Регистрация температуры 2, 3, и 4-проводные датчики температуры PT100

В статье рассказывается о том, как 2, 3, и 4-проводные датчики PT100 преобразуются в сигналы напряжения посредством изменения сопротивления., а источник постоянного тока используется для защиты датчика и обеспечения точности преобразования сигнала.. Датчик PT100 измеряет температуру, измеряя изменение его электрического сопротивления., которая напрямую зависит от температуры, которой он подвергается.; по мере повышения температуры, сопротивление платинового элемента внутри датчика также увеличивается, позволяющий точно рассчитать температуру на основе этого изменения сопротивления; по сути, тот “100” в PT100 означает, что датчик имеет сопротивление 100 Ом при 0°C, и это значение предсказуемо меняется при колебаниях температуры.. Применение операционного усилителя MCP604 в схемотехнике подчеркивает влияние его характеристик, таких как низкое входное напряжение смещения и ток смещения, на точность.. Калибровка программного обеспечения используется для повышения точности проектирования схем., избегая неудобств физической регулировки. Окончательно, в статье приведена формула связи между температурой и величиной сопротивления платины., который используется для расчета значения температуры.

Схема измерения температуры 2-проводного датчика температуры PT100

Регистрация температуры китайского 3-проводного датчика температуры PT100.

Регистрация температуры 4-проводного датчика температуры PT100

Ключевые моменты о регистрации температуры PT100:
Датчик температуры сопротивления (РТД):
PT100 — это тип RTD., это означает, что он измеряет температуру, обнаруживая изменения в его электрическом сопротивлении..
Платиновый элемент:
Чувствительный элемент PT100 изготовлен из платины., который демонстрирует очень стабильную и линейную зависимость между сопротивлением и температурой..
Процесс измерения: Датчик размещается в среде, где необходимо измерить температуру..
Сопротивление платинового элемента измеряется с помощью специальной электронной схемы..
Измеренное значение сопротивления затем преобразуется в температуру с использованием математической формулы, основанной на известном температурном коэффициенте платины..

Преимущества датчиков PT100:
Высокая точность: Считается одним из самых точных датчиков температуры из-за стабильного поведения платины..
Широкий температурный диапазон:　Может измерять температуру от -200°C до 850°C в зависимости от конструкции датчика..
Хорошая линейность: Зависимость между сопротивлением и температурой относительно линейна., упрощение интерпретации данных.

Важные соображения:
Калибровка: Чтобы обеспечить точные измерения, Датчики PT100 необходимо регулярно калибровать по эталонному стандарту..
Сопротивление провода: Сопротивление соединительных проводов может повлиять на точность измерения., поэтому часто необходимо надлежащее рассмотрение компенсации подводящего провода..
Применение пригодности: Хотя и очень точный, Датчики PT100 могут не подходить для чрезвычайно суровых условий или приложений, требующих очень быстрого времени отклика..

1. Основные принципы приема сигналов
PT100 преобразует сигналы температуры в выходные сигналы сопротивления., и значение его сопротивления колеблется от 0 до 200 Ом. AD-преобразователь может только преобразовывать напряжение и не может напрямую собирать температуру.. Поэтому, Для питания PT100 и преобразования изменений сопротивления в изменения напряжения требуется источник постоянного тока 1 мА.. Преимущество использования источника постоянного тока заключается в том, что он может продлить срок службы датчика.. Поскольку диапазон входного сигнала 0 до 200 мВ, сигнал необходимо усилить, а затем преобразовать в AD для получения данных электрического сигнала..

Причины отказа от использования конструкции источника постоянного напряжения:

Если для питания используется источник постоянного напряжения, а затем резистор и PT100 соединяются последовательно, и напряжение делится, есть проблема. Когда сопротивление PT100 слишком мало, ток, протекающий через PT100, слишком велик, что приводит к сокращению срока службы датчика.

2. В операционном усилителе используется MCP604.
Возможности MCP604:
1) Диапазон напряжения 2,7 ~ 6,0 В.
2) Выходной сигнал Rail-to-Rail
3) Диапазон рабочих температур: -40°С до +85°С
4) Входное напряжение смещения составляет ±3 мВ., типичное значение составляет 1 мВ, высокая чувствительность.
5) Входной ток смещения составляет 1 пА., когда ТА = +85°С, я=20пА, повышает точность сбора данных.
6) Линейное колебание выходного напряжения: ВСС+0,1 ~ ВДД–0,1, единица измерения — В.

