Tehnologija senzorja temperature

Sistem za merjenje temperature senzorja toplotnega upora PT100

Visoko natančen 4-žilni sistem za merjenje temperature razreda A PT100

2-žica, 3-žica ali 4-žični PT100, Pt500, Senzorji PT1000 so temperaturni senzorji, ki temeljijo na platinastih elementih z visoko natančnostjo, stabilnost in linearnost, in se pogosto uporabljajo v poljih, ki zahtevajo natančno merjenje temperature. A “PT100 sistem za merjenje temperature termičnega upora PT100” se nanaša na sistem, ki uporablja senzor PT100, vrsta detektorja temperature odpornosti (RTD), merjenje temperature z zaznavanjem sprememb v električni upor, ki so neposredno sorazmerne s temperaturo; “Pt” stoji za platino, in “100” kaže, da ima senzor odpor 100 Ohmi pri 0 ° C, zaradi česar je zelo natančna in stabilna metoda za merjenje temperature v širokem območju.

Platinasti upori se pogosto uporabljajo v srednjem temperaturnem območju (-200~650 ℃). Trenutno, na trgu so standardni toplotni upori za merjenje temperature iz kovinske platine, kot je Pt100, Pt500, Pt1000, itd.

Razumevanje delovnega načela PT100: PT100 je temperaturni senzor PT upora. Načelo delovanja temelji na toplotnem učinku upora upora. Njegova odpornost se spremeni s spremembo temperature. Ta sprememba je linearna. Na 0 ℃, Vrednost upora PT100 je 100 ohms. Ko se temperatura dvigne, Vrednost upora se tudi ustrezno poveča, Torej lahko temperaturo natančno sklepamo z merjenjem vrednosti upora.

Visoko natančen 4-žilni sistem za merjenje temperature razreda A PT100

Visoko natančen 4-žilni sistem za merjenje temperature razreda A PT100

2-Žica PT100 Platinasta odpornost temperaturne sonde Temperaturna merilna sistem

2-Žica PT100 Platinasta odpornost temperaturne sonde Temperaturna merilna sistem

3-Žica PT100 sistem za merjenje temperature Termičnega upornega senzorja

3-Žica PT100 sistem za merjenje temperature Termičnega upornega senzorja

Izberite ustrezen način ožičenja: Na splošno, 2-žica, 3-Uporabite lahko žične ali 4-žične metode ožičenja.

Izhod napetostnega signala ob mostu

Izhod napetostnega signala ob mostu

Ključne točke o sistemu PT100:
Načelo senzorja:
Senzor PT100 je izdelan iz platinske žice, katere električna odpornost se predvidljivo spreminja s temperaturnimi nihanji.

Metoda merjenja:
Ko se skozi PT100 prenese tok, Izmeri padec napetosti čez senzor, ki se nato pretvori v temperaturo na podlagi znanega razmerja med uporom in temperaturo.

Široka uporaba:
Senzorji PT100 se običajno uporabljajo v industrijskih procesih, laboratoriji, in druge aplikacije, pri katerih je zaradi visoke natančnosti in stabilnosti potrebno natančno merjenje temperature.

Komponente sistema PT100:
Senzor PT100:
Dejanski zaznavni element, Običajno platinasta žica, ovita okoli keramičnega jedra, ki se vstavi v okolje, ki ga je treba izmeriti.

Signalno kondicioniranje vezja:
Elektronika, ki amplificira in pretvori spremembo majhne upornosti iz PT100 v merljiv napetostni signal.

Prikaz ali sistem za zajem podatkov:
Naprava, ki prikazuje izmerjeno temperaturo ali shrani podatke za analizo.

Prednosti uporabe sistema PT100:
Visoka natančnost: Velja za enega najbolj natančnih temperaturnih senzorjev, ki so na voljo.
Široko temperaturno območje: Lahko meri temperature od -200 ° C do 850 ° C, odvisno od zasnove senzorja.
Dobra linearnost: Razmerje med odpornostjo in temperaturo je zelo linearno, Izdelava za enostavno razlago podatkov.
Stabilnost: Platina je zelo stabilen material, zagotavljanje doslednih branja skozi čas.

