Sistemul de măsurare a temperaturii senzorului de rezistență termică PT100

2-sârmă, 3-sârmă sau 4 fire PT100, Pt500, Senzorii PT1000 sunt senzori de temperatură bazate pe elemente de platină cu o precizie ridicată, stabilitate și liniaritate, și sunt utilizate pe scară largă în câmpuri care necesită o măsurare exactă a temperaturii. A “PT100 Sistem de măsurare a temperaturii rezistenței termice” se referă la un sistem care folosește un senzor PT100, un tip de detector de temperatură de rezistență (RTD), Pentru a măsura temperatura prin detectarea modificărilor în rezistența sa electrică, care sunt direct proporționale cu temperatura; “Pt” reprezintă Platinum, și “100” indică faptul că senzorul are o rezistență de 100 Ohmi la 0 ° C, ceea ce o face o metodă extrem de precisă și stabilă pentru măsurarea temperaturii pe o gamă largă.

Rezistoarele de platină sunt utilizate pe scară largă în domeniul de temperatură medie (-200～650℃). În prezent, pe piață există rezistențe termice standard de măsurare a temperaturii din metal platină, precum Pt100, Pt500, Pt1000, etc.

Înțelegeți principiul de lucru al PT100: PT100 este un senzor de temperatură al rezistenței PT. Principiul de lucru se bazează pe efectul termic al rezistenței. Valoarea sa de rezistență se schimbă odată cu schimbarea temperaturii. Această schimbare este liniară. La 0 ℃, Valoarea de rezistență a PT100 este 100 ohmi. Pe măsură ce temperatura crește, Valoarea rezistenței crește, de asemenea, în consecință, Deci temperatura poate fi dedusă cu exactitate prin măsurarea valorii de rezistență.

Sistem de măsurare a temperaturii Clasa A PT100 cu 4 fire de înaltă precizie

2-sârmă PT100 Sistem de măsurare a temperaturii rezistenței la platină a temperaturii de rezistență la platină

3-SISTEM SISTEMUL DE MĂSURARE DE TEMPERAȚIE SEMENOR DE SENSOR DE REZISTER TERMULUI

Alegeți metoda de cablare corespunzătoare: În general, 2-sârmă, 3-Se pot utiliza metode de cablare cu sârmă sau 4 fire.

Ieșirea semnalului de tensiune pe pod

Puncte cheie despre un sistem PT100:
Principiul senzorului:
Senzorul PT100 este confecționat dintr -un fir de platină a cărui rezistență electrică se schimbă în mod previzibil cu fluctuațiile de temperatură.

Metoda de măsurare:
Când un curent este trecut prin PT100, Se măsoară căderea de tensiune pe senzor, care este apoi transformat la temperatură pe baza relației cunoscute dintre rezistență și temperatură.

Aplicație largă:
Senzorii PT100 sunt utilizați în mod obișnuit în procesele industriale, laboratoare, și alte aplicații în care este necesară o măsurare precisă a temperaturii datorită preciziei și stabilității lor ridicate.

Componente ale unui sistem PT100:
Sonda senzorului PT100:
Elementul de detectare reală, De obicei, un fir de platină înfășurat în jurul unui miez ceramic, care este introdus în mediu care trebuie măsurat.

Circuitul de condiționare a semnalului:
Electronice care amplifică și transformă modificarea de rezistență mică de la PT100 într -un semnal de tensiune măsurabil.

Afișare sau sistem de achiziție a datelor:
Dispozitiv care afișează temperatura măsurată sau stochează datele pentru analiză.

Beneficiile utilizării unui sistem PT100:
Precizie ridicată:　Considerat unul dintre cei mai precisi senzori de temperatură disponibili.
Gama largă de temperatură:　Poate măsura temperaturile de la -200 ° C la 850 ° C, în funcție de proiectarea senzorului.
Liniaritate bună:　Relația dintre rezistență și temperatură este foarte liniară, făcând o interpretare ușoară a datelor.
Stabilitate:　Platina este un material foarte stabil, Asigurarea lecturilor consistente în timp.

PT100 Tabel de indexare a rezistenței termice

Cele trei metode de cablare ale rezistenței la platină PT100 sunt diferite în principiu: 2-Sârmă și 3 fire sunt măsurate prin metoda podului, iar relația dintre valoarea temperaturii și valoarea de ieșire analogică este dată la final. 4-Firul nu are pod. Este trimis complet de sursa de curent constant, măsurată prin voltmetru, și în cele din urmă oferă valoarea de rezistență măsurată, Ceea ce este dificil și costisitor de utilizat.
Deoarece PT100 are o valoare mică de rezistență și o sensibilitate ridicată, Valoarea de rezistență a firului de plumb nu poate fi ignorată. Utilizarea conexiunii cu 3 fire poate elimina eroarea de măsurare cauzată de rezistența liniei de plumb.
Sistemul cu 2 fire are o precizie de măsurare slabă; Sistemul cu 3 fire are o precizie mai bună; Sistemul cu 4 fire are o precizie ridicată de măsurare, dar necesită mai multe fire.

