Rezistoare și circuite ale sondelor cu senzori cu rezistoare termice metalice PT100 și PT1000

Un circuit de achiziție a temperaturii pentru o sondă de senzor PT100 sau PT1000 constă de obicei dintr-o sursă de curent stabilă pentru a excita senzorul, un circuit de măsurare a rezistenței de înaltă precizie pentru a detecta modificarea rezistenței cu temperatura, și un convertor analog-digital (ADC) pentru a converti tensiunea măsurată într-un semnal digital care poate fi procesat de un microcontroler sau de un sistem de achiziție de date; diferența cheie dintre un circuit PT100 și PT1000 este scara valorilor rezistenței datorită faptului că Pt100 are o rezistență nominală de 100 ohmi la 0°C în timp ce un Pt1000 are 1000 ohmi la 0°C, necesitând adesea ajustări în circuitul de măsurare în funcție de precizia și aplicația dorită.

Articolul prezintă schimbarea rezistenței sondelor cu senzori cu rezistență termică metalică PT100 și PT1000 la diferite temperaturi, precum și o varietate de soluții de circuit de achiziție a temperaturii. Inclusiv diviziunea tensiunii de rezistență, măsurarea podului, sursă de curent constant și AD623, Circuit de achiziție AD620. Pentru a rezista la interferențe, în special interferenţa electromagnetică în câmpul aerospaţial, este propus un design de circuit de achiziție al senzorului de temperatură PT1000 aeropurtat, inclusiv un filtru de tip T pentru filtrarea și îmbunătățirea preciziei măsurătorilor.
Rezumat generat de CSDN prin tehnologie inteligentă

PT100 Senzor cablu de temperatura pentru masurarea precisa a temperaturii in containere, rezervoare si conducte

Sondă senzor de temperatură T100 cablu de temperatură înaltă -50~260

Senzor de temperatură cu rezistență din platină PT100 pentru temperatura suprafeței transmițătorului

Soluție de circuit de achiziție a temperaturii PT100/PT1000
1. Tabelul de modificare a rezistenței la temperatură a senzorilor PT100 și PT1000
Rezistențe termice metalice, cum ar fi nichelul, rezistențele de cupru și platină au o corelație pozitivă cu schimbarea temperaturii. Platina are cele mai stabile proprietăți fizice și chimice și este cel mai utilizat pe scară largă. Intervalul de măsurare a temperaturii sondelor senzorului Pt100 cu rezistență de platină utilizate în mod obișnuit este de -200~850℃, iar intervalele de măsurare a temperaturii de Pt500, Sonde senzor Pt1000, etc. sunt reduse succesiv. Pt1000, intervalul de măsurare a temperaturii este de -200~420℃. Conform standardului internațional IEC751, caracteristicile de temperatură ale rezistenței de platină Pt1000 îndeplinesc următoarele cerințe:

Curba caracteristică a temperaturii Pt1000

Conform curbei caracteristice de temperatură Pt1000, panta curbei caracteristice de rezistență se modifică ușor în intervalul normal de temperatură de funcționare (Așa cum se arată în figura 1). Relația aproximativă dintre rezistență și temperatură poate fi obținută prin potrivire liniară:

PT100 Tabelul de schimbare a rezistenței la temperatură 1

2. Soluții de circuit de achiziție utilizate în mod obișnuit

2. 1 Rezistor de ieșire divizor de tensiune 0 ~ 3,3 V/3 V tensiune analogică un singur cip AD achiziție directă
Intervalul de ieșire a tensiunii circuitului de măsurare a temperaturii este de 0 ~ 3,3 V, PT1000 (Valoarea rezistenței PT1000 se modifică foarte mult, iar sensibilitatea de măsurare a temperaturii este mai mare decât PT100; PT100 este mai potrivit pentru măsurarea temperaturii la scară largă).

Cea mai simplă modalitate este de a folosi metoda divizării tensiunii. Tensiunea este generată de cipul sursei de referință de tensiune TL431, care este o sursă de referință de tensiune de 4V. Alternativ, REF3140 poate fi folosit pentru a genera 4.096V ca sursă de referință. Cipurile sursă de referință includ și REF3120, 3125, 3130, 3133, și 3140. Cipul folosește un pachet SOT-32 și o tensiune de intrare de 5V. Tensiunea de ieșire poate fi selectată în funcție de tensiunea de referință necesară. Desigur, conform intervalului normal de intrare de tensiune al portului AD al microcontrolerului, nu poate depăși 3V/3.3V.

