Aquisição de temperatura de 2, 3, e sensores de temperatura PT100 de 4 fios

O artigo apresenta como 2, 3, e sensores PT100 de 4 fios são convertidos em sinais de tensão por meio de alterações de resistência, e uma fonte de corrente constante é usada para proteger o sensor e garantir a precisão da conversão do sinal. Um sensor PT100 adquire temperatura medindo a mudança em sua resistência elétrica, que se correlaciona diretamente com a temperatura a que está exposto; à medida que a temperatura aumenta, a resistência do elemento de platina dentro do sensor também aumenta, permitindo um cálculo preciso da temperatura com base nesta mudança de resistência; essencialmente, o “100” em PT100 significa que o sensor tem uma resistência de 100 ohms a 0°C, e este valor muda previsivelmente com as flutuações de temperatura. A aplicação do amplificador operacional MCP604 no projeto de circuitos enfatiza o impacto de suas características, como baixa tensão de deslocamento de entrada e corrente de polarização, na precisão. A calibração de software é usada para melhorar a precisão no projeto de circuitos, evitando a inconveniência do ajuste físico. Finalmente, o artigo fornece a fórmula da relação entre temperatura e valor de resistência à platina, que é usado para calcular o valor da temperatura.

Projeto de aquisição de temperatura do sensor de temperatura PT100 de 2 fios

Aquisição de temperatura do sensor de temperatura PT100 de 3 fios personalizado da China

Aquisição de temperatura do sensor de temperatura PT100 de 4 fios

Pontos-chave sobre aquisição de temperatura PT100:
Detector de temperatura de resistência (IDT):
PT100 é um tipo de RTD, o que significa que mede a temperatura detectando mudanças em sua resistência elétrica.
Elemento platina:
O elemento sensor em um PT100 é feito de platina, que exibe uma relação muito estável e linear entre resistência e temperatura.
Processo de medição: O sensor é colocado no ambiente onde a temperatura precisa ser medida.
A resistência do elemento de platina é medida usando um circuito eletrônico dedicado.
O valor de resistência medido é então convertido em temperatura usando uma fórmula matemática baseada no coeficiente de temperatura conhecido da platina..

Vantagens dos sensores PT100:
Alta precisão: Considerado um dos sensores de temperatura mais precisos disponíveis devido ao comportamento estável da platina.
Ampla faixa de temperatura:　Pode medir as temperaturas de -200 ° C a 850 ° C, dependendo do design do sensor.
Boa linearidade: A relação entre resistência e temperatura é relativamente linear, simplificando a interpretação de dados.

Considerações importantes:
Calibração: Para garantir medições precisas, Os sensores PT100 precisam ser calibrados regularmente em relação a um padrão de referência.
Resistência do fio condutor: A resistência dos fios de conexão pode afetar a precisão da medição, portanto, muitas vezes é necessária uma consideração adequada da compensação do fio condutor.
Adequação do aplicativo: Embora altamente preciso, Os sensores PT100 podem não ser adequados para ambientes extremamente agressivos ou aplicações que exigem tempos de resposta muito rápidos.

1. Princípios básicos de aquisição de sinal
PT100 converte sinais de temperatura em saídas de resistência, e seu valor de resistência varia de 0 para 200Ω. O conversor AD só pode converter tensão e não pode coletar diretamente a temperatura. Portanto, uma fonte de corrente constante de 1mA é necessária para alimentar o PT100 e converter alterações de resistência em alterações de tensão. A vantagem de usar uma fonte de corrente constante é que ela pode prolongar a vida útil do sensor. Como a faixa do sinal de entrada é 0 a 200mV, o sinal precisa ser amplificado e depois convertido em AD para obter dados de sinal elétrico.

Razões para não usar projeto de fonte de tensão constante:

Se uma fonte de tensão constante for usada para fonte de alimentação, e então o resistor e o PT100 são conectados em série, e a tensão é dividida, há um problema. Quando a resistência do PT100 é muito pequena, a corrente que flui através do PT100 é muito grande, resultando em uma vida útil mais curta do sensor.

