Temperaturmätningssystem för PT100 termisk resistanssensor

2-tråd, 3-tråd eller 4-tråds Pt100, Pt500, Pt1000-sensorer är temperatursensorer baserade på platinaelement med hög noggrannhet, stabilitet och linjäritet, och används ofta inom områden som kräver noggrann temperaturmätning. A “PT100 termiskt motstånd temperaturmätningssystem” hänvisar till ett system som använder en PT100-sensor, en typ av motståndstemperaturdetektor (FoTU), att mäta temperatur genom att detektera förändringar i dess elektriska resistans som är direkt proportionella mot temperaturen; “PT” står för Platinum, och “100” indikerar att sensorn har ett motstånd på 100 ohm vid 0°C vilket gör det till en mycket exakt och stabil metod för temperaturmätning över ett brett område.

Platinamotstånd används ofta i medeltemperaturområdet (-200～650℃). För närvarande, det finns standard temperaturmätande termiska motstånd gjorda av metallplatina på marknaden, såsom Pt100, Pt500, Pt1000, etc.

Förstå arbetsprincipen för PT100: PT100 är en temperatursensor av Pt-motstånd. Arbetsprincipen är baserad på motståndets termiska effekt. Dess motståndsvärde ändras med temperaturförändringen. Denna förändring är linjär. Vid 0℃, resistansvärdet för PT100 är 100 ohm. När temperaturen stiger, motståndsvärdet ökar också därefter, så att temperaturen kan utläsas exakt genom att mäta resistansvärdet.

Högprecision 4-tråds klass A PT100 temperaturmätningssystem

2-tråd PT100 platina motstånd temperaturkontroll sond temperaturmätningssystem

3-tråd PT100 termiskt motstånd sensor temperaturmätningssystem

Välj lämplig ledningsmetod: I allmänhet, 2-tråd, 3-ledningar eller 4-tråds ledningsmetoder kan användas.

Spänningssignalen som matas ut av bryggan

Viktiga punkter om ett PT100-system:
Sensorprincip:
PT100-sensorn är gjord av en platinatråd vars elektriska motstånd förändras förutsägbart med temperaturfluktuationer.

Mätmetod:
När en ström passerar genom PT100, spänningsfallet över sensorn mäts, som sedan omvandlas till temperatur baserat på det kända förhållandet mellan motstånd och temperatur.

Bred applikation:
PT100-sensorer används ofta i industriella processer, laboratorier, och andra applikationer där exakt temperaturmätning krävs på grund av deras höga noggrannhet och stabilitet.

Komponenter i ett PT100-system:
PT100 sensorsond:
Själva avkänningselementet, typiskt en platinatråd lindad runt en keramisk kärna, som förs in i miljön som ska mätas.

Signalkonditioneringskretsar:
Elektronik som förstärker och omvandlar den lilla resistansförändringen från PT100 till en mätbar spänningssignal.

Display eller datainsamlingssystem:
Enhet som visar den uppmätta temperaturen eller lagrar data för analys.

Fördelar med att använda ett PT100-system:
Hög noggrannhet:　Anses vara en av de mest exakta temperatursensorerna som finns.
Brett temperaturområde:　Kan mäta temperaturer från -200°C till 850°C beroende på sensordesign.
Bra linjäritet:　Sambandet mellan motstånd och temperatur är mycket linjärt, gör det enkelt att tolka data.
Stabilitet:　Platina är ett mycket stabilt material, säkerställer konsekventa avläsningar över tid.

Pt100 indexeringstabell för termiskt motstånd

De tre ledningsmetoderna för PT100 platinamotstånd är i princip olika: 2-tråd och 3-tråd mäts med bryggmetod, och förhållandet mellan temperaturvärde och analogt utgångsvärde ges i slutet. 4-tråd har ingen bro. Den sänds helt av konstant strömkälla, mätt med voltmeter, och ger slutligen det uppmätta resistansvärdet, vilket är svårt och dyrt att använda.
Eftersom PT100 har ett litet resistansvärde och hög känslighet, resistansvärdet för ledningstråden kan inte ignoreras. Användningen av 3-trådsanslutning kan eliminera mätfelet som orsakas av ledningsresistansen.
2-trådssystemet har dålig mätnoggrannhet; 3-trådssystemet har bättre noggrannhet; 4-trådssystemet har hög mätnoggrannhet, men kräver fler kablar.

