PT100热电阻传感器测温系统

2-金属丝, 3-线或 4 线 Pt100, 铂500, Pt1000传感器是基于铂元素的高精度温度传感器, 稳定性和线性度, 广泛应用于需要精确测温的领域. A “PT100热电阻测温系统” 指使用 PT100 传感器的系统, 一种电阻温度检测器 (热电阻), 通过检测与温度成正比的电阻变化来测量温度; “PT” 代表白金, 和 “100” 表明传感器的电阻为 100 0°C 欧姆，使其成为宽范围温度测量的高精度和稳定方法.

铂电阻广泛应用于中等温度范围 (-200～650℃). 现在, 市场上有金属铂制成的标准测温热电阻, 如Pt100, 铂500, 铂1000, ETC.

了解PT100的工作原理: PT100是铂电阻温度传感器. 工作原理是基于电阻的热效应. 其电阻值随温度变化而变化. 这种变化是线性的. 0℃时, PT100的电阻值为 100 欧姆. 随着温度升高, 电阻值也相应增大, 因此通过测量电阻值可以准确推断出温度.

高精度4线A类PT100温度测量系统

2-线材PT100铂电阻温控探头测温系统

3-线式PT100热电阻传感器测温系统

选择合适的接线方式: 一般来说, 2-金属丝, 3-可以使用电线或4线接线方法.

电桥输出的电压信号

PT100 系统的要点:
传感器原理:
PT100 传感器由铂丝制成，其电阻会随着温度波动而发生可预测的变化.

测量方法:
当电流通过 PT100 时, 测量传感器两端的电压降, 然后根据已知的电阻和温度之间的关系将其转换为温度.

应用广泛:
PT100传感器常用于工业过程, 实验室, 以及由于其高精度和稳定性而需要精确温度测量的其他应用.

PT100 系统的组件:
PT100传感器探头:
实际传感元件, 通常是缠绕在陶瓷芯上的铂丝, 插入待测环境中.

信号调理电路:
将 PT100 的小电阻变化放大并转换为可测量电压信号的电子器件.

显示或数据采集系统:
显示测量温度或存储数据以供分析的设备.

使用 PT100 系统的好处:
高精度:　被认为是最准确的温度传感器之一.
温度范围宽:　可测量 -200°C 至 850°C 的温度，具体取决于传感器设计.
线性好:　电阻和温度之间的关系非常线性, 易于数据解释.
稳定:　铂是一种非常稳定的材料, 确保读数随着时间的推移保持一致.

Pt100热电阻分度表

PT100铂电阻的三种接线方法原理上是不同的: 2-线和3线采用电桥法测量, 最后给出了温度值与模拟输出值的关系. 4-电线没有桥. 完全由恒流源发送, 用电压表测量, 最后给出测量的电阻值, 使用起来困难且昂贵.
由于PT100电阻值小、灵敏度高, 引线的电阻值不可忽视. 采用3线连接，可消除引线电阻引起的测量误差.
2线制测量精度较差; 3线系统精度更高; 4线系统测量精度高, 但需要更多电线.

我们只需要根据电桥输出的电压信号就可以知道PT100的温度状态. 当PT100的阻值不等于Rx的阻值时, 电桥输出差压信号, 这是非常小的. 由于温度传感器的输出信号一般都很微弱, 需要信号调理和转换电路将其放大或转换成易于传输的形式, 过程, 记录并显示. 被测信号量的微小变化需要转换成电信号. 放大直流信号时, 运放的自漂移和不平衡电压在经过运放时不可忽略. 放大后, 可以输出所需大小的电压信号.
铂电阻的阻值可以通过电路计算或万用表测量得到. 当我们知道PT100的电阻值时, 我们可以通过电阻值测量并计算温度.

使用适当的算法进行数据处理: 利用已知的温度与电阻关系，通过编程计算出温度. 考虑到PT100的电阻-温度关系是非线性的, 特别是在低温或高温地区, 可能需要更复杂的算法来提高准确性.

