Sistema de medição de temperatura do sensor de resistência térmica PT100

2-arame, 3-fio ou 4 fios pt100, Pt500, Os sensores PT1000 são sensores de temperatura com base em elementos de platina com alta precisão, estabilidade e linearidade, e são amplamente utilizados em campos que requerem medição precisa de temperatura. UM “Sistema de medição de temperatura do resistor térmico PT100” refere -se a um sistema que usa um sensor PT100, um tipo de detector de temperatura de resistência (IDT), Para medir a temperatura detectando mudanças em sua resistência elétrica que são diretamente proporcionais à temperatura; “Pt” significa platina, e “100” indica que o sensor tem uma resistência de 100 ohms a 0 ° C, tornando -o um método altamente preciso e estável para medição de temperatura em uma ampla faixa.

Resistores de platina são amplamente utilizados na faixa de temperatura média (-200~650℃). Atualmente, existem resistores térmicos de medição de temperatura padrão feitos de metal platina no mercado, como Pt100, Pt500, Pt1000, etc..

Entenda o princípio de trabalho do PT100: PT100 é um sensor de temperatura do resistor de PT. O princípio de trabalho é baseado no efeito térmico do resistor. Seu valor de resistência muda com a mudança de temperatura. Esta mudança é linear. Em 0 ℃, O valor de resistência do PT100 é 100 ohms. À medida que a temperatura aumenta, O valor de resistência também aumenta de acordo, Portanto, a temperatura pode ser inferida com precisão medindo o valor da resistência.

Sistema de medição de temperatura Classe A PT100 de 4 fios de alta precisão

2-Wire Pt100 Platinum Resistência à temperatura Sistema de medição de temperatura de controle de temperatura

3-Sistema de medição de temperatura do sensor térmico do resistor térmico PT100

Escolha o método de fiação apropriado: Geralmente, 2-arame, 3-Os métodos de fiação de arame ou 4 fios podem ser usados.

A saída do sinal de tensão pela ponte

Pontos -chave sobre um sistema PT100:
Princípio do sensor:
O sensor PT100 é feito de um fio de platina cuja resistência elétrica muda previsivelmente com flutuações de temperatura.

Método de medição:
Quando uma corrente é passada pelo PT100, A queda de tensão através do sensor é medida, que é então convertido em temperatura com base na relação conhecida entre resistência e temperatura.

Ampla aplicação:
Os sensores PT100 são comumente usados ​​em processos industriais, laboratórios, e outras aplicações em que a medição precisa da temperatura é necessária devido à sua alta precisão e estabilidade.

Componentes de um sistema PT100:
Sonda de sensor PT100:
O elemento de detecção real, normalmente um fio de platina enrolado em um núcleo de cerâmica, que é inserido no ambiente a ser medido.

Circuito de condicionamento de sinal:
Eletrônicos que amplificam e convertem a pequena mudança de resistência do PT100 em um sinal de tensão mensurável.

Sistema de exibição ou aquisição de dados:
Dispositivo que exibe a temperatura medida ou armazena os dados para análise.

Benefícios do uso de um sistema PT100:
Alta precisão:　Considerado um dos sensores de temperatura mais precisos disponíveis.
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 muito linear, facilitando a interpretação de dados fácil.
Estabilidade:　A platina é um material muito estável, garantindo leituras consistentes ao longo do tempo.

Tabela de indexação de resistência térmica PT100

Os três métodos de fiação do resistor Pt100 Platinum são diferentes em princípio: 2-Os fios e 3 fios são medidos pelo método da ponte, e a relação entre o valor da temperatura e o valor de saída analógica é apresentada no final. 4-fio não tem ponte. É completamente enviado por fonte de corrente constante, medido por voltímetro, e finalmente fornece o valor de resistência medido, o que é difícil e caro de usar.
Porque o PT100 tem um pequeno valor de resistência e alta sensibilidade, O valor de resistência do fio de chumbo não pode ser ignorado. O uso da conexão de 3 fios pode eliminar o erro de medição causado pela resistência à linha de chumbo.
O sistema de 2 fios tem baixa precisão de medição; O sistema de 3 fios tem melhor precisão; O sistema de 4 fios tem alta precisão de medição, mas requer mais fios.

