Система измерения температуры датчика термического сопротивления PT100

2-проволока, 3-проводной или 4-проводной Pt100, Пт500, Датчики Pt1000 — это датчики температуры на основе платиновых элементов с высокой точностью., стабильность и линейность, и широко используются в областях, требующих точного измерения температуры.. А “Система измерения температуры терморезистора PT100” относится к системе, в которой используется датчик PT100, тип датчика температуры сопротивления (РТД), измерять температуру, обнаруживая изменения ее электрического сопротивления, прямо пропорциональные температуре.; “ПТ” означает платину, и “100” указывает на то, что датчик имеет сопротивление 100 Ом при 0°C, что делает его высокоточным и стабильным методом измерения температуры в широком диапазоне..

Платиновые резисторы широко используются в диапазоне средних температур. (-200~650℃). В настоящий момент, на рынке представлены стандартные терморезисторы для измерения температуры из металлической платины., например Pt100, Пт500, Пт1000, и т. д..

Понять принцип работы PT100: PT100 — датчик температуры Pt-резистора.. Принцип работы основан на тепловом эффекте резистора.. Значение его сопротивления меняется с изменением температуры.. Это изменение линейно. При 0 ℃, значение сопротивления PT100 составляет 100 Ом. По мере повышения температуры, значение сопротивления также соответственно увеличивается, поэтому температуру можно точно определить путем измерения значения сопротивления.

Высокоточная 4-проводная система измерения температуры PT100 класса A

2-провод PT100, платиновый датчик контроля температуры, система измерения температуры

3-Система измерения температуры датчика терморезистора PT100

Выберите подходящий метод подключения: В целом, 2-проволока, 3-можно использовать проводные или 4-проводные методы подключения..

Выходной сигнал напряжения мостом

Ключевые моменты о системе PT100:
Принцип датчика:
Датчик PT100 изготовлен из платиновой проволоки, электрическое сопротивление которой предсказуемо меняется при колебаниях температуры..

Метод измерения:
Когда ток проходит через PT100, измеряется падение напряжения на датчике, которая затем преобразуется в температуру на основе известной взаимосвязи между сопротивлением и температурой..

Широкое применение:
Датчики PT100 обычно используются в промышленных процессах., лаборатории, и других приложений, где требуется точное измерение температуры из-за их высокой точности и стабильности..

Компоненты системы PT100:
Сенсорный зонд PT100:
Фактический чувствительный элемент, обычно платиновая проволока, обернутая вокруг керамического сердечника., который вводится в среду, подлежащую измерению.

Схема формирования сигнала:
Электроника, которая усиливает и преобразует небольшое изменение сопротивления PT100 в измеримый сигнал напряжения..

Система отображения или сбора данных:
Устройство, отображающее измеренную температуру или сохраняющее данные для анализа..

Преимущества использования системы PT100:
Высокая точность:　Считается одним из самых точных датчиков температуры..
Широкий температурный диапазон:　Может измерять температуру от -200°C до 850°C в зависимости от конструкции датчика..
Хорошая линейность:　Зависимость между сопротивлением и температурой очень линейна., облегчая интерпретацию данных.
Стабильность:　Платина – очень прочный материал., обеспечение стабильных показаний с течением времени.

Таблица индексации термического сопротивления Pt100

Три метода подключения платинового резистора PT100 принципиально различаются.: 2-проводные и трехпроводные измерения измеряются мостовым методом, и взаимосвязь между значением температуры и значением аналогового выхода приведена в конце.. 4-провод не имеет перемычки. Он полностью отправляется источником постоянного тока, измеряется вольтметром, и, наконец, дает измеренное значение сопротивления, что сложно и дорого использовать.
Поскольку PT100 имеет небольшое значение сопротивления и высокую чувствительность., значение сопротивления подводящего провода нельзя игнорировать. Использование 3-проводного подключения может устранить ошибку измерения, вызванную сопротивлением проводящей линии..
Двухпроводная система имеет низкую точность измерений.; 3-проводная система имеет лучшую точность; 4-проводная система имеет высокую точность измерений, но требует больше проводов.

