Система вимірювання температури датчика термічного опору PT100

2-дріт, 3-дротяний або 4-провідний Pt100, Pt500, Датчики Pt1000 - датчики температури на основі платинових елементів з високою точністю, стабільність і лінійність, і широко використовуються в областях, де потрібне точне вимірювання температури. A “Терморезисторна система вимірювання температури PT100” відноситься до системи, яка використовує датчик PT100, тип резистивного температурного детектора (RTD), вимірювати температуру шляхом виявлення змін її електричного опору, які прямо пропорційні температурі; “PT” означає Platinum, і “100” означає, що датчик має опір 100 Ом при 0°C, що робить його високоточним і стабільним методом вимірювання температури в широкому діапазоні.

Платинові резистори широко застосовуються в середньотемпературному діапазоні (-200~650 ℃). В даний час, на ринку є стандартні терморезистори для вимірювання температури, виготовлені з металевої платини, наприклад Pt100, Pt500, Pt1000, тощо.

Зрозумійте принцип роботи PT100: PT100 - датчик температури Pt резистора. Принцип роботи заснований на тепловому ефекті резистора. Значення його опору змінюється зі зміною температури. Ця зміна є лінійною. При 0 ℃, значення опору PT100 становить 100 Ом. У міру підвищення температури, значення опору також збільшується відповідно, тому температуру можна точно визначити, вимірявши значення опору.

Високоточна 4-провідна система вимірювання температури класу A PT100

2-дротяний PT100 платиновий опір датчик контролю температури система вимірювання температури

3-дріт PT100 термічний резистор датчик системи вимірювання температури

Виберіть відповідний спосіб підключення: Загалом, 2-дріт, 3-можна використовувати дротяний або 4-провідний способи підключення.

Вихід сигналу напруги мостом

Ключові моменти про систему PT100:
Сенсорний принцип:
Датчик PT100 виготовлений з платинового дроту, електричний опір якого передбачувано змінюється з коливаннями температури..

Метод вимірювання:
Коли струм пропускається через PT100, вимірюється падіння напруги на датчику, яка потім перетворюється на температуру на основі відомого співвідношення між опором і температурою.

Широке застосування:
Датчики PT100 зазвичай використовуються в промислових процесах, лабораторії, та інших застосувань, де потрібне точне вимірювання температури завдяки їх високій точності та стабільності.

Компоненти системи PT100:
Зонд датчика PT100:
Власне чутливий елемент, як правило, це платиновий дріт, обмотаний навколо керамічного сердечника, який вставляється в середовище для вимірювання.

Схема формування сигналу:
Електроніка, яка підсилює та перетворює невелику зміну опору від PT100 у вимірюваний сигнал напруги.

Дисплей або система збору даних:
Пристрій, який відображає виміряну температуру або зберігає дані для аналізу.

Переваги використання системи PT100:
Висока точність:　Вважається одним із найточніших доступних датчиків температури.
Широкий діапазон температур:　Може вимірювати температуру від -200°C до 850°C залежно від конструкції датчика.
Хороша лінійність:　Залежність між опором і температурою дуже лінійна, полегшує інтерпретацію даних.
Стабільність:　Платина - дуже стійкий матеріал, забезпечення послідовних показань протягом тривалого часу.

Таблиця індексації теплового опору Pt100

Три методи підключення платинового резистора PT100 принципово відрізняються: 2-дротяні та 3-провідні вимірюються мостовим методом, і співвідношення між значенням температури та аналоговим вихідним значенням наведено в кінці. 4-дріт не має містка. Він повністю посилається джерелом постійного струму, вимірюється вольтметром, і, нарешті, дає виміряне значення опору, який складний і дорогий у використанні.
Because PT100 has a small resistance value and high sensitivity, the resistance value of the lead wire cannot be ignored. The use of 3-wire connection can eliminate the measurement error caused by the lead line resistance.
The 2-wire system has poor measurement accuracy; the 3-wire system has better accuracy; the 4-wire system has high measurement accuracy, but requires more wires.

