การได้มาของอุณหภูมิของ 2, 3, และเซนเซอร์วัดอุณหภูมิ PT100 แบบ 4 สาย

บทความจะแนะนำวิธีการ 2, 3, และเซ็นเซอร์ PT100 แบบ 4 สายจะถูกแปลงเป็นสัญญาณแรงดันไฟฟ้าผ่านการเปลี่ยนแปลงความต้านทาน, และใช้แหล่งกำเนิดกระแสคงที่เพื่อปกป้องเซ็นเซอร์และรับรองความถูกต้องของการแปลงสัญญาณ. เซ็นเซอร์ PT100 รับอุณหภูมิโดยการวัดการเปลี่ยนแปลงความต้านทานไฟฟ้า, ซึ่งสัมพันธ์โดยตรงกับอุณหภูมิที่สัมผัส; เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น, ความต้านทานขององค์ประกอบแพลตตินัมภายในเซนเซอร์ก็เพิ่มขึ้นเช่นกัน, ช่วยให้สามารถคำนวณอุณหภูมิได้อย่างแม่นยำตามการเปลี่ยนแปลงความต้านทานนี้; โดยพื้นฐานแล้ว, ที่ “100” ใน PT100 แสดงว่าเซนเซอร์มีความต้านทาน 100 โอห์มที่ 0°C, และค่านี้จะเปลี่ยนแปลงตามการผันผวนของอุณหภูมิ. การประยุกต์ใช้เครื่องขยายสัญญาณเสียงปฏิบัติการ MCP604 ในการออกแบบวงจรเน้นถึงผลกระทบของคุณลักษณะต่างๆ เช่น แรงดันออฟเซ็ตอินพุตต่ำ และกระแสไบแอสต่อความแม่นยำ. การปรับเทียบซอฟต์แวร์ใช้เพื่อปรับปรุงความแม่นยำในการออกแบบวงจร, หลีกเลี่ยงความไม่สะดวกในการปรับตัวทางกายภาพ. ในที่สุด, บทความนี้ให้สูตรความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิและค่าความต้านทานแพลตตินัม, ซึ่งใช้ในการคำนวณค่าอุณหภูมิ.

การออกแบบการรับอุณหภูมิของเซ็นเซอร์อุณหภูมิ PT100 แบบ 2 สาย

การได้มาซึ่งอุณหภูมิของเซ็นเซอร์อุณหภูมิ PT100 แบบ 3 สายแบบกำหนดเองของจีน

การได้มาซึ่งอุณหภูมิของเซ็นเซอร์อุณหภูมิ PT100 4 สาย

ประเด็นสำคัญเกี่ยวกับการได้มาซึ่งอุณหภูมิ PT100:
เครื่องตรวจจับอุณหภูมิความต้านทาน (RTD):
PT100 เป็น RTD ประเภทหนึ่ง, หมายถึงการวัดอุณหภูมิโดยการตรวจจับการเปลี่ยนแปลงของความต้านทานไฟฟ้า.
ธาตุแพลทินัม:
องค์ประกอบการตรวจจับใน PT100 ทำจากแพลทินัม, ซึ่งแสดงความสัมพันธ์เชิงเส้นและเสถียรมากระหว่างความต้านทานและอุณหภูมิ.
กระบวนการวัด: เซ็นเซอร์ถูกวางไว้ในสภาพแวดล้อมที่ต้องวัดอุณหภูมิ.
ความต้านทานขององค์ประกอบแพลตตินัมวัดโดยใช้วงจรอิเล็กทรอนิกส์เฉพาะ.
จากนั้นค่าความต้านทานที่วัดได้จะถูกแปลงเป็นอุณหภูมิโดยใช้สูตรทางคณิตศาสตร์ตามค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิที่ทราบของแพลตตินัม.

