Hệ thống đo nhiệt độ của cảm biến điện trở nhiệt PT100

2-dây điện, 3-dây hoặc 4 dây Pt100, PT500, Cảm biến Pt1000 là cảm biến nhiệt độ dựa trên nguyên tố bạch kim có độ chính xác cao, sự ổn định và tuyến tính, và được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực yêu cầu đo nhiệt độ chính xác. MỘT “Hệ thống đo nhiệt độ điện trở nhiệt PT100” đề cập đến một hệ thống sử dụng cảm biến PT100, một loại máy dò nhiệt độ điện trở (RTD), để đo nhiệt độ bằng cách phát hiện những thay đổi về điện trở của nó tỷ lệ thuận với nhiệt độ; “PT” là viết tắt của bạch kim, Và “100” cho biết cảm biến có điện trở là 100 ohm ở 0°C khiến nó trở thành phương pháp đo nhiệt độ có độ chính xác cao và ổn định trên phạm vi rộng.

Điện trở bạch kim được sử dụng rộng rãi trong phạm vi nhiệt độ trung bình (-200～ 650). Hiện tại, Có các điện trở nhiệt đo nhiệt độ tiêu chuẩn làm bằng bạch kim kim loại trên thị trường, chẳng hạn như PT100, PT500, PT1000, vân vân.

Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của PT100: PT100 là cảm biến nhiệt độ của điện trở Pt. Nguyên lý làm việc dựa trên tác dụng nhiệt của điện trở. Giá trị điện trở của nó thay đổi khi nhiệt độ thay đổi. Sự thay đổi này là tuyến tính. Ở 0oC, giá trị điện trở của PT100 là 100 ôm. Khi nhiệt độ tăng lên, giá trị điện trở cũng tăng tương ứng, do đó nhiệt độ có thể được suy ra chính xác bằng cách đo giá trị điện trở.

Hệ thống đo nhiệt độ PT100 Lớp A có độ chính xác cao

2-hệ thống đo nhiệt độ đầu dò điều khiển nhiệt độ kháng bạch kim PT100

3-hệ thống đo nhiệt độ cảm biến nhiệt điện trở dây PT100

Chọn phương pháp nối dây thích hợp: Nói chung là, 2-dây điện, 3-Có thể sử dụng phương pháp nối dây hoặc 4 dây.

Tín hiệu điện áp đầu ra của cầu

Những điểm chính về hệ thống PT100:
Nguyên lý cảm biến:
Cảm biến PT100 được làm bằng dây bạch kim có điện trở thay đổi theo dự đoán khi nhiệt độ dao động.

Phương pháp đo:
Khi có dòng điện chạy qua PT100, đo điện áp rơi trên cảm biến, sau đó được chuyển đổi thành nhiệt độ dựa trên mối quan hệ đã biết giữa điện trở và nhiệt độ.

Ứng dụng rộng:
Cảm biến PT100 được sử dụng phổ biến trong quy trình công nghiệp, phòng thí nghiệm, và các ứng dụng khác yêu cầu đo nhiệt độ chính xác do độ chính xác và độ ổn định cao.

Các thành phần của hệ thống PT100:
Đầu dò cảm biến PT100:
Yếu tố cảm biến thực tế, thường là một sợi dây bạch kim quấn quanh lõi gốm, được đưa vào môi trường cần đo.

Mạch điều hòa tín hiệu:
Thiết bị điện tử khuếch đại và chuyển đổi sự thay đổi điện trở nhỏ từ PT100 thành tín hiệu điện áp có thể đo được.

Hệ thống hiển thị hoặc thu thập dữ liệu:
Thiết bị hiển thị nhiệt độ đo được hoặc lưu trữ dữ liệu để phân tích.

Lợi ích của việc sử dụng hệ thống PT100:
Độ chính xác cao:　Được coi là một trong những cảm biến nhiệt độ chính xác nhất hiện có.
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 rất tuyến tính, giúp giải thích dữ liệu dễ dàng.
Sự ổn định:　Bạch kim là vật liệu rất ổn định, đảm bảo số đọc nhất quán theo thời gian.