We only need to know the temperature state of PT100 based on the voltage signal output by the bridge. When the resistance value of PT100 is not equal to the resistance value of Rx, the bridge outputs a differential pressure signal, which is very small. Since the output signal of the temperature sensor is generally very weak, потрібна схема формування та перетворення сигналу, щоб посилити його або перетворити у форму, яку легко передати, процес, запис і відображення. Незначну зміну виміряної величини сигналу необхідно перетворити в електричний сигнал. При посиленні сигналу постійного струму, самодрейф і незбалансована напруга операційного підсилювача не можна ігнорувати при проходженні через операційний підсилювач. Після посилення, може бути виведений сигнал напруги потрібного розміру.
Значення опору платинового резистора можна отримати шляхом розрахунку схеми або вимірювання мультиметром. Коли ми знаємо значення опору PT100, ми можемо виміряти та обчислити температуру за значенням опору.

Використовуйте відповідні алгоритми обробки даних: Використовуйте відоме співвідношення температури та опору, щоб обчислити температуру за допомогою програмування. Враховуючи, що залежність опору від температури PT100 є нелінійною, особливо в зонах з низькою або високою температурою, для підвищення точності можуть знадобитися більш складні алгоритми.

Вплив факторів зовнішнього середовища: На продуктивність можуть впливати фактори навколишнього середовища, наприклад електромагнітні перешкоди, механічна вібрація, і вологість.

Існує три поширених методи розрахунку вимірювання температури:
Метод розрахунку вимірювання температури 1:
Коли точна температура не потрібна, температура зросте на 2,5 ℃ для кожного Ома збільшення значення опору терморезистора PT100 (використовується при низьких температурах). Значення опору датчика температури PT100 становить 100 коли 0 ℃, тому приблизна температура в цей час = (Значення опору PT100-100)*2.5.

Метод розрахунку вимірювання температури 2:
Зв'язок між значенням опору і температурою платинового резистора

У діапазоні 0～850℃: Rt=R0(1+At+Bt2);

У діапазоні -200～0℃: Rt=R0[1+At+Bt2+C(т-100)3];

Rt представляє значення опору платинового резистора при температурі t℃;

R0 представляє значення опору платинового резистора при температурі 0 ℃;

A, Б, C - константи, A=3,96847×10-3/℃; B=-5,847×10-7/℃; C=-4,22×10-12/℃;

Для терморезистора, який відповідає наведеному вище співвідношенню, його температурний коефіцієнт становить приблизно 3,9×10-3/℃.

Через наведену вище формулу, температуру можна точно визначити відповідно до значення опору, але через великий обсяг розрахунку даного методу, не рекомендується для цього експерименту.

Спосіб розрахунку температури третій:
PT100 має хорошу лінійну залежність від температури і підходить для вимірювання середньої та низької температури. Значення опору PT100 при різних температурах має відповідну шкалу вимірювання один до одного, як показано на малюнку нижче, який може інтуїтивно відображати відповідне співвідношення між різними температурами та значенням опору PT100.
Температуру можна дізнатися, перевіривши відповідне значення опору за шкалою PT100.

Шкала терморезистора Pt100

Пристрій для вимірювання температури PT100, розроблений у цій статті, використовує широко використовуваний недорогий чотирисмуговий операційний підсилювач LM324 для завершення конструкції схеми живлення пристрою та схеми підсилювача приладу з трьома операційними підсилювачами..

1.1 Схема джерела напруги

Схема джерела напруги датчика терморезистора Pt100

Схема на рис 1 є загальною пропорційною робочою схемою. Відповідно до аналізу ідеальний операційний підсилювач працює в лінійній області, за принципом віртуальної короткої та віртуальної перерви, це виходить:

Формула розрахунку схеми моста Уітстона

​, тоді коефіцієнт підсилення напруги замкнутого циклу дорівнює 2 разів, і тоді виходить V= 10В, і він використовується як стабільна напруга джерела живлення мостової схеми Уітстона.

