溫度採集 2, 3, 和 4 線 PT100 溫度感測器

本文介紹瞭如何 2, 3, 和4線PT100傳感器通過電阻變化轉換為電壓信號, 並使用恆定電流源來保護傳感器並確保信號轉換的準確性. PT100 感測器透過測量其電阻的變化來獲取溫度, 這與它所暴露的溫度直接相關; 隨著溫度升高, 感測器內鉑元件的電阻也增加, 允許根據電阻變化精確計算溫度; 本質上, 這 “100” PT100 表示感測器的電阻為 100 0°C 時的歐姆, 且該值會隨著溫度波動而產生可預測的變化. MCP604操作放大器在電路設計中的應用強調了其特性的影響，例如低輸入偏移電壓和偏置電流對準確性的影響. 軟件校準用於提高電路設計的準確性, 避免給身體調整帶來不便. 最後, 本文給出了溫度和鉑電阻值之間的關係公式, 用於計算溫度值.

2線PT100溫度傳感器的溫度採集設計

中國定制3線PT100溫度傳感器的溫度獲取

4線PT100溫度感測器溫度擷取

關於PT100溫度採集的關鍵點:
電阻溫度檢測器 (熱電阻):
PT100是RTD的一種, 這意味著它通過檢測其電阻的變化來測量溫度.
白金元素:
PT100中的傳感元件由鉑, 在電阻和溫度之間表現出非常穩定的線性關係.
測量過程: 傳感器放置在需要測量溫度的環境中.
使用專用電子電路測量鉑元件的電阻.
然後使用基於已知溫度係數的數學公式將測得的電阻值轉換為溫度.

PT100傳感器的優點:
高精度: 由於鉑的穩定行為，被認為是最準確的溫度傳感器之一.
溫度範圍寬:　可測量 -200°C 至 850°C 的溫度，取決於感測器設計.
線性好: 電阻和溫度之間的關係是相對線性的, 簡化數據解釋.

重要的考慮因素:
校準: 確保准確的測量, PT100傳感器需要根據參考標准進行定期校準.
鉛線電阻: 連接線的電阻會影響測量精度, 因此通常需要正確考慮鉛線補償.
應用適用性: 雖然高度準確, PT100傳感器可能不適用於極度惡劣的環境或需要快速響應時間的應用程序.

1. 信號獲取的基本原則
PT100將溫度信號轉換為電阻輸出, 它的阻力價值範圍從 0 到200Ω. 廣告轉換器只能轉換電壓，不能直接收集溫度. 所以, 需要1mA常數電流源來為PT100供電並將電阻變化轉換為電壓變化. 使用恆定電流源的好處是它可以延長傳感器的壽命. 由於輸入信號範圍為 0 到200mv, 信號需要擴增，然後轉換為AD以獲取電信號數據.

不使用恆定電壓源設計的原因:

如果使用恆定電壓源用於電源, 然後電阻器和PT100串聯連接, 電壓分開, 有問題. 當PT100的電阻太小時, 流經PT100的電流太大, 導致傳感器壽命較短.

2. OP放大器使用MCP604
MCP604功能:
1) 電壓範圍為2.7〜6.0V
2) 輸出是軌道軌道
3) 工作溫度範圍: -40°C至 +85°C
4) 輸入偏移電壓為±3MV, 典型的價值為1MV, 高靈敏度.
5) 輸入偏置電流為1Pa, 當ta = +85°C時, i = 20pa, 提高采集準確性.
6) 線性輸出電壓搖擺: VSS+0.1〜VDD -0.1, 單位為v.

電源電壓為3.3V時, 線性輸出電壓搖擺為0.1〜3.2V. 為了確保放大信號在線性區域起作用, 當VDD = 3.3V時, 我們將MCP604輸出電壓保持在: 0.5v〜2.5V滿足OP AMP電路設計的要求.

模擬電子書中的OP放大器是理想的操作放大器, 與實際放大器不同. 所以, 有必要考慮 “輸入偏移電壓”, “輸入偏置電流” 和 “線性輸出電壓搖擺” 設計時.

3. 電路圖
該圖中的R11是一個偏置電路，可防止降差放大器輸出的最後階段飽和失真.
1) 選擇合適的擴增因子以減少輸出誤差. 由於存在輸入偏移電壓, 當擴增因子增加時, 輸出錯誤也將增加, 在設計中必須考慮的.
2) 該電路的擴增因子是 10. 假設典型的輸入偏移電壓為3MV, 如果輸入信號更改為5MV, 2MV不會放大, 將產生20mV的輸出誤差.

PT100使用MCP604電路圖的溫度檢測器OP放大器

vo4 = (Vin1 – vref)*10
io = 1mA, vref = vo3 = 1.65V
1.7V<= vin<= 1.9V, 1.7V<= V02<= 1.9
1.8V<= vo1<= 2V, 確保OP放大器在線性區域起作用, 這很重要
0.5V<= vo4<= 2.5V, 確保OP放大器在線性區域起作用, 這就是為什麼需要串聯50Ω的原因.