ข้อดีของเซ็นเซอร์ PT100:
มีความแม่นยำสูง: ถือว่าเป็นหนึ่งในเซ็นเซอร์อุณหภูมิที่แม่นยำที่สุดที่มีอยู่เนื่องจากพฤติกรรมที่เสถียรของแพลตตินัม.
ช่วงอุณหภูมิกว้าง:- สามารถวัดอุณหภูมิได้ตั้งแต่ -200°C ถึง 850°C ขึ้นอยู่กับการออกแบบเซ็นเซอร์.
ความเป็นเส้นตรงที่ดี: ความสัมพันธ์ระหว่างความต้านทานและอุณหภูมิค่อนข้างเป็นเส้นตรง, ทำให้การตีความข้อมูลง่ายขึ้น.

ข้อควรพิจารณาที่สำคัญ:
การสอบเทียบ: เพื่อให้แน่ใจว่าการวัดที่แม่นยำ, เซ็นเซอร์ PT100 จำเป็นต้องได้รับการสอบเทียบเป็นประจำกับมาตรฐานอ้างอิง.
ความต้านทานของลวดตะกั่ว: ความต้านทานของสายเชื่อมต่ออาจส่งผลต่อความแม่นยำในการวัด, ดังนั้นจึงจำเป็นต้องพิจารณาการชดเชยลวดตะกั่วอย่างเหมาะสม.
ความเหมาะสมของแอปพลิเคชัน: ในขณะที่มีความแม่นยำสูง, เซ็นเซอร์ PT100 อาจไม่เหมาะสำหรับสภาพแวดล้อมที่รุนแรงมากหรือการใช้งานที่ต้องการเวลาตอบสนองที่รวดเร็วมาก.

1. หลักการพื้นฐานของการรับสัญญาณ
PT100 แปลงสัญญาณอุณหภูมิเป็นเอาต์พุตความต้านทาน, และค่าความต้านทานมีตั้งแต่ 0 ถึง200Ω. ตัวแปลง AD สามารถแปลงแรงดันไฟฟ้าได้เท่านั้นและไม่สามารถเก็บอุณหภูมิได้โดยตรง. ดังนั้น, ต้องใช้แหล่งกระแสคงที่ 1mA เพื่อจ่ายไฟให้กับ PT100 และแปลงการเปลี่ยนแปลงความต้านทานเป็นการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้า. ประโยชน์ของการใช้แหล่งจ่ายกระแสคงที่คือสามารถยืดอายุของเซ็นเซอร์ได้. เนื่องจากช่วงสัญญาณอินพุตคือ 0 ถึง 200mV, ต้องขยายสัญญาณแล้วแปลง AD เพื่อรับข้อมูลสัญญาณไฟฟ้า.

เหตุผลที่ไม่ใช้การออกแบบแหล่งจ่ายแรงดันคงที่:

หากใช้แหล่งจ่ายแรงดันคงที่สำหรับจ่ายไฟ, จากนั้นตัวต้านทานและ PT100 ต่ออนุกรมกัน, และแรงดันไฟฟ้าจะถูกแบ่ง, มีปัญหาเกิดขึ้น. เมื่อความต้านทานของ PT100 น้อยเกินไป, กระแสที่ไหลผ่าน PT100 ใหญ่เกินไป, ส่งผลให้อายุการใช้งานเซ็นเซอร์สั้นลง.

2. ออปแอมป์ใช้ MCP604
คุณสมบัติ MCP604:
1) ช่วงแรงดันไฟฟ้าคือ 2.7~6.0V
2) เอาท์พุตเป็นแบบ Rail-to-Rail
3) ช่วงอุณหภูมิในการทำงาน: -40°ซ ถึง +85°ซ
4) แรงดันไฟฟ้าออฟเซ็ตอินพุตคือ ±3mV, ค่าทั่วไปคือ 1mV, ความไวสูง.
5) กระแสไบแอสอินพุตคือ 1pA, เมื่อ TA = +85°C, ผม=20pA, ปรับปรุงความแม่นยำในการได้มา.
6) การสวิงแรงดันเอาต์พุตเชิงเส้น: VSS+0.1 ~ วีดีดี–0.1, หน่วยเป็นวี.

