Zisťovanie teploty 2, 3, a 4-vodičové snímače teploty PT100

Článok uvádza ako 2, 3, a 4-vodičové snímače PT100 sú prevedené na napäťové signály prostredníctvom zmien odporu, a zdroj konštantného prúdu sa používa na ochranu snímača a zabezpečenie presnosti prevodu signálu. Senzor PT100 získava teplotu meraním zmeny jeho elektrického odporu, čo priamo koreluje s teplotou, ktorej je vystavený; ako sa teplota zvyšuje, zvyšuje sa aj odpor platinového prvku vo vnútri snímača, umožňujúci presný výpočet teploty na základe tejto zmeny odporu; v podstate, ten “100” v PT100 znamená, že snímač má odpor 100 ohmoch pri 0°C, a táto hodnota sa predvídateľne mení s teplotnými výkyvmi. Aplikácia operačného zosilňovača MCP604 v obvodovom dizajne zdôrazňuje vplyv jeho charakteristík, ako je nízke vstupné offsetové napätie a predpätie, na presnosť. Softvérová kalibrácia sa používa na zlepšenie presnosti pri návrhu obvodu, vyhnúť sa nepríjemnostiam pri fyzickom prispôsobovaní. Konečne, článok uvádza vzťah medzi teplotou a hodnotou odporu platiny, ktorý sa používa na výpočet hodnoty teploty.

Návrh snímania teploty 2-vodičového snímača teploty PT100

Akvizícia teploty čínskeho vlastného 3-vodičového teplotného snímača PT100

Snímanie teploty 4-vodičového snímača teploty PT100

Kľúčové body o snímaní teploty PT100:
Odporový teplotný detektor (RTD):
PT100 je typ RTD, čo znamená, že meria teplotu zisťovaním zmien svojho elektrického odporu.
Platinový prvok:
Snímací prvok v PT100 je vyrobený z platiny, ktorý vykazuje veľmi stabilný a lineárny vzťah medzi odporom a teplotou.
Proces merania: Snímač je umiestnený v prostredí, kde je potrebné merať teplotu.
Odpor platinového prvku sa meria pomocou špeciálneho elektronického obvodu.
Nameraná hodnota odporu sa potom prevedie na teplotu pomocou matematického vzorca založeného na známom teplotnom koeficiente platiny.

Výhody snímačov PT100:
Vysoká presnosť: Považuje sa za jeden z najpresnejších dostupných snímačov teploty vďaka stabilnému správaniu platiny.
Široký teplotný rozsah:　Dokáže merať teploty od -200°C do 850°C v závislosti od konštrukcie snímača.
Dobrá linearita: Vzťah medzi odporom a teplotou je relatívne lineárny, zjednodušenie interpretácie údajov.

Dôležité úvahy:
Kalibrácia: Na zabezpečenie presných meraní, Senzory PT100 je potrebné pravidelne kalibrovať podľa referenčného štandardu.
Odpor oloveného drôtu: Odpor spojovacích vodičov môže ovplyvniť presnosť merania, preto je často potrebné správne zvážiť kompenzáciu oloveného vodiča.
Vhodnosť aplikácie: Zatiaľ čo vysoko presné, Snímače PT100 nemusia byť vhodné pre extrémne drsné prostredia alebo aplikácie vyžadujúce veľmi rýchle časy odozvy.

1. Základné princípy získavania signálu
PT100 konvertuje teplotné signály na odporové výstupy, a jeho hodnota odporu sa pohybuje od 0 do 200Ω. AD prevodník dokáže konvertovať iba napätie a nemôže priamo zbierať teplotu. Preto, zdroj konštantného prúdu 1 mA je potrebný na napájanie PT100 a premenu zmien odporu na zmeny napätia. Výhodou použitia zdroja konštantného prúdu je, že môže predĺžiť životnosť snímača. Keďže rozsah vstupného signálu je 0 do 200 mV, signál je potrebné zosilniť a potom AD previesť na získanie údajov elektrického signálu.

Dôvody nepoužívania konštrukcie zdroja konštantného napätia:

Ak sa na napájanie používa zdroj konštantného napätia, a potom sú rezistor a PT100 zapojené do série, a napätie je rozdelené, vyskytol sa problém. Keď je odpor PT100 príliš malý, prúd pretekajúci cez PT100 je príliš veľký, Výsledkom je kratšia životnosť snímača.