Bảng chỉ số điện trở nhiệt Pt100

Ba phương pháp nối dây của điện trở bạch kim PT100 về nguyên tắc là khác nhau: 2-dây và 3 dây được đo bằng phương pháp cầu, và mối quan hệ giữa giá trị nhiệt độ và giá trị đầu ra tương tự được đưa ra ở cuối. 4-dây không có cầu. Nó hoàn toàn được gửi bởi nguồn hiện tại không đổi, đo bằng vôn kế, và cuối cùng đưa ra giá trị điện trở đo được, khó sử dụng và tốn kém.
Vì PT100 có giá trị điện trở nhỏ và độ nhạy cao, không thể bỏ qua giá trị điện trở của dây dẫn. Việc sử dụng kết nối 3 dây có thể loại bỏ sai số đo do điện trở của dây dẫn gây ra.
Hệ thống 2 dây có độ chính xác đo kém; hệ thống 3 dây có độ chính xác tốt hơn; hệ thống 4 dây có độ chính xác đo cao, nhưng cần nhiều dây hơn.

Chúng ta chỉ cần biết trạng thái nhiệt độ của PT100 dựa vào tín hiệu điện áp đầu ra của cầu. Khi giá trị điện trở của PT100 không bằng giá trị điện trở của Rx, cầu phát ra tín hiệu chênh lệch áp suất, cái đó rất nhỏ. Vì tín hiệu đầu ra của cảm biến nhiệt độ thường rất yếu, cần có mạch điều hòa và chuyển đổi tín hiệu để khuếch đại hoặc chuyển đổi nó thành dạng dễ truyền, quá trình, ghi lại và hiển thị. Sự thay đổi nhỏ về lượng tín hiệu đo được cần phải được chuyển đổi thành tín hiệu điện. Khi khuếch đại tín hiệu DC, Không thể bỏ qua điện áp tự trôi và không cân bằng của op amp khi đi qua op amp. Sau khi khuếch đại, một tín hiệu điện áp có kích thước mong muốn có thể được xuất ra.
Giá trị điện trở của điện trở bạch kim có thể thu được bằng cách tính toán mạch hoặc đo vạn năng. Khi biết giá trị điện trở của PT100, chúng ta có thể đo và tính nhiệt độ bằng giá trị điện trở.

Sử dụng các thuật toán thích hợp để xử lý dữ liệu: Sử dụng mối quan hệ nhiệt độ và điện trở đã biết để tính toán nhiệt độ thông qua lập trình. Xét rằng mối quan hệ điện trở-nhiệt độ của PT100 là phi tuyến tính, đặc biệt là ở những vùng có nhiệt độ thấp hoặc cao, các thuật toán phức tạp hơn có thể cần thiết để cải thiện độ chính xác.

Tác động của các yếu tố môi trường: Hiệu suất có thể bị ảnh hưởng bởi các yếu tố môi trường như nhiễu điện từ, rung động cơ học, và độ ẩm.

Có ba phương pháp tính toán đo nhiệt độ phổ biến:
Phương pháp tính toán đo nhiệt độ 1:
Khi không cần nhiệt độ chính xác, nhiệt độ sẽ tăng thêm 2,5oC cho mỗi lần tăng giá trị điện trở của điện trở nhiệt PT100 (sử dụng ở nhiệt độ thấp). Giá trị điện trở của cảm biến nhiệt độ PT100 là 100 khi ở mức 0oC, vì vậy nhiệt độ gần đúng tại thời điểm này = (Giá trị điện trở PT100-100)*2.5.