เมื่อแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายไฟอยู่ที่ 3.3V, การสวิงแรงดันเอาต์พุตเชิงเส้นคือ 0.1 ~ 3.2V. เพื่อให้แน่ใจว่าสัญญาณที่ขยายจะทำงานในพื้นที่เชิงเส้น, เมื่อ VDD=3.3V, เราตั้งค่าแรงดันเอาต์พุต MCP604 ให้คงอยู่ที่: 0.5V ~ 2.5V เพื่อตอบสนองความต้องการของการออกแบบวงจรแอมป์สหกรณ์.

ออปแอมป์ในหนังสืออิเล็กทรอนิกส์แบบอะนาล็อกเป็นแอมพลิฟายเออร์ในอุดมคติ, ซึ่งแตกต่างจากเครื่องขยายเสียงจริง. ดังนั้น, มีความจำเป็นต้องพิจารณา “แรงดันออฟเซ็ตอินพุต”, “กระแสไบแอสอินพุต” และ “การสวิงแรงดันเอาต์พุตเชิงเส้น” เมื่อออกแบบ.

3. ไดอะแกรมวงจร
R11 ในรูปเป็นวงจรไบแอสเพื่อป้องกันสเตจสุดท้ายของเอาท์พุตดิฟเฟอเรนเชียลแอมพลิฟายเออร์จากการบิดเบือนความอิ่มตัวของสี.
1) เลือกปัจจัยการขยายที่เหมาะสมเพื่อลดข้อผิดพลาดเอาต์พุต. เนื่องจากมีแรงดันออฟเซ็ตอินพุตอยู่, เมื่อปัจจัยการขยายเพิ่มขึ้น, ข้อผิดพลาดเอาต์พุตก็จะเพิ่มขึ้นเช่นกัน, ซึ่งจะต้องคำนึงถึงในการออกแบบ.
2) ปัจจัยการขยายของวงจรนี้คือ 10. สมมติว่าแรงดันไฟฟ้าออฟเซ็ตอินพุตทั่วไปคือ 3mV, หากสัญญาณอินพุตเปลี่ยนเป็น 5mV, 2mV จะไม่ถูกขยาย, ซึ่งจะทำให้เกิดข้อผิดพลาดเอาต์พุต 20mV.

PT100 เครื่องตรวจจับอุณหภูมิ op amp โดยใช้แผนภาพวงจร MCP604

โว4 = (วิน1 – เวเรฟ)*10
ผม=1mA, Vref=Vo3=1.65V
1.7วี<=วิน<=1.9V, 1.7วี<=V02<=1.9
1.8วี<=Vo1<=2V, ตรวจสอบให้แน่ใจว่าออปแอมป์ทำงานในภูมิภาคเชิงเส้น, นี่เป็นสิ่งสำคัญมาก
0.5วี<=Vo4<=2.5V, ตรวจสอบให้แน่ใจว่าออปแอมป์ทำงานในภูมิภาคเชิงเส้น, นี่คือสาเหตุที่ต้องใช้50Ωในอนุกรม.

เมื่อความต้านทานอินพุตเปลี่ยนแปลงไป 1Ω, Vout เปลี่ยนเป็น 10mV. เนื่องจากแรงดันไฟฟ้าชดเชยอินพุตของ MCP604 คือ ±3mV, เมื่อมีการเปลี่ยนแปลง0.3333Ω, จะมีการเปลี่ยนแปลง 3.333mV, และความไวในการได้มาสูง.
เมื่อ 0<=ริน<อินพุต =200Ω, เนื่องจากลูปเชื่อมต่อแบบอนุกรมด้วย 50Ω, 50โอ้<=รับ<=250Ω
วิน1 – Vref = Rx*0.001, หน่วยเอ