Когда напряжение источника питания составляет 3,3 В, линейное колебание выходного напряжения составляет 0,1 ~ 3,2 В.. Чтобы гарантировать, что усиленный сигнал работает в линейной области, когда VDD=3,3 В, мы устанавливаем выходное напряжение MCP604 так, чтобы оно оставалось на уровне: 0.5В ~ 2,5 В для удовлетворения требований конструкции схем ОУ..

Операционный усилитель из книги по аналоговой электронике — идеальный операционный усилитель., который отличается от реального усилителя. Поэтому, необходимо учитывать “входное напряжение смещения”, “входной ток смещения” и “линейный размах выходного напряжения” при проектировании.

3. Принципиальная схема
R11 на рисунке представляет собой цепь смещения, предотвращающую искажение сигнала насыщения на последнем каскаде выхода дифференциального усилителя..
1) Выберите подходящий коэффициент усиления, чтобы уменьшить выходную ошибку.. Из-за наличия входного напряжения смещения, когда коэффициент усиления увеличивается, ошибка вывода также увеличится, что необходимо учитывать при проектировании.
2) Коэффициент усиления этой схемы равен 10. Предполагая, что типичное входное напряжение смещения составляет 3 мВ., если входной сигнал изменится на 5 мВ, 2мВ не будет усиливаться, что приведет к выходной ошибке 20 мВ.

Операционный усилитель для детектора температуры PT100 с использованием принципиальной схемы MCP604

Vo4 = (Вин1 – Вреф)*10
я=1мА, Vref=Vo3=1,65В
1.7В<= Вин<= 1,9 В, 1.7В<=V02<=1,9
1.8В<=Vo1<=2В, убедиться, что операционный усилитель работает в линейной области, это очень важно
0.5В<=Vo4<= 2,5 В, убедиться, что операционный усилитель работает в линейной области, вот почему 50 Ом необходимо последовательно.

Когда входное сопротивление изменится на 1 Ом, Vout изменяется на 10 мВ.. Поскольку входное компенсационное напряжение MCP604 составляет ±3 мВ., когда происходит изменение 0,3333 Ом, произойдет изменение 3,333мВ, и чувствительность захвата высокая.
Когда 0<=Рин<= вход 200 Ом, поскольку контур включен последовательно с сопротивлением 50 Ом., 50Ой<=Rx<= 250 Ом
Вин1 – Vref = Rx*0,001, блок А

4. Программная калибровка
Новые инженеры всегда стараются повысить точность резисторов., но ошибка все равно большая. Некоторые инженеры просто используют плавно регулируемые резисторы., отрегулировать значения их сопротивления, и используйте мультиметры, чтобы выходной сигнал соответствовал передаточному соотношению. Эта точность кажется улучшенной, но это не удобно для производства, и сложность проектирования печатной платы также увеличивается. Даже если отладка завершена, если к регулировочному винту прикоснуться рукой, это может вызвать ошибки. Единственный способ — использовать для производства постоянные резисторы и использовать программное обеспечение, помогающее добиться точной калибровки..
1) Когда Рин=0, прочитайте значение напряжения и запишите его как V50. Сохранить V50, оно не изменится при изменении значения сопротивления PT100, поскольку он питается от источника постоянного тока..
2) Подключите номинальный резистор, пусть Rs=100 Ом, прочитайте значение напряжения и запишите его как V150. Сохранить В150, значение напряжения, считываемое при температуре 0.
3) Рассчитать текущий коэффициент усиления: Ио = (В150 – В50) / рупий; спаси меня, это означает, что калибровка завершена.
4) Когда входное сопротивление равно R, считываемое напряжение составляет Vo, тогда Р = (Во- В50) / Ио
Через приведенное выше описание, программная калибровка имеет большие преимущества, не только удобное производство, но и высокая точность. Чтобы повысить точность, выходное напряжение также можно разделить на несколько интервалов, калибруется отдельно, и разные Ио можно получить, так что линейность вывода будет лучше. Эти идеи отражены в моем дизайне..

