PT100/PT1000 решение за верига за събиране на температура

1. PT100 and PT1000 temperature resistance change table
Метални термични резистори като никел, copper and platinum resistors have a positive correlation with the change in resistance with temperature. Платината има най-стабилни физични и химични свойства и е най-широко използвана. The temperature measurement range of the commonly used platinum resistor Pt100 is -200～850 ℃. Освен това, the temperature measurement ranges of Pt500, Pt1000, и т.н. последователно се намаляват. Pt1000, temperature measurement range -200～420 ℃. Съгласно международния стандарт IEC751, температурните характеристики на платинения резистор Pt1000 отговарят на следните изисквания:

Pt1000 температурна характеристична крива

Според температурната характеристична крива Pt1000, the slope of the resistance characteristic curve changes little within the normal operating temperature range (както е показано на фигура 1). Through linear fitting, the approximate relationship between resistance and temperature is:

1.1 PT100 таблица за промяна на температурната устойчивост

PT100 таблица за промяна на температурната устойчивост

1.2 PT1000 temperature resistance change table

PT1000 Temperature Resistance Change Table

2. Често използвани решения за схеми за придобиване

2.1 Resistor voltage division output 0~3.3V/3V analog voltage

Single-chip AD port direct acquisition
Диапазонът на изходното напрежение на веригата за измерване на температурата е 0~3,3 V, PT1000 (Стойността на съпротивлението PT1000 се променя значително, temperature measurement sensitivity is higher than PT100; PT100 е по-подходящ за измерване на температура в голям мащаб).

Resistor voltage divider outputs 0~3.3V 3V analog voltage

Най-простият начин е да използвате метода на разделяне на напрежението. The voltage is the voltage reference source 4V generated by the TL431 voltage reference source chip, or REF3140 can be used to generate 4.096V as the reference source. The reference source chips also include REF3120, 3125, 3130, 3133, и 3140. The chip uses SOT-32 package and 5V input voltage. Изходното напрежение може да бъде избрано според необходимото референтно напрежение. разбира се, according to the normal voltage input range of the MCU AD port, не може да надвишава 3V/3.3V.

2.2 Resistor voltage division output 0~5V analog voltage MCU AD port direct acquisition.
разбира се, some circuits use 5V MCU power supply, and the maximum operating current of PT1000 is 0.5mA, so appropriate resistance value should be used to ensure the normal operation of the components.
например, the 3.3V in the voltage division schematic diagram above is replaced with 5V. The advantage of this is that the 5V voltage division is more sensitive than 3.3V, and the acquisition is more accurate. Помнете, теоретично изчисленото изходно напрежение не може да надвишава +5V. В противен случай, it will cause damage to the MCU.

2.3 Най-често използваното измерване на моста
R11, R12, R13 and Pt1000 are used to form a measuring bridge, където R11=R13=10k, R12=1000R precision resistors. Когато стойността на съпротивлението на Pt1000 не е равна на стойността на съпротивлението на R12, the bridge will output a mV-level voltage difference signal. Този сигнал за разлика в напрежението се усилва от веригата на усилвателя на инструмента и извежда желания сигнал за напрежение. This signal can be directly connected to the AD conversion chip or the AD port of the microcontroller.

R11, R12, R13 and Pt1000 are used to form a measurement bridge

Принципът на измерване на съпротивлението на тази верига:
1) PT1000 е термистор. Тъй като температурата се променя, the resistance changes basically linearly.
2) При 0 степени, съпротивлението на PT1000 е 1kΩ, тогава Ub и Ua са равни, това е, Уба = Уб – Направи = 0.
3) Ако приемем, че при определена температура, съпротивлението на PT1000 е 1.5kΩ, тогава Ub и Ua не са равни. According to the voltage division principle, we can find out that Uba = Ub – Направи > 0.
4) OP07 е операционен усилвател, and its voltage gain A depends on the external circuit, където A = R2/R1 = 17.5.
5) Изходното напрежение Uo на OP07 = Uba * А. Така че, ако използваме волтметър за измерване на изходното напрежение на OP07, можем да изведем стойността на Uab. Тъй като Ua е известна стойност, можем допълнително да изчислим стойността на Ub. Тогава, using the voltage division principle, можем да изчислим стойността на специфичното съпротивление на PT1000. Този процес може да бъде постигнат чрез софтуерно изчисление.
6) Ако знаем стойността на съпротивлението на PT1000 при всяка температура, we only need to look up the table based on the resistance value to know the current temperature.