Precisamos conhecer apenas o estado de temperatura do PT100 com base na saída do sinal de tensão pela ponte. Quando o valor de resistência do PT100 não é igual ao valor de resistência do RX, A ponte gera um sinal de pressão diferencial, que é muito pequeno. Como o sinal de saída do sensor de temperatura é geralmente muito fraco, É necessário um circuito de condicionamento e conversão de sinal para ampliá -lo ou convertê -lo em um formulário fácil de transmitir, processo, gravar e exibir. A ligeira mudança na quantidade de sinal medida precisa ser convertida em um sinal elétrico. Ao amplificar o sinal DC, A tensão auto-eliminada e desequilibrada do amplificador operacional não pode ser ignorado ao passar pelo amplificador operacional. Após a amplificação, Um sinal de tensão do tamanho desejado pode ser emitido.
O valor de resistência do resistor de platina pode ser obtido pelo cálculo do circuito ou medição multímetro. Quando conhecemos o valor de resistência do PT100, Podemos medir e calcular a temperatura pelo valor de resistência.

Use algoritmos apropriados para processamento de dados: Use a relação de temperatura e resistência conhecida para calcular a temperatura através da programação. Considerando que a relação resistência à temperatura do PT100 não é linear, especialmente em áreas de baixa ou alta temperatura, Algoritmos mais complexos podem ser necessários para melhorar a precisão.

Impacto de fatores ambientais: O desempenho pode ser afetado por fatores ambientais, como interferência eletromagnética, vibração mecânica, e umidade.

Existem três métodos de cálculo de medição de temperatura comuns:
Método de cálculo de medição de temperatura 1:
Quando a temperatura exata não é necessária, A temperatura aumentará em 2,5 ℃ para cada aumento de ohm no valor de resistência do resistor térmico PT100 (usado em baixas temperaturas). O valor de resistência do sensor de temperatura PT100 é 100 Quando é 0 ℃, Portanto, a temperatura aproximada neste momento = (PT100 Valor de resistência-100)*2.5.

Método de cálculo de medição de temperatura 2:
Relação entre o valor de resistência e a temperatura do resistor de platina

Na faixa de 0 ～ 850 ℃: Rt = r0(1+AT+BT2);

Na faixa de -200 ～ 0 ℃: Rt = r0[1+AT+BT2+c(t-100)3];

RT representa o valor de resistência do resistor de platina na temperatura t ℃;

R0 representa o valor de resistência do resistor de platina à temperatura 0 ℃;

UM, B, C são constantes, A = 3,96847 × 10-3/℃; B = -5,847 × 10-7/℃; C = -4,22 × 10-12/℃;

Para o resistor térmico que atende ao relacionamento acima, Seu coeficiente de temperatura é de cerca de 3,9 × 10-3/℃.

Através da fórmula acima, A temperatura pode ser resolvida com precisão de acordo com o valor de resistência, mas devido à grande quantidade de cálculo deste método, não é recomendado para este experimento.

Método de cálculo de temperatura três:
O PT100 tem uma boa relação linear com a temperatura e é adequada para medição de temperatura média e baixa temperatura. O valor de resistência do PT100 em diferentes temperaturas tem uma escala de medição correspondente individual, como mostrado na figura abaixo, que podem exibir intuitivamente a relação correspondente entre diferentes temperaturas e o valor de resistência de Pt100.
A temperatura pode ser conhecida verificando o valor de resistência correspondente através da escala PT100.

Escala de resistor térmico PT100

O dispositivo de medição de temperatura PT100 projetado neste artigo usa o amplificador operacional de quatro vias de baixo custo usado para concluir o projeto do circuito de fonte de alimentação do dispositivo e o circuito de amplificador de instrumento de três operações.

1.1 Circuito de fonte de tensão

Circuito de fonte de tensão do sensor de resistor térmico PT100

O circuito na figura 1 é um circuito operacional proporcional comum. De acordo com a análise do amplificador operacional ideal que trabalha na região linear, De acordo com o princípio da interrupção curta e virtual virtual, é obtido:

Fórmula do circuito de cálculo da ponte Wheatstone

​, então o fator de amplificação de tensão de circuito fechado é 2 vezes, e então v = 10V é obtido, e é usado como a tensão estável da fonte de alimentação do circuito da ponte Wheatstone.