2. Operačný zosilňovač používa MCP604
Funkcie MCP604:
1) Rozsah napätia je 2,7~6,0V
2) Výstup je Rail-to-Rail
3) Rozsah prevádzkových teplôt: -40°C až +85 °C
4) Vstupné offsetové napätie je ±3 mV, typická hodnota je 1 mV, vysoká citlivosť.
5) Vstupný predpätý prúd je 1pA, keď TA = +85 °C, I = 20 pA, zlepšuje presnosť snímania.
6) Kolísanie lineárneho výstupného napätia: VSS+0,1 ~ VDD–0,1, jednotka je V.

Keď je napájacie napätie 3,3V, kolísanie lineárneho výstupného napätia je 0,1 ~ 3,2 V. Aby sa zabezpečilo, že zosilnený signál funguje v lineárnej oblasti, keď VDD=3,3V, nastavili sme výstupné napätie MCP604 tak, aby zostalo na: 0.5V ~ 2,5 V na splnenie požiadaviek návrhu obvodu operačného zosilňovača.

Operačný zosilňovač v knihe analógovej elektroniky je ideálny operačný zosilňovač, ktorý sa líši od skutočného zosilňovača. Preto, je potrebné zvážiť “vstupné offsetové napätie”, “vstupný predpätý prúd” a “lineárny výkyv výstupného napätia” pri navrhovaní.

3. Schéma zapojenia
R11 na obrázku je obvod predpätia, ktorý zabraňuje skresleniu posledného stupňa výstupu diferenciálneho zosilňovača.
1) Vyberte vhodný zosilňovací faktor na zníženie výstupnej chyby. Kvôli existencii vstupného offsetového napätia, keď sa zvýši faktor zosilnenia, zvýši sa aj výstupná chyba, ktoré je potrebné zohľadniť pri návrhu.
2) Faktor zosilnenia tohto obvodu je 10. Za predpokladu, že typické vstupné offsetové napätie je 3 mV, ak sa vstupný signál zmení na 5 mV, 2mV nebude zosilnený, čo spôsobí výstupnú chybu 20 mV.

Operačný zosilňovač s detektorom teploty PT100 využívajúci schému zapojenia MCP604

Vo4 = (Vin1 – Vref)*10
I = 1 mA, Vref=Vo3=1,65V
1.7Vložka<=Vin<= 1,9 V, 1.7Vložka<=V02<= 1,9
1.8Vložka<=Vo1<= 2V, zabezpečiť, aby operačný zosilňovač pracoval v lineárnej oblasti, toto je veľmi dôležité
0.5Vložka<= Vo4<= 2,5 V, zabezpečiť, aby operačný zosilňovač pracoval v lineárnej oblasti, preto je potrebný 50Ω v sérii.

Keď sa vstupný odpor zmení o 1Ω, Vout sa zmení na 10 mV. Pretože vstupné kompenzačné napätie MCP604 je ±3 mV, pri zmene 0,3333Ω, dôjde k zmene 3,333 mV, a akvizičná citlivosť je vysoká.
Keď 0<=Rin<= vstup 200Ω, pretože slučka je zapojená do série s 50Ω, 50Oh<= Rx<= 250Ω
Vin1 – Vref = Rx*0,001, jednotka A

4. Kalibrácia softvéru
Noví inžinieri sa vždy snažia zlepšiť presnosť rezistorov, ale chyba je stále veľká. Niektorí inžinieri jednoducho používajú plynule nastaviteľné odpory, upravte ich hodnoty odporu, a použite multimetre, aby výstup spĺňal prenosový vzťah. Zdá sa, že táto presnosť sa zlepšila, ale nie je to vhodné na výrobu, a zvyšuje sa aj náročnosť návrhu PCB. Aj keď je ladenie hotové, ak sa nastavovacej skrutky dotknete rukou, môže to spôsobiť chyby. Jediným spôsobom je použiť na výrobu pevné odpory a použiť softvér, ktorý pomôže dosiahnuť presnú kalibráciu.
1) Keď Rin=0, prečítajte hodnotu napätia a zaznamenajte ju ako V50. Uložiť V50, nezmení sa so zmenou hodnoty odporu PT100, pretože je napájaný zdrojom konštantného prúdu.
2) Pripojte menovitý odpor, nech Rs=100Ω, prečítajte hodnotu napätia a zaznamenajte ju ako V150. Uložiť V150, hodnota napätia odčítaná, keď je teplota 0.
3) Vypočítajte aktuálny zosilňovací faktor: Io = (V150 – V50) / Rs; zachráň Ma, znamená to, že kalibrácia je hotová.
4) Keď je vstupný odpor R, odčítané napätie je Vo, potom R = (Vo- V50) / Io
Prostredníctvom vyššie uvedeného popisu, softvérová kalibrácia má veľké výhody, nielen pohodlná výroba, ale aj vysoká presnosť. Aby sa zlepšila presnosť, výstupné napätie môže byť tiež rozdelené do niekoľkých intervalov, kalibrované samostatne, a možno získať rôzne Io, takže výstupná linearita bude lepšia. Tieto myšlienky sa odrážajú v mojom dizajne.