环境因素的影响: 性能可能会受到电磁干扰等环境因素的影响, 机械振动, 和湿度.

常见的测温计算方法有以下三种:
温度测量计算方法 1:
当不需要精确的温度时, PT100热敏电阻阻值每增加欧姆，温度升高2.5℃ (在低温下使用). PT100温度传感器的电阻值为 100 当0℃时, 所以此时的大概温度= (PT100电阻值-100)*2.5.

温度测量计算方法 2:
铂电阻的阻值与温度的关系

0～850℃范围内: 时间=R0(1+于+Bt2);

-200～0℃范围内: 时间=R0[1+At+Bt2+C(t-100)3];

Rt表示铂电阻在温度t℃时的阻值;

R0表示铂电阻在0℃时的阻值;

A, 乙, C 是常数, A=3.96847×10-3/℃; B=-5.847×10-7/℃; C=-4.22×10-12/℃;

对于满足上述关系式的热电阻, 其温度系数约为3.9×10-3/℃.

通过上面的公式, 根据电阻值可准确求解温度, 但由于该方法计算量较大, 不推荐用于此实验.

温度计算方法三:
PT100与温度有良好的线性关系，适用于中低温温度测量. PT100在不同温度下的电阻值有一一对应的测量刻度如下图, 可直观显示不同温度与PT100阻值​​的对应关系.
通过PT100刻度查看相应的电阻值即可得知温度.

Pt100热电阻标尺

本文设计的PT100测温装置采用常用的低成本四路运放LM324完成装置电源电路和三运放仪表放大电路的设计.

1.1 电压源电路

Pt100热电阻传感器电压源电路

电路如图 1 是一种常见的比例运算电路. 根据工作在线性区的理想运算放大器的分析, 根据虚短虚断的原理, 得到的是:

惠斯登电桥计算电路公式

​, 则闭环电压放大系数为 2 次, 然后得到V=10V, 用作惠斯登电桥电路的稳定电源电压.

1.2 惠斯通电桥与PT100的三线连接.
上图是惠斯通电桥. 电桥平衡的条件是B、D点电位相等. 所以当电桥平衡时, 只要R1, R2 (通常是固定值) 和R0 (通常可调值) 已读, 即可得到待测电阻Rx. R1/R2=M, 被称为 “乘数”.

惠斯登电桥与PT100三线连接方法

根据PT100测温原理, 需要正确知道PT100的阻值, 但不能直接测量电阻值, 所以需要一个转换电路. 将电阻值转换成单片机可以检测到的电压信号”. 惠斯通电桥电路是一种可以正确测量电阻的仪器. 如图 2, R1, R2, R3, R4和R4分别是其桥臂. 当电桥平衡时, 满足R1xR3=R2xR4. 当电桥不平衡时, a、b点之间会有电压差. 根据a、b点电压, 即可计算出相应的电阻. 这就是不平衡电桥测量电阻的原理:

PT100三线制电路连接方法

实际上, 由于PT100电阻小、灵敏度高, 引线的电阻会导致误差. 所以, 工业上经常使用三线连接方法来消除这种错误. 如图虚线部分所示 2, 引线电阻值相等，为r. 此时, 桥臂变成R, 右, R+2r, 和Rt+2r. 当电桥平衡时: R2. (R1+2r) =R1。(R3+2r), 整理出来: Rt= R1R3/ R2+2 R1r/ R2- 2r. 分析表明，当R1=R2时, 导线电阻的变化对测量结果没有影响.

1.3 三运放仪表放大器电路
当温度从0℃~100℃变化时, PT100的阻值在100Ω~138.51Ω范围内近似线性变化. 根据上述桥式电路, 电桥在0℃时达到平衡, 因此电桥输出电压的理论值应为 0 V, 当温度为100℃时, 电桥输出为: Uab=U7x(R1/(R1+R2)-R3/(R2 + R3)), 那是, Uab=10x(138.51/(10000 + 138.51)-100/(10000 + 100)) =0.037599V. 由于这是毫伏信号, 需要放大该电压才能被AD芯片检测到.