Tabela za indeksiranje termične odpornosti PT100

Tabela za indeksiranje termične odpornosti PT100

Tri metode ožičenja PT100 Platinum upora so načeloma različne: 2-Žica in 3-žica se merita po mostu, in na koncu je navedena razmerja med temperaturno vrednostjo in analogno izhodno vrednostjo. 4-žica nima mostu. V celoti ga pošlje konstantni vir, merjeno z voltmeter, in končno daje izmerjeno vrednost upora, kar je težko in drago uporabiti.
Ker ima PT100 majhno odpornost in visoko občutljivost, Vrednosti upora svinčene žice ni mogoče prezreti. Uporaba 3-žilne povezave lahko odpravi napako merjenja, ki jo povzroči upor vodilne črte.
2-žilni sistem ima slabo natančnost merjenja; 3-žični sistem ima boljšo natančnost; 4-žični sistem ima visoko natančnost meritev, vendar zahteva več žic.

Poznati moramo le temperaturno stanje PT100 na podlagi izhoda napetostnega signala ob mostu. Kadar vrednost upornosti PT100 ni enaka uporniški vrednosti RX, most oddaja signal diferencialnega tlaka, ki je zelo majhen. Ker je izhodni signal temperaturnega senzorja na splošno zelo šibek, Signalno kondicioniranje in pretvorbo je potrebno, da ga okrepimo ali pretvorim v obliko, ki ga je enostavno prenašati, proces, snemanje in prikaz. Rahlo spremembo izmerjene količine signala je treba pretvoriti v električni signal. Pri ojačevanju DC signala, Samozakonske in neuravnotežene napetosti op amp ni mogoče prezreti, ko prehajate skozi op amp. Po ojačanju, Napetostni signal želene velikosti je mogoče izdati.
Vrednost upora platine lahko dobimo z izračunom vezja ali večmetrov. Ko poznamo vrednost upora PT100, lahko merimo in izračunamo temperaturo z vrednostjo upora.

Uporabite ustrezne algoritme za obdelavo podatkov: Za izračun temperature s programiranjem uporabite znano razmerje temperature in odpornosti. Glede na to, da je odnos od odpornosti in temperature PT100 nelinearno, zlasti na območjih z nizko ali visoko temperaturo, Za izboljšanje natančnosti bodo morda potrebni bolj zapleteni algoritmi.

Vpliv okoljskih dejavnikov: Na uspešnost lahko vplivajo okoljski dejavniki, kot so elektromagnetne motnje, Mehanske vibracije, in vlažnost.

Obstajajo tri skupne metode izračuna temperature:
Metoda izračunanja temperature 1:
Ko natančna temperatura ni potrebna, Temperatura se bo zvišala za 2,5 ℃ za vsako povečanje OHM v vrednosti upornosti toplotnega upora PT100 (Uporablja se pri nizkih temperaturah). Vrednost upornosti temperaturnega senzorja PT100 je 100 Ko je 0 ℃, Torej približna temperatura v tem trenutku = (Vrednost upora PT100)*2.5.

Metoda izračunanja temperature 2:
Razmerje med vrednostjo odpornosti in temperaturo platinaste uporov

V območju 0 ~ 850 ℃: RT = R0(1+Pri+bt2);

V območju -200 ~ 0 ℃: RT = R0[1+Pri+bt2+c(T-100)3];

RT predstavlja odpornost vrednosti platinskega upora pri temperaturi t ℃;

R0 predstavlja odpornost vrednosti platinskega upora pri temperaturi 0 ℃;

A, B, C so konstante, A = 3.96847 × 10-3/℃; B = -5.847 × 10-7/℃; C = -4,22 × 10-12/℃;

Za toplotni upor, ki ustreza zgornjem razmerju, Njegov temperaturni koeficient je približno 3,9 × 10-3/℃.

Skozi zgornjo formulo, Temperaturo lahko natančno rešimo glede na vrednost upora, Toda zaradi velike količine izračuna te metode, za ta poskus ni priporočljivo.

Metoda izračuna temperature tri:
PT100 ima dober linearni odnos s temperaturo in je primeren za merjenje srednje in nizke temperature. Vrednost upora PT100 pri različnih temperaturah ima ustrezno merilno lestvico ena na ena, kot je prikazano na spodnji sliki, ki lahko intuitivno prikaže ustrezno razmerje med različnimi temperaturami in vrednostjo upornosti PT100.
Temperaturo lahko poznamo s preverjanjem ustrezne vrednosti upora skozi lestvico PT100.

PT100 lestvica toplotnega upora

Merilna naprava PT100, zasnovana v tem prispevku, uporablja pogosto uporabljeni nizkocenovni štirismerni operativni ojačevalnik LM324.

