Рішення схеми вимірювання температури PT100/PT1000

1. Таблиця зміни температурного опору PT100 і PT1000
Металеві терморезистори, такі як нікель, мідні та платинові резистори мають позитивну кореляцію зі зміною опору з температурою. Платина має найстабільніші фізико-хімічні властивості і найбільш широко використовується. Діапазон вимірювання температури зазвичай використовуваного платинового резистора Pt100 становить -200～850 ℃. Крім того, діапазон вимірювання температури Pt500, Pt1000, тощо. послідовно зменшуються. Pt1000, діапазон вимірювання температури -200～420 ℃. Відповідно до міжнародного стандарту IEC751, Температурні характеристики платинового резистора Pt1000 відповідають наступним вимогам:

Характеристика температури Pt1000

Відповідно до кривої температури Pt1000, нахил кривої опору мало змінюється в межах нормального діапазону робочих температур (як показано на малюнку 1). Через лінійну підгонку, приблизне співвідношення між опором і температурою є:

1.1 Таблиця зміни температурного опору PT100

Таблиця зміни температурного опору PT100

1.2 Таблиця зміни температурного опору PT1000

Таблиця зміни температурного опору PT1000

2. Зазвичай використовувані схеми збору даних

2.1 Аналоговий вихід напруги резистора 0~3,3 В/3 В

Однокристальний порт AD прямого отримання
Діапазон вихідної напруги схеми вимірювання температури становить 0~3,3 В, PT1000 (Значення опору PT1000 сильно змінюється, чутливість вимірювання температури вище PT100; PT100 більше підходить для великомасштабного вимірювання температури).

Резисторний дільник напруги видає аналогову напругу 0~3,3 В 3 В

Найпростішим способом є використання методу поділу напруги. Напруга є джерелом опорної напруги 4 В, що генерується мікросхемою джерела опорної напруги TL431, або REF3140 можна використовувати для генерації 4,096 В як еталонного джерела. Еталонні вихідні чіпи також включають REF3120, 3125, 3130, 3133, і 3140. Мікросхема використовує корпус SOT-32 і вхідну напругу 5 В. Вихідна напруга може бути обрана відповідно до необхідної опорної напруги. звичайно, відповідно до нормального діапазону вхідної напруги порту MCU AD, воно не може перевищувати 3 В/3,3 В.

2.2 Вихід поділу напруги резистора 0~5 В аналогової напруги MCU порт AD пряме отримання.
звичайно, деякі схеми використовують джерело живлення мікроконтролера 5 В, а максимальний робочий струм PT1000 становить 0,5 мА, тому для забезпечення нормальної роботи компонентів слід використовувати відповідне значення опору.
Наприклад, 3,3 В на принциповій схемі розподілу напруги вище замінено на 5 В. Перевагою цього є те, що поділ напруги 5 В більш чутливий, ніж 3,3 В, і отримання точніше. Пам'ятайте, теоретично розрахована вихідна напруга не може перевищувати +5В. Інакше, це призведе до пошкодження MCU.

2.3 Найбільш часто використовуване вимірювання моста
R11, R12, R13 і Pt1000 використовуються для формування вимірювального мосту, де R11=R13=10k, Прецизійні резистори R12=1000R. Коли значення опору Pt1000 не дорівнює значенню опору R12, міст буде виводити сигнал різниці напруги на рівні мВ. Цей сигнал різниці напруг посилюється схемою підсилювача приладу та видає потрібний сигнал напруги. Цей сигнал можна безпосередньо підключити до мікросхеми AD-перетворення або AD-порту мікроконтролера.

R11, R12, R13 і Pt1000 використовуються для формування вимірювального мосту

Принцип вимірювання опору цієї схеми:
1) PT1000 - це термістор. У міру зміни температури, опір змінюється в основному лінійно.
2) В 0 ступенів, опір PT1000 становить 1 кОм, то Ub і Ua рівні, тобто, Уба = Уб – Робити = 0.
3) Припускаючи, що при певній температурі, опір PT1000 становить 1,5 кОм, то Ub і Ua не рівні. За принципом поділу напруги, можна дізнатися, що Уба = Уб – робити > 0.
4) OP07 - операційний підсилювач, і його підсилення напруги А залежить від зовнішнього ланцюга, де A = R2/R1 = 17.5.
5) Вихідна напруга Uo OP07 = Uba * A. Отже, якщо ми використовуємо вольтметр для вимірювання вихідної напруги OP07, ми можемо зробити висновок про значення Uab. Оскільки Ua є відомим значенням, далі можна розрахувати значення Ub. Потім, за принципом поділу напруги, ми можемо розрахувати значення питомого опору PT1000. Цей процес може бути досягнутий за допомогою програмного розрахунку.
6) Якщо ми знаємо значення опору PT1000 при будь-якій температурі, нам потрібно лише переглянути таблицю на основі значення опору, щоб дізнатися поточну температуру.