Achiziție directă a circuitului portului AD cu un singur cip PT100

2.2 Diviziunea tensiunii rezistoarelor de ieșire 0 ~ 5V tensiune analogică, iar portul AD al microcontrolerului îl colectează direct.
Desigur, unele circuite sunt alimentate de un microcontroler de 5V, iar curentul maxim de funcționare al PT1000 este de 0,5 mA, deci trebuie utilizată o valoare de rezistenţă adecvată pentru a asigura funcţionarea normală a componentei.
De exemplu, 3,3V din diagrama schematică a diviziunii tensiunii de mai sus este înlocuit cu 5V. Avantajul acestui lucru este că diviziunea de tensiune de 5V este mai sensibilă decât tensiunea de 3,3V, iar colecția este mai precisă. Ține minte, tensiunea de ieșire calculată teoretic nu poate depăși +5V. Altfel, microcontrolerul va fi deteriorat.

2.3 Cea mai des folosită măsurătoare de punte

Circuitul divizor de tensiune al PT100 produce o tensiune analogică de 0 ~ 5V

Folosiți R11, R12, R13 și Pt1000 pentru a forma o punte de măsurare, unde R11=R13=10k, R12=1000R rezistență de precizie. Când valoarea rezistenței lui Pt1000 nu este egală cu valoarea rezistenței lui R12, puntea va scoate un semnal de diferență de tensiune de nivel mV. Acest semnal de diferență de tensiune este amplificat de circuitul amplificator al instrumentului și emite semnalul de tensiune dorit, care poate fi conectat direct la cipul de conversie AD sau la portul AD al microcontrolerului.

Principiul de măsurare a rezistenței acestui circuit:

1) PT1000 este un termistor, iar rezistența sa se modifică practic liniar odată cu schimbarea temperaturii.

2) La 0 grade, rezistența lui PT1000 este de 1kΩ, atunci Ub și Ua sunt egale, adică, Uba = Ub – face = 0.
3) Presupunând că la o anumită temperatură, rezistența lui PT1000 este de 1,5 kΩ, atunci Ub și Ua nu sunt egale. Conform principiului divizorului de tensiune, putem găsi Uba = Ub – Do > 0.
4) OP07 este un amplificator operațional, iar factorul său de amplificare a tensiunii A depinde de circuitul extern, unde A = R2/R1 = 17.5.
5) Tensiunea de ieșire Uo a OP07 = Uba * A. Deci, dacă folosim un voltmetru pentru a măsura tensiunea de ieșire a OP07, putem deduce valoarea Uab. Deoarece Ua este o valoare cunoscută, putem calcula în continuare valoarea lui Ub. Apoi, folosind principiul divizorului de tensiune, putem calcula valoarea rezistenței specifice a PT1000. Acest proces poate fi realizat prin calcul software.
6) Dacă știm valoarea rezistenței PT1000 la orice temperatură, trebuie doar să căutăm tabelul în funcție de valoarea rezistenței pentru a cunoaște temperatura curentă.

2.4 Sursa de curent constant
Datorită efectului de autoîncălzire al termorezistorului, este necesar să se asigure că curentul care circulă prin rezistor este cât mai mic posibil, și, în general, curentul este de așteptat să fie mai mic de 10mA. S-a verificat că autoîncălzirea rezistenței de platină PT100 de 1 mW va provoca o schimbare de temperatură de 0.02 la 0,75℃, astfel încât reducerea curentului rezistorului de platină PT100 poate reduce și schimbarea temperaturii acestuia. Cu toate acestea, dacă curentul este prea mic, este susceptibil la interferențe de zgomot, deci se ia in general la 0.5 la 2 MA, deci sursa de curent constant este selectată ca sursă de curent constant de 1mA.

Cipul selectat este cipul sursă de tensiune constantă TL431, iar apoi feedback-ul negativ curent este folosit pentru a-l converti într-o sursă de curent constant. Circuitul este prezentat în figură:

Sursa de curent constant a rezistorului PT100 schema de achiziție a circuitului

Amplificatorul operațional CA3140 este utilizat pentru a îmbunătăți capacitatea de încărcare a sursei de curent, iar formula de calcul pentru curentul de ieșire este:
Introduceți descrierea imaginii aici Rezistorul ar trebui să fie a 0.1% rezistor de precizie. Curentul final de ieșire este de 0,996 mA, adică, precizia este 0.4%.
Circuitul sursei de curent constant ar trebui să aibă următoarele caracteristici:
Stabilitatea temperaturii: Deoarece mediul nostru de măsurare a temperaturii este 0-100℃, ieșirea sursei de curent nu trebuie să fie sensibilă la temperatură. Și TL431 are un coeficient de temperatură extrem de scăzut și o derivă scăzută de temperatură.

