Pomiar temperatury 2, 3, i 4-przewodowe czujniki temperatury PT100

W artykule przedstawiono, jak to zrobić 2, 3, i 4-przewodowe czujniki PT100 są przekształcane na sygnały napięciowe poprzez zmiany rezystancji, a źródło prądu stałego służy do ochrony czujnika i zapewnienia dokładności konwersji sygnału. Czujnik PT100 nabiera temperatury poprzez pomiar zmiany rezystancji elektrycznej, który bezpośrednio koreluje z temperaturą, na którą jest narażony; wraz ze wzrostem temperatury, Wzrasta również opór elementu platyny w czujniku, umożliwiając precyzyjne obliczenie temperatury na podstawie tej zmiany rezystancji; esencjonalnie, the “100” w PT100 oznacza, że ​​czujnik ma odporność 100 omów w temperaturze 0°C, i ta wartość zmienia się przewidywalnie wraz z fluktuacji temperatury. Zastosowanie wzmacniacza operacyjnego MCP604 w projektowaniu obwodów podkreśla wpływ jego charakterystyk, takich jak niskie wejściowe napięcie niezrównoważenia i prąd polaryzacji na dokładność. Kalibracja oprogramowania służy do poprawy dokładności projektowania obwodów, unikanie niedogodności związanych z przystosowaniem fizycznym. Wreszcie, w artykule podano wzór zależności pomiędzy temperaturą a wartością rezystancji platyny, który służy do obliczenia wartości temperatury.

Projekt pomiaru temperatury 2-przewodowego czujnika temperatury PT100

Pomiar temperatury niestandardowego 3-przewodowego czujnika temperatury PT100 w Chinach

Pomiar temperatury 4-przewodowego czujnika temperatury PT100

Kluczowe punkty dotyczące pomiaru temperatury PT100:
Rezystancyjny czujnik temperatury (BRT):
PT100 to rodzaj czujnika RTD, co oznacza, że ​​mierzy temperaturę poprzez wykrywanie zmian w jego rezystancji elektrycznej.
Element platynowy:
Element czujnikowy w PT100 jest wykonany z platyny, który wykazuje bardzo stabilną i liniową zależność między rezystancją a temperaturą.
Proces pomiaru: Czujnik umieszcza się w środowisku, w którym ma zostać zmierzona temperatura.
Pomiar rezystancji elementu platynowego odbywa się za pomocą dedykowanego obwodu elektronicznego.
Zmierzoną wartość rezystancji przelicza się następnie na temperaturę przy użyciu wzoru matematycznego opartego na znanym współczynniku temperaturowym platyny.

Zalety czujników PT100:
Wysoka dokładność: Uważany za jeden z najdokładniejszych dostępnych czujników temperatury ze względu na stabilne zachowanie platyny.
Szeroki zakres temperatur:　Może mierzyć temperatury od -200 ° C do 850 ° C w zależności od projektu czujnika.
Dobra liniowość: Zależność między rezystancją a temperaturą jest stosunkowo liniowa, uproszczenie interpretacji danych.

Ważne uwagi:
Kalibrowanie: Aby zapewnić dokładne pomiary, Czujniki PT100 wymagają regularnej kalibracji względem normy odniesienia.
Rezystancja przewodu ołowianego: Rezystancja przewodów łączących może mieć wpływ na dokładność pomiaru, dlatego często konieczne jest właściwe rozważenie kompensacji przewodu doprowadzającego.
Przydatność aplikacji: Choć bardzo dokładny, Czujniki PT100 mogą nie nadawać się do ekstremalnie trudnych warunków lub zastosowań wymagających bardzo szybkiego czasu reakcji.

1. Podstawowe zasady akwizycji sygnału
PT100 przetwarza sygnały temperatury na wyjścia rezystancyjne, a jego wartość rezystancji waha się od 0 do 200Ω. Konwerter AD może jedynie konwertować napięcie i nie może bezpośrednio zbierać temperatury. Dlatego, Do zasilania PT100 i przekształcania zmian rezystancji na zmiany napięcia wymagane jest źródło prądu stałego o natężeniu 1 mA. Zaletą stosowania źródła prądu stałego jest wydłużenie żywotności czujnika. Ponieważ zakres sygnału wejściowego wynosi 0 do 200mV, sygnał musi zostać wzmocniony, a następnie przekonwertowany na sygnał AD, aby uzyskać dane dotyczące sygnału elektrycznego.

Powody niestosowania projektu źródła stałego napięcia:

Jeżeli do zasilania wykorzystywane jest źródło napięcia stałego, a następnie rezystor i PT100 są połączone szeregowo, i napięcie jest podzielone, jest problem. Gdy rezystancja PT100 jest za mała, prąd płynący przez PT100 jest za duży, co skutkuje krótszą żywotnością czujnika.