2.4 Джерело постійного струму
Завдяки ефекту саморозігріву терморезистора, струм, що протікає через резистор, повинен бути якомога меншим. Загалом, очікується, що струм буде менше 10 мА. Було перевірено, що самонагрівання платинового резистора PT100 з 1 мВт призведе до зміни температури на 0,02-0,75 ℃. Отже, зменшення струму платинового резистора PT100 також може зменшити зміну його температури. Проте, якщо струм занадто малий, він чутливий до шумових перешкод, тому значення в цілому 0.5-2 Ма, тому струм джерела постійного струму вибирається як джерело постійного струму 1 мА.

В якості джерела постійної напруги обрана мікросхема TL431, а потім перетворюється на джерело постійного струму за допомогою негативного зворотного зв’язку по струму. Схема показана на малюнку

Серед них, для підвищення навантажувальної здатності джерела струму використовується операційний підсилювач CA3140, і формула розрахунку для вихідного струму є:

Резистор повинен бути a 0.1% прецизійний резистор. Остаточний вихідний струм становить 0,996 мА, тобто, точність є 0.4%.

Схема джерела постійного струму повинна мати такі характеристики

Виберіть мікросхему джерела постійної напруги TL431

Температурна стабільність: Оскільки наше середовище вимірювання температури становить 0-100 ℃, вихід джерела струму не повинен бути чутливим до температури. TL431 має надзвичайно низький температурний коефіцієнт і низький температурний дрейф.

Хороша регуляція навантаження: Якщо поточна пульсація занадто велика, це спричинить помилки читання. Відповідно до теоретичного аналізу, оскільки вхідна напруга коливається в межах 100-138,5 мВ, і діапазон вимірювання температури 0-100 ℃, точність вимірювання температури ±1 градус Цельсія, тому вихідна напруга повинна змінюватися на 38,5/100=0,385 мВ для кожного підвищення температури навколишнього середовища на 1 ℃. Щоб переконатися, що поточні коливання не впливають на точність, розглянемо самий крайній випадок, в 100 градусів Цельсія, значення опору PT100 має становити 138,5R. Тоді пульсації струму повинні бути менше 0,385/138,5=0,000278 мА, тобто, зміна струму під час зміни навантаження має бути менше 0,000278 мА. У реальній симуляції, джерело струму залишається в основному незмінним.
3. Рішення схеми збору AD623

Схемне рішення AD623 для отримання даних PT1000

Принцип може посилатися на наведений вище принцип вимірювання мосту.
Отримання низької температури:

Висока температура придбання

4. Схема збору даних AD620

Рішення для збору даних AD620 PT100

Високотемпературний розчин для збору AD620 PT100 (150°):

AD620 Рішення для збору даних PT100 при низькій температурі (-40°):

Розчин для збору даних AD620 PT100 кімнатна температура (20°):

5. Аналіз фільтрації перешкод PT100 і PT1000

Отримання температури в деякому комплексі, суворі або особливі середовища будуть піддаватися сильним перешкодам, в основному включаючи EMI і REI.

Наприклад, у застосуванні вимірювання температури двигуна, управління двигуном і висока швидкість обертання двигуна викликають високочастотні збурення.

Існує також велика кількість сценаріїв контролю температури всередині авіаційних і аерокосмічних апаратів, які вимірюють і контролюють енергосистему та систему контролю навколишнього середовища. Основою контролю температури є вимірювання температури. Оскільки опір термістора може змінюватися лінійно з температурою, використання платинового опору для вимірювання температури є ефективним високоточним методом вимірювання температури. Основні проблеми полягають у наступному:
1. Опір на підвідному дроті вводиться легко, таким чином впливаючи на точність вимірювання датчика;
2. У деяких середовищах із сильними електромагнітними перешкодами, перешкоди можуть бути перетворені на вихід постійного струму після випрямлення підсилювачем приладу
Помилка зміщення, впливає на точність вимірювання.
5.1 Аерокосмічна бортова схема збору даних PT1000

Аерокосмічна бортова схема збору даних PT1000

Зверніться до конструкції бортової схеми збору даних PT1000 для захисту від електромагнітних перешкод у певній авіації.