2.4 Източник на постоянен ток
Поради ефекта на самонагряване на термичния резистор, the current flowing through the resistor should be as small as possible. Общо взето, the current is expected to be less than 10mA. Проверено е, че самонагряването на платинения резистор PT100 на 1 mW will cause a temperature change of 0.02-0.75℃. Следователно, reducing the current of the platinum resistor PT100 can also reduce its temperature change. Въпреки това, ако токът е твърде малък, той е податлив на шумови смущения, so the value is generally 0.5-2 mA, така че източникът на постоянен ток е избран като източник на постоянен ток 1mA.

The chip is selected as the constant voltage source chip TL431, and then converted into a constant current source using current negative feedback. Веригата е показана на фигурата

Сред тях, the operational amplifier CA3140 is used to improve the load capacity of the current source, и формулата за изчисление на изходния ток е:

The resistor should be a 0.1% прецизен резистор. Крайният изходен ток е 0,996mA, това е, точността е 0.4%.

Веригата на източника на постоянен ток трябва да има следните характеристики

Select the constant voltage source chip TL431

Температурна стабилност: Тъй като нашата среда за измерване на температурата е 0-100 ℃, изходът на източника на ток не трябва да е чувствителен към температура. The TL431 has an extremely low temperature coefficient and low temperature drift.

Добро регулиране на натоварването: Ако текущата пулсация е твърде голяма, това ще доведе до грешки при четене. Според теоретичния анализ, since the input voltage varies between 100-138.5mV, и диапазонът на измерване на температурата е 0-100 ℃, точността на измерване на температурата е ±1 градус по Целзий, така че изходното напрежение трябва да се променя с 38,5/100=0,385mV за всеки 1℃ увеличение на температурата на околната среда. За да се гарантира, че текущата флуктуация не влияе на точността, разгледайте най-крайния случай, при 100 градуси по Целзий, стойността на съпротивлението на PT100 трябва да бъде 138.5R. Тогава текущата пулсация трябва да е по-малка от 0,385/138,5=0,000278mA, това е, the current change during the load change should be less than 0.000278mA. В действителната симулация, източникът на ток остава основно непроменен.
3. AD623 решение за схема за придобиване

AD623 acquisition PT1000 circuit solution

Принципът може да се отнася до горния принцип на измерване на моста.
Придобиване при ниска температура:

Придобиване при висока температура

4. AD620 решение за схема за събиране

AD620 PT100 acquisition solution

AD620 PT100 acquisition solution high temperature (150°):

AD620 PT100 acquisition solution low temperature (-40°):

AD620 PT100 acquisition solution room temperature (20°):

5. PT100 and PT1000 anti-interference filtering analysis

Придобиване на температура в някакъв комплекс, суровите или специални среди ще бъдат обект на големи смущения, главно включително EMI и REI.

например, при прилагане на измерване на температурата на двигателя, motor control and high-speed rotation of the motor cause high-frequency disturbances.

Съществуват и голям брой сценарии за контрол на температурата в авиационни и космически превозни средства, които измерват и контролират енергийната система и системата за контрол на околната среда. Ядрото на контрола на температурата е измерването на температурата. Тъй като съпротивлението на термистора може да се променя линейно с температурата, използването на платинено съпротивление за измерване на температура е ефективен метод за измерване на температура с висока точност. Основните проблеми са следните:
1. Съпротивлението на водещия проводник се въвежда лесно, като по този начин се влияе върху точността на измерване на сензора;
2. In some strong electromagnetic interference environments, the interference may be converted into DC output after rectification by the instrument amplifier
Offset error, влияе върху точността на измерване.
5.1 Аерокосмическа въздушна PT1000 верига за придобиване

Аерокосмическа въздушна PT1000 верига за придобиване

Обърнете се към дизайна на бордова PT1000 верига за събиране на данни за антиелектромагнитни смущения в определена авиация.