2. O amplificador operacional usa MCP604
Recursos do MCP604:
1) A faixa de tensão é 2,7 ~ 6,0 V
2) A saída é Rail-to-Rail
3) Faixa de temperatura operacional: -40°C a +85°C
4) A tensão de deslocamento de entrada é ±3mV, o valor típico é 1mV, alta sensibilidade.
5) A corrente de polarização de entrada é 1pA, quando TA = +85°C, I = 20pA, melhora a precisão da aquisição.
6) Oscilação de tensão de saída linear: VSS+0,1 ~ VDD–0,1, unidade é V.

Quando a tensão da fonte de alimentação é 3,3V, a oscilação linear da tensão de saída é de 0,1 ~ 3,2 V. Para garantir que o sinal amplificado funcione na região linear, quando VDD=3,3V, definimos a tensão de saída do MCP604 para permanecer em: 0.5V ~ 2,5 V para atender aos requisitos do projeto do circuito de amplificador operacional.

O amplificador operacional no livro de eletrônica analógica é um amplificador operacional ideal, que é diferente do amplificador real. Portanto, é necessário considerar “tensão de deslocamento de entrada”, “corrente de polarização de entrada” e “oscilação de tensão de saída linear” ao projetar.

3. Diagrama de circuito
R11 na figura é um circuito de polarização para evitar que o último estágio da saída do amplificador diferencial sofra distorção de saturação.
1) Selecione um fator de amplificação adequado para reduzir o erro de saída. Devido à existência de tensão de deslocamento de entrada, quando o fator de amplificação aumenta, o erro de saída também aumentará, que deve ser considerado no projeto.
2) O fator de amplificação deste circuito é 10. Supondo que a tensão de deslocamento de entrada típica seja 3mV, se o sinal de entrada mudar para 5mV, 2mV não será amplificado, o que produzirá um erro de saída de 20mV.

Amplificador operacional detector de temperatura PT100 usando diagrama de circuito MCP604

Vo4 = (Vin1 – Vref)*10
I = 1mA, Vref=Vo3=1,65V
1.7V<=Vin<=1,9 V, 1.7V<=V02<=1,9
1.8V<=Vo1<=2V, garantir que o amplificador operacional funcione na região linear, isso é muito importante
0.5V<= Vo4<=2,5V, garantir que o amplificador operacional funcione na região linear, é por isso que 50Ω é necessário em série.

Quando a resistência de entrada muda em 1Ω, Vout muda para 10mV. Como a tensão de compensação de entrada do MCP604 é de ±3mV, quando há uma mudança de 0,3333Ω, haverá uma mudança de 3.333mV, e a sensibilidade de aquisição é alta.
Quando 0<= Rin<= entrada de 200Ω, já que o loop está conectado em série com 50Ω, 50Oh<=Rx<=250Ω
Vin1 – Vref = Rx*0,001, unidade A

4. Calibração de software
Novos engenheiros sempre tentam melhorar a precisão dos resistores, mas o erro ainda é grande. Alguns engenheiros simplesmente usam resistores continuamente ajustáveis, ajustar seus valores de resistência, e use multímetros para fazer com que a saída atenda à relação de transferência. Esta precisão parece ser melhorada, mas não é conveniente para produção, e a dificuldade do projeto de PCB também aumenta. Mesmo que a depuração seja feita, se o parafuso de ajuste for tocado manualmente, isso pode causar erros. A única maneira é usar resistores fixos para produção e usar software para ajudar a obter uma calibração precisa.
1) Quando Rin = 0, leia um valor de tensão e registre-o como V50. Salve V50, não mudará com a mudança do valor da resistência do PT100 porque é alimentado por uma fonte de corrente constante.
2) Conecte o resistor nominal, deixe Rs = 100Ω, leia um valor de tensão e registre-o como V150. Salve V150, o valor da tensão lido quando a temperatura é 0.
3) Calcule o fator de amplificação atual: Eu = (V150 – V50) / R$; salve-me, significa que a calibração foi feita.
4) Quando a resistência de entrada é R, a tensão lida é Vo, então R = (Vô- V50) / Eu
Através da descrição acima, calibração de software tem grandes vantagens, não apenas produção conveniente, mas também alta precisão. Para melhorar a precisão, a tensão de saída também pode ser dividida em vários intervalos, calibrado separadamente, e diferentes Io podem ser obtidos, para que a linearidade da saída seja melhor. Essas ideias estão refletidas no meu design.

