PT100/PT1000溫度採集電路解決方案

1. PT100同PT1000耐溫變化表
鎳等金屬熱電阻器, 銅和鉑電阻器與電阻隨溫度的變化呈正相關. 鉑具有最穩定的物理化學性質，應用最廣泛. 常用鉑電阻Pt100的測溫範圍為-200~850°C. 另外, Pt500嘅溫度測量範圍, 鉑1000, 等. 依次減少. 鉑1000, 溫度測量範圍- 200~420°C. 根據IEC751國際標準, 鉑電阻Pt1000嘅溫度特性滿足以下要求:

Pt1000溫度特性曲線

根據Pt1000溫度特性曲線, 電阻特性曲線嘅斜率喺正常工作溫度範圍內變化不大 (如圖 1). 直通線性擬合, 電阻和溫度之間嘅近似關係為:

1.1 PT100耐溫變化表

PT100耐溫變化表

1.2 PT1000耐溫變化表

PT1000耐溫變化表

2. 常用嘅採集電路解決方案

2.1 電阻分壓輸出0~3.3V/3V模擬電壓

單芯片AD端口直接採集
測溫電路電壓輸出範圍0~3.3V, PT1000系列 (PT1000電阻值變化好大, 測溫靈敏度高於PT100; PT100更適合大規模溫度測量).

電阻分壓器輸出0~3.3V 3V模擬電壓

最簡單嘅方法係使用分壓法. 電壓為TL431電壓參考源芯片產生嘅4V電壓參考源, 抑或REF3140可用于產生4.096V作為參考源. 參考源芯片仲包括REF3120, 3125, 3130, 3133, 和 3140. 該芯片採用SOT-32封裝同5V輸入電壓. 輸出電壓可根據所需的參考電壓進行選擇. 答案係肯定嘅, 根據MCU AD端口嘅正常電壓輸入範圍, 它不能超過3V/3.3V.

2.2 電阻分壓輸出0~5V模擬電壓MCU AD口直接採集.
答案係肯定嘅, 部分電路使用5V MCU電源, PT1000嘅最大工作電流為0.5mA, 所以應使用適當的電阻值來保證元件的正常運行.
例如, 把上圖分壓示意圖中嘅3.3V替換為5V. 噉做嘅好處係5V分壓過3.3V更敏感, 並且獲取更準確. 記得, 理論計算輸出電壓不能超過+5V. 否則, 會對MCU造成損壞.

2.3 最常用嘅電橋測量
R11系列, R12系列, R13同Pt1000用于形成測量電橋, 其中R11=R13=10k, R12=1000R精密電阻器. 当Pt1000嘅電阻值不等於R12嘅電阻值時, 電橋將輸出mV級電壓差信號. 該電壓差信號由儀表放大器電路放大並輸出所需嘅電壓信號. 該信號可以直接連接到AD轉換芯片或微控制器嘅AD端口.

R11系列, R12系列, R13同Pt1000用于形成測量電橋

該電路嘅電阻測量原理:
1) PT1000係熱敏電阻. 隨著溫度嘅變化, 電阻基本上呈線性變化.
2) 係 0 度, PT1000嘅電阻為1kó, 則Ub同Ua相等, 噉係, Uba = Ub – Ua = 0.
3) 假設在一定溫度下, PT1000嘅電阻為1.5kó, 則Ub同Ua唔相等. 根據分壓原理, 我哋可以發現Uba = Ub – UA > 0.
4) OP07係一款運算放大器, 其電壓增益A取決於外部電路, 其中A = R2/R1 = 17.5.
5) OP07嘅輸出電壓Uo = Uba * 一個. 所以如果我哋用電壓表嚟測量OP07嘅輸出電壓, 我哋可以推斷出Uab嘅值. 由於Ua係已知值, 我哋可以進一步計算Ub嘅值. 然之後, 使用分壓原理, 我哋可以計算出PT1000嘅比電阻值. 呢個過程可以透過軟件計算嚟實現.
6) 如果我哋知PT1000喺任何溫度下嘅電阻值, 我哋只需要根據電阻值查找表格即可知道當前溫度.

2.4 恆流源
由於熱敏電阻嘅自熱效應, 流過電阻器嘅電流應儘可能細. 麻麻, 預計電流小於10mA. 經驗證，鉑電阻PT100嘅自發熱 1 mW將導致0.02-0.75°C嘅溫度變化. 因此, 減小鉑電阻PT100嘅電流都可以減少其溫度變化. 然而, 如果電流太細, 易受噪聲干擾, 所以該值通常為 0.5-2 馬, 因此，恒流源電流被選為1mA恒流源.

選用該芯片作為恒壓源芯片TL431, 然後利用電流負反饋轉換為恒流源. 電路如圖所示

其中, 運算放大器CA3140用于提高電流源嘅負載能力, 輸出電流的計算公式為:

電阻器應為 0.1% 精密電阻器. 最終輸出電流為0.996mA, 噉係, 精度為 0.4%.

恆流源電路應具有以下特點

選擇恒壓源芯片TL431

溫度穩定性: 由於我哋嘅溫度測量環境為0-100°C, 電流源嘅輸出不應對溫度敏感. TL431具有極低嘅溫度系數同低溫度漂迻.