1.2 Conexão de três fios da Wheatstone Bridge e Pt100.
A figura acima é uma ponte de Wheatstone. A condição para a ponte ser equilibrada é que os potenciais dos pontos B e D são iguais. Então, quando a ponte é equilibrada, Enquanto R1, R2 (Valores geralmente fixos) e r0 (Valores geralmente ajustáveis) são lidos, O Rx de resistência a ser medido pode ser obtido. R1/r2 = m, chamado “multiplicador”.

Wheatstone Bridge e Pt100 Método de conexão de três fios

De acordo com o princípio de medição de temperatura PT100, O valor de resistência do PT100 precisa ser conhecido corretamente, Mas o valor de resistência não pode ser medido diretamente, Portanto, é necessário um circuito de conversão. O valor de resistência é convertido em um sinal de tensão que pode ser detectado pelo microcontrolador”. O circuito da ponte Wheatstone é um instrumento que pode medir corretamente a resistência. Como mostrado na figura 2, R1, R2, R3, e R4 são seus braços de ponte, respectivamente. Quando a ponte é equilibrada, R1xr3 = r2xr4 é satisfeito. Quando a ponte está desequilibrada, Haverá uma diferença de tensão entre os pontos A e B. De acordo com a tensão dos pontos A e B, a resistência correspondente pode ser calculada. Este é o princípio de medir a resistência com uma ponte desequilibrada:

Método de conexão de circuito de três fios PT100

Na verdade, Devido à pequena resistência e alta sensibilidade do PT100, A resistência do fio de chumbo causará erros. Portanto, O método de conexão de três fios é frequentemente usado na indústria para eliminar este erro. Como mostrado na parte pontilhada da figura 2, O valor de resistência ao fio de chumbo é igual e é r. Neste momento, os braços da ponte se tornam r, R, R+2r, e RT+2r. Quando a ponte é equilibrada: R2. (R1+2r) = R1.(R3+2r), resolvido: Rt = r1r3/ r2+2 r1r/ r2- 2r. A análise mostra que quando R1 = R2, A mudança na resistência ao fio não tem efeito no resultado da medição.

1.3 Circuito de amplificador de instrumentação de três OP-AMP
Quando a temperatura muda de 0 ℃ ~ 100 ℃, A resistência do PT100 muda aproximadamente linearmente na faixa de 100Ω ~ 138,51Ω. De acordo com o circuito da ponte acima, A ponte é equilibrada em 0 ℃, Portanto, o valor teórico da tensão de saída da ponte deve ser 0 V, e quando a temperatura é 100 ℃, a saída da ponte é: Uab = u7x(R1/(R1+ R2)-R3/(R2 + R3)), aquilo é, UAB = 10x(138.51/(10000 + 138.51)-100/(10000 + 100)) = 0,037599V. Como este é um sinal de milivolt, É necessário ampliar esta tensão para torná -la detectável pelo chip de anúncios.

Como mostrado na figura 3, O amplificador de instrumentação é um dispositivo que amplifica pequenos sinais em um ambiente barulhento. Tem uma série de vantagens como a baixa deriva, baixo consumo de energia, alta taxa de rejeição de modo comum, ampla gama de fonte de alimentação e tamanho pequeno. Ele usa as características de pequenos sinais diferenciais sobrepostos em sinais maiores de modo comum, que podem remover sinais de modo comum e amplificar sinais diferenciais ao mesmo tempo. A tensão de saída do circuito de amplificador de instrumentação de três OP-Op é, Aqui r8 = r10 = 20 kΩ, R9 = r11 = 20 kΩ, R4 = r7 = 100kΩ, que pode ampliar o sinal de tensão de entrada por cerca de 150 vezes, para que a tensão de saída teórica da ponte possa ser amplificada para 0 ~ 2,34 v. Mas este é apenas um valor teórico. No processo real, Existem muitos fatores que podem causar mudanças de resistência. Portanto, R3 pode ser substituído por um resistor ajustável de precisão para facilitar o circuito zero.