4. การปรับเทียบซอฟต์แวร์
วิศวกรหน้าใหม่พยายามปรับปรุงความแม่นยำของตัวต้านทานอยู่เสมอ, แต่ข้อผิดพลาดยังคงมีขนาดใหญ่. วิศวกรบางคนใช้ตัวต้านทานแบบปรับได้อย่างต่อเนื่อง, ปรับค่าความต้านทาน, และใช้มัลติมิเตอร์เพื่อทำให้เอาต์พุตตรงตามความสัมพันธ์ในการถ่ายโอน. ดูเหมือนว่าความแม่นยำนี้จะได้รับการปรับปรุงให้ดีขึ้น, แต่ไม่สะดวกในการผลิต, และความยากในการออกแบบ PCB ก็เพิ่มขึ้นเช่นกัน. แม้ว่าการดีบักจะเสร็จสิ้นแล้วก็ตาม, หากสัมผัสสกรูปรับด้วยมือ, มันอาจทำให้เกิดข้อผิดพลาด. วิธีเดียวคือการใช้ตัวต้านทานคงที่สำหรับการผลิตและใช้ซอฟต์แวร์เพื่อช่วยให้การสอบเทียบแม่นยำ.
1) เมื่อริน=0, อ่านค่าแรงดันไฟฟ้าแล้วบันทึกเป็น V50. ประหยัด V50, จะไม่เปลี่ยนแปลงตามการเปลี่ยนแปลงของค่าความต้านทาน PT100 เนื่องจากได้รับพลังงานจากแหล่งกระแสคงที่.
2) เชื่อมต่อตัวต้านทานที่ระบุ, ให้ Rs=100Ω, อ่านค่าแรงดันไฟฟ้าแล้วบันทึกเป็น V150. ประหยัด V150, ค่าแรงดันไฟฟ้าที่อ่านเมื่ออุณหภูมิเป็น 0.
3) คำนวณปัจจัยการขยายปัจจุบัน: ไอโอ = (วี150 – V50) / อาร์เอส; ช่วยฉันด้วย, หมายความว่าการสอบเทียบเสร็จสิ้นแล้ว.
4) เมื่อความต้านทานอินพุตเป็น R, แรงดันไฟฟ้าที่อ่านได้คือ Vo, แล้วร = (โว- V50) / ไอโอ
ผ่านคำอธิบายข้างต้น, การปรับเทียบซอฟต์แวร์มีข้อดีอย่างมาก, ไม่เพียงแต่สะดวกต่อการผลิตเท่านั้น, แต่ยังมีความแม่นยำสูง. เพื่อที่จะปรับปรุงความแม่นยำ, แรงดันไฟขาออกสามารถแบ่งได้เป็นหลายช่วง, ปรับเทียบแยกกัน, และสามารถรับ Io ที่แตกต่างกันได้, เพื่อให้ความเป็นเส้นตรงของเอาต์พุตจะดีกว่า. แนวคิดเหล่านี้สะท้อนให้เห็นในการออกแบบของฉัน.

การออกแบบวงจร OP AMP MCP604

5. คำนวณอุณหภูมิ
เมื่ออุณหภูมิต่ำกว่า 0,
R0*ค*ที^4 – 100R0*ค*ที^3 + R0*ข*ที^2 + R0*เอ*ที + R0 – รต=0
เมื่ออุณหภูมิมากกว่าหรือเท่ากับ 0, รต=R0*(1+ก*t+B*t*t)
คำอธิบาย:
Rt คือค่าความต้านทานของตัวต้านทานแพลตตินัมที่ t℃
R0 คือค่าความต้านทานของตัวต้านทานแพลทินัมที่ 0° 100Ω
A=3.9082×10^-3
B=-5.80195×10^-7
ค=-4.2735×10^-12

