TL431, and then converted into a constant current source using current negative feedback. Obwód pokazano na rysunku

Wśród nich, the operational amplifier CA3140 is used to improve the load capacity of the current source, a formuła obliczeń dla prądu wyjściowego jest:

The resistor should be 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

Select the constant voltage source chip TL431

Stabilność temperatury: Ponieważ nasze środowisko pomiaru temperatury wynosi 0-100 ℃, Wyjście źródła prądu nie powinno być wrażliwe na temperaturę. The TL431 has an extremely low temperature coefficient and low temperature drift.

Dobra regulacja obciążenia: Jeśli bieżące falowanie jest zbyt duże, spowoduje błędy czytania. Zgodnie z analizą teoretyczną, since the input voltage varies between 100-138.5mV, 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, the current change during the load change should be less than 0.000278mA. W rzeczywistej symulacji, Obecne źródło pozostaje zasadniczo niezmienione.
3. Rozwiązanie obwodu akwizycji AD623

AD623 acquisition PT1000 circuit solution

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

Akwizycja w wysokiej temperaturze

4. Rozwiązanie obwodu akwizycji AD620

AD620 PT100 acquisition solution

AD620 PT100 acquisition solution high temperature (150°):

AD620 PT100 acquisition solution low temperature (-40°):

AD620 PT100 acquisition solution room temperature (20°):

5. PT100 and PT1000 anti-interference filtering analysis

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, motor control and high-speed rotation of the motor cause high-frequency disturbances.

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. In some strong electromagnetic interference environments, the interference may be converted into DC output after rectification by the instrument amplifier
Offset error, 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. The PT1000 acquisition preprocessing circuit is suitable for anti-electromagnetic interference preprocessing of airborne electronic equipment interface;
The specific circuit is:
Napięcie wejściowe +15V jest konwertowane na źródło napięcia o wysokiej precyzji A +5V przez regulator napięcia, and the +5V high-precision voltage source is directly connected to the resistor R1.
The other end of the resistor R1 is divided into two paths, jeden podłączony do wejścia w fazie wzmacniacza OP, and the other connected to the PT1000 resistor A end through the T-type filter 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, one path is used as the differential voltage input terminal D through resistor R4, and the other path is connected to AGND through resistor R2. Po przejściu przez filtr S3, Drugi koniec B rezystora PT1000 jest podzielony na dwie ścieżki, one path is used as the differential voltage input terminal E through resistor R5, and the other path is connected to AGND through resistor 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; the precise resistance value of PT1000 can be calculated by measuring the differential voltage between D and 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, one is connected to the in-phase input terminal of the op amp, and the other is connected to the PT1000 resistor A through the T-type filter 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; after passing through the S3 filter, 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, which completes the low-pass filtering of the input signal, and the objects to be filtered out include the differential mode interference and common mode interference carried in the input differential signal. 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, with a cutoff frequency of 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.