如图 3, 仪表放大器是一种在噪声环境中放大小信号的设备. 具有低漂移等一系列优点, 低功耗, 高共模抑制比, 供电范围宽、体积小. 它利用差分小信号叠加在较大共模信号上的特性, 可同时去除共模信号和放大差分信号. 标准三运放仪表放大器电路的输出电压为, 这里 R8=R10 =20 kΩ, R9=R11=20kΩ, R4=R7=100kΩ, 它可以将输入电压信号放大约 150 次, 使得电桥的理论输出电压可以放大为 0 ~2.34V. 但这只是理论值. 在实际过程中, 有很多因素会导致电阻变化. 所以, R3可以换成精密可调电阻，方便电路调零.

PT100传感器三运放仪表放大电路

2. 软件设计

2.1 最小二乘法和 PT100 线性拟合

温度范围0℃≤t≤850℃, Pt100电阻与温度的关系为: R=100 (1 +于+Bt2), 其中 A=3.90802x 10-3; B=- -5.80x 10-7; C=4.2735× 10-12

可见PT100的阻值与温度并不是绝对的线性关系而是抛物线关系. 所以, 如果要提取 t, 需要平方根运算, 引入了较为复杂的函数运算，占用了单片机大量的CPU资源. 为了解决这个问题, 我们可以使用最小二乘法来线性拟合温度和电阻之间的关系. ” 最小二乘曲线拟合是实验数据处理的常用方法. 其原理是找到一个多项式函数，使与原始数据的误差平方和最小.

2.2 AD数字转换温度
PT100测温原理是根据其电阻值得到温度值, 所以首先要确定热敏电阻的阻值. 根据硬件电路, 电桥电路的输出电压Uab与运放仪表放大电路的输出电压Uad之间的关系为: Uad = Uab. Auf 因为系统使用的是12位AD芯片, 数字量与模拟量的关系为: 阿德/AD=5/4096. 结合前面两个方程可以得到电桥输出电压与数字量AD之间的关系, 那是, Uad/AD=5/(4096在). 然后, 代入电桥输出电压表达式 Uab= U7x (保留时间/ (R1+Rt) -R3/ (R2+R3) ), 即可得到Rr和数字量AD的表达式. 解决办法是:

AD数字转换温度公式

知道PT100的阻值后, 根据第1节中的线性拟合方程可以得到相应的温度值 2.1.

2.3 单片数字滤波
为了提高PT100的测温精度, 软件编程中可添加数字滤波程序, 不需要增加硬件电路，可以提高系统的稳定性和可靠性. 单片机应用系统中有多种滤波方法. 在进行具体选择时, 应分析比较过滤方法的优缺点及适用对象, 从而选择合适的过滤方法. 中值平均滤波法的算法是首先连续采集N个数据, 然后删除一个最小值和一个最大值, 最后计算剩余数据的算术平均值. 这种滤波方法适合测量变化缓慢的参数, 比如温度, 并能有效减少因偶然因素引起的波动或采样器不稳定造成的误差所带来的干扰.

系统工作流程:
当被测物体的温度发生变化时, PT100阻值​​变化, 惠斯登电桥会输出相应的电压信号. 该信号是 PT100 电阻的函数. 该毫伏信号经过三运放仪表放大器放大后发送至AD芯片, 将模拟量转换为数字量并由微控制器读取. 单片机从AD芯片中读取数据并执行滤波程序, 通过计算将稳定的数字量转换成PT100的电阻. 然后单片机会根据电阻值的大小选择相应的拟合线性模型来计算当前的温度值, 最后将温度数据显示在液晶显示屏上.