Riešenie obvodu na snímanie teploty PT100/PT1000

1. Tabuľka zmeny teplotnej odolnosti PT100 a PT1000
Kovové tepelné odpory, ako je nikel, medené a platinové rezistory majú pozitívnu koreláciu so zmenou odporu s teplotou. Platina má najstabilnejšie fyzikálne a chemické vlastnosti a je najpoužívanejšia. Rozsah merania teploty bežne používaného platinového odporu Pt100 je -200～850 ℃. Navyše, rozsahy merania teploty Pt500, 1000 Pt, tam. sa postupne znižujú. 1000 Pt, rozsah merania teploty -200～420 ℃. Podľa medzinárodného štandardu IEC751, teplotné charakteristiky platinového odporu Pt1000 spĺňajú nasledujúce požiadavky:

Teplotná charakteristika Pt1000

Podľa teplotnej charakteristiky Pt1000, sklon odporovej charakteristiky sa v rámci normálneho rozsahu prevádzkových teplôt mení len málo (ako je znázornené na obrázku 1). Prostredníctvom lineárnej montáže, približný vzťah medzi odporom a teplotou je:

1.1 Tabuľka zmeny teplotnej odolnosti PT100

Tabuľka zmeny teplotnej odolnosti PT100

1.2 Tabuľka zmeny teplotnej odolnosti PT1000

Tabuľka zmeny teplotnej odolnosti PT1000

2. Bežne používané riešenia akvizičných obvodov

2.1 Výstup delenia napätia rezistora 0~3,3V/3V analógové napätie

Priama akvizícia jednočipového AD portu
Rozsah výstupného napätia obvodu merania teploty je 0~3,3V, PT1000 (Hodnota odporu PT1000 sa výrazne mení, citlivosť merania teploty je vyššia ako PT100; PT100 je vhodnejší na meranie teploty vo veľkom meradle).

Výstupy deliča napätia odporu 0~3,3V 3V analógové napätie

Najjednoduchším spôsobom je použiť metódu delenia napätia. Napätie je referenčný zdroj napätia 4V generovaný čipom zdroja referenčného napätia TL431, alebo REF3140 možno použiť na generovanie 4,096 V ako referenčný zdroj. Referenčné zdrojové čipy obsahujú aj REF3120, 3125, 3130, 3133, a 3140. Čip používa puzdro SOT-32 a vstupné napätie 5V. Výstupné napätie je možné zvoliť podľa požadovaného referenčného napätia. Samozrejme, podľa normálneho rozsahu vstupného napätia portu MCU AD, nesmie prekročiť 3V/3,3V.

2.2 Výstup delenia napätia rezistora 0~5V analógové napätie MCU AD port priame získavanie.
Samozrejme, niektoré obvody používajú napájanie 5V MCU, a maximálny prevádzkový prúd PT1000 je 0,5 mA, preto by sa mala použiť vhodná hodnota odporu na zabezpečenie normálnej prevádzky komponentov.
Napríklad, 3,3 V v schéme rozdelenia napätia vyššie je nahradené 5 V. Výhodou je, že 5V napäťové delenie je citlivejšie ako 3,3V, a získavanie je presnejšie. Pamätajte, teoretické vypočítané výstupné napätie nemôže prekročiť +5V. Inak, spôsobí to poškodenie MCU.

2.3 Najčastejšie používané meranie mostov
R11, R12, R13 a Pt1000 sa používajú na vytvorenie meracieho mostíka, kde R11=R13=10k, R12=1000R presné odpory. Keď sa hodnota odporu Pt1000 nerovná hodnote odporu R12, most bude vydávať signál rozdielu napätia na úrovni mV. Tento signál rozdielu napätia je zosilnený obvodom zosilňovača prístroja a vydáva požadovaný napäťový signál. Tento signál môže byť priamo pripojený k AD prevodnému čipu alebo AD portu mikrokontroléra.

R11, R12, R13 a Pt1000 sa používajú na vytvorenie meracieho mostíka

Princíp merania odporu tohto obvodu:
1) PT1000 je termistor. Ako sa mení teplota, odpor sa mení v podstate lineárne.
2) O 0 stupňa, odpor PT1000 je 1kΩ, potom sú Ub a Ua rovnaké, to je, Uba = Ub – Robiť = 0.
3) Za predpokladu, že pri určitej teplote, odpor PT1000 je 1,5kΩ, potom Ub a Ua nie sú rovnaké. Podľa princípu delenia napätia, môžeme zistiť, že Uba = Ub – Do > 0.
4) OP07 je operačný zosilňovač, a jeho napäťové zosilnenie A závisí od vonkajšieho obvodu, kde A = R2/R1= 17.5.
5) Výstupné napätie Uo OP07 = Uba * A. Ak teda použijeme voltmeter na meranie výstupného napätia OP07, môžeme odvodiť hodnotu Uab. Keďže Ua je známa hodnota, môžeme ďalej vypočítať hodnotu Ub. Potom, pomocou princípu delenia napätia, môžeme vypočítať špecifickú hodnotu odporu PT1000. Tento proces je možné dosiahnuť pomocou softvérového výpočtu.
6) Ak poznáme hodnotu odporu PT1000 pri akejkoľvek teplote, na zistenie aktuálnej teploty nám stačí vyhľadať tabuľku podľa hodnoty odporu.

