Отримання температури 2, 3, і 4-провідні датчики температури PT100

У статті описано, як 2, 3, і 4-провідні датчики PT100 перетворюються в сигнали напруги через зміни опору, а для захисту датчика і забезпечення точності перетворення сигналу використовується джерело постійного струму. Датчик PT100 отримує температуру, вимірюючи зміну свого електричного опору, яка безпосередньо залежить від температури, якій він піддається; у міру підвищення температури, опір платинового елемента в датчику також збільшується, що дозволяє точно розрахувати температуру на основі цієї зміни опору; по суті, в “100” у PT100 означає, що датчик має опір 100 Ом при 0°C, і це значення змінюється передбачувано з коливаннями температури. Застосування операційного підсилювача MCP604 у схемотехніці підкреслює вплив його характеристик, таких як низька вхідна напруга зміщення та струм зміщення, на точність. Програмне калібрування використовується для підвищення точності проектування схеми, уникаючи незручностей фізичної адаптації. Нарешті, у статті наведено формулу залежності між температурою та значенням опору платини, який використовується для розрахунку значення температури.

Конструкція вимірювання температури 2-провідного датчика температури PT100

Придбання температури 3-провідного датчика температури PT100 у Китаї

Отримання температури 4-провідним датчиком температури PT100

Ключові моменти щодо вимірювання температури PT100:
Детектор температури опору (RTD):
PT100 є типом RTD, тобто він вимірює температуру, виявляючи зміни свого електричного опору.
Платиновий елемент:
Чутливий елемент у PT100 виготовлений із платини, який показує дуже стабільну і лінійну залежність між опором і температурою.
Процес вимірювання: Датчик розміщується в середовищі, де необхідно виміряти температуру.
Опір платинового елемента вимірюється за допомогою спеціальної електронної схеми.
Потім виміряне значення опору перетворюється на температуру за допомогою математичної формули на основі відомого температурного коефіцієнта платини..

Переваги датчиків PT100:
Висока точність: Вважається одним із найточніших доступних датчиків температури завдяки стабільній поведінці платини.
Широкий діапазон температур:　Може вимірювати температуру від -200°C до 850°C залежно від конструкції датчика.
Хороша лінійність: Залежність між опором і температурою відносно лінійна, спрощення інтерпретації даних.

Важливі міркування:
Калібрування: Для забезпечення точних вимірювань, Датчики PT100 необхідно регулярно калібрувати за еталонним стандартом.
Опір свинцевого дроту: Опір з'єднувальних проводів може впливати на точність вимірювання, тому часто необхідний належний розгляд компенсації свинцевого дроту.
Придатність застосування: Хоча дуже точні, Датчики PT100 можуть не підходити для надзвичайно суворих умов або застосувань, які потребують дуже швидкого часу відгуку.

1. Основні принципи отримання сигналів
PT100 перетворює температурні сигнали на вихідні сигнали опору, і його значення опору коливається від 0 до 200 Ом. AD перетворювач може лише перетворювати напругу і не може безпосередньо збирати температуру. Отже, Для живлення PT100 і перетворення змін опору в зміни напруги потрібне джерело постійного струму 1 мА. Перевага використання джерела постійного струму полягає в тому, що воно може подовжити термін служби датчика. Так як діапазон вхідного сигналу становить 0 до 200 мВ, сигнал потрібно посилити, а потім перетворити в AD для отримання даних електричного сигналу.

Причини невикористання конструкції джерела постійної напруги:

Якщо для живлення використовується джерело постійної напруги, а потім резистор і PT100 з'єднані послідовно, і напруга ділиться, є проблема. Коли опір PT100 занадто малий, струм, що протікає через PT100, занадто великий, що призводить до скорочення терміну служби датчика.

2. Операційний підсилювач використовує MCP604
Особливості MCP604:
1) Діапазон напруг 2,7~6,0В
2) Вихід Rail-to-Rail
3) Діапазон робочих температур: -40°C до +85 °C
4) Вхідна напруга зсуву становить ±3 мВ, типове значення становить 1 мВ, висока чутливість.
5) Вхідний струм зміщення становить 1 пА, при TA = +85°C, I=20 пА, покращує точність отримання даних.
6) Лінійне коливання вихідної напруги: VSS+0,1 ~ VDD–0,1, одиниця - V.