Phương pháp tính toán đo nhiệt độ 2:
Mối quan hệ giữa giá trị điện trở và nhiệt độ của điện trở bạch kim

Trong phạm vi 0 ～ 850oC: Rt=R0(1+Tại+Bt2);

Trong phạm vi -200～0oC: Rt=R0[1+Tại+Bt2+C(t-100)3];

Rt đại diện cho giá trị điện trở của điện trở bạch kim ở nhiệt độ toC;

R0 đại diện cho giá trị điện trở của điện trở bạch kim ở nhiệt độ 0oC;

MỘT, B, C là hằng số, A=3,96847×10-3/oC; B=-5,847×10-7/oC; C=-4,22×10-12/oC;

Đối với điện trở nhiệt đáp ứng mối quan hệ trên, hệ số nhiệt độ của nó là khoảng 3,9×10-3/oC.

Qua công thức trên, nhiệt độ có thể được giải quyết chính xác theo giá trị điện trở, nhưng do khối lượng tính toán lớn của phương pháp này, nó không được khuyến khích cho thí nghiệm này.

Phương pháp tính nhiệt độ ba:
PT100 có mối quan hệ tuyến tính tốt với nhiệt độ và phù hợp để đo nhiệt độ trung bình và nhiệt độ thấp. Giá trị điện trở của PT100 ở các nhiệt độ khác nhau có thang đo tương ứng 1-1 như hình bên dưới, có thể hiển thị trực quan mối quan hệ tương ứng giữa nhiệt độ khác nhau và giá trị điện trở của PT100.
Nhiệt độ có thể được biết bằng cách kiểm tra giá trị điện trở tương ứng thông qua thang đo PT100.

Cân điện trở nhiệt Pt100

Thiết bị đo nhiệt độ PT100 được thiết kế trong bài báo này sử dụng bộ khuếch đại hoạt động bốn chiều LM324 chi phí thấp thường được sử dụng để hoàn thiện thiết kế mạch cấp nguồn cho thiết bị và mạch khuếch đại nhạc cụ ba-op-amp.

1.1 Mạch nguồn điện áp

Mạch nguồn điện áp cảm biến điện trở nhiệt Pt100

Mạch trong hình 1 là một mạch hoạt động tỷ lệ chung. Theo phân tích của bộ khuếch đại thuật toán lý tưởng làm việc trong vùng tuyến tính, theo nguyên tắc ngắn ảo và nghỉ ảo, nó thu được:

Công thức tính mạch cầu Wheatstone

​, thì hệ số khuếch đại điện áp vòng kín là 2 lần, và sau đó thu được V = 10V, và nó được dùng làm điện áp nguồn ổn định của mạch cầu Wheatstone.

1.2 Kết nối ba dây của cầu Wheatstone và PT100.
Hình trên là cây cầu Wheatstone. Điều kiện để cầu cân bằng là thế năng của các điểm B và D bằng nhau. Vì vậy khi cầu cân bằng, miễn là R1, R2 (giá trị thường cố định) và R0 (thường có giá trị điều chỉnh) được đọc, có thể đo được điện trở Rx. R1/R2=M, gọi điện “phép nhân”.

Cầu Wheatstone và phương thức kết nối ba dây PT100

Theo nguyên lý đo nhiệt độ PT100, giá trị điện trở của PT100 cần phải được biết chính xác, nhưng giá trị điện trở không thể đo trực tiếp, nên cần có mạch chuyển đổi. Giá trị điện trở được chuyển đổi thành tín hiệu điện áp có thể được bộ vi điều khiển phát hiện”. Mạch cầu Wheatstone là một dụng cụ có thể đo điện trở một cách chính xác. Như trong hình 2, R1, R2, R3, và R4 lần lượt là nhánh cầu của nó. Khi cây cầu cân bằng, R1xR3=R2xR4 thỏa mãn. Khi cây cầu không cân bằng, sẽ có sự chênh lệch điện áp giữa điểm a và b. Theo điện áp của các điểm a và b, có thể tính được điện trở tương ứng. Đây là nguyên lý đo điện trở bằng cầu không cân bằng:

Phương pháp kết nối mạch ba dây PT100

Trong thực tế, do điện trở nhỏ và độ nhạy cao của PT100, điện trở của dây dẫn sẽ gây ra sai số. Vì thế, phương pháp kết nối ba dây thường được sử dụng trong công nghiệp để loại bỏ lỗi này. Như thể hiện ở phần chấm của Hình 2, giá trị điện trở của dây dẫn bằng nhau và là r. Tại thời điểm này, cánh tay cầu trở thành R, R, R+2r, và Rt+2r. Khi cây cầu cân bằng: R2. (R1+2r) =R1.(R3+2r), sắp xếp ra: Rt= R1R3/ R2+2 R1r/ R2- 2r. Phân tích cho thấy khi R1=R2, sự thay đổi điện trở của dây không ảnh hưởng đến kết quả đo.

1.3 Mạch khuếch đại thiết bị ba-op-amp
Khi nhiệt độ thay đổi từ 0oC ~ 100oC, điện trở của PT100 thay đổi gần như tuyến tính trong khoảng 100Ω~138,51Ω. Theo mạch cầu trên, cây cầu được cân bằng ở 0oC, vì vậy giá trị lý thuyết của điện áp đầu ra cầu phải là 0 V., và khi nhiệt độ là 100oC, đầu ra của cầu là: Uab=U7x(R1/(R1 + R2)-R3/(R2 + R3)), đó là, Uab=10x(138.51/(10000 + 138.51)-100/(10000 + 100)) =0,037599V. Vì đây là tín hiệu millivolt, cần phải khuếch đại điện áp này để chip AD có thể phát hiện được nó.

Như trong hình 3, bộ khuếch đại thiết bị là một thiết bị khuếch đại tín hiệu nhỏ trong môi trường ồn ào. Nó có một loạt các ưu điểm như độ trôi thấp, Tiêu thụ năng lượng thấp, tỷ lệ từ chối chế độ chung cao, phạm vi cung cấp điện rộng và kích thước nhỏ. Nó sử dụng các đặc tính của tín hiệu nhỏ vi sai được xếp chồng lên các tín hiệu ở chế độ chung lớn hơn, có thể loại bỏ tín hiệu chế độ chung và khuếch đại tín hiệu vi sai cùng một lúc. Điện áp đầu ra của mạch khuếch đại thiết bị ba-op-amp tiêu chuẩn là, ở đây R8=R10 =20 kΩ, R9=R11=20 kΩ, R4=R7=100kΩ, có thể khuếch đại tín hiệu điện áp đầu vào khoảng 150 lần, để điện áp đầu ra lý thuyết của cầu có thể được khuếch đại lên 0 ~2,34 V. Nhưng đây chỉ là giá trị lý thuyết. Trong quá trình thực tế, có nhiều yếu tố có thể gây ra sự thay đổi sức đề kháng. Vì thế, R3 có thể được thay thế bằng một điện trở có thể điều chỉnh chính xác để tạo điều kiện thuận lợi cho việc đưa về 0 của mạch.

Mạch khuếch đại nhạc cụ ba-op amp cảm biến PT100

2. Thiết kế phần mềm

2.1 Phương pháp bình phương tối thiểu và lắp tuyến tính PT100

Trong phạm vi nhiệt độ 0oC<t<850oC, mối liên hệ giữa điện trở Pt100 và nhiệt độ là: R=100 (1 +Tại+Bt2), trong đó A=3,90802x 10-3; B=- -5.80x 10-7; C=4,2735 x 10-12

Có thể thấy, điện trở của PT100 và nhiệt độ không phải là mối quan hệ tuyến tính tuyệt đối mà là một đường parabol. Vì thế, nếu t được trích xuất, một hoạt động căn bậc hai là cần thiết, giới thiệu một hoạt động chức năng phức tạp hơn và chiếm một lượng lớn tài nguyên CPU của máy vi tính chip đơn. Để giải quyết vấn đề này, chúng ta có thể sử dụng phương pháp bình phương tối thiểu để khớp tuyến tính mối quan hệ giữa nhiệt độ và điện trở. ” Khớp đường cong bình phương nhỏ nhất là một phương pháp phổ biến để xử lý dữ liệu thực nghiệm. Nguyên tắc của nó là tìm hàm đa thức để giảm thiểu tổng sai số bình phương với dữ liệu gốc.

