Thu thập nhiệt độ của 2, 3, và cảm biến nhiệt độ PT100 4 dây

Bài viết giới thiệu cách 2, 3, và cảm biến PT100 4 dây được chuyển đổi thành tín hiệu điện áp thông qua sự thay đổi điện trở, và nguồn dòng không đổi được sử dụng để bảo vệ cảm biến và đảm bảo độ chính xác của việc chuyển đổi tín hiệu. Cảm biến PT100 thu được nhiệt độ bằng cách đo sự thay đổi điện trở của nó, tương quan trực tiếp với nhiệt độ mà nó tiếp xúc; khi nhiệt độ tăng, điện trở của phần tử bạch kim bên trong cảm biến cũng tăng lên, cho phép tính toán chính xác nhiệt độ dựa trên sự thay đổi điện trở này; Thiết yếu, cái “100” trong PT100 biểu thị rằng cảm biến có điện trở là 100 ohm ở 0°C, và giá trị này thay đổi có thể đoán trước được theo biến động nhiệt độ. Việc áp dụng bộ khuếch đại hoạt động MCP604 trong thiết kế mạch nhấn mạnh đến tác động của các đặc tính của nó như điện áp bù đầu vào thấp và dòng điện phân cực đến độ chính xác. Hiệu chuẩn phần mềm được sử dụng để cải thiện độ chính xác trong thiết kế mạch, tránh sự bất tiện của việc điều chỉnh thể chất. Cuối cùng, bài báo đưa ra công thức quan hệ giữa nhiệt độ và giá trị điện trở bạch kim, được sử dụng để tính giá trị nhiệt độ.

Thiết kế thu thập nhiệt độ của cảm biến nhiệt độ PT100 2 dây

Thu thập nhiệt độ của cảm biến nhiệt độ PT100 3 dây tùy chỉnh của Trung Quốc

Thu thập nhiệt độ của cảm biến nhiệt độ PT100 4 dây

Những điểm chính về thu thập nhiệt độ PT100:
Máy dò nhiệt độ kháng (RTD):
PT100 là một loại RTD, nghĩa là nó đo nhiệt độ bằng cách phát hiện những thay đổi trong điện trở của nó.
Nguyên tố bạch kim:
Phần tử cảm biến trong PT100 được làm bằng bạch kim, thể hiện mối quan hệ rất ổn định và tuyến tính giữa điện trở và nhiệt độ.
Quá trình đo lường: Cảm biến được đặt ở môi trường cần đo nhiệt độ.
Điện trở của phần tử bạch kim được đo bằng mạch điện tử chuyên dụng.
Giá trị điện trở đo được sau đó được chuyển đổi thành nhiệt độ bằng công thức toán học dựa trên hệ số nhiệt độ đã biết của bạch kim.

Ưu điểm của cảm biến PT100:
Độ chính xác cao: Được coi là một trong những cảm biến nhiệt độ chính xác nhất hiện có do hoạt động ổn định của bạch kim.
Phạm vi nhiệt độ rộng:　Có thể đo nhiệt độ từ -200°C đến 850°C tùy theo thiết kế cảm biến.
Tuyến tính tốt: Mối quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ là tương đối tuyến tính, đơn giản hóa việc giải thích dữ liệu.

Những cân nhắc quan trọng:
Sự định cỡ: Để đảm bảo số đo chính xác, Cảm biến PT100 cần được hiệu chuẩn thường xuyên theo tiêu chuẩn tham chiếu.
Điện trở dây dẫn: Điện trở của dây kết nối có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo, vì vậy việc xem xét thích hợp việc bù dây dẫn thường là cần thiết.
Phù hợp ứng dụng: Mặc dù có độ chính xác cao, Cảm biến PT100 có thể không phù hợp với môi trường cực kỳ khắc nghiệt hoặc các ứng dụng yêu cầu thời gian phản hồi rất nhanh.

1. Nguyên tắc cơ bản của việc thu thập tín hiệu
PT100 chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ thành đầu ra điện trở, và giá trị điện trở của nó dao động từ 0 đến 200Ω. Bộ chuyển đổi AD chỉ có thể chuyển đổi điện áp và không thể thu thập trực tiếp nhiệt độ. Vì thế, Cần có nguồn dòng không đổi 1mA để cấp nguồn cho PT100 và chuyển đổi các thay đổi điện trở thành thay đổi điện áp. Lợi ích của việc sử dụng nguồn dòng không đổi là có thể kéo dài tuổi thọ của cảm biến. Vì phạm vi tín hiệu đầu vào là 0 đến 200mV, tín hiệu cần được khuếch đại và sau đó chuyển đổi AD để thu được dữ liệu tín hiệu điện.

Lý do không sử dụng thiết kế nguồn điện áp không đổi:

Nếu sử dụng nguồn điện áp không đổi để cung cấp điện, sau đó điện trở và PT100 được mắc nối tiếp, và điện áp được chia, có một vấn đề. Khi điện trở của PT100 quá nhỏ, dòng điện chạy qua PT100 quá lớn, dẫn đến tuổi thọ cảm biến ngắn hơn.