Reglare bună a sarcinii: Dacă ondulația curentă este prea mare, va provoca erori de citire. Conform analizei teoretice. Deoarece tensiunea de intrare variază între 100-138,5mV, iar intervalul de măsurare a temperaturii este 0-100℃, precizia măsurării temperaturii este de ±1 grad Celsius, astfel încât tensiunea de ieșire ar trebui să se schimbe cu 38,5/100 = 0,385 mV pentru fiecare creștere cu 1 ℃ a temperaturii ambientale. Pentru a se asigura că fluctuația curentului nu afectează precizia, luați în considerare cel mai extrem caz, la 100 grade Celsius, valoarea rezistenței lui PT100 ar trebui să fie 138,5R. Atunci ondulația curentă ar trebui să fie mai mică de 0,385/138,5 = 0,000278mA, adică, modificarea curentului în timpul schimbării sarcinii ar trebui să fie mai mică de 0,000278mA. În simularea propriu-zisă, sursa curentă rămâne practic neschimbată.

3. Soluție de circuit de achiziție AD623
Principiul se poate referi la principiul de măsurare a podului de mai sus.
Achiziție la temperatură scăzută:

AD620 măsoară temperatura ridicată a soluției de achiziție PT100 (150°)

Achiziție la temperatură ridicată
Introdu descrierea imaginii aici

4. Soluție de circuit de achiziție AD620
Soluție de achiziție AD620 PT100 pentru temperatură ridicată (150°):

AD620 măsoară soluția de achiziție PT100 la temperatură scăzută (-40°)

Soluție de achiziție AD620 PT100 pentru temperatură scăzută (-40°):

AD620 măsoară schema de achiziție PT100 la temperatura camerei (20°)

Soluție de achiziție AD620 PT100 pentru temperatura camerei (20°):

Senzor PT100 circuit de achiziție de temperatură înaltă

5. Analiza de filtrare anti-interferență a senzorilor PT100 și PT1000
Achiziția temperaturii într-un complex, mediile dure sau speciale vor fi supuse unor interferențe mari, incluzând în principal EMI și REI. De exemplu, în aplicarea achiziţiei temperaturii motorului, perturbații de înaltă frecvență cauzate de controlul motorului și de rotația la viteză mare a motorului.

Există, de asemenea, un număr mare de scenarii de control al temperaturii în interiorul vehiculelor aviatice și aerospațiale, care măsoară și controlează sistemul de alimentare și sistemul de control al mediului. Miezul controlului temperaturii este măsurarea temperaturii. Deoarece rezistența termistorului se poate modifica liniar cu temperatura, utilizarea rezistenței de platină pentru măsurarea temperaturii este o metodă eficientă de măsurare a temperaturii de înaltă precizie. Principalele probleme sunt următoarele:
1. Rezistența pe firul de plumb este ușor de introdus, afectând astfel precizia de măsurare a senzorului;
2. În anumite medii cu interferențe electromagnetice puternice, interferența poate fi convertită în eroare de compensare a ieșirii DC după ce a fost rectificată de amplificatorul de instrument, afectând precizia măsurării.

5.1 Circuitul de achiziție PT1000 aerospațial
Consultați proiectarea unui circuit de achiziție PT1000 aeropurtat pentru interferențe antielectromagnetice într-o anumită aviație.

Schema circuitului de achiziție AD623 pentru senzorul PT100

Un filtru este setat la capătul cel mai exterior al circuitului de achiziție. Circuitul de preprocesare a achiziției PT1000 este potrivit pentru preprocesarea interferențelor anti-electromagnetice a interfețelor echipamentelor electronice aeropurtate; circuitul specific este:
Tensiunea de intrare +15V este convertită într-o sursă de tensiune de înaltă precizie de +5V printr-un regulator de tensiune. Sursa de tensiune de înaltă precizie +5V este conectată direct la rezistorul R1, iar celălalt capăt al rezistenței R1 este împărțit în două căi. Unul este conectat la capătul de intrare în fază al amplificatorului operațional, iar celălalt este conectat la capătul A al rezistenței PT1000 prin filtrul de tip T S1. Ieșirea amplificatorului operațional este conectată la intrarea de inversare pentru a forma un adept de tensiune, iar intrarea de inversare este conectată la portul de masă al regulatorului de tensiune pentru a se asigura că tensiunea la intrarea în fază este întotdeauna zero. După trecerea prin filtrul S2, un capăt A al rezistenței PT1000 este împărțit în două căi, unul prin rezistorul R4 ca intrare de tensiune diferenţială D, și unul prin rezistorul R2 la AGND. După trecerea prin filtrul S3, celălalt capăt B al rezistenței PT1000 este împărțit în două căi, unul prin rezistorul R5 ca intrare de tensiune diferenţială E, și unul prin rezistorul R3 la AGND. D și E sunt conectate prin condensatorul C3, D este conectat la AGND prin condensatorul C1, iar E este conectat la AGND prin condensatorul C2. Valoarea precisă a rezistenței PT1000 poate fi calculată prin măsurarea tensiunii diferențiale între D și E.