1.2 Трипровідне з'єднання моста Уїтстона і PT100.
На зображенні вище зображено міст Уітстона. Умовою врівноваженості моста є рівність потенціалів точок B і D. Отже, коли міст збалансований, доки R1, R2 (зазвичай фіксовані значення) і R0 (зазвичай регульовані значення) читаються, можна отримати опір Rx, який потрібно виміряти. R1/R2=M, дзвонив “множник”.

Міст Уітстона і трипровідний спосіб підключення PT100

За принципом вимірювання температури PT100, значення опору PT100 потрібно знати правильно, але значення опору не можна виміряти безпосередньо, тому потрібна схема перетворення. Значення опору перетворюється на сигнал напруги, який може бути виявлений мікроконтролером”. Схема моста Вітстона — це прилад, який може правильно вимірювати опір. Як показано на малюнку 2, R1, R2, R3, і R4 - його плечі мосту відповідно. Коли міст збалансований, R1xR3=R2xR4 виконано. Коли міст розбалансований, між точками a і b буде різниця напруг. За напругою точок a і b, можна розрахувати відповідний опір. Це принцип вимірювання опору незбалансованим мостом:

PT100 трипровідний спосіб підключення схеми

Насправді, завдяки малому опору і високій чутливості PT100, опір провідного дроту спричинить помилки. Отже, для усунення цієї помилки в промисловості часто використовують трипровідний спосіб підключення. Як показано на пунктирній частині рис 2, значення опору свинцевого проводу дорівнює r. В цей час, плечі мосту стають R, Р, R+2r, і Rt+2r. Коли міст збалансований: R2. (R1+2r) =R1.(R3+2р), розібралися: Rt= R1R3/ R2+2 R1r/ R2- 2r. Аналіз показує, що при R1=R2, зміна опору дроту не впливає на результат вимірювання.

1.3 Схема інструментального підсилювача з трьома операційними підсилювачами
Коли температура змінюється від 0 ℃ до 100 ℃, опір PT100 змінюється приблизно лінійно в діапазоні 100Ω~138,51Ω. Відповідно до наведеної вище мостової схеми, міст збалансований при 0 ℃, тому має бути теоретичне значення вихідної напруги моста 0 V, і коли температура становить 100 ℃, вихід моста є: Uab=U7x(R1/(R1 + R2)-R3/(R2 + R3)), тобто, Uab=10x(138.51/(10000 + 138.51)-100/(10000 + 100)) =0,037599 В. Оскільки це мілівольтовий сигнал, необхідно підсилити цю напругу, щоб вона була виявлена ​​чіпом AD.

Як показано на малюнку 3, приладовий підсилювач - це пристрій, який підсилює невеликі сигнали в шумному середовищі. Він має ряд переваг, таких як низький дрейф, низьке енергоспоживання, високий коефіцієнт відмови синфазного сигналу, широкий діапазон живлення і невеликі розміри. Він використовує характеристики диференціальних малих сигналів, накладених на більші синфазні сигнали, який може видаляти синфазні сигнали та одночасно посилювати диференціальні сигнали. Вихідна напруга стандартної схеми інструментального підсилювача з трьома операційними підсилювачами становить, тут R8=R10 =20 кОм, R9=R11=20 кОм, R4=R7=100 кОм, який може підсилити вхідний сигнал напруги приблизно на 150 разів, щоб можна було посилити теоретичну вихідну напругу моста 0 ~2,34 В. Але це лише теоретичне значення. У самому процесі, є багато факторів, які можуть спричинити зміни опору. Отже, R3 можна замінити прецизійним регульованим резистором для полегшення обнулення схеми.