2. Op amp sử dụng MCP604
Tính năng MCP604:
1) Dải điện áp là 2,7 ~ 6,0V
2) Đầu ra là Rail-to-Rail
3) Phạm vi nhiệt độ hoạt động: -40°C đến +85°C
4) Điện áp bù đầu vào là ±3mV, giá trị điển hình là 1mV, độ nhạy cao.
5) Dòng điện thiên vị đầu vào là 1pA, khi TA = +85°C, Tôi=20pA, cải thiện độ chính xác thu được.
6) Sự dao động điện áp đầu ra tuyến tính: VSS+0,1 ~ VDD–0,1, đơn vị là V.

Khi điện áp nguồn là 3,3V, dao động điện áp đầu ra tuyến tính là 0,1 ~ 3,2V. Để đảm bảo tín hiệu khuếch đại hoạt động trong vùng tuyến tính, khi VDD = 3,3V, chúng tôi đặt điện áp đầu ra MCP604 duy trì ở mức: 0.5V ~ 2.5V đáp ứng yêu cầu thiết kế mạch op amp.

Op amp trong sách điện tử analog là một bộ khuếch đại hoạt động lý tưởng, khác với bộ khuếch đại thực tế. Vì thế, cần phải xem xét “điện áp bù đầu vào”, “dòng điện thiên vị đầu vào” Và “dao động điện áp đầu ra tuyến tính” khi thiết kế.

3. Sơ đồ mạch
R11 trong hình là mạch phân cực để ngăn chặn giai đoạn cuối của đầu ra bộ khuếch đại vi sai khỏi biến dạng bão hòa.
1) Chọn hệ số khuếch đại phù hợp để giảm sai số đầu ra. Do sự tồn tại của điện áp bù đầu vào, khi hệ số khuếch đại tăng, lỗi đầu ra cũng sẽ tăng lên, phải được xem xét trong thiết kế.
2) Hệ số khuếch đại của mạch này là 10. Giả sử điện áp bù đầu vào điển hình là 3mV, nếu tín hiệu đầu vào thay đổi thành 5mV, 2mV sẽ không được khuếch đại, sẽ tạo ra lỗi đầu ra là 20mV.

Op amp dò nhiệt độ PT100 sử dụng sơ đồ mạch MCP604

Vo4 = (Vin1 – vref)*10
Tôi = 1mA, Vref=Vo3=1,65V
1.7V.<=Vin<= 1,9V, 1.7V.<=V02<=1,9
1.8V.<=Vo1<=2V, đảm bảo rằng op amp hoạt động trong vùng tuyến tính, điều này rất quan trọng
0.5V.<=Vo4<= 2,5V, đảm bảo rằng op amp hoạt động trong vùng tuyến tính, đây là lý do tại sao cần có 50Ω nối tiếp.

Khi điện trở đầu vào thay đổi 1Ω, Vout thay đổi thành 10mV. Vì điện áp bù đầu vào của MCP604 là ±3mV, khi có sự thay đổi 0,3333Ω, sẽ có sự thay đổi 3,333mV, và độ nhạy thu nhận cao.
Khi 0<=Rin<đầu vào = 200Ω, vì vòng lặp được mắc nối tiếp với 50Ω, 50Ồ<=Rx<=250Ω
Vin1 – Vref = Rx*0,001, đơn vị A

4. Hiệu chuẩn phần mềm
Các kỹ sư mới luôn cố gắng cải thiện độ chính xác của điện trở, nhưng lỗi vẫn lớn. Một số kỹ sư chỉ cần sử dụng điện trở có thể điều chỉnh liên tục, điều chỉnh giá trị điện trở của chúng, và sử dụng đồng hồ vạn năng để làm cho đầu ra đáp ứng được mối quan hệ truyền tải. Độ chính xác này dường như được cải thiện, nhưng nó không thuận tiện cho việc sản xuất, và độ khó của việc thiết kế PCB cũng tăng lên. Ngay cả khi việc gỡ lỗi được thực hiện, nếu vít điều chỉnh bị chạm bằng tay, nó có thể gây ra lỗi. Cách duy nhất là sử dụng điện trở cố định cho sản xuất và sử dụng phần mềm giúp đạt được hiệu chuẩn chính xác.
1) Khi Rin=0, đọc giá trị điện áp và ghi lại là V50. Tiết kiệm V50, nó sẽ không thay đổi khi thay đổi giá trị điện trở PT100 vì nó được cung cấp bởi nguồn dòng không đổi.
2) Kết nối điện trở danh định, hãy để R = 100Ω, đọc giá trị điện áp và ghi lại là V150. Tiết kiệm V150, giá trị điện áp đọc được khi nhiệt độ 0.
3) Tính hệ số khuếch đại dòng điện: Io = (V150 – V50) / Rs; cứu tôi, nó có nghĩa là việc hiệu chuẩn đã xong.
4) Khi điện trở đầu vào là R, điện áp đọc được là Võ, thì R = (Võ- V50) / Io
Qua mô tả trên, hiệu chuẩn phần mềm có lợi thế lớn, không chỉ thuận tiện sản xuất, nhưng cũng có độ chính xác cao. Để cải thiện độ chính xác, điện áp đầu ra cũng có thể được chia thành nhiều khoảng, hiệu chuẩn riêng, và Io khác nhau có thể thu được, để độ tuyến tính đầu ra sẽ tốt hơn. Những ý tưởng này được phản ánh trong thiết kế của tôi.