Tensiunea de intrare +15V este convertită într-o sursă de tensiune de înaltă precizie de +5V printr-un regulator de tensiune. +5V este conectat direct la R1. Celălalt capăt al R1 este împărțit în două căi, unul conectat la intrarea în fază a amplificatorului operațional, iar celălalt conectat la capătul A al rezistenței PT1000 prin filtrul de tip T S1. Ieșirea amplificatorului operațional este conectată la intrarea de inversare pentru a forma un adept de tensiune, iar intrarea de inversare este conectată la portul de masă al regulatorului de tensiune pentru a se asigura că tensiunea de la intrarea de inversare este întotdeauna zero. În acest moment, curentul care trece prin R1 este constant de 0,5 mA. Regulatorul de tensiune folosește AD586TQ/883B, iar amplificatorul operațional folosește OP467A.

După trecerea prin filtrul S2, un capăt A al rezistenței PT1000 este împărțit în două căi, unul prin rezistorul R4 ca capăt de intrare de tensiune diferenţială D, și unul prin rezistorul R2 la AGND. După trecerea prin filtrul S3, celălalt capăt B al rezistenței PT1000 este împărțit în două căi, unul prin rezistorul R5 ca capăt de intrare de tensiune diferenţială E, și unul prin rezistorul R3 la AGND. D și E sunt conectate prin condensatorul C3, D este conectat la AGND prin condensatorul C1, iar E este conectat la AGND prin condensatorul C2.
Rezistența lui R4 și R5 este de 4,02 k ohmi, rezistența lui R1 și R2 este de 1M ohmi, capacitatea lui C1 și C2 este de 1000pF, iar capacitatea lui C3 este de 0,047 uF. R4, R5, C1, C2, și C3 formează împreună o rețea de filtre RFI. Filtrul RFI completează filtrarea trece-jos a semnalului de intrare, iar obiectele filtrate includ interferența în modul diferenţial și interferența în modul comun transportate în semnalul diferenţial de intrare. Calcularea frecvenței de tăiere de -3dB a interferenței în mod comun și a interferenței în modul diferenţial transportate în semnalul de intrare este prezentat în formula:

Circuitul de achiziție PT1000 aerospațial

Înlocuirea valorii rezistenței în calcul, frecvența de tăiere a modului comun este de 40 kHZ, iar frecvența de tăiere a modului diferenţial este de 2,6 KHZ.
Punctul final B este conectat la AGND prin filtrul S4. Printre ei, bornele de masă filtrului de la S1 la S4 sunt toate conectate la masa de ecranare a aeronavei. Deoarece curentul care curge prin PT1000 este cunoscut de 0,05 mA, valoarea precisă a rezistenței PT1000 poate fi calculată prin măsurarea tensiunii diferențiale la ambele capete ale lui D și E.
S1 la S4 folosesc filtre de tip T, model GTL2012X‑103T801, cu o frecvență de tăiere de M±20%. Acest circuit introduce filtre trece-jos la liniile de interfață externă și efectuează filtrarea RFI pe tensiunea diferențială. Ca circuit de preprocesare pentru PT1000, elimină în mod eficient interferența electromagnetică și radiația RFI, ceea ce îmbunătăţeşte mult fiabilitatea valorilor colectate. în plus, tensiunea este măsurată direct de la ambele capete ale rezistenței PT1000, eliminarea erorii cauzate de rezistența plumbului și îmbunătățirea preciziei valorii rezistenței.

3-sârmă Clasa B pentru controlul temperaturii industriale ridicate PT100 Senzor de temperatură cu rezistență termică din platină

Termocuplu cu arc de compresie de tip K-E, Sonda senzor de temperatura pt100

Senzor de temperatură PT100 de înaltă precizie pentru măsurarea temperaturii transformatorului

5.2 filtru de tip T
Introdu descrierea imaginii aici
Filtrul de tip T este format din două inductori și condensatori. Ambele capete au impedanță ridicată, iar performanța sa de pierdere prin inserție este similară cu cea a filtrului de tip π, dar nu este predispus la “sunând” și poate fi utilizat în circuite de comutare.