Система за измерване на температурата на сензор за термично съпротивление PT100

2-тел, 3-проводник или 4-проводник PT100, Pt500, PT1000 сензорите са температурни сензори на базата на платинени елементи с висока точност, стабилност и линейност, и се използват широко в полета, които изискват точно измерване на температурата. А “PT100 система за измерване на температурата на термична резистор” се отнася до система, която използва PT100 сензор, Вид детектор за температура на съпротивление (RTD), За измерване на температурата чрез откриване на промени в електрическото му съпротивление, които са пряко пропорционални на температурата; “Pt” означава платина, и “100” показва, че сензорът има съпротивление от 100 ома при 0 ° C, което го прави изключително точен и стабилен метод за измерване на температурата в широк диапазон.

Платиновите резистори се използват широко в средния температурен диапазон (-200~650 ℃). В момента, на пазара има стандартни термични резистори за измерване на температура, изработени от метална платина, като Pt100, Pt500, Pt1000, и т.н.

Разберете принципа на работа на PT100: PT100 е температурен сензор на Pt резистор. Принципът на работа се основава на топлинния ефект на резистора. Стойността му на съпротивление се променя с промяната на температурата. Тази промяна е линейна. При 0 ℃, Стойността на съпротивлението на PT100 е 100 ома. С повишаването на температурата, Стойността на съпротивлението също се увеличава съответно, Така че температурата може да бъде точно направена чрез измерване на стойността на съпротивлението.

Високопрецизна 4-проводна система за измерване на температурата клас A PT100

2-проводник PT100 Платиново устойчивост Температура Контрол на сондата Система за измерване на температурата

3-тел PT100 Система за измерване на температурата на термичния резистор

Изберете съответния метод на окабеляване: Общо взето, 2-тел, 3-Могат да се използват методи за окабеляване на проводници или 4-те.

Изходът на сигнала на напрежението от моста

Основни точки за система PT100:
Принцип на сензор:
PT100 сензорът е направен от платинен проводник, чието електрическо съпротивление се променя предвидимо с температурни колебания.

Метод за измерване:
Когато се премине ток през PT100, Измерва се спадът на напрежението през сензора, който след това се преобразува в температура въз основа на известната връзка между съпротивлението и температурата.

Широко приложение:
PT100 сензорите обикновено се използват в индустриални процеси, лаборатории, и други приложения, при които се изисква прецизно измерване на температурата поради високата им точност и стабилност.

Компоненти на система PT100:
Сензорна сонда PT100:
Действителният сензорния елемент, Обикновено платинена тел, увита около керамично ядро, който се вмъква в околната среда, която трябва да бъде измерена.

Сигнална схема за кондициониране:
Електроника, която усилва и преобразува малката промяна на съпротивлението от PT100 в измерим сигнал за напрежение.

Система за дисплей или събиране на данни:
Устройство, което показва измерената температура или съхранява данните за анализ.

Предимства от използването на PT100 система:
Висока точност:　Счита се за един от най -точните налични сензори за температура.
Широк температурен диапазон:　Може да измерва температурите от -200 ° C до 850 ° C в зависимост от дизайна на сензора.
Добра линейност:　Връзката между съпротивлението и температурата е много линейна, Създаване на лесна интерпретация на данни.
Стабилност:　Platinum е много стабилен материал, Осигуряване на постоянни показания във времето.

Таблица за индексиране на топло съпротивление на PT100

Трите метода на окабеляване на PT100 платинен резистор са различни по принцип: 2-тел и 3-жилка се измерват по метода на моста, и връзката между стойността на температурата и аналоговата изходна стойност е дадена в крайна сметка. 4-телта няма мост. Той се изпраща напълно от източник на постоянен ток, измерено с волтметър, и накрая дава измерената стойност на съпротивлението, което е трудно и скъпо за използване.
Тъй като PT100 има малка стойност на съпротивление и висока чувствителност, Стойността на съпротивлението на водещия проводник не може да бъде игнорирана. Използването на 3-тежка връзка може да премахне грешката в измерването, причинена от съпротивлението на водещата линия.
2-проводната система има лоша точност на измерване; 3-проводната система има по-добра точност; 4-проводната система има висока точност на измерване, но изисква повече проводници.

