Systém merania teploty snímača tepelného odporu PT100

2-drôt, 3-drôt alebo 4-vodič Pt100, 500 Pt, Senzory Pt1000 sú teplotné senzory na báze platinových prvkov s vysokou presnosťou, stabilita a linearita, a sú široko používané v oblastiach, ktoré vyžadujú presné meranie teploty. A “Systém merania teploty tepelného odporu PT100” označuje systém, ktorý používa snímač PT100, typ odporového teplotného detektora (RTD), na meranie teploty zisťovaním zmien jeho elektrického odporu, ktoré sú priamo úmerné teplote; “PT” znamená Platinum, a “100” indikuje, že snímač má odpor 100 ohmoch pri 0 °C, čo z neho robí vysoko presnú a stabilnú metódu merania teploty v širokom rozsahu.

Platinové rezistory sú široko používané v strednom teplotnom rozsahu (-200～650 ℃). V súčasnosti, na trhu sú štandardné teplotné meracie tepelné odpory vyrobené z kovovej platiny, ako Pt100, 500 Pt, 1000 Pt, tam.

Pochopte princíp fungovania PT100: PT100 je teplotný snímač Pt rezistora. Princíp činnosti je založený na tepelnom účinku odporu. Hodnota jeho odporu sa mení so zmenou teploty. Táto zmena je lineárna. Pri 0 ℃, hodnota odporu PT100 je 100 ohmy. Ako teplota stúpa, zodpovedajúcim spôsobom sa zvyšuje aj hodnota odporu, takže teplotu možno presne odvodiť meraním hodnoty odporu.

Vysoko presný 4-vodičový systém merania teploty triedy A PT100

2-drôt PT100 platinový odporový systém merania teploty sondy

3-drôtový PT100 systém merania teploty snímača tepelného odporu

Vyberte vhodný spôsob zapojenia: Vo všeobecnosti, 2-drôt, 3-možno použiť drôtové alebo 4-vodičové spôsoby zapojenia.

Výstup napäťového signálu mostíkom

Kľúčové body o systéme PT100:
Princíp snímača:
Senzor PT100 je vyrobený z platinového drôtu, ktorého elektrický odpor sa predvídateľne mení s teplotnými výkyvmi.

Metóda merania:
Keď cez PT100 prechádza prúd, meria sa pokles napätia na snímači, ktorá sa potom prevedie na teplotu na základe známeho vzťahu medzi odporom a teplotou.

Široká aplikácia:
Senzory PT100 sa bežne používajú v priemyselných procesoch, laboratóriách, a ďalšie aplikácie, kde sa vyžaduje presné meranie teploty kvôli ich vysokej presnosti a stabilite.

Komponenty systému PT100:
Senzorová sonda PT100:
Skutočný snímací prvok, typicky platinový drôt obalený okolo keramického jadra, ktorý je vložený do prostredia, ktoré sa má merať.

Obvod na úpravu signálu:
Elektronika, ktorá zosilňuje a konvertuje malú zmenu odporu z PT100 na merateľný napäťový signál.

Systém zobrazenia alebo zberu údajov:
Zariadenie, ktoré zobrazuje nameranú teplotu alebo ukladá údaje na analýzu.

Výhody používania systému PT100:
Vysoká presnosť:　Považuje sa za jeden z najpresnejších dostupných snímačov teploty.
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 veľmi lineárny, uľahčuje interpretáciu údajov.
Stabilita:　Platina je veľmi stabilný materiál, zabezpečenie konzistentných údajov v priebehu času.

Tabuľka indexovania tepelného odporu Pt100

Tri spôsoby zapojenia platinového odporu PT100 sa v princípe líšia: 2-drôt a 3-vodič sa merajú mostíkovou metódou, a vzťah medzi hodnotou teploty a hodnotou analógového výstupu je uvedený na konci. 4-drôt nemá mostík. Je úplne odoslaný zdrojom konštantného prúdu, merané voltmetrom, a nakoniec udáva nameranú hodnotu odporu, ktorého použitie je náročné a nákladné.
Pretože PT100 má malú hodnotu odporu a vysokú citlivosť, hodnotu odporu vodiča nemožno ignorovať. Použitie 3-vodičového pripojenia môže eliminovať chybu merania spôsobenú odporom vedenia.
2-vodičový systém má nízku presnosť merania; 3-vodičový systém má lepšiu presnosť; 4-vodičový systém má vysokú presnosť merania, ale vyžaduje viac drôtov.