Нам нужно только знать температурное состояние PT100 на основе сигнала напряжения, выдаваемого мостом.. Когда значение сопротивления PT100 не равно значению сопротивления Rx, мост выдает сигнал перепада давления, что очень мало. Поскольку выходной сигнал датчика температуры, как правило, очень слабый, требуется схема формирования и преобразования сигнала для его усиления или преобразования в форму, удобную для передачи, процесс, записать и отобразить. Небольшое изменение измеряемой величины сигнала необходимо преобразовать в электрический сигнал.. При усилении сигнала постоянного тока, самодрейф и несбалансированное напряжение операционного усилителя нельзя игнорировать при прохождении через операционный усилитель. После усиления, может быть выведен сигнал напряжения желаемого размера.
Значение сопротивления платинового резистора можно получить путем расчета схемы или измерения мультиметром.. Когда мы знаем значение сопротивления PT100, мы можем измерить и рассчитать температуру по значению сопротивления.

Используйте соответствующие алгоритмы обработки данных.: Используйте известное соотношение температуры и сопротивления для расчета температуры посредством программирования.. Учитывая, что зависимость сопротивления от температуры PT100 нелинейна., особенно в регионах с низкой или высокой температурой, для повышения точности могут потребоваться более сложные алгоритмы.

Влияние факторов окружающей среды: На производительность могут влиять факторы окружающей среды, такие как электромагнитные помехи., механическая вибрация, и влажность.

Существует три распространенных метода расчета измерения температуры.:
Метод расчета измерения температуры 1:
Когда точная температура не нужна, температура будет увеличиваться на 2,5 ℃ на каждый ом увеличения сопротивления терморезистора PT100. (используется при низких температурах). Значение сопротивления датчика температуры PT100 составляет 100 когда это 0℃, поэтому примерная температура в это время = (Значение сопротивления PT100-100)*2.5.

Метод расчета измерения температуры 2:
Связь между значением сопротивления и температурой платинового резистора

В диапазоне 0～850℃: Рт=Р0(1+At+Bt2);

В диапазоне -200～0℃: Рт=Р0[1+At+Bt2+C(Т-100)3];

Rt представляет собой значение сопротивления платинового резистора при температуре t℃.;

R0 представляет значение сопротивления платинового резистора при температуре 0 ℃.;

А, Б, C — константы, А=3,96847×10-3/℃; Б=-5,847×10-7/℃; С=-4,22×10-12/℃;

Для терморезистора, который удовлетворяет приведенному выше соотношению, его температурный коэффициент составляет около 3,9×10-3/℃..

По приведенной выше формуле, температура может быть точно определена в зависимости от значения сопротивления, но из-за большого объёма вычислений этого метода, не рекомендуется для этого эксперимента.

Третий метод расчета температуры:
PT100 имеет хорошую линейную связь с температурой и подходит для измерения температуры при средних и низких температурах.. Значение сопротивления PT100 при различных температурах имеет соответствующую шкалу измерения «один к одному», как показано на рисунке ниже., который может интуитивно отображать соответствующую взаимосвязь между различными температурами и значением сопротивления PT100..
Температуру можно узнать, проверив соответствующее значение сопротивления по шкале PT100..

Шкала терморезистора Pt100

Устройство измерения температуры PT100, разработанное в этой статье, использует широко используемый недорогой четырехполосный операционный усилитель LM324 для завершения проектирования схемы питания устройства и схемы инструментального усилителя на трех операционных усилителях..

1.1 Схема источника напряжения

Цепь источника напряжения датчика терморезистора Pt100

Схема на рисунке 1 представляет собой обычную пропорциональную операционную схему. По данным анализа идеального операционного усилителя, работающего в линейной области, по принципу виртуального короткого и виртуального перерыва, это получается:

Формула расчета моста Уитстона

​, тогда коэффициент усиления напряжения в замкнутом контуре равен 2 раз, и тогда получается V= 10В, и он используется в качестве стабильного напряжения питания мостовой схемы Уитстона..