Vi behöver bara veta temperaturtillståndet för PT100 baserat på spänningssignalen från bryggan. När motståndsvärdet för PT100 inte är lika med motståndsvärdet för Rx, bryggan avger en differenstrycksignal, som är väldigt liten. Eftersom utsignalen från temperatursensorn i allmänhet är mycket svag, en signalkonditionerings- och omvandlingskrets krävs för att förstärka den eller omvandla den till en form som är lätt att överföra, behandla, spela in och visa. Den lilla förändringen i den uppmätta signalmängden måste omvandlas till en elektrisk signal. Vid förstärkning av DC-signalen, op-förstärkarens självdrift och obalanserade spänning kan inte ignoreras när den passerar genom op-förstärkaren. Efter förstärkning, en spänningssignal av önskad storlek kan matas ut.
Motståndsvärdet för platinamotståndet kan erhållas genom kretsberäkning eller multimetermätning. När vi vet resistansvärdet för PT100, vi kan mäta och beräkna temperaturen genom resistansvärdet.

Använd lämpliga algoritmer för databehandling: Använd det kända temperatur- och resistansförhållandet för att beräkna temperaturen genom programmering. Med tanke på att förhållandet mellan motstånd och temperatur för PT100 är olinjärt, speciellt i områden med låg eller hög temperatur, mer komplexa algoritmer kan behövas för att förbättra noggrannheten.

Påverkan av miljöfaktorer: Prestandan kan påverkas av miljöfaktorer som elektromagnetisk störning, mekanisk vibration, och fuktighet.

Det finns tre vanliga beräkningsmetoder för temperaturmätning:
Beräkningsmetod för temperaturmätning 1:
När den exakta temperaturen inte behövs, temperaturen kommer att öka med 2,5 ℃ för varje ohm ökning av resistansvärdet för det termiska motståndet PT100 (används vid låga temperaturer). Motståndsvärdet för temperatursensorn PT100 är 100 när det är 0℃, så den ungefärliga temperaturen vid denna tidpunkt = (PT100 resistansvärde-100)*2.5.

Beräkningsmetod för temperaturmätning 2:
Förhållandet mellan motståndsvärdet och temperaturen hos platinamotståndet

I intervallet 0~850 ℃: Rt=RO(1+Vid+Bt2);

I intervallet -200～0℃: Rt=RO[1+Vid+Bt2+C(t-100)3];

Rt representerar resistansvärdet för platinamotstånd vid temperatur t℃;

R0 representerar motståndsvärdet för platinamotstånd vid temperatur 0℃;

A, B, C är konstanter, A=3,96847×10-3/℃; B=-5,847×10-7/℃; C=-4,22×10-12/℃;

För det termiska motståndet som uppfyller ovanstående förhållande, dess temperaturkoefficient är cirka 3,9×10-3/℃.

Genom ovanstående formel, temperaturen kan noggrant lösas enligt resistansvärdet, men på grund av den stora mängden beräkning av denna metod, det rekommenderas inte för detta experiment.

Temperaturberäkningsmetod tre:
PT100 har ett bra linjärt förhållande till temperatur och lämpar sig för medel- och lågtemperaturtemperaturmätning. Motståndsvärdet för PT100 vid olika temperaturer har en en-till-en motsvarande mätskala som visas i figuren nedan, som intuitivt kan visa motsvarande förhållande mellan olika temperaturer och resistansvärdet för PT100.
Temperaturen kan bestämmas genom att kontrollera motsvarande resistansvärde genom PT100-skalan.

Pt100 termiskt motstånd skala

Temperaturmätningsenheten PT100 som utformats i detta dokument använder den vanliga billiga fyrvägsdriftsförstärkaren LM324 för att slutföra designen av enhetens strömförsörjningskrets och instrumentförstärkarkrets med tre op-amp..

