Резистори та схеми металевих терморезисторних датчиків PT100 і PT1000

A temperature acquisition circuit for a PT100 or PT1000 sensor probe typically consists of a stable current source to excite the sensor, a high-precision resistance measurement circuit to detect the change in resistance with temperature, and an analog-to-digital converter (ADC) to convert the measured voltage into a digital signal that can be processed by a microcontroller or data acquisition system; the key difference between a PT100 and PT1000 circuit is the scale of resistance values due to the Pt100 having a nominal resistance of 100 ohms at 0°C while a Pt1000 has 1000 Ом при 0°C, often requiring adjustments in the measurement circuit depending on the desired accuracy and application.

The article introduces the resistance change of PT100 and PT1000 metal thermal resistor sensor probes at different temperatures, as well as a variety of temperature acquisition circuit solutions. Including resistance voltage division, bridge measurement, constant current source and AD623, AD620 acquisition circuit. In order to resist interference, especially electromagnetic interference in the aerospace field, an airborne PT1000 temperature sensor acquisition circuit design is proposed, including a T-type filter for filtering and improving measurement accuracy.
Abstract generated by CSDN through intelligent technology

PT100 Temperature cable sensor for Precise temperature measurement in containers, резервуарів і труб

Кабель високотемпературного датчика температури T100 -50～260

PT100 platinum resistance temperature sensor for transmitter surface temperature

Рішення схеми вимірювання температури PT100/PT1000
1. Temperature resistance change table of PT100 and PT1000 sensors
Металеві терморезистори, такі як нікель, copper and platinum resistors have a positive correlation with the change of temperature. 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, the slope of the resistance characteristic curve changes slightly within the normal operating temperature range (як показано на малюнку 1). The approximate relationship between resistance and temperature can be obtained through linear fitting:

Таблиця зміни температурного опору PT100 1

2. Зазвичай використовувані схеми збору даних

2. 1 Resistor voltage divider output 0~3.3V/3V analog voltage single chip AD port direct acquisition
Діапазон вихідної напруги схеми вимірювання температури становить 0~3,3 В, PT1000 (Значення опору PT1000 сильно змінюється, and the temperature measurement sensitivity is higher than PT100; PT100 більше підходить для великомасштабного вимірювання температури).

Найпростішим способом є використання методу поділу напруги. The voltage is generated by the TL431 voltage reference source chip, which is a 4V voltage reference source. В якості альтернативи, REF3140 can be used to generate 4.096V as a reference source. Reference source chips also include REF3120, 3125, 3130, 3133, і 3140. The chip uses a SOT-32 package and a 5V input voltage. Вихідна напруга може бути обрана відповідно до необхідної опорної напруги. звичайно, according to the normal voltage input range of the AD port of the microcontroller, воно не може перевищувати 3 В/3,3 В.

PT100 single chip AD port circuit direct acquisition

2.2 Resistor voltage division output 0~5V analog voltage, and the AD port of the microcontroller directly collects it.
звичайно, some circuits are powered by a 5V microcontroller, and the maximum operating current of the PT1000 is 0.5mA, so an appropriate resistance value must be used to ensure the normal operation of the component.
Наприклад, the 3.3V in the voltage division schematic diagram above is replaced by 5V. The advantage of this is that the 5V voltage division is more sensitive than the 3.3V voltage, and the collection is more accurate. Пам'ятайте, теоретично розрахована вихідна напруга не може перевищувати +5В. Інакше, the microcontroller will be damaged.

2.3 Найбільш часто використовуване вимірювання моста

The voltage divider circuit of PT100 outputs 0~5V analog voltage

Use R11, R12, R13 and Pt1000 to form a measurement bridge, де R11=R13=10k, R12=1000R precision resistor. Коли значення опору Pt1000 не дорівнює значенню опору R12, the bridge will output a mV level voltage difference signal. Цей сигнал різниці напруг посилюється схемою підсилювача приладу та видає потрібний сигнал напруги, which can be directly connected to the AD conversion chip or the AD port of the microcontroller.