1.1 Napetostno vir vezje

PT100 Termični uporni napetostni vir vezje

PT100 Termični uporni napetostni vir vezje

Vezje na sliki 1 je skupno sorazmerno operativno vezje. Glede na analizo idealnega operativnega ojačevalnika, ki deluje v linearni regiji, po načelu virtualnega kratkega in virtualnega odmora, dobimo:

Formula za izračun mostu Wheatstone most

Formula za izračun mostu Wheatstone most

​, potem je faktor ojačanja napetosti z zaprto zanko 2 krat, in potem dobimo V = 10V, in se uporablja kot stabilna napetost napajanja vezja mostu pšeničnega kamna.

1.2 Tri živa povezava mostu Wheatstone in PT100.
Zgornja slika je most iz pšeničnega kamna. Pogoj, da je most uravnotežen, je, da so potenciala točk B in D enaki. Torej, ko je most uravnotežen, Dokler R1, R2 (običajno fiksne vrednosti) in r0 (običajno nastavljive vrednosti) se berejo, Upor RX, ki ga je treba izmeriti, je mogoče dobiti. R1/r2 = m, klical “množitelj”.

Most Wheatstone Bridge in PT100 Tričlana metoda povezave

Most Wheatstone Bridge in PT100 Tričlana metoda povezave

Glede na načelo merjenja temperature PT100, Vrednost upora PT100 je treba pravilno poznati, vendar vrednosti upora ni mogoče neposredno izmeriti, Torej je potrebno pretvorbo. Vrednost upora se pretvori v napetostni signal, ki ga lahko zazna mikrokontroler”. Vezje mostu Wheatstone je instrument, ki lahko pravilno meri upornost. Kot je prikazano na sliki 2, R1, R2, R3, in R4 so njegove mostne roke. Ko je most uravnotežen, R1XR3 = R2XR4 je zadovoljen. Ko je most neuravnotežen, Med točkami A in B bo razlika v napetosti. Glede na napetost točk A in B, Ustrezno upor je mogoče izračunati. To je načelo merjenja odpornosti z neuravnoteženim mostom:

Način povezave s tri živo vezje PT100

Način povezave s tri živo vezje PT100

Pravzaprav, zaradi majhne odpornosti in visoke občutljivosti PT100, Odpornost svinčene žice bo povzročila napake. Zato, Tri živa metoda povezave se pogosto uporablja v industriji za odpravo te napake. Kot je prikazano v pikčastem delu slike 2, Vrednost upora s svinčeno žico je enaka in je r. V tem času, mostu roke postanejo r, R, R+2r, in RT+2R. Ko je most uravnotežen: R2. (R1+2r) = R1.(R3+2r), razvrščeno: RT = R1R3/ R2+2 R1R/ R2- 2r. Analiza kaže, da ko je r1 = r2, Sprememba žice odpornosti ne vpliva na rezultat merjenja.

1.3 Tri-op-amp instrumentacijski ojačevalnik
Ko se temperatura spremeni od 0 ℃ ~ 100 ℃, Upor PT100 se spremeni približno linearno v območju 100Ω ~ 138.51Ω. V skladu z zgornjim mostom, most je uravnotežen pri 0 ℃, Torej mora biti teoretična vrednost izhodne napetosti mostu 0 V, in ko je temperatura 100 ℃, izhod mostu je: UAB = U7X(R1/(R1+ R2)-R3/(R2 + R3)), to je, UAB = 10x(138.51/(10000 + 138.51)-100/(10000 + 100)) = 0,037599V. Ker je to milivoltni signal, Treba je povečati to napetost, da jo bo zaznal AD čip.

 

Kot je prikazano na sliki 3, Instrumentacijski ojačevalnik je naprava, ki v hrupnem okolju poveča majhne signale. Ima vrsto prednosti, kot je nizko premikanje, nizka poraba energije, Visoko razmerje zavrnitve v običajnem načinu, Širok razpon napajanja in majhna velikost. Uporablja značilnosti diferencialnih majhnih signalov, nameščenih na večjih signalih v običajnem načinu, ki lahko hkrati odstranijo signali skupnega načina in amplicirajo diferencialne signale. Izhodna napetost standardnega vezja z ojačevalnikom instrumentov s tremi op-AMP je, tukaj r8 = r10 = 20 kΩ, R9 = R11 = 20 kΩ, R4 = R7 = 100KΩ, ki lahko poveča vhodni napetostni signal s približno 150 krat, tako da se lahko teoretično izhodno napetost mostu poveča 0 ~ 2,34 v. Toda to je le teoretična vrednost. V dejanskem postopku, Obstaja veliko dejavnikov, ki lahko povzročijo spremembe odpornosti. Zato, R3 lahko zamenjate z natančno nastavljivim uporom, da olajšate ničlo vezje.