1.2 Трехпроводное соединение моста Уитстона и PT100.
На рисунке выше изображен мост Уитстона.. Условием сбалансированности моста является равенство потенциалов точек B и D.. Итак, когда мост сбалансирован, пока R1, Р2 (обычно фиксированные значения) и R0 (обычно регулируемые значения) читаются, сопротивление Rx, которое необходимо измерить, можно получить. Р1/Р2=М, называется “множитель”.

Мост Уитстона и трехпроводной метод подключения PT100

По принципу измерения температуры PT100., значение сопротивления PT100 необходимо знать правильно, но значение сопротивления невозможно измерить напрямую, поэтому требуется схема преобразования. Значение сопротивления преобразуется в сигнал напряжения, который может быть обнаружен микроконтроллером.”. Мостовая схема Уитстона — это прибор, позволяющий правильно измерять сопротивление.. Как показано на рисунке 2, Р1, Р2, Р3, и R4 - его мостовые рычаги соответственно.. Когда мост сбалансирован, R1xR3=R2xR4 удовлетворено. Когда мост неуравновешен, между точками a и b будет разница напряжений. По напряжению точек а и б, соответствующее сопротивление можно рассчитать. В этом и заключается принцип измерения сопротивления несбалансированным мостом.:

Способ подключения трехпроводной схемы PT100

Фактически, из-за небольшого сопротивления и высокой чувствительности PT100, сопротивление подводящего провода приведет к ошибкам. Поэтому, для устранения этой ошибки в промышленности часто применяется трехпроводной метод подключения. Как показано на пунктирной части рисунка. 2, значение сопротивления подводящего провода одинаково и составляет r. В это время, рычаги моста становятся R, Р, Р+2р, и Рт+2р. Когда мост сбалансирован: Р2. (Р1+2р) =Р1.(Р3+2р), разобрались: Rt= R1R3/ R2+2 R1r/ R2- 2р. Анализ показывает, что когда R1=R2, изменение сопротивления провода не влияет на результат измерения.

1.3 Схема инструментального усилителя на трех ОУ
При изменении температуры от 0℃~100℃, сопротивление PT100 изменяется примерно линейно в диапазоне 100 Ом~138,51 Ом.. По приведенной выше мостовой схеме, мост сбалансирован при температуре 0℃, поэтому теоретическое значение выходного напряжения моста должно быть 0 В, и когда температура 100℃, выход моста: Uab=U7x(R1/(Р1 + Р2)-Р3/(Р2 + Р3)), то есть, Uab=10x(138.51/(10000 + 138.51)-100/(10000 + 100)) =0,037599В. Так как это милливольтовый сигнал, необходимо усилить это напряжение, чтобы его можно было обнаружить микросхемой AD.

Как показано на рисунке 3, инструментальный усилитель — это устройство, которое усиливает слабые сигналы в шумной среде.. Он имеет ряд преимуществ, таких как низкий дрейф., Низкое энергопотребление, высокий коэффициент подавления синфазного сигнала, широкий диапазон питания и небольшой размер. Он использует характеристики дифференциальных малых сигналов, наложенных на более крупные синфазные сигналы., который может удалять синфазные сигналы и одновременно усиливать дифференциальные сигналы. Выходное напряжение стандартной схемы инструментального усилителя на трех операционных усилителях равно, здесь R8=R10 =20 кОм, R9=R11=20 кОм, R4=R7=100кОм, который может усилить сигнал входного напряжения примерно на 150 раз, так что теоретическое выходное напряжение моста можно усилить до 0 ~2,34 В. Но это только теоретическое значение. В реальном процессе, Существует множество факторов, которые могут вызвать изменения сопротивления.. Поэтому, R3 можно заменить прецизионным регулируемым резистором для облегчения обнуления цепи..