Трябва да знаем само температурното състояние на PT100 въз основа на изхода на сигнала на напрежението от моста. Когато стойността на съпротивлението на PT100 не е равна на стойността на съпротивлението на RX, Мостът извежда сигнал за диференциално налягане, което е много малко. Тъй като изходният сигнал на сензора за температура обикновено е много слаб, Необходима е схема за кондициониране и преобразуване на сигнала, за да го усилват или преобразуват във формуляр, който е лесен за предаване, процес, Запис и показване. Леката промяна в измереното количество сигнал трябва да бъде преобразувана в електрически сигнал. При усилване на DC сигнала, Самостоятелното и небалансирано напрежение на усилвателя на OP не може да бъде игнорирано при преминаване през усилвателя на OP. След усилване, Сигнал за напрежение с желания размер може да се изведе.
Стойността на съпротивлението на платиновия резистор може да бъде получена чрез изчисляване на веригата или измерване на мултицет. Когато знаем стойността на съпротивлението на PT100, Можем да измерим и изчислим температурата по стойността на съпротивлението.

Използвайте подходящи алгоритми за обработка на данни: Използвайте известната връзка на температурата и съпротивлението, за да изчислите температурата чрез програмиране. Като се има предвид, че връзката на резистентната температура на PT100 е нелинейна, особено в зони с ниска или висока температура, Може да са необходими по -сложни алгоритми, за да се подобри точността.

Въздействие на факторите на околната среда: Производителността може да бъде повлияна от фактори на околната среда, като електромагнитни смущения, Механична вибрация, и влажност.

Има три общи метода за изчисляване на измерването на температурата:
Метод за изчисляване на измерването на температурата 1:
Когато не е необходима точната температура, Температурата ще се повиши с 2,5 ℃ за всяко омрово увеличение на стойността на съпротивлението на топлинния резистор PT100 (Използва се при ниски температури). Стойността на съпротивлението на температурния сензор PT100 е 100 Когато е 0 ℃, Така че приблизителната температура в този момент = (PT100 Стойност на съпротивление-100)*2.5.

Метод за изчисляване на измерването на температурата 2:
Връзка между стойността на устойчивостта и температурата на платиновия резистор

В диапазона от 0 ～ 850 ℃: Rt = r0(1+При+BT2);

В обхвата от -200 ～ 0 ℃: Rt = r0[1+При+BT2+c(т-100)3];

RT представлява стойността на устойчивост на платинен резистор при температура t ℃;

R0 представлява стойността на устойчивост на платинен резистор при температура 0 ℃;

А, Б, C са константи, A = 3.96847 × 10-3/℃; B = -5.847 × 10-7/℃; C = -4.22 × 10-12/℃;

За термичния резистор, който отговаря на горната връзка, Температурният му коефициент е около 3,9 × 10-3/℃.

Чрез горната формула, Температурата може да бъде точно решена според стойността на съпротивлението, но поради голямото количество изчисление на този метод, Не се препоръчва за този експеримент.

Метод за изчисляване на температурата три:
PT100 има добра линейна връзка с температурата и е подходяща за измерване на средна и ниска температура. Стойността на съпротивлението на PT100 при различни температури има съответна скала за измерване, както е показано на фигурата по-долу, Което може интуитивно да покаже съответната връзка между различни температури и стойността на съпротивлението на PT100.
Температурата може да бъде известна чрез проверка на съответната стойност на съпротивление през скалата PT100.

PT100 Скала за термична резисторна скала

Устройството за измерване на температурата на PT100, проектирано в тази статия, използва често използвания евтин четирипосочен оперативен усилвател LM324, за да завърши дизайна на веригата за захранване на устройството и верига на усилвател на инструмента с три операции.