PT100 Sensor Tri-Op AMP instrumentni ojačevalnik

PT100 Sensor Tri-Op AMP instrumentni ojačevalnik

2. Oblikovanje programske opreme

2.1 Metoda najmanjših kvadratov in linearna prileganje PT100

V temperaturnem območju 0 ℃ ≤t≤850 ℃, Razmerje med upornostjo in temperaturo PT100 je: R = 100 (1 +Pri+bt2), kjer je a = 3.90802X 10-3; B =- -5.80x 10-7; C = 4.2735 x 10-12

Vidimo, da odpornost PT100 in temperature nista absolutno linearno razmerje, ampak parabola. Zato, Če je treba T izvleči, Potrebna je kvadratna korenska operacija, ki uvaja bolj zapleteno funkcijsko delovanje in zavzema veliko količino CPU-jev mikroračunalnika z enim čipom. Za rešitev tega problema, Lahko uporabimo metodo najmanjših kvadratov, da linearno ustrezamo razmerja med temperaturo in odpornostjo. ” Vgradnja krivulje najmanjših kvadratov je pogosta metoda za eksperimentalno obdelavo podatkov. Njeno načelo je najti polinomno funkcijo, da zmanjšate vsoto kvadratnih napak z izvirnimi podatki.

2.2 AD digitalna temperatura pretvorbe
Načelo merjenja temperature PT100 je pridobiti temperaturno vrednost na podlagi njegove odpornosti, zato je treba najprej določiti vrednost upora toplotnega upora. Glede na strojno vezje, Razmerje med izhodno napetostjo UAB mostu in izhodno napetost UAD OP Amp instrumentnega ojačevalnika je: NOD = jav. Auf, ker sistem uporablja 12-bitni oglasni čip, Razmerje med digitalno količino in analogno količino je: UAD/AD = 5/4096. Razmerje med izhodno napetostjo mostu in digitalnim količino AD lahko dobite s kombiniranjem prejšnjih dveh enačb, to je, UAD/AD = 5/(4096Naprej). Potem, nadomeščen je v izrazu izhodne napetosti mostu UAB = U7X (RT/ (R1+rt) -R3/ (R2+R3) ), in izraz RR in digitalno količino lahko dobite. Rešitev je:

Formula Temperature digitalne pretvorbe AD

Formula Temperature digitalne pretvorbe AD

Po spoznanju vrednosti upora PT100, Ustrezno temperaturno vrednost lahko dobite v skladu z enačbo linearne namestitve v razdelku 2.1.

2.3 Digitalno filtriranje z enim čipom
Da bi izboljšali natančnost merjenja temperature PT100, V programiranju programske opreme lahko dodate program digitalnega filtriranja, ki ne zahteva dodajanja strojnih vezij in lahko izboljša stabilnost in zanesljivost sistema. V sistemu za mikroračunalnik z enim čipom je veliko metod filtriranja. Pri določenem izboru, Prednosti in slabosti metode filtriranja in ustreznih predmetov je treba analizirati in primerjati, tako da izberete ustrezno metodo filtriranja. Algoritem srednje povprečne metode filtriranja je najprej neprekinjeno zbiranje n podatkov, Nato odstranite minimalno vrednost in največjo vrednost, in končno izračunajte aritmetično srednjo vrednost preostalih podatkov. Ta metoda filtriranja je primerna za merjenje parametrov, ki se počasi spreminjajo, kot je temperatura, in lahko učinkovito zmanjša motnje, ki jih povzročajo nihanja, ki jih povzročajo naključni dejavniki ali napake, ki jih povzročajo nestabilnost vzorčenja.

Sistemski postopek:
Ko se meri temperatura predmeta, se spremeni, Odpornost PT100 se spremeni, in most Wheatstone bo oddajal ustrezen napetostni signal. Ta signal je funkcija upora PT100. Ta milivoltni signal se ojača s tri-op-amp instrumentacijskim ojačevalnikom in ga pošlje v AD čip, ki pretvori analogno količino v digitalno količino in jo prebere mikrokontroler. Mikrokontroler bere čip iz AD čipa in izvede program filtriranja, Pretvorba stabilne digitalne količine v upor PT100 z izračunom. Nato bo mikrokontroler izbral ustrezen vgrajen linearni model glede na velikost uporabe vrednosti za izračun trenutne temperaturne vrednosti, in končno prikažite temperaturne podatke na LCD zaslonu.