1.1 Spänningskälla krets

Pt100 termiskt motstånd sensor spänningskälla krets

Kretsen i figur 1 är en gemensam proportionell driftskrets. Enligt analysen av den ideala operationsförstärkaren som arbetar i det linjära området, enligt principen om virtuell kort och virtuell paus, det erhålls:

Wheatstone bridge beräkning krets formel

., då är den slutna spänningsförstärkningsfaktorn 2 gånger, och då erhålls V= 10V, och den används som den stabila strömförsörjningsspänningen för Wheatstone-bryggkretsen.

1.2 Tretrådsanslutning av Wheatstone bridge och PT100.
Ovanstående figur är en Wheatstone-bro. Förutsättningen för att bron ska vara balanserad är att potentialerna för punkterna B och D är lika. Så när bron är balanserad, så länge som R1, R2 (vanligtvis fasta värden) och R0 (vanligtvis justerbara värden) läses, motståndet Rx som ska mätas kan erhållas. R1/R2=M, kallad “multiplikator”.

Wheatstone bridge och PT100 tretråds anslutningsmetod

Enligt PT100 temperaturmätningsprincip, resistansvärdet för PT100 måste vara korrekt känt, men motståndsvärdet kan inte mätas direkt, så en omvandlingskrets krävs. Resistansvärdet omvandlas till en spänningssignal som kan detekteras av mikrokontrollern”. Wheatstone-bryggkretsen är ett instrument som korrekt kan mäta motstånd. Som visas i figur 2, R1, R2, R3, och R4 är dess broarmar respektive. När bron är balanserad, R1xR3=R2xR4 är uppfylld. När bron är obalanserad, det blir en spänningsskillnad mellan punkterna a och b. Enligt spänningen i punkterna a och b, motsvarande motstånd kan beräknas. Detta är principen för att mäta motstånd med en obalanserad bro:

PT100 tretrådskopplingsmetod

I själva verket, på grund av det lilla motståndet och höga känsligheten hos PT100, resistansen hos ledningstråden kommer att orsaka fel. Därför, anslutningsmetoden med tre trådar används ofta inom industrin för att eliminera detta fel. Som visas i den prickade delen av figuren 2, ledningstrådens resistansvärde är lika och är r. Just nu, broarmarna blir R, R, R+2r, och Rt+2r. När bron är balanserad: R2. (R1+2r) =Rl.(R3+2r), redas ut: Rt= R1R3/R2+2 R1r/R2- 2r. Analys visar att när R1=R2, förändringen i trådmotståndet har ingen effekt på mätresultatet.

1.3 Tre-op-amp instrumenteringsförstärkarkrets
När temperaturen ändras från 0℃~100℃, resistansen hos PT100 ändras ungefär linjärt i intervallet 100Ω~138.51Ω. Enligt ovanstående bryggkrets, bron är balanserad vid 0℃, så det teoretiska värdet på bryggutgångsspänningen bör vara 0 V, och när temperaturen är 100 ℃, bryggutgången är: Uab=U7x(R1/(R1 + R2)-R3/(R2 + R3)), som är, Uab=10x(138.51/(10000 + 138.51)-100/(10000 + 100)) =0,037599V. Eftersom detta är en millivoltssignal, det är nödvändigt att förstärka denna spänning för att göra den detekterbar av AD-chipet.

Som visas i figur 3, instrumenteringsförstärkaren är en enhet som förstärker små signaler i en bullrig miljö. Den har en rad fördelar såsom låg drift, låg strömförbrukning, högt common-mode-förkastningsförhållande, brett utbud av strömförsörjning och liten storlek. Den använder egenskaperna hos differentiella små signaler överlagrade på större common-mode-signaler, som kan ta bort common-mode-signaler och förstärka differentialsignaler samtidigt. Utspänningen från den vanliga tre-op-amp instrumenteringsförstärkarkretsen är, här R8=R10 =20 kΩ, R9=R11=20 kΩ, R4=R7=100kΩ, som kan förstärka inspänningssignalen med ca 150 gånger, så att den teoretiska utspänningen från bryggan kan förstärkas till 0 ~2,34 V. Men detta är bara ett teoretiskt värde. I själva processen, det finns många faktorer som kan orsaka motståndsförändringar. Därför, R3 kan ersättas med ett precisionsjusterbart motstånd för att underlätta kretsnollställning.