Potrebujeme poznať iba teplotný stav PT100 na základe výstupného napäťového signálu mostom. Keď sa hodnota odporu PT100 nerovná hodnote odporu Rx, mostík vydáva signál diferenčného tlaku, ktorý je veľmi malý. Pretože výstupný signál snímača teploty je vo všeobecnosti veľmi slabý, na jeho zosilnenie alebo premenu do formy, ktorá sa ľahko prenáša, je potrebný obvod na úpravu a konverziu signálu, proces, zaznamenávať a zobrazovať. Miernu zmenu množstva meraného signálu je potrebné previesť na elektrický signál. Pri zosilňovaní jednosmerného signálu, samodrift a nevyvážené napätie operačného zosilňovača nemožno ignorovať pri prechode cez operačný zosilňovač. Po zosilnení, môže byť vyvedený napäťový signál požadovanej veľkosti.
Hodnota odporu platinového odporu sa dá získať výpočtom obvodu alebo meraním multimetrom. Keď poznáme hodnotu odporu PT100, môžeme merať a vypočítať teplotu podľa hodnoty odporu.

Na spracovanie údajov používajte vhodné algoritmy: Použite známy vzťah teploty a odporu na výpočet teploty pomocou programovania. Vzhľadom na to, že vzťah medzi odporom a teplotou PT100 je nelineárny, najmä v oblastiach s nízkou alebo vysokou teplotou, Na zlepšenie presnosti môžu byť potrebné zložitejšie algoritmy.

Vplyv environmentálnych faktorov: Výkon môže byť ovplyvnený faktormi prostredia, ako je elektromagnetické rušenie, mechanické vibrácie, a vlhkosťou.

Existujú tri bežné metódy výpočtu merania teploty:
Metóda výpočtu merania teploty 1:
Keď nie je potrebná presná teplota, teplota sa zvýši o 2,5 ℃ pri každom zvýšení hodnoty odporu tepelného odporu PT100 v ohme (používa sa pri nízkych teplotách). Hodnota odporu snímača teploty PT100 je 100 keď je 0 ℃, takže približná teplota v tomto čase = (Hodnota odporu PT100-100)*2.5.

Metóda výpočtu merania teploty 2:
Vzťah medzi hodnotou odporu a teplotou platinového odporu

V rozsahu 0～850℃: Rt = RO(1+At+Bt2);

V rozsahu -200～0℃: Rt = RO[1+At+Bt2+C(t-100)3];

Rt predstavuje hodnotu odporu platinového odporu pri teplote t℃;

R0 predstavuje hodnotu odporu platinového odporu pri teplote 0℃;

A, B, C sú konštanty, A=3,96847 × 10-3/℃; B = -5,847 x 10-7/℃; C = -4,22 x 10-12/℃;

Pre tepelný odpor, ktorý spĺňa vyššie uvedený vzťah, jeho teplotný koeficient je asi 3,9×10-3/℃.

Prostredníctvom vyššie uvedeného vzorca, teplota sa dá presne vyriešiť podľa hodnoty odporu, ale kvôli veľkému množstvu výpočtu tejto metódy, pre tento experiment sa neodporúča.

Metóda výpočtu teploty tri:
PT100 má dobrý lineárny vzťah s teplotou a je vhodný na meranie strednej a nízkej teploty. Hodnota odporu PT100 pri rôznych teplotách má zodpovedajúcu meraciu stupnicu jedna ku jednej, ako je znázornené na obrázku nižšie, ktorý dokáže intuitívne zobraziť zodpovedajúci vzťah medzi rôznymi teplotami a hodnotou odporu PT100.
Teplotu je možné zistiť kontrolou zodpovedajúcej hodnoty odporu na stupnici PT100.

Stupnica tepelného odporu Pt100

Zariadenie na meranie teploty PT100 navrhnuté v tomto článku používa bežne používaný lacný štvorcestný operačný zosilňovač LM324 na dokončenie návrhu obvodu napájania zariadenia a obvodu zosilňovača prístroja s tromi operačnými zosilňovačmi..