Филтър е поставен в най-външния край на веригата за събиране. The PT1000 acquisition preprocessing circuit is suitable for anti-electromagnetic interference preprocessing of airborne electronic equipment interface;
The specific circuit is:
Входното напрежение +15V се преобразува в източник на напрежение +5V с висока точност чрез регулатор на напрежението, and the +5V high-precision voltage source is directly connected to the resistor R1.
The other end of the resistor R1 is divided into two paths, един свързан към синфазния вход на операционния усилвател, and the other connected to the PT1000 resistor A end through the T-type filter S1. Изходът на операционния усилвател е свързан към инвертиращия вход, за да образува последовател на напрежение, и инвертиращият вход е свързан към заземяващия порт на регулатора на напрежението, за да се гарантира, че напрежението на синфазния вход винаги е нула. След преминаване през филтър S2, единият край A на резистора PT1000 е разделен на два пътя, one path is used as the differential voltage input terminal D through resistor R4, and the other path is connected to AGND through resistor R2. След преминаване през филтър S3, другият край B на резистора PT1000 е разделен на два пътя, one path is used as the differential voltage input terminal E through resistor R5, and the other path is connected to AGND through resistor R3. D и E са свързани чрез кондензатор C3, D е свързан към AGND чрез кондензатор C1, и E е свързан към AGND чрез кондензатор C2; the precise resistance value of PT1000 can be calculated by measuring the differential voltage between D and E.

Входното напрежение +15V се преобразува в източник на напрежение +5V с висока точност чрез регулатор на напрежението. +5V е директно свързан към R1. Другият край на R1 е разделен на две пътеки, one is connected to the in-phase input terminal of the op amp, and the other is connected to the PT1000 resistor A through the T-type filter S1. Изходът на операционния усилвател е свързан към инвертиращия вход, за да образува последовател на напрежение, и инвертиращият вход е свързан към заземяващия порт на регулатора на напрежението, за да се гарантира, че напрежението на инвертиращия вход винаги е нула. По това време, токът, протичащ през R1, е постоянен 0,5mA. Регулаторът на напрежението използва AD586TQ/883B, а операционният усилвател използва OP467A.

След преминаване през филтър S2, единият край A на резистора PT1000 е разделен на два пътя, един през резистор R4 като край на входа на диференциалното напрежение D, и един през резистор R2 към AGND; after passing through the S3 filter, другият край B на резистора PT1000 е разделен на два пътя, един през резистор R5 като край на входа на диференциалното напрежение E, и един през резистор R3 към AGND. D и E са свързани чрез кондензатор C3, D е свързан към AGND чрез кондензатор C1, и E е свързан към AGND чрез кондензатор C2.
Съпротивлението на R4 и R5 е 4,02k ома, съпротивлението на R1 и R2 е 1M ома, капацитетът на C1 и C2 е 1000pF, и капацитетът на C3 е 0.047uF. R4, R5, C1, C2, и C3 заедно образуват RFI филтърна мрежа, which completes the low-pass filtering of the input signal, and the objects to be filtered out include the differential mode interference and common mode interference carried in the input differential signal. Изчисляването на граничната честота от -3dB на смущенията в общ режим и смущенията в диференциалния режим, носени във входния сигнал, е показано във формулата:

Заместване на стойността на съпротивлението в изчислението, граничната честота на общия режим е 40 kHz, и граничната честота на диференциалния режим е 2,6 KHZ.
Крайна точка B е свързана към AGND чрез филтър S4. Сред тях, клемите за заземяване на филтъра от S1 до S4 са свързани към екраниращата маса на самолета. Тъй като токът, протичащ през PT1000, е известен 0,05 mA, точната стойност на съпротивлението на PT1000 може да се изчисли чрез измерване на диференциалното напрежение в двата края на D и E.
S1 до S4 използват Т-тип филтри, модел GTL2012X‑103T801, with a cutoff frequency of 1M±20%. Тази схема въвежда нискочестотни филтри към външните интерфейсни линии и извършва RFI филтриране на диференциалното напрежение. Като схема за предварителна обработка за PT1000, той ефективно елиминира електромагнитни и радиочестотни смущения, което значително подобрява надеждността на събраните стойности. Освен това, напрежението се измерва директно от двата края на резистора PT1000, елиминиране на грешката, причинена от съпротивлението на оловото, и подобряване на точността на стойността на съпротивлението.

5.2 Т-тип филтър
Филтърът тип Т се състои от два индуктора и кондензатора. И двата му края имат висок импеданс, и производителността му при вмъкнати загуби е подобна на тази на π-тип филтър, но не е склонен към “звънене” и може да се използва в превключващи вериги.