良好的負載調節: 如果電流紋波太大, 會導致讀取錯誤. 根據理論分析, 由於輸入電壓喺100-138.5mV之間變化, 溫度測量範圍為0-100°C, 測溫精度為±1攝氏度, 因此，環境溫度每升高1°C、輸出電壓應變化38.5/100=0.385mV. 以保證電流波動不影響精度, 考慮最極端嘅情況, 係 100 攝氏度, PT100嘅電阻值應為138.5R. 咁電流紋波應小於0.385/138.5=0.000278mA, 噉係, 負載變化過程中嘅電流變化應小於0.000278mA. 在實際模擬中, 當前源基本保持不變.
3. AD623採集電路解決方案

AD623採集PT1000電路解決方案

原理可參考上述電橋測量原理.
低溫採集:

高溫採集

4. AD620採集電路解決方案

AD620 PT100採集解決方案

AD620 PT100採集解決方案高溫 (150°):

AD620 PT100低溫採集解決方案 (-40°):

AD620 PT100採集解決方案室溫 (20°):

5. PT100同PT1000抗干擾過濾分析

在一些複雜嘅環境中進行溫度採集, 惡劣或特殊嘅環境會受到好大嘅干擾, 主要包括EMI同REI.

例如, 在電機溫度採集的應用中, 電機控制和電機嘅高速旋轉會引起高頻干擾.

航空航天飛行器內部都有大量嘅溫度控制場景, 測量和控制電力系統和環境控制系統. 溫度控制嘅核心係溫度測量. 由於熱敏電阻嘅電阻可以隨溫度線性變化, 使用鉑電阻測量溫度是一種有效的高精度溫度測量方法. 主要問題如下:
1. 引線上嘅電阻好易引入, 從而影響傳感器嘅測量精度;
2. 在一些強電磁干擾環境中, 干擾經儀表放大器整流後可轉換為直流輸出
偏移誤差, 影響測量精度.
5.1 航空航天機載PT1000採集電路

航空航天機載PT1000採集電路

參考某航空中用于抗電磁干擾嘅機載PT1000採集電路嘅設計.

濾波器設置喺採集電路嘅最外端. PT1000採集前處理電路適用於機載電子設備接口嘅抗電磁干擾前處理;
具體電路為:
+15V輸入電壓通過穩壓器轉換為+5V高精度電壓源, +5V高精度電壓源直接連接到電阻器R1.
電阻R1嘅另一耑分為兩條路徑, 一個連接到運算放大器嘅同相輸入, 另一個透過T型濾波器S1連接到PT1000電阻A端. 運算放大器的輸出連接到反相輸入以形成電壓跟隨器, 並且反相輸入連接到穩壓器的接地端口，以確保同相輸入端的電壓始終為零. 透過S2過濾器之後, PT1000電阻器嘅一耑A分為兩條路徑, 條路徑用作透過電阻器R4嘅差分電壓輸入端子的, 另一條路徑透過電阻器R2連接到AGND. 透過S3篩選條件之後, PT1000電阻嘅另一耑B分為兩條路徑, 條路徑用作透過電阻器R5嘅差分電壓輸入端子E, 另一條路徑透過電阻器R3連接到AGND. D同E透過電容器C3連接, D透過電容器C1連接到AGND, E透過電容器C2連接到AGND; PT1000嘅精確電阻值可以透過測量的同E之間嘅差分電壓嚟計算.

+15V輸入電壓通過穩壓器轉換為+5V高精度電壓源. +5V直接連接到R1. R1嘅另一耑分為兩條路徑, 一個連接到運算放大器嘅同相輸入端子, 另一個透過T型濾波器S1000連接到PT1000電阻A. 運算放大器的輸出連接到反相輸入以形成電壓跟隨器, 並且反相輸入連接到穩壓器的接地端口，以確保反相輸入處的電壓始終為零. 此時, 流經R1嘅電流為常數0.5mA. 穩壓器採用AD586TQ/883B, 運算放大器使用OP467A.

透過S2過濾器之後, PT1000電阻器嘅一耑A分為兩條路徑, 一個透過電阻R4作為差分電壓輸入端的, 一個透過電阻器R2到AGND; 透過S3篩選條件之後, PT1000電阻嘅另一耑B分為兩條路徑, 一個透過電阻R5作為差分電壓輸入端E, 一個透過電阻器R3到AGND. D同E透過電容器C3連接, D透過電容器C1連接到AGND, E透過電容器C2連接到AGND.
R4同R5嘅電阻為4.02k歐姆, R1同R2嘅電阻為1M歐姆, C1同C2嘅電容為1000pF, C3嘅電容為0.047uF. R4系列, R5系列, C1, C2型, 同C3一起構成 RFI過濾器網絡, 完成輸入信號嘅低通濾波, 而需要濾除嘅對象包括輸入差分信號中攜帶嘅差模干擾和共模干擾. 輸入信號中攜帶的共模干擾和差模干擾的-3dB截止頻率的計算公式如下:

將電阻值代入計算, 共模截止頻率為40kHZ, 差模截止頻率為2.6KHZ.
端點B透過S4濾波器連接到AGND. 其中, 由S1到S4嘅濾波器接地端子都連接到飛機屏蔽接地. 由於流經PT1000嘅電流為已知嘅0.05mA, PT1000嘅精確電阻值可以透過測量的同E兩端嘅差分電壓嚟計算.
S1到S4使用T型濾波器, 型號GTL2012X-103T801, 截止頻率為1M±20%. 該電路喺外部接口線路中引入低通濾波器，並對差分電壓執行 RFI濾波. 作為PT1000嘅預處理電路, 它有效地消除了電磁和 RFI輻射干擾, 大大提高咗收集值嘅可靠性. 另外, 電壓直接由PT1000電阻嘅兩端測量, 消除咗引綫電阻引起嘅誤差，提高咗電阻值嘅精度.

5.2 T型過濾器
T型濾波器由兩個電感器和電容器組成. 它的兩端都有高阻抗, 其插入損耗性能與π型濾波器相似, 但它唔易 “響” 並可用于開關電路.