Projeto de circuito OP AMP MCP604

5. Calcular temperatura
Quando a temperatura for inferior a 0,
R0*C*t^4 – 100R0*C*t^3 + R0*B*t^2 + R0*A*t + R0 – Rt=0
Quando a temperatura for maior ou igual a 0, Rt=R0*(1+A*t+B*t*t)
Descrição:
Rt é o valor da resistência do resistor de platina em t℃
R0 é o valor da resistência do resistor de platina em 0℃ 100Ω
UMA=3,9082×10^-3
B=-5,80195×10^-7
C=-4,2735×10^-12

6. Sensor de temperatura Pt100
O sensor de temperatura Pt100 é um sensor termistor de coeficiente de temperatura positivo, e seus principais parâmetros técnicos são os seguintes:
1) Faixa de temperatura de medição: -200℃ ~ +850 ℃;
2) Valor de desvio permitido Δ℃: Grau A ±(0.15+0.002|t|), Grau B ±(0.30+0.005|t|);
3) Profundidade mínima de inserção: A profundidade mínima de inserção do resistor térmico é ≥200mm;
4) Corrente permitida: < 5mA;
5) O sensor de temperatura Pt100 também tem as vantagens da resistência à vibração, boa estabilidade, alta precisão, e alta pressão. O resistor térmico de platina tem boa linearidade. Ao mudar entre 0 e 100 graus Celsius, o desvio não linear máximo é inferior a 0,5 ℃;
Quando a temperatura < 0, R0*C*t^4 – 100R0*C*t^3 + R0*B*t^2 + R0*A*t + R0 – Rt=0
Quando a temperatura ≥ 0, Rt = R0*(1+A*t+B*t*t)
De acordo com a relação acima, a faixa de resistência aproximada é: 18Ω~390,3Ω, -197℃ é 18Ω, 850Ω é 390,3Ω;
Descrição:
Rt é o valor da resistência do resistor de platina em t℃, R0 é o valor da resistência do resistor de platina a 0 ℃, 100Oh
UMA=3,9082×10^-3, B=-5,80195×10^-7, C=-4,2735×10^-12
Manual de instruções do sensor de temperatura de metal platina PT100
6) Projeto de circuito
7) Relação entre temperatura e resistência do PT100
A temperatura e a resistência do PT100 satisfazem a seguinte equação:
Quando a temperatura ≤0, R0*C*t^4 – 100*R0*C*t^3 + R0*B*t^2 + R0*A*t + R0 – Rt=0
Quando a temperatura ≥0, R0*B*t^2 + R0*A*t + R0 – Rt=0

Tabela de comparação de temperatura e resistência PT100

Descrição:
Rt é o valor da resistência do resistor de platina em t℃, R0 é o valor da resistência do resistor de platina a 0 ℃, 100Oh
UMA=3,9082×10^-3, B=-5,80195×10^-7, C=-4,2735×10^-12

1. Para conveniência de cálculo, quando a temperatura é ≤0, deixar:
duplo a=R0*C*100000=100*(-4.2735×10^-12)*100000=-4,2735/100000
duplo b=–100*R0*C*100000=-100*100*(-4.2735×10^-12)*100000=4,2735/1000
duplo c= R0*B*100000=100*(-5.80195×10^-7)*100000=-5,80195
duplo d=R0*A*100000=100*(3.9082×10^-3)*100000=39082
duplo e= (100-Rt)*100000
Quando a temperatura ≤ 0, a*t^4 + vadia ^ 3 + c*t^2 + D*t + e=0
onde x3 é a solução de PT100 quando é menor que 0℃.

2. Para facilitar o cálculo, quando a temperatura for maior ou igual a 0
duplo a= R0*B*100000=100*(-5.80195×10^-7)*100000=-5,80195
duplo b=R0*A*100000=100*(3.9082×10^-3)*100000=39082
duplo c = (100-Rt)*100000
Quando a temperatura é ≥0, a*t^2 + vadia + c=0
t = [ QUADRADO( amor – 4*a*c )-b ] / 2 / um
19.785Ω corresponde a -197℃, a temperatura do nitrogênio líquido
18.486Ω corresponde a -200℃
96.085Ω corresponde a -10℃
138.505Ω corresponde a 100℃
175.845Ω corresponde a 200℃
247.045Ω corresponde a 400℃