2.4 Zdroj konštantného prúdu
Vďaka samoohrievaciemu účinku tepelného odporu, prúd pretekajúci rezistorom by mal byť čo najmenší. Vo všeobecnosti, očakáva sa, že prúd bude menší ako 10 mA. Bolo overené, že samozahrievanie platinového odporu PT100 z 1 mW spôsobí zmenu teploty o 0,02-0,75 ℃. Preto, zníženie prúdu platinového odporu PT100 môže tiež znížiť jeho teplotnú zmenu. Však, ak je prúd príliš malý, je náchylný na rušenie šumom, takže hodnota je všeobecne 0.5-2 mA, takže prúd zdroja konštantného prúdu je zvolený ako zdroj konštantného prúdu 1 mA.

Čip je vybraný ako čip zdroja konštantného napätia TL431, a potom konvertovaný na zdroj konštantného prúdu pomocou prúdovej negatívnej spätnej väzby. Obvod je znázornený na obrázku

Medzi nimi, operačný zosilňovač CA3140 slúži na zlepšenie zaťažiteľnosti prúdového zdroja, a výpočtový vzorec pre výstupný prúd je:

Rezistor by mal byť a 0.1% presný rezistor. Konečný výstupný prúd je 0,996 mA, to je, presnosť je 0.4%.

Obvod zdroja konštantného prúdu by mal mať nasledujúce charakteristiky

Vyberte čip zdroja konštantného napätia TL431

Teplotná stabilita: Pretože naše prostredie na meranie teploty je 0-100 ℃, výstup zdroja prúdu by nemal byť citlivý na teplotu. TL431 má extrémne nízky teplotný koeficient a nízky teplotný drift.

Dobrá regulácia záťaže: Ak je zvlnenie prúdu príliš veľké, spôsobí to chyby pri čítaní. Podľa teoretickej analýzy, pretože vstupné napätie sa pohybuje medzi 100-138,5 mV, a rozsah merania teploty je 0-100 ℃, presnosť merania teploty je ±1 stupeň Celzia, takže výstupné napätie by sa malo zmeniť o 38,5/100 = 0,385 mV na každé zvýšenie okolitej teploty o 1 ° C. Aby sa zabezpečilo, že kolísanie prúdu neovplyvní presnosť, zvážiť najextrémnejší prípad, pri 100 stupňov Celzia, hodnota odporu PT100 by mala byť 138,5R. Potom by zvlnenie prúdu malo byť menšie ako 0,385/138,5=0,000278 mA, to je, zmena prúdu počas zmeny záťaže by mala byť menšia ako 0,000278 mA. V skutočnej simulácii, zdroj prúdu zostáva v podstate nezmenený.
3. Riešenie akvizičného obvodu AD623

AD623 akvizičné riešenie obvodu PT1000

Princíp sa môže vzťahovať na vyššie uvedený princíp merania mostíka.
Akvizícia pri nízkej teplote:

Akvizícia pri vysokej teplote

4. AD620 riešenie akvizičného obvodu

AD620 PT100 akvizičné riešenie

AD620 PT100 akvizičný roztok s vysokou teplotou (150°):

Nízka teplota akvizičného roztoku AD620 PT100 (-40°):

AD620 PT100 akvizičný roztok pri izbovej teplote (20°):

5. Analýza filtrovania proti rušeniu PT100 a PT1000

Zisťovanie teploty v nejakom komplexe, drsné alebo špeciálne prostredie bude vystavené veľkému rušeniu, najmä vrátane EMI a REI.

Napríklad, pri aplikácii snímania teploty motora, riadenie motora a vysoká rýchlosť otáčania motora spôsobujú vysokofrekvenčné poruchy.

Existuje tiež veľké množstvo scenárov regulácie teploty vo vnútri leteckých a kozmických vozidiel, ktoré merajú a riadia energetický systém a systém environmentálnej kontroly. Jadrom kontroly teploty je meranie teploty. Pretože odpor termistora sa môže lineárne meniť s teplotou, použitie platinového odporu na meranie teploty je účinná vysoko presná metóda merania teploty. Hlavné problémy sú nasledovné:
1. Odpor na olovenom drôte sa ľahko zavádza, čo ovplyvňuje presnosť merania snímača;
2. V niektorých prostrediach so silným elektromagnetickým rušením, rušenie môže byť prevedené na jednosmerný výstup po usmernení prístrojovým zosilňovačom
Chyba posunu, ovplyvňujúce presnosť merania.
5.1 Letecký vzdušný zberný obvod PT1000

Letecký vzdušný zberný obvod PT1000

Pozrite si návrh vzdušného akvizičného obvodu PT1000 pre antielektromagnetické rušenie v určitom letectve.