Фільтр встановлюється на самому зовнішньому кінці контуру збору. Схема попередньої обробки збору даних PT1000 підходить для попередньої обробки інтерфейсу бортового електронного обладнання для захисту від електромагнітних перешкод;
Конкретна схема є:
Вхідна напруга +15 В перетворюється на високоточне джерело напруги +5 В через стабілізатор напруги, а джерело високоточного напруги +5В підключено безпосередньо до резистора R1.
Інший кінець резистора R1 розділений на два контури, один підключений до синфазного входу операційного підсилювача, а інший підключений до кінця А резистора PT1000 через Т-тип фільтра S1. Вихід операційного підсилювача з’єднаний з інвертуючим входом для формування повторювача напруги, а інвертуючий вхід підключається до заземлюючого порту регулятора напруги, щоб гарантувати, що напруга на синфазному вході завжди дорівнює нулю. Після проходження через фільтр S2, один кінець A резистора PT1000 розділений на два контури, один шлях використовується як вхідна клема D диференціальної напруги через резистор R4, а інший шлях підключений до AGND через резистор R2. Після проходження через фільтр S3, інший кінець B резистора PT1000 розділений на два контури, один шлях використовується як вхідна клема E диференціальної напруги через резистор R5, а інший шлях підключений до AGND через резистор R3. D і E з'єднані через конденсатор C3, D підключений до AGND через конденсатор C1, і E підключений до AGND через конденсатор C2; точне значення опору PT1000 можна розрахувати, вимірявши різницю напруги між D і E.

Вхідна напруга +15 В перетворюється на високоточне джерело напруги +5 В через стабілізатор напруги. +5 В підключається безпосередньо до R1. Інший кінець R1 розділений на два шляхи, один підключається до синфазної вхідної клеми операційного підсилювача, а інший підключений до резистора А PT1000 через фільтр Т-типу S1. Вихід операційного підсилювача з’єднаний з інвертуючим входом для формування повторювача напруги, а інвертуючий вхід підключається до заземлюючого порту регулятора напруги, щоб гарантувати, що напруга на інвертуючому вході завжди дорівнює нулю. В цей час, струм, що протікає через R1, є постійним 0,5 мА. Регулятор напруги використовується AD586TQ/883B, а операційний підсилювач використовує OP467A.

Після проходження через фільтр S2, один кінець A резистора PT1000 розділений на два контури, один через резистор R4 як вхідний кінець диференціальної напруги D, і один через резистор R2 до AGND; після проходження через фільтр S3, інший кінець B резистора PT1000 розділений на два контури, один через резистор R5 як вхідний кінець E диференціальної напруги, і один через резистор R3 до AGND. D і E з'єднані через конденсатор C3, D підключений до AGND через конденсатор C1, і E підключений до AGND через конденсатор C2.
Опір R4 і R5 становить 4,02 кОм, опір R1 і R2 становить 1 МОм, ємність C1 і C2 становить 1000 пФ, а ємність C3 становить 0,047 мкФ. R4, R5, C1, C2, і C3 разом утворюють мережу фільтрів RFI, що завершує фільтрацію низьких частот вхідного сигналу, і об’єкти, які потрібно відфільтрувати, включають в себе перешкоди диференціального режиму та перешкоди загального режиму, що передаються у вхідному диференціальному сигналі. Розрахунок граничної частоти –3 дБ для синфазної та диференційної модової перешкод, що передаються у вхідному сигналі, показано у формулі:

Підставляючи значення опору в розрахунок, гранична частота синфазного режиму становить 40 кГц, а частота зрізу диференціального режиму становить 2,6 кГц.
Кінцева точка B підключена до AGND через фільтр S4. Серед них, всі клеми заземлення фільтра від S1 до S4 підключені до екрануючого заземлення літака. Оскільки струм, що протікає через PT1000, становить 0,05 мА, точне значення опору PT1000 можна розрахувати шляхом вимірювання диференціальної напруги на обох кінцях D і E.
Від S1 до S4 використовуються фільтри Т-типу, модель GTL2012X‑103T801, з частотою зрізу 1M±20%. Ця схема вводить фільтри низьких частот до ліній зовнішнього інтерфейсу та виконує фільтрацію RFI на диференціальній напрузі. Як схема попередньої обробки для PT1000, він ефективно усуває електромагнітні та радіочастотні перешкоди, що значно підвищує надійність зібраних значень. Крім того, напруга вимірюється безпосередньо з обох кінців резистора PT1000, усунення помилки, спричиненої опором свинцю, і підвищення точності значення опору.

5.2 Фільтр Т-типу
Фільтр Т-типу складається з двох індукторів і конденсаторів. Обидва його кінці мають високий імпеданс, і його продуктивність внесених втрат подібна до фільтра π-типу, але до цього не схильний “дзвін” і може використовуватися в комутаційних схемах.