Circuito de amplificador de instrumento AMP do sensor PT100 de três opções

2. Design de software

2.1 Método de mínimos quadrados e ajuste linear PT100

Na faixa de temperatura de 0 ℃ ≤t≤850 ℃, A relação entre a resistência e a temperatura do PT100 é: R = 100 (1 +AT+BT2), onde a = 3.90802x 10-3; B =- -5.80x 10-7; C = 4,2735 x 10-12

Pode -se observar que a resistência do PT100 e a temperatura não são um relacionamento linear absoluto, mas uma parábola. Portanto, Se t deve ser extraído, Uma operação de raiz quadrada é necessária, que introduz uma operação de função mais complexa e ocupa uma grande quantidade de recursos da CPU do microcomputador de chip único. Para resolver este problema, Podemos usar o método dos mínimos quadrados para ajustar linearmente a relação entre temperatura e resistência. ” O ajuste da curva de mínimos quadrados é um método comum para processamento experimental de dados. Seu princípio é encontrar uma função polinomial para minimizar a soma dos erros quadrados com os dados originais.

2.2 Temperatura de conversão digital de anúncio
O princípio de medição de temperatura PT100 é obter o valor da temperatura com base em seu valor de resistência, Portanto, o valor de resistência do resistor térmico deve ser determinado primeiro. De acordo com o circuito de hardware, A relação entre a tensão de saída UAB do circuito da ponte e a tensão de saída UAD do circuito de amplificador de instrumento do amplificador op é: Acenar = jav. AUF porque o sistema usa um chip de anúncios de 12 bits, A relação entre a quantidade digital e a quantidade analógica é: UAD/AD = 5/4096. A relação entre a tensão de saída da ponte e o anúncio de quantidade digital pode ser obtida combinando as duas equações anteriores, aquilo é, UAD/AD = 5/(4096Sobre). Então, É substituído na expressão de tensão de saída da ponte uab = u7x (Rt/ (R1+rt) -R3/ (R2+R3) ), e a expressão de RR e o anúncio de quantidade digital pode ser obtida. A solução é:

Fórmula de temperatura de conversão digital de anúncio

Depois de conhecer o valor de resistência do PT100, O valor de temperatura correspondente pode ser obtido de acordo com a equação de ajuste linear na seção 2.1.

2.3 Filtragem digital de chip único
Para melhorar a precisão da medição de temperatura do PT100, Um programa de filtragem digital pode ser adicionado na programação de software, que não requer a adição de circuitos de hardware e pode melhorar a estabilidade e a confiabilidade do sistema. Existem muitos métodos de filtragem no sistema de aplicação de microcomputador de chip único. Ao fazer uma seleção específica, As vantagens e desvantagens do método de filtragem e os objetos aplicáveis ​​devem ser analisados ​​e comparados, de modo a selecionar o método de filtragem apropriado. O algoritmo do método médio de filtragem média é primeiro coletar continuamente os dados n, Em seguida, remova um valor mínimo e um valor máximo, e finalmente calcule a média aritmética dos dados restantes. Este método de filtragem é adequado para medir parâmetros que mudam lentamente, como temperatura, e pode efetivamente reduzir a interferência causada por flutuações causadas por fatores acidentais ou erros causados ​​pela instabilidade do amostrador.

Processo de trabalho do sistema:
Quando a temperatura do objeto está sendo medida as mudanças, A resistência das mudanças de PT100, e a ponte Wheatstone produzirá um sinal de tensão correspondente. Este sinal é uma função da resistência do PT100. Este sinal de milivolt é amplificado por um amplificador de instrumentação de três operações e enviado para o chip de anúncios, que converte a quantidade analógica em uma quantidade digital e é lida pelo microcontrolador. O microcontrolador lê o chip do chip de anúncios e executa o programa de filtragem, convertendo a quantidade digital estável em resistência de pt100 através do cálculo. Em seguida, o microcontrolador selecionará o modelo linear ajustado correspondente de acordo com o tamanho do valor da resistência para calcular o valor da temperatura atual, e finalmente exibir os dados de temperatura na tela LCD.