Trebuie doar să cunoaștem starea de temperatură a PT100 pe baza ieșirii semnalului de tensiune de către pod. Când valoarea de rezistență a PT100 nu este egală cu valoarea de rezistență a Rx, Podul produce un semnal de presiune diferențială, care este foarte mic. Deoarece semnalul de ieșire al senzorului de temperatură este în general foarte slab, Un circuit de condiționare și conversie a semnalului este necesar pentru a -l amplifica sau a -l converti într -o formă ușor de transmis, proces, Înregistrați și afișați. Schimbarea ușoară a cantității semnalului măsurat trebuie transformată într -un semnal electric. Când amplificați semnalul DC, Tensiunea auto-drift și dezechilibrată a amplificatorului OP nu poate fi ignorată atunci când treceți prin amplificatorul OP. După amplificare, Un semnal de tensiune al dimensiunii dorite poate fi ieșit.
Valoarea de rezistență a rezistenței de platină poate fi obținută prin calculul circuitului sau prin măsurarea multimetrului. Când cunoaștem valoarea de rezistență a PT100, Putem măsura și calcula temperatura prin valoarea de rezistență.

Utilizați algoritmi adecvați pentru procesarea datelor: Folosiți relația de temperatură și rezistență cunoscută pentru a calcula temperatura prin programare. Având în vedere că relația de rezistență-temperatură a PT100 este neliniară, în special în zonele de temperatură scăzută sau ridicată, Pot fi necesari algoritmi mai complexi pentru a îmbunătăți precizia.

Impactul factorilor de mediu: Performanța poate fi afectată de factori de mediu, cum ar fi interferența electromagnetică, vibrații mecanice, și umiditate.

Există trei metode comune de calcul de măsurare a temperaturii:
Metoda de calcul a măsurii temperaturii 1:
Când temperatura exactă nu este necesară, Temperatura va crește cu 2,5 ℃ pentru fiecare creștere OHM a valorii de rezistență a rezistenței termice PT100 (Folosit la temperaturi scăzute). Valoarea de rezistență a senzorului de temperatură PT100 este 100 Când este 0 ℃, Deci temperatura aproximativă în acest moment = (Valoarea de rezistență PT100-100)*2.5.

Metoda de calcul a măsurii temperaturii 2:
Relația dintre valoarea rezistenței și temperatura rezistenței de platină

În intervalul 0 ～ 850 ℃: RT = R0(1+La+bt2);

În intervalul de -200 ～ 0 ℃: RT = R0[1+AT+BT2+C.(t-100)3];

RT reprezintă valoarea de rezistență a rezistenței de platină la temperatura t ℃;

R0 reprezintă valoarea de rezistență a rezistenței de platină la temperatura 0 ℃;

A, B, C sunt constante, A = 3.96847 × 10-3/℃; B = -5.847 × 10-7/℃; C = -4.22 × 10-12/℃;

Pentru rezistența termică care îndeplinește relația de mai sus, Coeficientul său de temperatură este de aproximativ 3,9 × 10-3/℃.

Prin formula de mai sus, Temperatura poate fi rezolvată cu exactitate în funcție de valoarea rezistenței, dar datorită cantității mari de calcul a acestei metode, nu este recomandat pentru acest experiment.

Metoda de calcul a temperaturii trei:
PT100 are o relație liniară bună cu temperatura și este potrivit pentru măsurarea temperaturii medii și scăzute. Valoarea de rezistență a PT100 la diferite temperaturi are o scară de măsurare corespunzătoare unu la unu, așa cum se arată în figura de mai jos, care poate afișa intuitiv relația corespunzătoare între diferite temperaturi și valoarea de rezistență a PT100.
Temperatura poate fi cunoscută prin verificarea valorii de rezistență corespunzătoare prin scara PT100.

Scara de rezistență termică PT100

Dispozitivul de măsurare a temperaturii PT100 proiectat în această hârtie folosește amplificatorul operațional cu patru sensuri utilizate în mod obișnuit cu costuri reduse de patru sensuri LM324 pentru a finaliza proiectarea circuitului de alimentare a dispozitivului și a unui circuit de amplificare a instrumentului cu trei opțiuni.