При напрузі джерела живлення 3,3В, коливання лінійної вихідної напруги становить 0,1~3,2 В. Щоб переконатися, що посилений сигнал працює в лінійній області, коли VDD=3,3В, ми встановили, що вихідна напруга MCP604 залишається на рівні: 0.5V ~ 2,5 В, щоб відповідати вимогам схеми операційного підсилювача.

Операційний підсилювач у підручнику з аналогової електроніки є ідеальним операційним підсилювачем, який відрізняється від справжнього підсилювача. Отже, необхідно враховувати “вхідна напруга зсуву”, “вхідний струм зміщення” і “лінійне коливання вихідної напруги” при проектуванні.

3. Електрична схема
R11 на малюнку є ланцюгом зміщення для запобігання виходу останнього каскаду диференціального підсилювача від спотворення насиченості.
1) Виберіть відповідний коефіцієнт посилення, щоб зменшити вихідну похибку. Через наявність вхідної напруги зсуву, при збільшенні коефіцієнта підсилення, похибка виведення також збільшиться, які необхідно враховувати при проектуванні.
2) Коефіцієнт посилення цієї схеми становить 10. Припустимо, що типова вхідна напруга зміщення становить 3 мВ, якщо вхідний сигнал зміниться на 5 мВ, 2мВ не буде посилено, що спричинить вихідну похибку 20 мВ.

Операційний підсилювач датчика температури PT100 із використанням принципової схеми MCP604

Vo4 = (Vin1 – Vref)*10
I=1мА, Vref=Vo3=1,65 В
1.7V<= Він<=1,9 В, 1.7V<=V02<=1,9
1.8V<=Vo1<=2В, переконайтеся, що операційний підсилювач працює в лінійній області, це дуже важливо
0.5V<=Vo4<=2,5 В, переконайтеся, що операційний підсилювач працює в лінійній області, ось чому 50 Ом необхідні послідовно.

При зміні вхідного опору на 1 Ом, Vout змінюється на 10 мВ. Оскільки вхідна компенсаційна напруга MCP604 становить ±3 мВ, коли відбувається зміна 0,3333 Ом, буде зміна на 3,333 мВ, і чутливість отримання висока.
Коли 0<=Рін<=200 Ом вхід, оскільки контур з'єднаний послідовно з 50 Ом, 50ох<=Rx<=250 Ом
Vin1 – Vref = Rx*0,001, блок А

4. Програмне калібрування
Нові інженери завжди намагаються підвищити точність резисторів, але помилка все одно велика. Деякі інженери просто використовують плавно регульовані резистори, регулювати значення їх опору, і використовуйте мультиметри, щоб вихід відповідав передатному відношенню. Ця точність, здається, покращена, але це не зручно для виробництва, і складність проектування друкованої плати також збільшується. Навіть якщо налагодження виконано, якщо торкнутися рукою регулювального гвинта, це може викликати помилки. Єдиний спосіб – використовувати постійні резистори для виробництва та використовувати програмне забезпечення для досягнення точного калібрування.
1) Коли Rin=0, зчитайте значення напруги та запишіть його як V50. Збережіть V50, воно не зміниться зі зміною значення опору PT100, оскільки він живиться від джерела постійного струму.
2) Підключіть номінальний резистор, нехай Rs=100 Ом, зчитайте значення напруги та запишіть його як V150. Збережіть V150, значення напруги зчитується при температурі 0.
3) Обчисліть коефіцієнт підсилення струму: Io = (V150 – V50) / рупій; врятуй мене, це означає, що калібрування виконано.
4) Коли вхідний опір R, зчитується напруга Vo, тоді R = (Vo- V50) / Іо
Через наведений вище опис, програмне калібрування має великі переваги, не тільки зручне виробництво, але також висока точність. Щоб підвищити точність, вихідна напруга також може бути розділена на кілька інтервалів, відкалібрований окремо, і різні Io можуть бути отримані, так що вихідна лінійність буде кращою. Ці ідеї відображені в моєму дизайні.

