Pridobivanje temperature 2, 3, in 4-žilni temperaturni senzorji PT100

Članek predstavlja, kako 2, 3, in 4-žilni senzorji PT100 se pretvorijo v napetostne signale s spremembami upora, vir stalnega toka pa se uporablja za zaščito senzorja in zagotavljanje natančnosti pretvorbe signala. Senzor PT100 pridobi temperaturo z merjenjem spremembe njegovega električnega upora, kar je neposredno povezano s temperaturo, ki ji je izpostavljen; ko se temperatura poveča, poveča se tudi odpornost platinskega elementa v senzorju, kar omogoča natančen izračun temperature na podlagi te spremembe upora; v bistvu, the “100” v PT100 pomeni, da ima senzor upor 100 ohmov pri 0°C, in ta vrednost se predvidljivo spreminja s temperaturnimi nihanji. Uporaba operacijskega ojačevalnika MCP604 pri oblikovanju vezja poudarja vpliv njegovih značilnosti, kot sta nizka vhodna napetost odmika in prednapetostni tok, na natančnost. Kalibracija programske opreme se uporablja za izboljšanje natančnosti pri načrtovanju vezja, izogibanje nevšečnostim fizičnega prilagajanja. Končno, članek podaja formulo razmerja med temperaturo in vrednostjo upornosti platine, ki se uporablja za izračun vrednosti temperature.

Zasnova za zajemanje temperature 2-žilnega temperaturnega senzorja PT100

Temperaturna pridobitev 3-žilnega temperaturnega senzorja PT100 po meri na Kitajskem

Zajem temperature s 4-žilnim temperaturnim senzorjem PT100

Ključne točke o pridobivanju temperature PT100:
Detektor temperature odpornosti (RTD):
PT100 je vrsta RTD, kar pomeni, da meri temperaturo z zaznavanjem sprememb električnega upora.
Platinasti element:
Senzorski element v PT100 je izdelan iz platine, ki kaže zelo stabilno in linearno razmerje med uporom in temperaturo.
Postopek merjenja: Senzor je nameščen v okolju, kjer je treba izmeriti temperaturo.
Upornost platinskega elementa se meri z namenskim elektronskim vezjem.
Izmerjena vrednost upora se nato pretvori v temperaturo z uporabo matematične formule, ki temelji na znanem temperaturnem koeficientu platine..

Prednosti senzorjev PT100:
Visoka natančnost: Velja za enega najbolj natančnih razpoložljivih temperaturnih senzorjev zaradi stabilnega obnašanja platine.
Široko temperaturno območje:　Lahko meri temperature od -200 ° C do 850 ° C, odvisno od zasnove senzorja.
Dobra linearnost: Razmerje med odpornostjo in temperaturo je relativno linearno, poenostavitev interpretacije podatkov.

Pomembni premisleki:
Umerjanje: Za zagotovitev natančnih meritev, Senzorje PT100 je treba redno kalibrirati glede na referenčni standard.
Odpornost svinčene žice: Upornost povezovalnih žic lahko vpliva na točnost meritev, zato je pogosto potrebno pravilno upoštevati kompenzacijo vodilne žice.
Primernost aplikacije: Medtem ko je zelo natančen, Senzorji PT100 morda niso primerni za izjemno težka okolja ali aplikacije, ki zahtevajo zelo hitre odzivne čase.

1. Osnovni principi zajemanja signalov
PT100 pretvori temperaturne signale v uporne izhode, in njegova vrednost upora se giblje od 0 do 200Ω. AD pretvornik lahko pretvarja le napetost in ne more neposredno zbirati temperature. Zato, vir konstantnega toka 1 mA je potreben za napajanje PT100 in pretvorbo sprememb upora v spremembe napetosti. Prednost uporabe vira stalnega toka je, da lahko podaljša življenjsko dobo senzorja. Ker je obseg vhodnega signala 0 do 200mV, signal je treba ojačati in nato AD pretvoriti, da dobimo podatke o električnem signalu.

Razlogi za neuporabo zasnove vira s konstantno napetostjo:

Če se za napajanje uporablja vir s konstantno napetostjo, nato sta upor in PT100 povezana zaporedno, in napetost je razdeljena, obstaja problem. Ko je upor PT100 premajhen, tok, ki teče skozi PT100, je prevelik, kar ima za posledico krajšo življenjsko dobo senzorja.