Схема інструментального підсилювача з трьома операційними підсилювачами датчика PT100

2. Дизайн програмного забезпечення

2.1 Метод найменших квадратів і лінійне припасування PT100

У діапазоні температур 0℃≤t≤850℃, зв'язок між опором Pt100 і температурою: R=100 (1 +At+Bt2), де A=3,90802x 10-3; B=- -5.80X 10-7; C=4,2735 х 10-12

Можна побачити, що опір PT100 і температура є не абсолютною лінійною залежністю, а параболою. Отже, якщо t потрібно витягти, необхідна операція отримання квадратного кореня, який вводить більш складну функціональну операцію та займає велику кількість ресурсів центрального процесора однокристального мікрокомп’ютера. Щоб вирішити цю проблему, ми можемо використати метод найменших квадратів, щоб лінійно підібрати залежність між температурою та опором. ” Підгонка кривої найменших квадратів є поширеним методом обробки експериментальних даних. Його принцип полягає в тому, щоб знайти поліноміальну функцію для мінімізації суми квадратичних помилок вихідних даних.

2.2 Температура цифрового перетворення AD
Принцип вимірювання температури PT100 полягає в отриманні значення температури на основі значення опору, тому спочатку необхідно визначити значення опору терморезистора. За апаратною схемою, співвідношення між вихідною напругою Uab мостової схеми та вихідною напругою Uad схеми підсилювача приладу операційного підсилювача є: Uad = Uab. Auf Тому що в системі використовується 12-бітна мікросхема AD, співвідношення між цифровою величиною та аналоговою величиною є: Uad/AD=5/4096. Співвідношення між вихідною напругою моста та цифровою величиною AD можна отримати шляхом поєднання двох попередніх рівнянь, тобто, Uad/AD=5/(4096Увімкнено). Потім, він підставляється у вираз вихідної напруги моста Uab= U7x (Rt/ (R1+Rt) -R3/ (R2+R3) ), і можна отримати вираз Rr і цифрову величину AD. Рішення є:

Формула температури цифрового перетворення AD

Дізнавшись значення опору PT100, відповідне значення температури можна отримати відповідно до лінійного рівняння підгонки в розділі 2.1.

2.3 Однокристальна цифрова фільтрація
Щоб підвищити точність вимірювання температури PT100, програму цифрової фільтрації можна додати в програмне забезпечення, який не вимагає додавання апаратних схем і може підвищити стабільність і надійність системи. Існує багато методів фільтрації в прикладній системі однокристального мікрокомп’ютера. При конкретному виборі, слід проаналізувати та порівняти переваги та недоліки методу фільтрації та застосовних об’єктів, щоб вибрати відповідний метод фільтрації. Алгоритм методу фільтрації медіанного середнього полягає в тому, щоб спочатку безперервно збирати N даних, потім видаліть мінімальне та максимальне значення, і, нарешті, обчислити середнє арифметичне решти даних. Цей метод фільтрації підходить для вимірювання параметрів, які повільно змінюються, наприклад температура, і може ефективно зменшити перешкоди, спричинені коливаннями, викликаними випадковими факторами, або помилками, спричиненими нестабільністю семплера.

Процес роботи системи:
При зміні температури вимірюваного об’єкта, опір PT100 змінюється, і міст Уітстона видасть відповідний сигнал напруги. Цей сигнал є функцією опору PT100. Цей мілівольтовий сигнал посилюється інструментальним підсилювачем із трьома операційними підсилювачами та надсилається на мікросхему AD., який перетворює аналогову величину в цифрову величину та зчитується мікроконтролером. Мікроконтролер зчитує чіп з чіпа AD і виконує програму фільтрації, перетворення стабільної цифрової величини в опір PT100 шляхом обчислення. Потім мікроконтролер вибере відповідну встановлену лінійну модель відповідно до величини значення опору для розрахунку поточного значення температури, і, нарешті, вивести дані про температуру на РК-дисплей.