1.1 Circuit sursă de tensiune

PT100 Circuit sursă de tensiune a senzorului de rezistență termică

Circuitul din figură 1 este un circuit operațional proporțional comun. Conform analizei amplificatorului operațional ideal care lucrează în regiunea liniară, Conform principiului pauzei virtuale scurte și virtuale, este obținut:

Formula circuitului de calcul al podului Wheatstone

​, atunci factorul de amplificare a tensiunii cu buclă închisă este 2 ori, și apoi V = 10V se obține, și este utilizată ca tensiune de alimentare stabilă a circuitului podului Wheatstone.

1.2 Conexiunea cu trei fire a podului Wheatstone și PT100.
Figura de mai sus este un pod de piatră de grâu. Condiția ca podul să fie echilibrat este că potențialele punctelor B și D sunt egale. Deci, atunci când podul este echilibrat, atâta timp cât R1, R2 (de obicei valori fixe) și R0 (de obicei valori reglabile) sunt citite, Rezistența Rx care trebuie măsurată poate fi obținută. R1/R2 = m, chemat “multiplicator”.

Podul Wheatstone și Metoda de conectare cu trei fire PT100

Conform principiului de măsurare a temperaturii PT100, Valoarea de rezistență a PT100 trebuie să fie cunoscută corect, Dar valoarea de rezistență nu poate fi măsurată direct, Deci este necesar un circuit de conversie. Valoarea de rezistență este transformată într -un semnal de tensiune care poate fi detectat de microcontroler”. Circuitul podului Wheatstone este un instrument care poate măsura corect rezistența. Așa cum se arată în figura 2, R1, R2, R3, și R4 sunt, respectiv, brațele sale de punte. Când podul este echilibrat, R1XR3 = R2XR4 este satisfăcut. Când podul este dezechilibrat, va exista o diferență de tensiune între punctele A și B. În funcție de tensiunea punctelor A și B, Rezistența corespunzătoare poate fi calculată. Acesta este principiul măsurarii rezistenței cu un pod dezechilibrat:

Metoda de conectare a circuitului cu trei fire PT100

De fapt, Datorită rezistenței mici și a sensibilității ridicate a PT100, Rezistența firului de plumb va provoca erori. Prin urmare, Metoda de conectare cu trei fire este adesea folosită în industrie pentru a elimina această eroare. Așa cum se arată în partea punctată a figurii 2, Valoarea de rezistență la sârmă de plumb este egală și este r. În acest moment, brațele podului devin r, R, R+2R, și RT+2R. Când podul este echilibrat: R2. (R1+2R) = R1.(R3+2R), sortat: RT = R1R3/ R2+2 R1R/ R2- 2r. Analiza arată că atunci când R1 = R2, Modificarea rezistenței la sârmă nu are efect asupra rezultatului măsurării.

1.3 Circuit de amplificare cu trei opțiuni de instrumentare
Când temperatura se schimbă de la 0 ℃ ~ 100 ℃, Rezistența PT100 se schimbă aproximativ liniar în intervalul de 100Ω ~ 138,51Ω. Conform circuitului podului de mai sus, Podul este echilibrat la 0 ℃, Deci, valoarea teoretică a tensiunii de ieșire a podului ar trebui să fie 0 V, Și când temperatura este de 100 ℃, ieșirea podului este: Uab = u7x(R1/(R1+ R2)-R3/(R2 + R3)), adică, UAB = 10x(138.51/(10000 + 138.51)-100/(10000 + 100)) = 0.037599V. Deoarece acesta este un semnal de milivolt, Este necesar să se amplifice această tensiune pentru a o face detectabilă de cipul de anunțuri.

Așa cum se arată în figura 3, Amplificatorul de instrumentare este un dispozitiv care amplifică semnale mici într -un mediu zgomotos. Are o serie de avantaje, cum ar fi scăderea derivării, consum redus de energie, raport ridicat de respingere în modul comun, gamă largă de alimentare și dimensiuni mici. Folosește caracteristicile semnalelor mici diferențiale suprapuse la semnale mai mari în mod comun, care poate elimina semnalele în mod comun și poate amplifica semnalele diferențiale în același timp. Tensiunea de ieșire a circuitului standard al amplificatorului de instrumentare cu trei operațiuni este, Aici R8 = R10 = 20 kΩ, R9 = R11 = 20 kΩ, R4 = R7 = 100KΩ, care poate amplifica semnalul de tensiune de intrare cu aproximativ 150 ori, astfel încât tensiunea de ieșire teoretică a podului să poată fi amplificată 0 ~ 2.34 v. Dar aceasta este doar o valoare teoretică. În procesul propriu -zis, Există mulți factori care pot provoca schimbări de rezistență. Prin urmare, R3 poate fi înlocuit cu un rezistor reglabil de precizie pentru a facilita zeroul circuitului.