2. Wzmacniacz operacyjny wykorzystuje MCP604
Funkcje MCP604:
1) Zakres napięcia wynosi 2,7 ~ 6,0 V
2) Dane wyjściowe to Rail-to-Rail
3) Zakres temperatur pracy: -40°C do +85°C
4) Wejściowe napięcie niezrównoważenia wynosi ±3 mV, typowa wartość to 1mV, wysoka czułość.
5) Wejściowy prąd polaryzacji wynosi 1 pA, gdy TA = +85°C, I=20pA, poprawia dokładność akwizycji.
6) Liniowa wahania napięcia wyjściowego: VSS+0,1 ~ VDD–0,1, jednostka to V.

Gdy napięcie zasilania wynosi 3,3 V, liniowa zmiana napięcia wyjściowego wynosi 0,1 ~ 3,2 V. Aby zapewnić, że wzmocniony sygnał działa w obszarze liniowym, gdy VDD=3,3V, ustawiamy napięcie wyjściowe MCP604 na takie, które ma pozostać: 0.5V ~ 2,5 V, aby spełnić wymagania projektu obwodu wzmacniacza operacyjnego.

Wzmacniacz operacyjny w książce o elektronice analogowej jest idealnym wzmacniaczem operacyjnym, który różni się od rzeczywistego wzmacniacza. Dlatego, trzeba to rozważyć “wejściowe napięcie niezrównoważenia”, “wejściowy prąd polaryzacji” I “liniowa wahania napięcia wyjściowego” podczas projektowania.

3. Schemat obwodu
R11 na rysunku to obwód polaryzacji, który zapobiega zniekształceniom nasycenia ostatniego stopnia wzmacniacza różnicowego.
1) Wybierz odpowiedni współczynnik wzmocnienia, aby zmniejszyć błąd wyjściowy. Ze względu na istnienie wejściowego napięcia offsetowego, gdy współczynnik wzmocnienia wzrasta, błąd wyjściowy również wzrośnie, które należy uwzględnić w projekcie.
2) Współczynnik wzmocnienia tego obwodu wynosi 10. Zakładając, że typowe wejściowe napięcie niezrównoważenia wynosi 3 mV, jeśli sygnał wejściowy zmieni się na 5 mV, 2mV nie zostanie wzmocnione, co spowoduje błąd wyjściowy wynoszący 20 mV.

Wzmacniacz operacyjny czujnika temperatury PT100 wykorzystujący schemat obwodu MCP604

Vo4 = (Vin1 – Vref)*10
ja=1mA, Vref=Vo3=1,65V
1.7V<=Win<=1,9 V, 1.7V<=V02<=1,9
1.8V<=Cz.1<=2V, upewnij się, że wzmacniacz operacyjny działa w obszarze liniowym, to jest bardzo ważne
0.5V<=Vo4<=2,5 V, upewnij się, że wzmacniacz operacyjny działa w obszarze liniowym, dlatego potrzebne jest 50 Ω szeregowo.

Gdy rezystancja wejściowa zmieni się o 1 Ω, Vout zmienia się na 10 mV. Ponieważ wejściowe napięcie kompensacyjne MCP604 wynosi ± 3 mV, gdy następuje zmiana o 0,3333 Ω, nastąpi zmiana o 3,333 mV, a czułość akwizycji jest wysoka.
Kiedy 0<=Rin<=200Ω wejście, ponieważ pętla jest połączona szeregowo z 50 Ω, 50Oh<=Rx<=250Ω
Vin1 – Vref = Rx*0,001, jednostka A

4. Kalibracja oprogramowania
Nowi inżynierowie zawsze starają się poprawić dokładność rezystorów, ale błąd jest nadal duży. Niektórzy inżynierowie po prostu używają rezystorów z płynną regulacją, dostosować ich wartości rezystancji, i użyj multimetrów, aby wyjście spełniało relację transferu. Wydaje się, że dokładność ta uległa poprawie, ale nie jest to wygodne w produkcji, Zwiększa się także trudność projektowania PCB. Nawet jeśli debugowanie zostało zakończone, jeśli śruba regulacyjna zostanie dotknięta ręką, może to powodować błędy. Jedynym sposobem jest użycie stałych rezystorów do produkcji i użycie oprogramowania, które pomoże uzyskać dokładną kalibrację.
1) Gdy Rin=0, odczytaj wartość napięcia i zapisz ją jako V50. Zapisz V50, nie zmieni się ona wraz ze zmianą wartości rezystancji PT100, gdyż zasilany jest ze źródła prądu stałego.
2) Podłącz rezystor nominalny, niech Rs=100Ω, odczytaj wartość napięcia i zapisz ją jako V150. Oszczędź V150, wartość napięcia odczytana przy temperaturze 0.
3) Oblicz aktualny współczynnik wzmocnienia: Io = (V150 – V50) / rupii; ocal Mnie, oznacza to, że kalibracja została wykonana.
4) Gdy rezystancja wejściowa wynosi R, odczytane napięcie wynosi Vo, wtedy R = (Vo- V50) / Io
Poprzez powyższy opis, Kalibracja oprogramowania ma ogromne zalety, nie tylko wygodna produkcja, ale także dużą dokładność. W celu poprawy dokładności, napięcie wyjściowe można również podzielić na kilka przedziałów, kalibrowany oddzielnie, i można uzyskać różne Io, tak, że liniowość wyjściowa będzie lepsza. Idee te znajdują odzwierciedlenie w moim projekcie.