PT100 sensor tre-op amp instrumentförstärkarkrets

2. Mjukvarudesign

2.1 Minsta kvadratmetoden och PT100 linjär passning

I temperaturområdet 0℃≤t≤850℃, förhållandet mellan Pt100-resistans och temperatur är: R=100 (1 +Vid+Bt2), där A=3,90802x 10-3; B=- -5.80x 10-7; C=4,2735 x 10-12

Det kan ses att resistansen för PT100 och temperaturen inte är ett absolut linjärt samband utan en parabel. Därför, om t ska extraheras, en kvadratrotsoperation krävs, som introducerar en mer komplex funktionsoperation och upptar en stor mängd CPU-resurser i mikrodatorn med ett chip. För att lösa detta problem, vi kan använda minsta kvadratmetoden för att linjärt anpassa förhållandet mellan temperatur och motstånd. ” Minsta kvadraters kurvanpassning är en vanlig metod för experimentell databehandling. Dess princip är att hitta en polynomfunktion för att minimera summan av kvadratfel med originaldata.

2.2 AD digital omvandlingstemperatur
PT100 temperaturmätningsprincip är att erhålla temperaturvärdet baserat på dess motståndsvärde, så resistansvärdet för det termiska motståndet måste bestämmas först. Enligt hårdvarukretsen, förhållandet mellan utgångsspänningen Uab från bryggkretsen och utgångsspänningen Uad från op amp instrumentförstärkarkretsen är: Uad = Uab. Auf Eftersom systemet använder ett 12-bitars AD-chip, förhållandet mellan den digitala storheten och den analoga kvantiteten är: Uad/AD=5/4096. Förhållandet mellan bryggutgångsspänningen och den digitala storheten AD kan erhållas genom att kombinera de två föregående ekvationerna, som är, Uad/AD=5/(4096På). Sedan, den ersätts i bryggutgångsspänningsuttrycket Uab= U7x (Rt/ (R1+Rt) -R3/ (R2+R3) ), och uttrycket av Rr och den digitala kvantiteten AD kan erhållas. Lösningen är:

AD digital omvandlingstemperaturformel

Efter att ha känt till resistansvärdet för PT100, motsvarande temperaturvärde kan erhållas enligt den linjära passningsekvationen i avsnitt 2.1.

2.3 Single-chip digital filtrering
För att förbättra temperaturmätningsnoggrannheten för PT100, ett digitalt filtreringsprogram kan läggas till i mjukvaruprogrammeringen, som inte kräver tillägg av hårdvarukretsar och kan förbättra systemets stabilitet och tillförlitlighet. Det finns många filtreringsmetoder i mikrodatorapplikationssystemet med ett chip. När du gör ett specifikt urval, För- och nackdelarna med filtreringsmetoden och de tillämpliga objekten bör analyseras och jämföras, för att välja lämplig filtreringsmetod. Algoritmen för medianmedelfiltreringsmetoden är att först kontinuerligt samla in N data, ta sedan bort ett minimivärde och ett maxvärde, och beräkna slutligen det aritmetiska medelvärdet av återstående data. Denna filtreringsmetod är lämplig för att mäta parametrar som ändras långsamt, såsom temperatur, och kan effektivt minska störningar som orsakas av fluktuationer orsakade av oavsiktliga faktorer eller fel orsakade av provtagarens instabilitet.

Systemets arbetsprocess:
När temperaturen på föremålet som mäts ändras, motståndet hos PT100 ändras, och Wheatstone-bryggan kommer att mata ut en motsvarande spänningssignal. Denna signal är en funktion av resistansen hos PT100. Denna millivoltsignal förstärks av en instrumenteringsförstärkare med tre op-amp och skickas till AD-chippet, som omvandlar den analoga kvantiteten till en digital storhet och läses av mikrokontrollern. Mikrokontrollern läser av chippet från AD-chippet och exekverar filtreringsprogrammet, konvertera den stabila digitala kvantiteten till resistansen för PT100 genom beräkning. Därefter kommer mikrokontrollern att välja motsvarande monterade linjära modell enligt storleken på motståndsvärdet för att beräkna det aktuella temperaturvärdet, och slutligen visa temperaturdata på LCD-skärmen.