Схемотехника операционного усилителя MCP604

5. Рассчитать температуру
Когда температура ниже 0,
R0*C*t^4 – 100R0*C*t^3 + R0*B*t^2 + Р0*А*т + R0 – Рт=0
Когда температура больше или равна 0, Рт=Р0*(1+А*т+Б*т*т)
Описание:
Rt — значение сопротивления платинового резистора при t℃.
R0 — значение сопротивления платинового резистора при 0 ℃ 100 Ом.
А=3,9082×10^-3
Б=-5,80195×10^-7
С=-4,2735×10^-12

6. Датчик температуры Pt100
Датчик температуры Pt100 представляет собой термисторный датчик с положительным температурным коэффициентом., и его основные технические параметры следующие::
1) Диапазон температур измерения: -200℃ ~ +850 ℃;
2) Допустимое значение отклонения Δ℃: Оценка А ±(0.15+0.002|т|), Оценка Б ±(0.30+0.005|т|);
3) Минимальная глубина введения: Минимальная глубина установки терморезистора составляет ≥200 мм.;
4) Допустимый ток: < 5мА;
5) Датчик температуры Pt100 также обладает преимуществами виброустойчивости., хорошая стабильность, высокая точность, и высокое давление. Платиновый терморезистор имеет хорошую линейность.. При переключении между 0 и 100 градусы по Цельсию, максимальное нелинейное отклонение составляет менее 0,5 ℃;
Когда температура < 0, R0*C*t^4 – 100R0*C*t^3 + R0*B*t^2 + Р0*А*т + R0 – Рт=0
Когда температура ≥ 0, Рт= Р0*(1+А*т+Б*т*т)
Согласно вышеуказанному соотношению, приблизительный диапазон сопротивления: 18Ом~390,3Ом, -197℃ составляет 18 Ом, 850Ом составляет 390,3 Ом;
Описание:
Rt — значение сопротивления платинового резистора при t℃., R0 — значение сопротивления платинового резистора при 0 ℃., 100Ой
А=3,9082×10^-3, Б=-5,80195×10^-7, С=-4,2735×10^-12
Инструкция по эксплуатации платинового металлического датчика температуры PT100
6) Схемотехника
7) Взаимосвязь между температурой PT100 и сопротивлением
Температура и сопротивление PT100 удовлетворяют следующему уравнению:
Когда температура ≤0, R0*C*t^4 – 100*R0*C*t^3 + R0*B*t^2 + Р0*А*т + R0 – Рт=0
Когда температура ≥0, R0*B*t^2 + Р0*А*т + R0 – Рт =0

Сравнительная таблица температуры и сопротивления PT100

Описание:
Rt — значение сопротивления платинового резистора при t℃., R0 — значение сопротивления платинового резистора при 0 ℃., 100Ой
А=3,9082×10^-3, Б=-5,80195×10^-7, С=-4,2735×10^-12

1. Для удобства расчета, когда температура ≤0, позволять:
двойной a=R0*C*100000=100*(-4.2735×10^-12)*100000=-4,2735/100000
двойной b=–100*R0*C*100000=-100*100*(-4.2735×10^-12)*100000=4,2735/1000
двойной c= R0*B*100000=100*(-5.80195×10^-7)*100000=-5,80195
двойной d=R0*A*100000=100*(3.9082×10^-3)*100000=39082
двойное е = (100-рт)*100000
Когда температура ≤ 0, а*т^4 + б * т ^ 3 + с*т^2 + черт возьми + е=0
где x3 — решение PT100, когда оно меньше 0 ℃..

2. Для удобства расчета, когда температура больше или равна 0
двойной а= R0*B*100000=100*(-5.80195×10^-7)*100000=-5,80195
двойной b=R0*A*100000=100*(3.9082×10^-3)*100000=39082
двойной с = (100-рт)*100000
Когда температура ≥0, а*т^2 + с*ка + с = 0
т = [ КОРЕНЬ( б*б – 4*а*с )-б ] / 2 / а
19.785Ом соответствует -197 ℃, температура жидкого азота
18.486Ом соответствует -200 ℃
96.085Ом соответствует -10℃
138.505Ом соответствует 100 ℃
175.845Ом соответствует 200 ℃
247.045Ом соответствует 400 ℃