1.1 Източник на напрежението

PT100 Източник на напрежението на сензора за термично резистор

Схемата на фигура 1 е често срещана пропорционална оперативна верига. Според анализа на идеалния оперативен усилвател, работещ в линейния регион, Според принципа на виртуалната кратка и виртуална почивка, получава се:

Формула за изчисление на моста на пшеница

​, Тогава е коефициентът на усилване на напрежението в затворен контур е 2 пъти, и след това се получава v = 10V, и се използва като стабилно захранващо напрежение на веригата на моста на пшеничния камък.

1.2 Трипроводна връзка на моста Wheatstone и PT100.
Горната фигура е мост на пшеничния камък. Условието за балансиране на моста е, че потенциалите на точки B и D са равни. Така че, когато мостът е балансиран, стига R1, R2 (обикновено фиксирани стойности) и R0 (обикновено регулируеми стойности) са прочетени, може да се получи измерваната съпротива RX. R1/R2 = m, наречен “умножител”.

Метод на трижил

Според принципа на измерване на температурата на PT100, Стойността на съпротивлението на PT100 трябва да бъде известна правилно, но стойността на съпротивлението не може да бъде измерена директно, Така че е необходима верига за преобразуване. Стойността на съпротивлението се преобразува в сигнал за напрежение, който може да бъде открит от микроконтролера”. Веригата мостови мостове е инструмент, който може правилно да измерва съпротивлението. Както е показано на фигура 2, R1, R2, R3, и R4 са съответно мостовите му оръжия. Когато мостът е балансиран, R1XR3 = R2XR4 е удовлетворен. Когато мостът е небалансиран, Ще има разлика в напрежението между точки a и b. Според напрежението на точки А и Б, Съответната съпротива може да бъде изчислена. Това е принципът на измерване на съпротивление с небалансиран мост:

Метод за връзка с трипроводна верига PT100

Всъщност, Поради малката съпротива и високата чувствителност на PT100, Съпротивлението на водещия проводник ще доведе до грешки. Следователно, Методът на трипроводна връзка често се използва в индустрията за премахване на тази грешка. Както е показано в пунктираната част на фигурата 2, Стойността на съпротивлението на водещия провод е равна и е r. По това време, Мостовите оръжия стават r, R, R+2r, и RT+2R. Когато мостът е балансиран: R2. (R1+2r) = R1.(R3+2r), подредени: Rt = r1r3/ r2+2 r1r/ r2- 2r. Анализът показва, че когато R1 = R2, Промяната в съпротивлението на проводника няма ефект върху резултата от измерването.

1.3 Схема на усилвател с три OP-AMP
Когато температурата се промени от 0 ℃ ~ 100 ℃, Съпротивлението на PT100 се променя приблизително линейно в обхвата на 100Ω ~ 138.51Ω. Според горната верига на моста, Мостът е балансиран при 0 ℃, Така че теоретичната стойност на мостовото изходно напрежение трябва да бъде 0 V, и когато температурата е 100 ℃, Изходът на моста е: Uab = u7x(R1/(R1+ R2)-R3/(R2 + R3)), това е, UAB = 10x(138.51/(10000 + 138.51)-100/(10000 + 100)) = 0,037599V. Тъй като това е сигнал за миливолт, Необходимо е да се усили това напрежение, за да се направи откриваемо от AD чипа.

Както е показано на фигура 3, Инструментационният усилвател е устройство, което усилва малки сигнали в шумна среда. Той има поредица от предимства като нисък дрейф, ниска консумация на енергия, Високо коефициент на отхвърляне на общ режим, Широка диапазон на захранване и малък размер. Използва характеристиките на диференциални малки сигнали, наслагвани върху по-големи сигнали за общ режим, които могат да премахнат сигналите на общ режим и да усилят едновременно диференциални сигнали. Изходното напрежение на стандартната верига за усилвател с три операционни усилия е, Тук R8 = R10 = 20 kΩ, R9 = R11 = 20 kΩ, R4 = R7 = 100kΩ, който може да усили сигнала за входно напрежение от около 150 пъти, така че теоретичното изходно напрежение на моста да може да се усилва до 0 ~ 2.34 v. Но това е само теоретична стойност. В действителния процес, Има много фактори, които могат да причинят промени в съпротивата. Следователно, R3 може да бъде заменен с прецизно регулируем резистор за улесняване на нулата на веригата.