Схема операційного підсилювача MCP604

5. Розрахувати температуру
Коли температура нижче 0,
R0*C*t^4 – 100R0*C*t^3 + R0*B*t^2 + R0*A*t + R0 – Rt=0
Коли температура більша або дорівнює 0, Rt=R0*(1+A*t+B*t*t)
Опис:
Rt — це значення опору платинового резистора при t℃
R0 — це значення опору платинового резистора при 0 ℃ 100 Ом
A=3,9082×10^-3
B=-5,80195×10^-7
C=-4,2735×10^-12

6. Датчик температури Pt100
Датчик температури Pt100 є терморезисторним датчиком із позитивним температурним коефіцієнтом, і його основні технічні параметри наступні:
1) Діапазон вимірювання температури: -200℃ ~ +850 ℃;
2) Допустиме значення відхилення Δ℃: Оцінка А ±(0.15+0.002|t|), Оцінка B ±(0.30+0.005|t|);
3) Мінімальна глибина введення: Мінімальна глибина введення терморезистора становить ≥200 мм;
4) Допустимий струм: < 5Ма;
5) Датчик температури Pt100 також має переваги стійкості до вібрації, хороша стійкість, висока точність, і високий тиск. Платиновий терморезистор має хорошу лінійність. При зміні між 0 і 100 градусів Цельсія, максимальне нелінійне відхилення становить менше 0,5 ℃;
При температурі < 0, R0*C*t^4 – 100R0*C*t^3 + R0*B*t^2 + R0*A*t + R0 – Rt=0
При температурі ≥ 0, Rt= R0*(1+A*t+B*t*t)
Відповідно до вищезазначених відносин, приблизний діапазон опору: 18Ω~390,3 Ω, -197℃ становить 18 Ом, 850Ω становить 390,3 Ω;
Опис:
Rt — це значення опору платинового резистора при t℃, R0 — це значення опору платинового резистора при 0 ℃, 100ох
A=3,9082×10^-3, B=-5,80195×10^-7, C=-4,2735×10^-12
Інструкція з експлуатації платинового металевого датчика температури PT100
6) Схемопроектування
7) Зв'язок між температурою PT100 і опором
Температура та опір PT100 задовольняють наступне рівняння:
При температурі ≤0, R0*C*t^4 – 100*R0*C*t^3 + R0*B*t^2 + R0*A*t + R0 – Rt=0
При температурі ≥0, R0*B*t^2 + R0*A*t + R0 – Rt =0

Таблиця порівняння температури та опору PT100

Опис:
Rt — це значення опору платинового резистора при t℃, R0 — це значення опору платинового резистора при 0 ℃, 100ох
A=3,9082×10^-3, B=-5,80195×10^-7, C=-4,2735×10^-12

1. Для зручності розрахунку, при температурі ≤0, нехай:
подвійний a=R0*C*100000=100*(-4.2735×10^-12)*100000=-4,2735/100000
подвійний b=–100*R0*C*100000=-100*100*(-4.2735×10^-12)*100000=4,2735/1000
подвійний c= R0*B*100000=100*(-5.80195×10^-7)*100000=-5,80195
подвійний d=R0*A*100000=100*(3.9082×10^-3)*100000=39082
подвійне e= (100-Rt)*100000
Коли температура ≤ 0, a*t^4 + b*t^3 + c*t^2 + d*t + e=0
де x3 – це рішення PT100, коли воно менше 0 ℃.

2. Для зручності розрахунку, коли температура більша або дорівнює 0
подвійний a= R0*B*100000=100*(-5.80195×10^-7)*100000=-5,80195
подвійний b=R0*A*100000=100*(3.9082×10^-3)*100000=39082
подвійний c= (100-Rt)*100000
При температурі ≥0, a*t^2 + б*т + c =0
t = [ SQRT( б*б – 4*a*c )-b ] / 2 / a
19.785Ω відповідає -197 ℃, температура рідкого азоту
18.486Ω відповідає -200 ℃
96.085Ω відповідає -10 ℃
138.505Ω відповідає 100 ℃
175.845Ω відповідає 200 ℃
247.045Ω відповідає 400 ℃