2.2 Nhiệt độ chuyển đổi kỹ thuật số AD
Nguyên lý đo nhiệt độ PT100 là lấy giá trị nhiệt độ dựa trên giá trị điện trở của nó, Vì vậy giá trị điện trở của điện trở nhiệt phải được xác định trước tiên. Theo mạch phần cứng, mối quan hệ giữa điện áp đầu ra Uab của mạch cầu và điện áp đầu ra Uad của mạch khuếch đại nhạc cụ op amp là: Uad = Uab. Auf Vì hệ thống sử dụng chip AD 12 bit, mối quan hệ giữa đại lượng số và đại lượng tương tự là: Uad/AD=5/4096. Mối quan hệ giữa điện áp đầu ra cầu và đại lượng số AD có thể thu được bằng cách kết hợp hai phương trình trước đó, đó là, Uad/AD=5/(4096TRÊN). Sau đó, nó được thay thế vào biểu thức điện áp đầu ra cầu Uab= U7x (Rt/ (R1+Rt) -R3/ (R2+R3) ), và có thể thu được biểu thức của Rr và đại lượng số AD. Giải pháp là:

Công thức nhiệt độ chuyển đổi kỹ thuật số AD

Sau khi biết giá trị điện trở của PT100, giá trị nhiệt độ tương ứng có thể đạt được theo phương trình khớp tuyến tính trong Phần 2.1.

2.3 Lọc kỹ thuật số đơn chip
Để nâng cao độ chính xác đo nhiệt độ của PT100, một chương trình lọc kỹ thuật số có thể được thêm vào trong chương trình phần mềm, không yêu cầu bổ sung các mạch phần cứng và có thể cải thiện độ ổn định và độ tin cậy của hệ thống. Có nhiều phương pháp lọc trong hệ thống ứng dụng máy vi tính đơn chip. Khi thực hiện một lựa chọn cụ thể, cần phân tích, so sánh ưu nhược điểm của phương pháp lọc và đối tượng áp dụng, để lựa chọn phương pháp lọc phù hợp. Thuật toán của phương pháp lọc trung bình trước tiên là thu thập liên tục N dữ liệu, sau đó loại bỏ giá trị tối thiểu và giá trị tối đa, và cuối cùng tính giá trị trung bình số học của dữ liệu còn lại. Phương pháp lọc này phù hợp để đo các thông số thay đổi chậm, chẳng hạn như nhiệt độ, và có thể giảm nhiễu một cách hiệu quả do dao động gây ra bởi các yếu tố ngẫu nhiên hoặc lỗi do mất ổn định của bộ lấy mẫu.

Quy trình làm việc của hệ thống:
Khi nhiệt độ của vật cần đo thay đổi, sức đề kháng của sự thay đổi PT100, và cầu Wheatstone sẽ phát ra tín hiệu điện áp tương ứng. Tín hiệu này là hàm của điện trở PT100. Tín hiệu milivolt này được khuếch đại bởi bộ khuếch đại thiết bị ba-op-amp và gửi đến chip AD, chuyển đổi đại lượng tương tự thành đại lượng kỹ thuật số và được vi điều khiển đọc. Bộ vi điều khiển đọc chip từ chip AD và thực hiện chương trình lọc, chuyển đổi đại lượng số ổn định thành điện trở của PT100 thông qua tính toán. Sau đó vi điều khiển sẽ lựa chọn mô hình tuyến tính phù hợp tương ứng theo kích thước của giá trị điện trở để tính giá trị nhiệt độ hiện tại, và cuối cùng hiển thị dữ liệu nhiệt độ trên màn hình LCD.