Принцип вимірювання опору цієї схеми:

1) PT1000 - це термістор, and its resistance changes basically linearly with the change of temperature.

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. According to the voltage divider principle, we can find Uba = Ub – робити > 0.
4) OP07 - операційний підсилювач, and its voltage amplification factor A depends on the external circuit, 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, using the voltage divider principle, 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, we only need to look up the table according to the resistance value to know the current temperature.

2.4 Джерело постійного струму
Завдяки ефекту саморозігріву терморезистора, it is necessary to ensure that the current flowing through the resistor is as small as possible, and generally the current is expected to be less than 10mA. Було перевірено, що самонагрівання платинового резистора PT100 з 1 mW will cause a temperature change of 0.02 to 0.75℃, so reducing the current of the platinum resistor PT100 can also reduce its temperature change. Проте, якщо струм занадто малий, він чутливий до шумових перешкод, so it is generally taken at 0.5 до 2 Ма, тому струм джерела постійного струму вибирається як джерело постійного струму 1 мА.

The chip selected is the constant voltage source chip TL431, and then the current negative feedback is used to convert it into a constant current source. Схема показана на малюнку:

Constant current source of resistor PT100 circuit acquisition scheme

The operational amplifier CA3140 is used to improve the load capacity of the current source, і формула розрахунку для вихідного струму є:
Insert picture description here The resistor should be 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. And TL431 has an extremely low temperature coefficient and low temperature drift.

Хороша регуляція навантаження: Якщо поточна пульсація занадто велика, це спричинить помилки читання. Відповідно до теоретичного аналізу. Since the input voltage varies between 100-138.5mV, 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, the change in current during the load change should be less than 0.000278mA. 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 measures PT100 acquisition solution high temperature (150°)

Висока температура придбання
Insert picture description here

4. Схема збору даних AD620
AD620 PT100 acquisition solution for high temperature (150°):

AD620 measures PT100 acquisition solution at low temperature (-40°)

AD620 PT100 acquisition solution for low temperature (-40°):

AD620 measures PT100 acquisition scheme at room temperature (20°)

AD620 PT100 acquisition solution for room temperature (20°):

PT100 sensor high temperature acquisition circuit

5. Anti-interference filtering analysis of PT100 and PT1000 sensors
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, high-frequency disturbances caused by motor control and high-speed rotation of the motor.

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. In certain strong electromagnetic interference environments, the interference may be converted into DC output offset error after being rectified by the instrument amplifier, 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.

AD623 acquisition circuit scheme for PT100 sensor

Фільтр встановлюється на самому зовнішньому кінці контуру збору. The PT1000 acquisition preprocessing circuit is suitable for anti-electromagnetic interference preprocessing of airborne electronic equipment interfaces; the specific circuit is:
Вхідна напруга +15 В перетворюється на високоточне джерело напруги +5 В через стабілізатор напруги. The +5V high-precision voltage source is directly connected to the resistor R1, and the other end of the resistor R1 is divided into two paths. One is connected to the in-phase input end of the op amp, and the other is connected to the PT1000 resistor A end through the T-type filter 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, one through resistor R4 as the differential voltage input D, і один через резистор R2 до AGND. Після проходження через фільтр S3, інший кінець B резистора PT1000 розділений на два контури, one through resistor R5 as the differential voltage input 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. The precise resistance value of PT1000 can be calculated by measuring the differential voltage across D and 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, and the other connected to the A end of the PT1000 resistor through the T-type filter 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. The RFI filter completes the low-pass filtering of the input signal, and the objects filtered out include the differential mode interference and common mode interference carried in the input differential signal. 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, with a cutoff frequency of 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-wire Class B high industrial temperature control PT100 platinum thermal resistor temperature sensor

K-E type compression spring thermocouple, pt100 temperature sensor probe

High precision PT100 temperature sensor for transformer temperature measurement

5.2 Фільтр Т-типу
Insert picture description here
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.