Filter je nastavený na najkrajnejšom konci prijímacieho obvodu. Akvizičný predspracovací obvod PT1000 je vhodný na predspracovanie rozhrania leteckých elektronických zariadení proti elektromagnetickému rušeniu;
Konkrétny obvod je:
Vstupné napätie +15V sa pomocou regulátora napätia prevedie na vysoko presný zdroj napätia +5V, a vysoko presný zdroj napätia +5V je priamo pripojený k odporu R1.
Druhý koniec odporu R1 je rozdelený na dve cesty, jeden pripojený k súfázovému vstupu operačného zosilňovača, a druhý pripojený ku koncu rezistora A PT1000 cez filter typu T S1. Výstup operačného zosilňovača je pripojený k invertnému vstupu, aby vytvoril napäťový sledovač, a invertujúci vstup je pripojený k uzemňovaciemu portu regulátora napätia, aby sa zabezpečilo, že napätie na vstupe vo fáze je vždy nulové. Po prechode cez filter S2, jeden koniec A rezistora PT1000 je rozdelený na dve cesty, jedna cesta sa používa ako vstupná svorka D rozdielového napätia cez odpor R4, a druhá cesta je pripojená k AGND cez odpor R2. Po prechode cez filter S3, druhý koniec B rezistora PT1000 je rozdelený na dve cesty, jedna cesta sa používa ako vstupná svorka E diferenciálneho napätia cez odpor R5, a druhá cesta je pripojená k AGND cez odpor R3. D a E sú spojené cez kondenzátor C3, D je pripojený k AGND cez kondenzátor C1, a E je pripojený k AGND cez kondenzátor C2; presnú hodnotu odporu PT1000 je možné vypočítať meraním rozdielu napätia medzi D a E.

Vstupné napätie +15V sa pomocou regulátora napätia prevedie na vysoko presný zdroj napätia +5V. +5V je priamo pripojené k R1. Druhý koniec R1 je rozdelený na dve cesty, jeden je pripojený k in-fázovej vstupnej svorke operačného zosilňovača, a druhý je pripojený k odporu PT1000 A cez filter typu T S1. Výstup operačného zosilňovača je pripojený k invertnému vstupu, aby vytvoril napäťový sledovač, a invertujúci vstup je pripojený k uzemňovaciemu portu regulátora napätia, aby sa zabezpečilo, že napätie na invertujúcom vstupe je vždy nulové. V tomto čase, prúd pretekajúci cez R1 je konštantný 0,5 mA. Regulátor napätia používa AD586TQ/883B, a operačný zosilňovač používa OP467A.

Po prechode cez filter S2, jeden koniec A rezistora PT1000 je rozdelený na dve cesty, jeden cez odpor R4 ako vstupný koniec diferenciálneho napätia D, a jeden cez odpor R2 na AGND; po prechode cez filter S3, druhý koniec B rezistora PT1000 je rozdelený na dve cesty, jeden cez odpor R5 ako vstupný koniec diferenciálneho napätia E, a jeden cez odpor R3 na AGND. D a E sú spojené cez kondenzátor C3, D je pripojený k AGND cez kondenzátor C1, a E je pripojený k AGND cez kondenzátor C2.
Odpor R4 a R5 je 4,02 k ohmov, odpor R1 a R2 je 1M ohmov, kapacita C1 a C2 je 1000 pF, a kapacita C3 je 0,047uF. R4, R5, C1, C2, a C3 spolu tvoria sieť RFI filtrov, čím sa dokončí dolnopriepustná filtrácia vstupného signálu, a medzi objekty, ktoré sa majú odfiltrovať, patrí rušenie diferenciálneho vidu a rušenie spoločného režimu prenášané vstupným diferenciálnym signálom. Výpočet -3dB medznej frekvencie bežného rušenia a diferenciálneho rušenia prenášaného vstupným signálom je znázornený vo vzorci:

Dosadenie hodnoty odporu do výpočtu, medzná frekvencia bežného režimu je 40 kHz, a medzná frekvencia diferenciálneho režimu je 2,6 kHz.
Koncový bod B je pripojený k AGND cez filter S4. Medzi nimi, všetky svorky uzemnenia filtra od S1 po S4 sú pripojené k uzemneniu tienenia lietadla. Pretože prúd pretekajúci cez PT1000 je známych 0,05 mA, presnú hodnotu odporu PT1000 je možné vypočítať meraním rozdielového napätia na oboch koncoch D a E.
S1 až S4 používajú filtre typu T, model GTL2012X‑103T801, s medznou frekvenciou 1M±20%. Tento obvod zavádza dolnopriepustné filtre do vonkajších liniek rozhrania a vykonáva RFI filtrovanie na rozdielovom napätí. Ako obvod predspracovania pre PT1000, účinne eliminuje elektromagnetické a RFI žiarenie, čo výrazne zlepšuje spoľahlivosť zhromaždených hodnôt. Navyše, napätie sa meria priamo z oboch koncov rezistora PT1000, odstránenie chyby spôsobenej odporom vedenia a zlepšenie presnosti hodnoty odporu.

5.2 Filter typu T
Filter typu T pozostáva z dvoch induktorov a kondenzátorov. Oba konce majú vysokú impedanciu, a jeho výkon vložnej straty je podobný ako pri filtri typu π, ale nie je na to náchylný “zvonenie” a môže byť použitý v spínacích obvodoch.