Thiết kế mạch OP AMP MCP604

5. Tính nhiệt độ
Khi nhiệt độ nhỏ hơn 0,
R0*C*t^4 – 100R0*C*t^3 + R0*B*t^2 + R0*A*t + R0 – Rt=0
Khi nhiệt độ lớn hơn hoặc bằng 0, Rt=R0*(1+A*t+B*t*t)
Sự miêu tả:
Rt là giá trị điện trở của điện trở bạch kim ở toC
R0 là giá trị điện trở của điện trở bạch kim ở 0oC 100Ω
A=3,9082×10^-3
B=-5,80195×10^-7
C=-4,2735×10^-12

6. Cảm biến nhiệt độ Pt100
Cảm biến nhiệt độ Pt100 là cảm biến nhiệt độ hệ số dương, và các thông số kỹ thuật chính của nó như sau:
1) Phạm vi nhiệt độ đo: -200oC ~ +850oC;
2) Giá trị độ lệch cho phép ΔoC: Hạng A ±(0.15+0.002|t|), Hạng B ±(0.30+0.005|t|);
3) Độ sâu chèn tối thiểu: Độ sâu chèn tối thiểu của điện trở nhiệt là ≥200mm;
4) Dòng điện cho phép: < 5ma;
5) Cảm biến nhiệt độ Pt100 còn có ưu điểm chống rung, sự ổn định tốt, Độ chính xác cao, và áp suất cao. Điện trở nhiệt bạch kim có độ tuyến tính tốt. Khi thay đổi giữa 0 Và 100 độ C., độ lệch phi tuyến tối đa nhỏ hơn 0,5oC;
Khi nhiệt độ < 0, R0*C*t^4 – 100R0*C*t^3 + R0*B*t^2 + R0*A*t + R0 – Rt=0
Khi nhiệt độ ≥ 0, Rt= R0*(1+A*t+B*t*t)
Theo mối quan hệ trên, phạm vi kháng cự gần đúng là: 18Ω~390,3Ω, -197oC là 18Ω, 850Ω là 390,3Ω;
Sự miêu tả:
Rt là giá trị điện trở của điện trở bạch kim ở toC, R0 là giá trị điện trở của điện trở bạch kim ở 0oC, 100Ồ
A=3,9082×10^-3, B=-5,80195×10^-7, C=-4,2735×10^-12
Hướng dẫn sử dụng cảm biến nhiệt độ kim loại bạch kim PT100
6) Thiết kế mạch
7) Mối quan hệ giữa nhiệt độ và điện trở PT100
Nhiệt độ và điện trở PT100 thỏa mãn phương trình sau:
Khi nhiệt độ 0, R0*C*t^4 – 100*R0*C*t^3 + R0*B*t^2 + R0*A*t + R0 – Rt=0
Khi nhiệt độ ≥0, R0*B*t^2 + R0*A*t + R0 – Rt = 0

Bảng so sánh nhiệt độ và điện trở PT100

Sự miêu tả:
Rt là giá trị điện trở của điện trở bạch kim ở toC, R0 là giá trị điện trở của điện trở bạch kim ở 0oC, 100Ồ
A=3,9082×10^-3, B=-5,80195×10^-7, C=-4,2735×10^-12

1. Để thuận tiện cho việc tính toán, khi nhiệt độ ≤0, cho phép:
nhân đôi a=R0*C*100000=100*(-4.2735×10^-12)*100000=-4,2735/100000
nhân đôi b=–100*R0*C*100000=-100*100*(-4.2735×10^-12)*100000=4,2735/1000
gấp đôi c= R0*B*100000=100*(-5.80195×10^-7)*100000=-5.80195
gấp đôi d=R0*A*100000=100*(3.9082×10^-3)*100000=39082
đôi e= (100-Rt)*100000
Khi nhiệt độ ≤ 0, a*t^4 + b*t^3 + c*t^2 + d*t + e=0
trong đó x3 là nghiệm của PT100 khi nó nhỏ hơn 0oC.

2. Để dễ tính toán, khi nhiệt độ lớn hơn hoặc bằng 0
nhân đôi a= R0*B*100000=100*(-5.80195×10^-7)*100000=-5.80195
gấp đôi b=R0*A*100000=100*(3.9082×10^-3)*100000=39082
đôi c= (100-Rt)*100000
Khi nhiệt độ ≥0, a*t^2 + khốn nạn + c = 0
t = [ SQRT( b*b – 4*a*c )-b ] / 2 / Một
19.785Ω tương ứng với -197oC, nhiệt độ của nitơ lỏng
18.486Ω tương ứng với -200oC
96.085Ω tương ứng với -10oC
138.505Ω tương ứng với 100oC
175.845Ω tương ứng với 200oC
247.045Ω tương ứng với 400oC