Senzor PT100 Circuitul Amplificatorului Amplificator AMP cu trei opțiuni

2. Proiectare software

2.1 Metoda cel mai puțin pătrate și montarea liniară PT100

În intervalul de temperatură de 0 ℃ ≤t≤850 ℃, Relația dintre rezistența și temperatura PT100 este: R = 100 (1 +La+bt2), unde a = 3.90802x 10-3; B =- -5.80x 10-7; C = 4.2735 x 10-12

Se poate observa că rezistența PT100 și a temperaturii nu sunt o relație liniară absolută, ci o parabolă. Prin urmare, Dacă trebuie extras, Este necesară o operație de rădăcină pătrată, care introduce o funcționare funcțională mai complexă și ocupă o cantitate mare de resurse de procesor ale microcomputerului cu un singur cip. Pentru a rezolva această problemă, Putem folosi metoda cea mai mică pătrate pentru a se potrivi liniar relației dintre temperatură și rezistență. ” Cele mai puțin pătrate montarea curbei este o metodă comună pentru prelucrarea experimentală a datelor. Principiul său este de a găsi o funcție polinomială pentru a minimiza suma erorilor pătrate cu datele originale.

2.2 Temperatura de conversie digitală publicitară
Principiul de măsurare a temperaturii PT100 este de a obține valoarea temperaturii pe baza valorii sale de rezistență, Deci, valoarea de rezistență a rezistenței termice trebuie să fie determinată mai întâi. Conform circuitului hardware, Relația dintre tensiunea de ieșire UAB a circuitului podului și tensiunea de ieșire UAD a circuitului de amplificare a instrumentului AMP OP: Nod = Jav. Auf, deoarece sistemul folosește un cip publicitar pe 12 biți, Relația dintre cantitatea digitală și cantitatea analogică este: UAD/AD = 5/4096. Relația dintre tensiunea de ieșire a podului și AD -ul cantității digitale poate fi obținută prin combinarea celor două ecuații anterioare, adică, Uad/ad = 5/(4096Pe). Apoi, este înlocuit în expresia tensiunii de ieșire a podului UAB = U7X (Rt/ (R1+RT) -R3/ (R2+R3) ), iar expresia RR și a AD -ului cu cantitatea digitală poate fi obținută. Soluția este:

Formula de temperatură digitală de conversie digitală

După ce cunoașteți valoarea de rezistență a PT100, Valoarea temperaturii corespunzătoare poate fi obținută în funcție de ecuația liniară de montare în secțiune 2.1.

2.3 Filtrare digitală cu un singur cip
Pentru a îmbunătăți precizia măsurării temperaturii PT100, Un program de filtrare digitală poate fi adăugat în programarea software, care nu necesită adăugarea de circuite hardware și poate îmbunătăți stabilitatea și fiabilitatea sistemului. Există multe metode de filtrare în sistemul de aplicații cu microcomputere cu un singur cip. Când faceți o selecție specifică, Avantajele și dezavantajele metodei de filtrare și ale obiectelor aplicabile ar trebui analizate și comparate, astfel încât să selectați metoda de filtrare corespunzătoare. Algoritmul metodei medie de filtrare medie este de a colecta mai întâi continuu n date, apoi eliminați o valoare minimă și o valoare maximă, și în cele din urmă calculați media aritmetică a datelor rămase. Această metodă de filtrare este potrivită pentru măsurarea parametrilor care se schimbă lent, cum ar fi temperatura, și poate reduce eficient interferența cauzată de fluctuațiile cauzate de factori accidentali sau erori cauzate de instabilitatea eșantionului.

Procesul de lucru al sistemului:
Când temperatura obiectului este măsurată se schimbă, Rezistența PT100 se schimbă, iar podul Wheatstone va produce un semnal de tensiune corespunzător. Acest semnal este o funcție a rezistenței PT100. Acest semnal milivolt este amplificat de un amplificator de instrumentare cu trei opțiuni și trimis la cipul de anunțuri, care transformă cantitatea analogică într -o cantitate digitală și este citit de microcontroller. Microcontrolerul citește cipul din cipul de anunțuri și execută programul de filtrare, convertirea cantității digitale stabile în rezistența PT100 prin calcul. Apoi, microcontrolerul va selecta modelul liniar montat corespunzător în funcție de dimensiunea valorii de rezistență pentru a calcula valoarea curentă a temperaturii, și în sfârșit afișați datele de temperatură pe ecranul LCD.