2. Operacijski ojačevalnik uporablja MCP604
Lastnosti MCP604:
1) Razpon napetosti je 2,7~6,0V
2) Izhod je Rail-to-Rail
3) Območje obratovanja: -40°C do +85 °C
4) Vhodna offset napetost je ±3mV, tipična vrednost je 1mV, visoka občutljivost.
5) Vhodni prednapetostni tok je 1pA, ko je TA = +85°C, I=20pA, izboljša natančnost zajemanja.
6) Nihanje linearne izhodne napetosti: VSS+0,1 ~ VDD–0,1, enota je V.

Ko je napajalna napetost 3,3 V, nihanje linearne izhodne napetosti je 0,1~3,2V. Da bi zagotovili, da ojačani signal deluje v linearnem območju, ko je VDD=3,3 V, nastavimo, da ostane izhodna napetost MCP604: 0.5V ~ 2,5 V za izpolnjevanje zahtev načrtovanja vezja operacijskega ojačevalnika.

Operacijski ojačevalnik v knjigi o analogni elektroniki je idealen operacijski ojačevalnik, ki se razlikuje od dejanskega ojačevalnika. Zato, je treba upoštevati “vhodna napetost odmika”, “vhodni prednapetostni tok” in “linearno nihanje izhodne napetosti” pri projektiranju.

3. Shema vezja
R11 na sliki je prednapetostno vezje, ki preprečuje popačenje nasičenosti zadnje stopnje izhoda diferencialnega ojačevalnika.
1) Izberite ustrezen ojačevalni faktor, da zmanjšate izhodno napako. Zaradi obstoja vhodne offset napetosti, ko se faktor ojačanja poveča, povečala se bo tudi izhodna napaka, ki jih je treba upoštevati pri načrtovanju.
2) Ojačevalni faktor tega vezja je 10. Ob predpostavki, da je tipična vhodna napetost odmika 3 mV, če se vhodni signal spremeni na 5mV, 2mV ne bo ojačan, kar bo povzročilo izhodno napako 20 mV.

Operacijski ojačevalnik detektorja temperature PT100 z uporabo sheme vezja MCP604

Vo4 = (Vin1 – Vref)*10
I=1mA, Vref=Vo3=1,65 V
1.7V<=Vin<=1,9 V, 1.7V<=V02<=1,9
1.8V<=Vo1<=2V, zagotovite, da operacijski ojačevalnik deluje v linearnem območju, to je zelo pomembno
0.5V<=Vo4<=2,5 V, zagotovite, da operacijski ojačevalnik deluje v linearnem območju, zato je potrebnih 50Ω v seriji.

Ko se vhodni upor spremeni za 1Ω, Vout se spremeni na 10mV. Ker je vhodna kompenzacijska napetost MCP604 ±3mV, ko pride do spremembe 0,3333Ω, prišlo bo do spremembe za 3,333 mV, in občutljivost pridobivanja je visoka.
Ko 0<=Rin<=200Ω vhod, ker je zanka zaporedno povezana s 50Ω, 50Oh<=Rx<=250Ω
Vin1 – Vref = Rx*0,001, enota A

4. Programska kalibracija
Novi inženirji vedno poskušajo izboljšati natančnost uporov, vendar je napaka še vedno velika. Nekateri inženirji preprosto uporabljajo zvezno nastavljive upore, prilagodite njihove vrednosti upora, in uporabite multimetre, da izhod ustreza razmerju prenosa. Zdi se, da je ta natančnost izboljšana, vendar ni primeren za proizvodnjo, prav tako se poveča težavnost načrtovanja PCB. Tudi če je odpravljanje napak končano, če se nastavitvenega vijaka dotaknete z roko, lahko povzroči napake. Edini način je uporaba fiksnih uporov za proizvodnjo in uporaba programske opreme za pomoč pri doseganju natančne kalibracije.
1) Ko je Rin=0, odčitajte vrednost napetosti in jo zabeležite kot V50. Prihranite V50, ne bo se spremenila s spremembo vrednosti upora PT100, ker se napaja iz vira stalnega toka.
2) Povežite nazivni upor, naj bo Rs=100Ω, odčitajte vrednost napetosti in jo zabeležite kot V150. Prihranite V150, vrednost napetosti, odčitano, ko je temperatura 0.
3) Izračunajte trenutni ojačevalni faktor: Io = (V150 – V50) / Rs; reši me, pomeni, da je kalibracija opravljena.
4) Ko je vhodni upor R, odčitana napetost je Vo, potem R = (Vo- V50) / Io
Skozi zgornji opis, programska kalibracija ima velike prednosti, ne le priročna proizvodnja, ampak tudi visoko natančnost. Da bi izboljšali natančnost, izhodno napetost lahko razdelimo tudi na več intervalov, kalibriran ločeno, in različne Io je mogoče dobiti, tako da bo izhodna linearnost boljša. Te ideje se odražajo v mojem oblikovanju.

