Резистори та схеми металевих терморезисторних датчиків PT100 і PT1000

Схема вимірювання температури для зонда датчика PT100 або PT1000 зазвичай складається з джерела стабільного струму для збудження датчика., високоточна схема вимірювання опору для визначення зміни опору в залежності від температури, і аналого-цифровий перетворювач (АЦП) для перетворення виміряної напруги в цифровий сигнал, який може бути оброблений мікроконтролером або системою збору даних; ключовою відмінністю між схемами PT100 і PT1000 є шкала значень опору, оскільки Pt100 має номінальний опір 100 Ом при 0°C, тоді як Pt1000 має 1000 Ом при 0°C, часто вимагають регулювання схеми вимірювання залежно від бажаної точності та застосування.

У статті представлено зміну опору металевих терморезисторних датчиків PT100 і PT1000 при різних температурах., а також різноманітні схемні рішення для вимірювання температури. Включаючи поділ напруги опору, вимірювання мосту, джерело постійного струму і AD623, Схема збору даних AD620. Щоб протистояти перешкодам, особливо електромагнітні перешкоди в аерокосмічній сфері, запропонована схема збору бортового датчика температури PT1000, включаючи фільтр Т-типу для фільтрації та підвищення точності вимірювань.
Анотація, створена CSDN за допомогою інтелектуальних технологій

PT100 Кабельний датчик температури для точного вимірювання температури в контейнерах, резервуарів і труб

Кабель високотемпературного датчика температури T100 -50～260

Платиновий резистивний температурний датчик PT100 для температури поверхні передавача

Рішення схеми вимірювання температури PT100/PT1000
1. Таблиця зміни температурного опору датчиків PT100 і PT1000
Металеві терморезистори, такі як нікель, мідні і платинові резистори мають позитивну кореляцію зі зміною температури. Платина має найстабільніші фізико-хімічні властивості і найбільш широко використовується. Діапазон вимірювання температури зазвичай використовуваних платинових датчиків опору Pt100 становить -200～850 ℃, і діапазон вимірювання температури Pt500, Сенсорні зонди 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 незначно змінюється в межах нормального діапазону робочих температур (як показано на малюнку 1). Приблизне співвідношення між опором і температурою можна отримати за допомогою лінійної підгонки:

Таблиця зміни температурного опору PT100 1

2. Зазвичай використовувані схеми збору даних

2. 1 Вихід дільника напруги резистора 0~3,3 В/3 В, аналогова напруга, однокристальний порт AD, пряме отримання
Діапазон вихідної напруги схеми вимірювання температури становить 0~3,3 В, PT1000 (Значення опору PT1000 сильно змінюється, і чутливість вимірювання температури вище, ніж PT100; PT100 більше підходить для великомасштабного вимірювання температури).

Найпростішим способом є використання методу поділу напруги. Напруга генерується мікросхемою джерела опорної напруги TL431, який є джерелом опорної напруги 4 В. В якості альтернативи, REF3140 можна використовувати для генерації 4,096 В як еталонного джерела. Еталонні вихідні мікросхеми 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 AD мікроконтролера, воно не може перевищувати 3 В/3,3 В.

Пряме отримання однокристальної схеми порту AD PT100

2.2 Резистор поділу напруги на виході аналогової напруги 0~5В, а порт AD мікроконтролера безпосередньо збирає його.
звичайно, деякі схеми живляться від мікроконтролера 5 В, а максимальний робочий струм PT1000 становить 0,5 мА, тому для забезпечення нормальної роботи компонента необхідно 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 напруга 3,3 В, і збір точніший. Пам'ятайте, теоретично розрахована вихідна напруга не може перевищувати +5В. Інакше, мікроконтролер буде пошкоджено.

2.3 Найбільш часто використовуване вимірювання моста

Схема дільника напруги PT100 видає аналогову напругу 0~5 В

Використовуйте R11, R12, R13 і Pt1000 для формування вимірювального мосту, де R11=R13=10k, R12=1000R прецизійний резистор. Коли значення опору Pt1000 не дорівнює значенню опору R12, міст видасть сигнал різниці напруги рівня мВ. Цей сигнал різниці напруг посилюється схемою підсилювача приладу та видає потрібний сигнал напруги, який можна безпосередньо підключити до мікросхеми AD-перетворення або AD-порту мікроконтролера.