Návrh obvodu OP AMP MCP604

5. Vypočítajte teplotu
Keď je teplota nižšia ako 0,
R0*C*t^4 – 100R0*C*t^3 + R0*B*t^2 + R0*A*t + R0 – Rt = 0
Keď je teplota väčšia alebo rovná 0, Rt=R0*(1+A*t+B*t*t)
Popis:
Rt je hodnota odporu platinového odporu pri t℃
R0 je hodnota odporu platinového odporu pri 0℃ 100Ω
A = 3,9082 × 10^-3
B = -5,80195 x 10^-7
C = -4,2735 x 10^-12

6. snímač teploty Pt100
Teplotný snímač Pt100 je termistorový snímač s kladným teplotným koeficientom, a jeho hlavné technické parametre sú nasledovné:
1) Rozsah teplôt merania: -200℃ ~ +850 ℃;
2) Prípustná hodnota odchýlky Δ℃: Stupeň A ±(0.15+0.002|t|), Stupeň B ±(0.30+0.005|t|);
3) Minimálna hĺbka vloženia: Minimálna hĺbka vloženia tepelného odporu je ≥200 mm;
4) Prípustný prúd: < 5mA;
5) Teplotný snímač Pt100 má tiež výhody odolnosti voči vibráciám, dobrá stabilita, vysoká presnosť, a vysoký tlak. Platinový tepelný odpor má dobrú linearitu. Pri zmene medzi 0 a 100 stupňov Celzia, maximálna nelineárna odchýlka je menšia ako 0,5 ℃;
Keď teplota < 0, R0*C*t^4 – 100R0*C*t^3 + R0*B*t^2 + R0*A*t + R0 – Rt = 0
Keď teplota ≥ 0, Rt = R0*(1+A*t+B*t*t)
Podľa vyššie uvedeného vzťahu, približný rozsah odporu je: 18Ω~390,3Ω, -197℃ je 18Ω, 850Ω je 390,3Ω;
Popis:
Rt je hodnota odporu platinového odporu pri t℃, R0 je hodnota odporu platinového odporu pri 0 ℃, 100Oh
A = 3,9082 × 10^-3, B = -5,80195 x 10^-7, C = -4,2735 x 10^-12
Návod na použitie platinového kovového snímača teploty PT100
6) Návrh obvodu
7) Vzťah medzi teplotou a odporom PT100
Teplota a odpor PT100 spĺňajú nasledujúcu rovnicu:
Keď je teplota ≤0, R0*C*t^4 – 100*R0*C*t^3 + R0*B*t^2 + R0*A*t + R0 – Rt = 0
Keď je teplota ≥0, R0*B*t^2 + R0*A*t + R0 – Rt = 0

Porovnávacia tabuľka teploty a odporu PT100

Popis:
Rt je hodnota odporu platinového odporu pri t℃, R0 je hodnota odporu platinového odporu pri 0 ℃, 100Oh
A = 3,9082 × 10^-3, B = -5,80195 x 10^-7, C = -4,2735 x 10^-12

1. Pre pohodlie výpočtu, keď je teplota ≤0, nech:
dvojité a=R0*C*100000=100*(-4.2735×10^-12)*100000=-4,2735/100000
dvojité b=–100*R0*C*100000=-100*100*(-4.2735×10^-12)*100000= 4,2735/1000
dvojité c= R0*B*100000=100*(-5.80195×10^-7)*100000= -5,80195
dvojité d=R0*A*100000=100*(3.9082×10^-3)*100000=39082
dvojité e= (100-Rt)*100000
Keď teplota ≤ 0, a*t^4 + b*t^3 + c*t^2 + d*t + e=0
kde x3 je riešenie PT100, keď je menej ako 0 °C.

2. Pre jednoduchosť výpočtu, keď je teplota väčšia alebo rovná 0
dvojité a= R0*B*100000=100*(-5.80195×10^-7)*100000= -5,80195
dvojité b=R0*A*100000=100*(3.9082×10^-3)*100000=39082
dvojité c= (100-Rt)*100000
Keď je teplota ≥0, a*t^2 + b*t + c = 0
t = [ SQRT( b*b – 4*a*c )-b ] / 2 / a
19.785Ω zodpovedá -197 ℃, teplota tekutého dusíka
18.486Ω zodpovedá -200 ℃
96.085Ω zodpovedá -10 ℃
138.505Ω zodpovedá 100 ℃
175.845Ω zodpovedá 200 ℃
247.045Ω zodpovedá 400 ℃