Zasnova vezja OP AMP MCP604

5. Izračunajte temperaturo
Ko je temperatura nižja od 0,
R0*C*t^4 – 100R0*C*t^3 + R0*B*t^2 + R0*A*t + R0 – Rt=0
Ko je temperatura večja ali enaka 0, Rt=R0*(1+A*t+b*t*t)
Opis:
Rt je vrednost upora platinastega upora pri t℃
R0 je vrednost upora platinastega upora pri 0℃ 100Ω
A=3,9082×10^-3
B=-5,80195×10^-7
C=-4,2735×10^-12

6. Temperaturni senzor Pt100
Temperaturni senzor Pt100 je termistorski senzor s pozitivnim temperaturnim koeficientom, in njegovi glavni tehnični parametri so naslednji:
1) Temperaturno območje merjenja: -200℃ ~ +850 ℃;
2) Dovoljena vrednost odstopanja Δ℃: Razred A ±(0.15+0.002|t|), Razred B ±(0.30+0.005|t|);
3) Najmanjša globina vstavljanja: Najmanjša globina vstavitve termičnega upora je ≥200 mm;
4) Dovoljeni tok: < 5mA;
5) Temperaturni senzor Pt100 ima tudi prednosti odpornosti na vibracije, dobra stabilnost, visoka natančnost, in visok pritisk. Platinum toplotni upor ima dobro linearnost. Pri menjavi med 0 in 100 stopinj Celzija, največji nelinearni odklon je manjši od 0,5 ℃;
Ko temperatura < 0, R0*C*t^4 – 100R0*C*t^3 + R0*B*t^2 + R0*A*t + R0 – Rt=0
Ko je temperatura ≥ 0, Rt= R0*(1+A*t+b*t*t)
Glede na zgornje razmerje, približno območje odpornosti je: 18Ω ~ 390,3 Ω, -197℃ je 18Ω, 850Ω je 390,3 Ω;
Opis:
Rt je vrednost upora platinastega upora pri t℃, R0 je vrednost upora platinastega upora pri 0 ℃, 100Oh
A=3,9082×10^-3, B=-5,80195×10^-7, C=-4,2735×10^-12
Priročnik za uporabo kovinskega temperaturnega senzorja PT100
6) Oblikovanje vezja
7) Razmerje med temperaturo PT100 in odpornostjo
Temperatura in odpornost PT100 ustrezata naslednji enačbi:
Ko je temperatura ≤0, R0*C*t^4 – 100*R0*C*t^3 + R0*B*t^2 + R0*A*t + R0 – Rt=0
Ko je temperatura ≥0, R0*B*t^2 + R0*A*t + R0 – Rt =0

Primerjalna tabela temperature in odpornosti PT100

Opis:
Rt je vrednost upora platinastega upora pri t℃, R0 je vrednost upora platinastega upora pri 0 ℃, 100Oh
A=3,9082×10^-3, B=-5,80195×10^-7, C=-4,2735×10^-12

1. Za udobje izračuna, ko je temperatura ≤0, naj:
dvojno a=R0*C*100000=100*(-4.2735×10^-12)*100000= -4,2735/100000
dvojno b=–100*R0*C*100000=-100*100*(-4.2735×10^-12)*100000=4,2735/1000
dvojno c= R0*B*100000=100*(-5.80195×10^-7)*100000= -5,80195
dvojni d=R0*A*100000=100*(3.9082×10^-3)*100000=39082
dvojni e= (100-Rt)*100000
Ko je temperatura ≤ 0, a*t^4 + b*t^3 + c*t^2 + d*t + e=0
kjer je x3 rešitev PT100, ko je nižja od 0 ℃.

2. Za lažji izračun, ko je temperatura večja ali enaka 0
dvojno a= R0*B*100000=100*(-5.80195×10^-7)*100000= -5,80195
dvojno b=R0*A*100000=100*(3.9082×10^-3)*100000=39082
dvojni c= (100-Rt)*100000
Ko je temperatura ≥0, a*t^2 + b*t + c =0
t = [ SQRT( b*b – 4*a*c )-b ] / 2 / a
19.785Ω ustreza -197 ℃, temperatura tekočega dušika
18.486Ω ustreza -200 ℃
96.085Ω ustreza -10 ℃
138.505Ω ustreza 100 ℃
175.845Ω ustreza 200 ℃
247.045Ω ustreza 400 ℃