Projekt obwodu OP AMP MCP604

5. Oblicz temperaturę
Gdy temperatura jest niższa niż 0,
R0*C*t^4 – 100R0*C*t^3 + R0*B*t^2 + R0*A*t + R0 – Rt=0
Gdy temperatura jest większa lub równa 0, Rt=R0*(1+A*t+B*t*t)
Opis:
Rt jest wartością rezystancji rezystora platynowego w temperaturze t℃
R0 to wartość rezystancji rezystora platynowego przy 0℃ 100Ω
A=3,9082×10^-3
B=-5,80195×10^-7
C=-4,2735×10^-12

6. Czujnik temperatury Pt100
Czujnik temperatury Pt100 jest czujnikiem termistorowym o dodatnim współczynniku temperaturowym, a jego główne parametry techniczne są następujące:
1) Zakres temperatury pomiaru: -200℃ ~ +850 ℃;
2) Dopuszczalna wartość odchylenia Δ℃: Stopień A ±(0.15+0.002|T|), Stopień B ±(0.30+0.005|T|);
3) Minimalna głębokość wprowadzenia: Minimalna głębokość włożenia rezystora termicznego wynosi ≥200 mm;
4) Dopuszczalny prąd: < 5mama;
5) Czujnik temperatury Pt100 ma również zalety odporności na wibracje, Dobra stabilność, Wysoka dokładność, i wysokie ciśnienie. Platynowy rezystor termiczny ma dobrą liniowość. Podczas zmiany pomiędzy 0 I 100 stopnie Celsjusza, maksymalne odchylenie nieliniowe jest mniejsze niż 0,5 ℃;
Kiedy temperatura < 0, R0*C*t^4 – 100R0*C*t^3 + R0*B*t^2 + R0*A*t + R0 – Rt=0
Gdy temperatura ≥ 0, Rt= R0*(1+A*t+B*t*t)
Zgodnie z powyższą zależnością, przybliżony zakres rezystancji wynosi: 18Ω ~ 390,3 Ω, -197℃ wynosi 18 Ω, 850Ω wynosi 390,3 Ω;
Opis:
Rt jest wartością rezystancji rezystora platynowego w temperaturze t℃, R0 to wartość rezystancji rezystora platynowego przy 0℃, 100Oh
A=3,9082×10^-3, B=-5,80195×10^-7, C=-4,2735×10^-12
Instrukcja obsługi platynowego czujnika temperatury metalu PT100
6) Projekt obwodu
7) Zależność temperatury i rezystancji PT100
Temperatura i rezystancja PT100 spełniają następujące równanie:
Gdy temperatura ≤0, R0*C*t^4 – 100*R0*C*t^3 + R0*B*t^2 + R0*A*t + R0 – Rt=0
Gdy temperatura ≥0, R0*B*t^2 + R0*A*t + R0 – Rt =0

Tabela porównawcza temperatury i rezystancji PT100

Opis:
Rt jest wartością rezystancji rezystora platynowego w temperaturze t℃, R0 to wartość rezystancji rezystora platynowego przy 0℃, 100Oh
A=3,9082×10^-3, B=-5,80195×10^-7, C=-4,2735×10^-12

1. Dla wygody obliczeń, gdy temperatura wynosi ≤0, pozwalać:
podwójne a=R0*C*100000=100*(-4.2735×10^-12)*100000=-4,2735/100000
podwójne b=–100*R0*C*100000=-100*100*(-4.2735×10^-12)*100000=4,2735/1000
podwójne c= R0*B*100000=100*(-5.80195×10^-7)*100000=-5,80195
podwójne d=R0*A*100000=100*(3.9082×10^-3)*100000=39082
podwójne e= (100-Rt)*100000
Gdy temperatura ≤ 0, a*t^4 + b*t^3 + c*t^2 + d*t + e=0
gdzie x3 jest rozwiązaniem PT100, gdy jest ono mniejsze niż 0℃.

2. Dla ułatwienia obliczeń, gdy temperatura jest większa lub równa 0
podwójne a= R0*B*100000=100*(-5.80195×10^-7)*100000=-5,80195
podwójne b=R0*A*100000=100*(3.9082×10^-3)*100000=39082
podwójne c= (100-Rt)*100000
Gdy temperatura wynosi ≥0, a*t^2 + b*t + c =0
t = [ KWRT( nocleg ze śniadaniem – 4*a*c )-B ] / 2 / A
19.785Ω odpowiada -197℃, temperatura ciekłego azotu
18.486Ω odpowiada -200℃
96.085Ω odpowiada -10℃
138.505Ω odpowiada 100℃
175.845Ω odpowiada 200℃
247.045Ω odpowiada 400℃