PT100 сензор три-оп усилвател на усилвател за усилвател

2. Дизайн на софтуера

2.1 Метод с най -малко квадратчета и PT100 линеен монтаж

В температурния диапазон 0 ℃ ≤t≤850 ℃, Връзката между устойчивостта и температурата на PT100 е: R = 100 (1 +При+BT2), където a = 3.90802x 10-3; B =- -5.80х 10-7; C = 4.2735 x 10-12

Вижда се, че съпротивлението на PT100 и температурата не са абсолютна линейна връзка, а парабола. Следователно, Ако трябва да се извлече t, Необходима е квадратна операция на корен, която въвежда по-сложна функционална операция и заема голямо количество ресурси на процесора на микрокомпютъра с един чип. За решаване на този проблем, Можем да използваме метода с най -малко квадрати, за да се впише линейно връзката между температурата и съпротивлението. ” Най -малкото монтиране на кривата на квадрати е често срещан метод за обработка на експериментални данни. Неговият принцип е да намери полиномна функция, за да се сведе до минимум сумата от квадратни грешки с оригиналните данни.

2.2 Температура на дигитално преобразуване на AD
Принципът на измерване на температурата на PT100 е да се получи температурната стойност въз основа на стойността му на съпротивление, Така че стойността на съпротивлението на топлинния резистор трябва първо да бъде определена. Според хардуерната схема, Връзката между изходното напрежение UAB на мостовата верига и изходното напрежение UAD на веригата за усилвател на AMP AMP е: NOD = JAV. AUF, защото системата използва 12-битов рекламен чип, Връзката между цифровото количество и аналоговото количество е: UAD/AD = 5/4096. Връзката между мостовото изходно напрежение и рекламата за цифрово количество може да бъде получена чрез комбиниране на предишните две уравнения, това е, UAD/AD = 5/(4096На). Тогава, Той е заменен в изражението на мостовото изходно напрежение uab = u7x (RT/ (R1+Rt) -R3/ (R2+R3) ), и може да се получи експресията на RR и AD за цифрово количество. Решението е:

Формула за температура на дигитална конверсия на AD

След като познаете стойността на съпротивлението на PT100, Съответната температурна стойност може да се получи съгласно линейното уравнение на монтаж в секция 2.1.

2.3 Цифрово филтриране с едно чип
За да се подобри точността на измерване на температурата на PT100, В софтуерното програмиране може да се добави програма за цифрово филтриране, което не изисква добавяне на хардуерни вериги и може да подобри стабилността и надеждността на системата. Има много методи за филтриране в системата за прилагане на микрокомпютри с един чип. Когато правите конкретен избор, Предимствата и недостатъците на метода на филтриране и приложимите обекти трябва да бъдат анализирани и сравнени, така че да изберете подходящия метод за филтриране. Алгоритъмът на средния метод за средно филтриране е първо непрекъснато да се събират n данни, След това премахнете минималната стойност и максималната стойност, и накрая изчислете аритметичната средна стойност на останалите данни. Този метод за филтриране е подходящ за измерване на параметрите, които се променят бавно, като температура, и може ефективно да намали смущения, причинени от колебанията, причинени от случайни фактори или грешки, причинени от нестабилност на извадката.

Работен процес на системата:
Когато температурата на измерваната част се промени, Съпротивата на PT100 се променя, и мостът на пшеничния камък ще изведе съответния сигнал за напрежение. Този сигнал е функция от съпротивлението на PT100. Този миливолтен сигнал се усилва от усилвател на инструментариум с три операции и се изпраща до AD чипа, което преобразува аналоговото количество в цифрово количество и се чете от микроконтролера. Микроконтролерът чете чипа от AD чипа и изпълнява програмата за филтриране, Преобразуване на стабилното цифрово количество в съпротивлението на PT100 чрез изчисление. Тогава микроконтролерът ще избере съответния монтиран линеен модел според размера на стойността на съпротивлението, за да изчисли текущата температура на стойността, и накрая покажете температурните данни на LCD дисплея.