Принцип вимірювання опору цієї схеми:

1) PT1000 - це термістор, і його опір змінюється в основному лінійно зі зміною температури.

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 дільника напруги, можемо знайти Уба = Уб – робити > 0.
4) OP07 - операційний підсилювач, а його коефіцієнт посилення 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 дільника 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 відповідно до значення опору, щоб дізнатися поточну температуру.

2.4 Джерело постійного струму
Завдяки ефекту саморозігріву терморезистора, необхідно стежити, щоб струм, що протікає через резистор, був якомога меншим, і зазвичай очікується, що струм буде менше 10 мА. Було перевірено, що самонагрівання платинового резистора PT100 з 1 мВт призведе до зміни температури на 0.02 до 0,75 ℃, тому зменшення струму платинового резистора PT100 також може зменшити зміну його температури. Проте, якщо струм занадто малий, він чутливий до шумових перешкод, тому це зазвичай прийнято 0.5 до 2 Ма, тому струм джерела постійного струму вибирається як джерело постійного струму 1 мА.

Вибрано мікросхему джерела постійної напруги TL431, а потім негативний зворотний зв'язок по струму використовується для перетворення його в джерело постійного струму. Схема показана на малюнку:

Схема отримання джерела постійного струму резистора РТ100

Для підвищення навантажувальної здатності джерела струму використовується операційний підсилювач CA3140, і формула розрахунку для вихідного струму є:
Вставте тут опис малюнка Резистор має 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:
Температурна стабільність: Оскільки наше середовище вимірювання температури становить 0-100 ℃, вихід джерела струму не повинен бути чутливим до температури. А 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
Принцип може посилатися на наведений вище принцип вимірювання мосту.
Отримання низької температури:

AD620 вимірює високу температуру розчину для збору даних PT100 (150°)

Висока температура придбання
Вставте тут опис малюнка

4. Схема збору даних AD620
Рішення для збору даних AD620 PT100 для високих температур (150°):

AD620 вимірює розчин для збору PT100 за низької температури (-40°)

Рішення AD620 PT100 для низьких температур (-40°):

AD620 вимірює схему збору даних PT100 при кімнатній температурі (20°)

Рішення для збору даних AD620 PT100 для кімнатної температури (20°):

Схема високої температури датчика PT100

5. Аналіз фільтрації перешкод датчиків 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, високочастотні збурення, викликані управлінням двигуном і високою швидкістю обертання двигуна.

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 певних середовищах із сильними електромагнітними перешкодами, перешкоди можуть бути перетворені в похибку вихідного зміщення постійного струму після виправлення підсилювачем приладу, впливає на точність вимірювання.

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

Схема схеми збору AD623 для датчика PT100

Фільтр встановлюється на самому зовнішньому кінці контуру збору. Схема попередньої обробки збору даних PT1000 підходить для попередньої обробки бортового електронного обладнання для захисту від електромагнітних перешкод; конкретна схема:
Вхідна напруга +15 В перетворюється на високоточне джерело напруги +5 В через стабілізатор напруги. Джерело високоточного напруги +5В підключається безпосередньо до резистора R1, а інший кінець резистора R1 розділений на два контури. Один підключається до синфазного входу операційного підсилювача, а інший підключений до кінця A резистора PT1000 через Т-подібний фільтр 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 через резистор R4 як вхід 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 вхід диференціальної напруги E, 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. Точне значення опору PT1000 можна розрахувати шляхом вимірювання диференціальної напруги на 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 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 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. Фільтр RFI завершує фільтрацію низьких частот вхідного сигналу, і відфільтровані об'єкти 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:

Аерокосмічна бортова схема збору даних PT1000

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 M±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.

3-дротяний датчик високої температури промислового контролю класу B PT100 платиновий термічний резистор датчик температури

Пружинна термопара типу K-E, датчик температури pt100

Високоточний датчик температури PT100 для вимірювання температури трансформатора

5.2 Фільтр Т-типу
Вставте тут опис малюнка
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.