6. เซ็นเซอร์อุณหภูมิ Pt100
เซ็นเซอร์อุณหภูมิ Pt100 เป็นเซ็นเซอร์เทอร์มิสเตอร์ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิบวก, และพารามิเตอร์ทางเทคนิคหลักมีดังนี้:
1) ช่วงการวัดอุณหภูมิ: -200℃ ~ +850 ℃;
2) ค่าเบี่ยงเบนที่อนุญาต Δ℃: เกรดเอ ±(0.15+0.002|T|), เกรดบี ±(0.30+0.005|T|);
3) ความลึกของการแทรกขั้นต่ำ: ความลึกของการแทรกขั้นต่ำของตัวต้านทานความร้อนคือ ≥200มม;
4) กระแสไฟฟ้าที่อนุญาต: < 5มิลลิแอมป์;
5) เซ็นเซอร์อุณหภูมิ Pt100 ยังมีข้อดีของการต้านทานการสั่นสะเทือนอีกด้วย, เสถียรภาพที่ดี, ความแม่นยำสูง, และแรงดันสูง. ตัวต้านทานความร้อนแพลตตินัมมีความเป็นเส้นตรงที่ดี. เมื่อเปลี่ยนระหว่าง 0 และ 100 องศาเซลเซียส, ค่าเบี่ยงเบนไม่เชิงเส้นสูงสุดคือน้อยกว่า 0.5 ℃;
เมื่ออุณหภูมิ < 0, R0*ค*ที^4 – 100R0*ค*ที^3 + R0*ข*ที^2 + R0*เอ*ที + R0 – รต=0
เมื่ออุณหภูมิ ≥ 0, รต= R0*(1+ก*t+B*t*t)
ตามความสัมพันธ์ข้างต้น, ช่วงแนวต้านโดยประมาณคือ: 18โอห์ม~390.3Ω, -197℃ คือ 18Ω, 850Ω คือ 390.3Ω;
คำอธิบาย:
Rt คือค่าความต้านทานของตัวต้านทานแพลตตินัมที่ t℃, R0 คือค่าความต้านทานของตัวต้านทานแพลทินัมที่ 0°C, 100โอ้
A=3.9082×10^-3, B=-5.80195×10^-7, ค=-4.2735×10^-12
คู่มือการใช้งานเซ็นเซอร์อุณหภูมิโลหะแพลทินัม PT100
6) การออกแบบวงจร
7) ความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิ PT100 และความต้านทาน
อุณหภูมิและความต้านทาน PT100 เป็นไปตามสมการต่อไปนี้:
เมื่ออุณหภูมิ ≤0, R0*C*t^4 – 100*R0*C*t^3 + R0*ข*ที^2 + R0*เอ*ที + R0 – รต=0
เมื่ออุณหภูมิ ≥0, R0*ข*ที^2 + R0*เอ*ที + R0 – รต = 0

ตารางเปรียบเทียบอุณหภูมิและความต้านทาน PT100

คำอธิบาย:
Rt คือค่าความต้านทานของตัวต้านทานแพลตตินัมที่ t℃, R0 คือค่าความต้านทานของตัวต้านทานแพลทินัมที่ 0°C, 100โอ้
A=3.9082×10^-3, B=-5.80195×10^-7, ค=-4.2735×10^-12

1. เพื่อความสะดวกในการคำนวณ, เมื่ออุณหภูมิอยู่ที่ ≤0, อนุญาต:
สองเท่า=R0*C*100000=100*(-4.2735×10^-12)*100000=-4.2735/100000
ดับเบิ้ล ข=–100*R0*C*100000=-100*100*(-4.2735×10^-12)*100000=4.2735/1000
คคู่= R0*B*100000=100*(-5.80195×10^-7)*100000=-5.80195
สองเท่า d=R0*A*100000=100*(3.9082×10^-3)*100000=39082
ดับเบิ้ลอี= (100-รต)*100000
เมื่ออุณหภูมิ ≤ 0, เอ*ที^4 + ข*ที^3 + ค*ที^2 + d*t + อี=0
โดยที่ x3 คือคำตอบของ PT100 เมื่อมีค่าน้อยกว่า 0°C.

2. เพื่อความสะดวกในการคำนวณ, เมื่ออุณหภูมิมากกว่าหรือเท่ากับ 0
สองเท่า= R0*B*100000=100*(-5.80195×10^-7)*100000=-5.80195
ดับเบิ้ล ข=R0*A*100000=100*(3.9082×10^-3)*100000=39082
ดับเบิลค= (100-รต)*100000
เมื่ออุณหภูมิอยู่ที่ ≥0, เอ*ที^2 + ข*ที + ค = 0
เสื้อ = [ SQRT( BB – 4*มี*ค )-ข ] / 2 / อัน
19.785Ω สอดคล้องกับ -197 ℃, อุณหภูมิของไนโตรเจนเหลว
18.486Ω สอดคล้องกับ -200 ℃
96.085Ω สอดคล้องกับ -10 ℃
138.505Ω สอดคล้องกับ 100 ℃
175.845Ω สอดคล้องกับ 200 ℃
247.045Ω สอดคล้องกับ 400 ℃