當輸入電阻變化1Ω時, Vout更改為10MV. 由於MCP604的輸入補償電壓為±3MV, 當更改為0.3333Ω時, 將會更改3.333mv, 並且獲取靈敏度很高.
當0<= rin<=200Ω輸入, 由於循環與50Ω串聯連接, 50哦<= rx<= 250
Vin1 – vref = rx*0.001, A單元

4. 軟件校準
新工程師總是試圖提高電阻的準確性, 但是錯誤仍然很大. 一些工程師只是使用連續可調的電阻, 調整其電阻值, 並使用多項式使輸出達到轉移關係. 這種準確性似乎有所提高, 但這對於生產不方便, PCB設計的難度也增加了. 即使調試完成, 如果調整螺釘用手觸摸, 可能會導致錯誤. 唯一的方法是將固定電阻用於生產和使用軟件來幫助實現準確的校準.
1) 當rin = 0時, 讀取電壓值並將其記錄為v50. 保存V50, 它不會隨PT100電阻值的變化而變化，因為它由恆定電流源供電.
2) 連接標稱電阻器, 令盧比=100Ω, 讀取電壓值並將其記錄為v150. 保存V150, 溫度為時的電壓值 0.
3) 計算當前的擴增因子: io = (V150 – v50) / 盧比; 救我, 這意味著校準已經完成.
4) 當輸入電阻為r時, 電壓讀數為vo, 然後r = (vo- v50) / io
通過上述描述, 軟件校準具有很大的優勢, 不僅可以方便地生產, 但也很高的精度. 為了提高準確性, 輸出電壓也可以分為幾個間隔, 單獨校準, 可以獲得不同的IO, 這樣輸出線性將更好. 這些想法反映在我的設計中.

OP AMP MCP604電路設計

5. 計算溫度
當溫度小於 0,
R0*C*T^4 – 100R0*C*T^3 + r0*b*t^2 + r0*a*t + R0 – RT = 0
當溫度大於或等於 0, RT = R0*(1+A*t+B*t*t)
描述:
RT是鉑電阻在T℃的電阻值
R0是0℃100Ω的鉑電阻的電阻值
a = 3.9082×10^-3
B = -5.80195×10^-7
C = -4.2735×10^-12

6. PT100溫度傳感器
PT100溫度傳感器是一個正溫度係數熱敏電阻傳感器, 它的主要技術參數如下:
1) 測量溫度範圍: -200℃〜 +850℃;
2) 允許偏差值δ℃: A級±(0.15+0.002|t|), B等級(0.30+0.005|t|);
3) 最小插入深度: 熱電阻的最小插入深度≥200mm;
4) 允許電流: < 5毫安;
5) PT100溫度傳感器還具有振動阻力的優勢, 穩定性好, 高精度, 和高壓. 鉑熱電阻具有良好的線性. 之間更改時 0 和 100 攝氏度, 最大非線性偏差小於0.5℃;
當溫度時 < 0, R0*C*T^4 – 100R0*C*T^3 + r0*b*t^2 + r0*a*t + R0 – RT = 0
當溫度≥時 0, RT = R0*(1+A*t+B*t*t)
根據上述關係, 大約電阻範圍是: 18哦〜390.3o, -197℃是18Ω, 850哦，是390.3o;
描述:
RT是鉑電阻在T℃的電阻值, R0是0℃鉑電阻的電阻值, 100哦
a = 3.9082×10^-3, B = -5.80195×10^-7, C = -4.2735×10^-12
PT100鉑金屬溫度傳感器說明手冊
6) 電路設計
7) PT100溫度與電阻之間的關係
PT100溫度和電阻滿足以下方程:
當溫度≤0時, r0*c*t^4 - 100*r0*c*t^3 + r0*b*t^2 + r0*a*t + R0 – RT = 0
當溫度≥0時, r0*b*t^2 + r0*a*t + R0 – RT = 0

PT100溫度和電阻比較表

描述:
RT是鉑電阻在T℃的電阻值, R0是0℃鉑電阻的電阻值, 100哦
a = 3.9082×10^-3, B = -5.80195×10^-7, C = -4.2735×10^-12

1. 為了方便計算, 當溫度≤0時, 讓:
double a = r0*c*100000 = 100*(-4.2735×10^-12)*100000= -4.2735/100000
double b = –100*r0*c*100000 = -100*100*(-4.2735×10^-12)*100000= 4.2735/1000
雙C = R0*B*100000 = 100*(-5.80195×10^-7)*100000= -5.80195
double d = r0*a*100000 = 100*(3.9082×10^-3)*100000= 39082
雙E = (100-保留時間)*100000
當溫度≤ 0, A*T^4 + b*t^3 + C*T^2 + d*t + E = 0
其中x3是pt100小於0℃時的解決方案.

2. 易於計算, 當溫度大於或等於 0
double a = r0*b*100000 = 100*(-5.80195×10^-7)*100000= -5.80195
雙B = R0*A*100000 = 100*(3.9082×10^-3)*100000= 39082
雙C = (100-保留時間)*100000
當溫度≥0時, A*T^2 + b*t + C = 0
t = [ sqrt( b*b – 4*A*c )-乙 ] / 2 / 一個
19.785ω對應於-197℃, 液氮的溫度
18.486ω對應於-200℃
96.085ω對應於-10℃
138.505ω對應於100℃
175.845ω對應於200℃
247.045ω對應於400℃