1.1 Obvod zdroja napätia

Obvod zdroja napätia snímača tepelného odporu Pt100

Obvod na obrázku 1 je bežný proporcionálny operačný obvod. Podľa analýzy ideálneho operačného zosilňovača pracujúceho v lineárnej oblasti, podľa princípu virtuálnej krátkej a virtuálnej prestávky, získa sa:

Vzorec obvodu výpočtu Wheatstonovho mostíka

​, potom je faktor zosilnenia napätia v uzavretej slučke 2 krát, a potom sa získa V = 10 V, a používa sa ako stabilné napájacie napätie obvodu Wheatstoneovho mostíka.

1.2 Trojvodičové pripojenie Wheatstoneovho mostíka a PT100.
Vyššie uvedený obrázok je Wheatstoneov most. Podmienkou vyrovnania mosta je, aby potenciály bodov B a D boli rovnaké. Takže keď je most vyvážený, pokiaľ R1, R2 (zvyčajne pevné hodnoty) a R0 (zvyčajne nastaviteľné hodnoty) sú čítané, možno získať odpor Rx, ktorý sa má merať. R1/R2=M, volal “multiplikátor”.

Wheatstoneov mostík a trojvodičový spôsob pripojenia PT100

Podľa princípu merania teploty PT100, hodnotu odporu PT100 je potrebné poznať správne, ale hodnotu odporu nemožno merať priamo, takže je potrebný konverzný obvod. Hodnota odporu je prevedená na napäťový signál, ktorý dokáže detegovať mikrokontrolér”. Obvod Wheatstoneovho mostíka je prístroj, ktorý dokáže správne merať odpor. Ako je znázornené na obr 2, R1, R2, R3, a R4 sú jej mostné ramená. Keď je most vyvážený, R1xR3=R2xR4 je splnené. Keď je most nevyvážený, medzi bodmi a a b bude rozdiel napätia. Podľa napätia bodov a a b, možno vypočítať zodpovedajúci odpor. Toto je princíp merania odporu s nevyváženým mostíkom:

Spôsob zapojenia trojvodičového obvodu PT100

V skutočnosti, kvôli malému odporu a vysokej citlivosti PT100, odpor vodiča spôsobí chyby. Preto, na odstránenie tejto chyby sa v priemysle často používa metóda trojvodičového pripojenia. Ako je znázornené v bodkovanej časti obrázku 2, hodnota odporu vodiča je rovnaká a je r. V tomto čase, ramená mosta sa stanú R, R, R+2r, a Rt+2r. Keď je most vyvážený: R2. (R1+2r) =R1.(R3+2r), vytriedené: Rt = R1R3/R2+2 R1r/R2- 2r. Analýza ukazuje, že keď R1=R2, zmena odporu vodiča nemá vplyv na výsledok merania.

1.3 Obvod prístrojového zosilňovača s tromi operačnými zosilňovačmi
Keď sa teplota zmení z 0℃~100℃, odpor PT100 sa mení približne lineárne v rozsahu 100Ω~138,51Ω. Podľa vyššie uvedeného mostného okruhu, mostík je vyvážený pri 0 ℃, takže teoretická hodnota výstupného napätia mostíka by mala byť 0 Vložka, a keď je teplota 100 ℃, výstup mosta je: Uab=U7x(R1/(R1+ R2)-R3/(R2 + R3)), to je, Uab=10x(138.51/(10000 + 138.51)-100/(10000 + 100)) = 0,037599 V. Pretože ide o milivoltový signál, je potrebné toto napätie zosilniť, aby bolo detekovateľné AD čipom.

Ako je znázornené na obr 3, prístrojový zosilňovač je zariadenie, ktoré zosilňuje malé signály v hlučnom prostredí. Má rad výhod, ako je nízky drift, nízka spotreba energie, vysoký pomer odmietnutia spoločného režimu, široký rozsah napájania a malé rozmery. Využíva charakteristiky diferenciálnych malých signálov superponovaných na väčšie signály v bežnom režime, ktorý dokáže odstrániť signály v spoločnom režime a súčasne zosilniť diferenciálne signály. Výstupné napätie štandardného obvodu prístrojového zosilňovača s tromi operačnými zosilňovačmi je, tu R8=R10=20 kΩ, R9=R11=20 kΩ, R4=R7=100kΩ, ktorý dokáže zosilniť vstupný napäťový signál asi o 150 krát, aby bolo možné teoretické výstupné napätie mostíka zosilniť na 0 ~2,34 V. Ale to je len teoretická hodnota. V skutočnom procese, existuje veľa faktorov, ktoré môžu spôsobiť zmeny odporu. Preto, R3 možno nahradiť presným nastaviteľným odporom na uľahčenie nulovania obvodu.