Схема приборного усилителя с тремя операционными усилителями датчика PT100

2. Проектирование программного обеспечения

2.1 Метод наименьших квадратов и линейная аппроксимация PT100

В диапазоне температур 0℃≤t≤850℃., Связь между сопротивлением Pt100 и температурой: Р=100 (1 +At+Bt2), где А=3,90802x 10-3; Б=- -5.80х 10-7; С=4,2735 х 10-12

Видно, что сопротивление PT100 и температура представляют собой не абсолютную линейную зависимость, а параболу.. Поэтому, если t нужно извлечь, требуется операция извлечения квадратного корня, который вводит более сложную функциональную операцию и занимает большой объем ресурсов ЦП однокристального микрокомпьютера.. Чтобы решить эту проблему, мы можем использовать метод наименьших квадратов, чтобы линейно подобрать зависимость между температурой и сопротивлением.. ” Аппроксимация кривой наименьших квадратов - распространенный метод обработки экспериментальных данных.. Его принцип состоит в том, чтобы найти полиномиальную функцию, минимизирующую сумму квадратных ошибок с исходными данными..

2.2 Температура цифрового преобразования AD
Принцип измерения температуры PT100 заключается в получении значения температуры на основе значения его сопротивления., поэтому сначала необходимо определить значение сопротивления терморезистора.. По аппаратной схеме, Связь между выходным напряжением Uab мостовой схемы и выходным напряжением Uad схемы инструментального усилителя на операционном усилителе равна: Уад = Уаб. Auf Потому что в системе используется 12-битный чип AD., Связь между цифровой величиной и аналоговой величиной равна: Uад/AD=5/4096. Взаимосвязь между выходным напряжением моста и цифровой величиной AD можно получить, объединив два предыдущих уравнения., то есть, Uад/AD=5/(4096На). Затем, он подставляется в выражение выходного напряжения моста Uab= U7x (RT/ (R1+Rt) -Р3/ (Р2+Р3) ), и выражение Rr и цифровой величины AD можно получить. Решение:

Формула температуры цифрового преобразования AD

Зная значение сопротивления PT100, соответствующее значение температуры можно получить согласно линейному уравнению аппроксимации в разделе 2.1.

2.3 Однокристальная цифровая фильтрация
Чтобы повысить точность измерения температуры PT100, программу цифровой фильтрации можно добавить в программу программирования, который не требует добавления аппаратных схем и может повысить стабильность и надежность системы. В прикладной системе однокристального микрокомпьютера существует множество методов фильтрации.. При выборе конкретного варианта, следует проанализировать и сравнить преимущества и недостатки метода фильтрации и применимых объектов., чтобы выбрать подходящий метод фильтрации. Алгоритм метода медианной средней фильтрации заключается в том, чтобы сначала непрерывно собирать N данных., затем удалите минимальное значение и максимальное значение, и, наконец, вычислить среднее арифметическое остальных данных. Этот метод фильтрации подходит для измерения параметров, которые медленно изменяются., например, температура, и может эффективно уменьшить помехи, вызванные колебаниями, вызванными случайными факторами или ошибками, вызванными нестабильностью пробоотборника..

Рабочий процесс системы:
При изменении температуры измеряемого объекта, сопротивление PT100 меняется, и мост Уитстона выдаст соответствующий сигнал напряжения. Этот сигнал является функцией сопротивления PT100.. Этот милливольтовый сигнал усиливается инструментальным усилителем на трех операционных усилителях и отправляется на микросхему AD., который преобразует аналоговую величину в цифровую величину и считывается микроконтроллером. Микроконтроллер считывает данные с микросхемы AD и выполняет программу фильтрации., преобразование стабильной цифровой величины в сопротивление PT100 путем расчета. Затем микроконтроллер выберет соответствующую подобранную линейную модель в соответствии с размером значения сопротивления для расчета текущего значения температуры., и, наконец, отобразите данные о температуре на ЖК-дисплее.