Obvod prístrojového zosilňovača s tromi operačnými zosilňovačmi snímača PT100

2. Návrh softvéru

2.1 Metóda najmenších štvorcov a lineárna montáž PT100

V teplotnom rozsahu 0℃≤t≤850℃, vzťah medzi odporom Pt100 a teplotou je: R = 100 (1 +At+Bt2), kde A=3,90802x 10-3; B=- -5.80x 10-7; C = 4,2735 x 10-12

Je vidieť, že odpor PT100 a teplota nie sú absolútnym lineárnym vzťahom, ale parabolou. Preto, ak sa má extrahovať t, vyžaduje sa operácia druhej odmocniny, ktorý zavádza zložitejšiu funkciu a zaberá veľké množstvo CPU jednočipového mikropočítača. Ak chcete vyriešiť tento problém, môžeme použiť metódu najmenších štvorcov na lineárne prispôsobenie vzťahu medzi teplotou a odporom. ” Prekladanie krivkou najmenších štvorcov je bežnou metódou na spracovanie experimentálnych údajov. Jeho princípom je nájsť polynomickú funkciu na minimalizáciu súčtu štvorcových chýb s pôvodnými údajmi.

2.2 AD digitálna konverzná teplota
Princíp merania teploty PT100 je získať hodnotu teploty na základe jej hodnoty odporu, preto treba najprv určiť hodnotu odporu tepelného odporu. Podľa hardvérového obvodu, vzťah medzi výstupným napätím Uab mostíkového obvodu a výstupným napätím Uad obvodu zosilňovača operačného zosilňovača je: Uad = Uab. Auf Pretože systém používa 12-bitový AD čip, vzťah medzi digitálnou veličinou a analógovou veličinou je: Uad/AD=5/4096. Vzťah medzi výstupným napätím mostíka a digitálnou veličinou AD možno získať kombináciou predchádzajúcich dvoch rovníc, to je, Uad/AD=5/(4096Zapnuté). Potom, dosadí sa do výrazu výstupného napätia mostíka Uab= U7x (Rt/ (R1+Rt) -R3/ (R2+R3) ), a možno získať vyjadrenie Rr a digitálnej veličiny AD. Riešením je:

AD digitálny prevodný teplotný vzorec

Po poznaní hodnoty odporu PT100, zodpovedajúcu hodnotu teploty je možné získať podľa lineárnej rovnice v časti 2.1.

2.3 Jednočipové digitálne filtrovanie
S cieľom zlepšiť presnosť merania teploty PT100, program digitálneho filtrovania možno pridať do programovania softvéru, ktorý nevyžaduje pridanie hardvérových obvodov a môže zlepšiť stabilitu a spoľahlivosť systému. V jednočipovom mikropočítačovom aplikačnom systéme existuje veľa metód filtrovania. Pri konkrétnom výbere, mali by sa analyzovať a porovnať výhody a nevýhody metódy filtrovania a použiteľných objektov, aby ste vybrali vhodnú metódu filtrovania. Algoritmus metódy filtrovania stredného priemeru je najprv nepretržite zbierať N údajov, potom odstráňte minimálnu hodnotu a maximálnu hodnotu, a nakoniec vypočítajte aritmetický priemer zostávajúcich údajov. Táto metóda filtrovania je vhodná na meranie parametrov, ktoré sa menia pomaly, ako je teplota, a môže účinne znížiť rušenie spôsobené výkyvmi spôsobenými náhodnými faktormi alebo chybami spôsobenými nestabilitou vzorkovača.

Pracovný proces systému:
Keď sa zmení teplota meraného objektu, odpor PT100 sa mení, a Wheatstoneov mostík vydá zodpovedajúci napäťový signál. Tento signál je funkciou odporu PT100. Tento milivoltový signál je zosilnený prístrojovým zosilňovačom s tromi operačnými zosilňovačmi a odoslaný do AD čipu, ktorý prevádza analógovú veličinu na digitálnu veličinu a číta ju mikrokontrolér. Mikrokontrolér načíta čip z čipu AD a vykoná program filtrovania, prevod stabilnej digitálnej veličiny na odpor PT100 pomocou výpočtu. Potom mikrokontrolér vyberie zodpovedajúci prispôsobený lineárny model podľa veľkosti hodnoty odporu na výpočet aktuálnej hodnoty teploty, a nakoniec zobrazenie údajov o teplote na LCD displeji.