PT100/PT1000-Temperaturerfassungsschaltungslösung

1. Tabelle zur Änderung des Temperaturwiderstands PT100 und PT1000
Metallische Wärmewiderstände wie Nickel, Kupfer- und Platinwiderstände haben eine positive Korrelation mit der Widerstandsänderung mit der Temperatur. Platin hat die stabilsten physikalischen und chemischen Eigenschaften und wird am häufigsten verwendet. Der Temperaturmessbereich des häufig verwendeten Platinwiderstands Pt100 beträgt -200 bis 850 °C. Zusätzlich, Die Temperaturmessbereiche von Pt500, Pt1000, usw. werden sukzessive reduziert. Pt1000, Temperaturmessbereich -200~420 ℃. Gemäß der internationalen Norm IEC751, Die Temperatureigenschaften des Platinwiderstands Pt1000 erfüllen die folgenden Anforderungen:

Pt1000-Temperaturkennlinie

Gemäß der Pt1000-Temperaturkennlinie, Die Steigung der Widerstandskennlinie ändert sich im normalen Betriebstemperaturbereich kaum (wie in der Abbildung gezeigt 1). Durch lineare Anpassung, Die ungefähre Beziehung zwischen Widerstand und Temperatur ist:

1.1 Tabelle zur Änderung des Temperaturwiderstands PT100

Tabelle zur Änderung des Temperaturwiderstands PT100

1.2 Tabelle zur Änderung des Temperaturwiderstands PT1000

PT1000-Temperaturwiderstandsänderungstabelle

2. Häufig verwendete Erfassungsschaltungslösungen

2.1 Widerstandsspannungsteilungsausgang 0 ~ 3,3 V/3 V Analogspannung

Direkte Erfassung eines Single-Chip-AD-Ports
Der Spannungsausgangsbereich der Temperaturmessschaltung liegt zwischen 0 und 3,3 V, PT1000 (Der PT1000-Widerstandswert ändert sich stark, Die Empfindlichkeit der Temperaturmessung ist höher als PT100; PT100 eignet sich besser für groß angelegte Temperaturmessungen).

Widerstandsspannungsteiler gibt 0–3,3 V 3 V Analogspannung aus

Der einfachste Weg ist die Spannungsteilungsmethode. Die Spannung ist die Spannungsreferenzquelle von 4 V, die vom Spannungsreferenzquellenchip TL431 erzeugt wird, oder REF3140 können zur Erzeugung von 4,096 V als Referenzquelle verwendet werden. Zu den Referenzquellenchips gehört auch REF3120, 3125, 3130, 3133, Und 3140. Der Chip verwendet ein SOT-32-Gehäuse und eine Eingangsspannung von 5 V. Die Ausgangsspannung kann entsprechend der benötigten Referenzspannung gewählt werden. Natürlich, entsprechend dem normalen Spannungseingangsbereich des MCU AD-Ports, sie darf 3 V/3,3 V nicht überschreiten.

2.2 Widerstandsspannungsteilungsausgang 0 ~ 5 V Analogspannung MCU AD-Port direkte Erfassung.
Natürlich, Einige Schaltkreise verwenden eine 5-V-MCU-Stromversorgung, und der maximale Betriebsstrom von PT1000 beträgt 0,5 mA, Daher sollte ein geeigneter Widerstandswert verwendet werden, um den normalen Betrieb der Komponenten sicherzustellen.
Zum Beispiel, Die 3,3 V im Spannungsteilungsschaltbild oben werden durch 5 V ersetzt. Dies hat den Vorteil, dass die 5-V-Spannungsteilung empfindlicher ist als die 3,3-V-Spannung, und die Erfassung ist genauer. Erinnern, Die theoretisch berechnete Ausgangsspannung darf +5 V nicht überschreiten. Ansonsten, Dies führt zu Schäden an der MCU.

2.3 Die am häufigsten verwendete Brückenmessung
R11, R12, R13 und Pt1000 werden zur Bildung einer Messbrücke verwendet, wobei R11=R13=10k, R12=1000R Präzisionswiderstände. Wenn der Widerstandswert von Pt1000 nicht dem Widerstandswert von R12 entspricht, Die Brücke gibt ein Spannungsdifferenzsignal im mV-Pegel aus. Dieses Spannungsdifferenzsignal wird von der Instrumentenverstärkerschaltung verstärkt und gibt das gewünschte Spannungssignal aus. Dieses Signal kann direkt an den AD-Umwandlungschip oder den AD-Port des Mikrocontrollers angeschlossen werden.

R11, R12, R13 und Pt1000 werden zur Bildung einer Messbrücke verwendet

Das Prinzip der Widerstandsmessung dieser Schaltung:
1) PT1000 ist ein Thermistor. Wenn sich die Temperatur ändert, Der Widerstand ändert sich grundsätzlich linear.
2) Bei 0 Grad, Der Widerstand von PT1000 beträgt 1kΩ, dann sind Ub und Ua gleich, das ist, Uba = Ub – Mach = 0.
3) Vorausgesetzt das bei einer bestimmten Temperatur, Der Widerstand von PT1000 beträgt 1,5 kΩ, dann sind Ub und Ua nicht gleich. Nach dem Spannungsteilungsprinzip, wir können herausfinden, dass Uba = Ub – Tun > 0.
4) OP07 ist ein Operationsverstärker, und seine Spannungsverstärkung A hängt von der externen Schaltung ab, wobei A = R2/R1 = 17.5.
5) Die Ausgangsspannung Uo von OP07 = Uba * A. Wenn wir also ein Voltmeter verwenden, um die Ausgangsspannung von OP07 zu messen, Wir können den Wert von Uab ableiten. Da Ua ein bekannter Wert ist, Wir können den Wert von Ub weiter berechnen. Dann, nach dem Spannungsteilungsprinzip, Wir können den spezifischen Widerstandswert von PT1000 berechnen. Dieser Prozess kann durch Softwareberechnung erreicht werden.
6) Wenn wir den Widerstandswert von PT1000 bei jeder Temperatur kennen, Wir müssen nur anhand des Widerstandswerts in der Tabelle nachschlagen, um die aktuelle Temperatur zu ermitteln.

2.4 Konstantstromquelle
Aufgrund des Selbsterwärmungseffekts des Thermowiderstands, Der durch den Widerstand fließende Strom sollte möglichst klein sein. Allgemein, Es wird erwartet, dass der Strom weniger als 10 mA beträgt. Es wurde nachgewiesen, dass die Eigenerwärmung des Platinwiderstands PT100 von 1 mW verursacht eine Temperaturänderung von 0,02–0,75℃. daher, Durch die Reduzierung des Stroms des Platinwiderstands PT100 kann auch dessen Temperaturänderung verringert werden. Jedoch, wenn der Strom zu klein ist, es ist anfällig für Störgeräusche, Der Wert ist also im Allgemeinen 0.5-2 mA, Daher wird der Strom der Konstantstromquelle als 1-mA-Konstantstromquelle ausgewählt.

Der Chip wird als Konstantspannungsquellenchip TL431 ausgewählt, und dann mittels Stromgegenkopplung in eine Konstantstromquelle umgewandelt. Die Schaltung ist in der Abbildung dargestellt

Darunter, Der Operationsverstärker CA3140 dient zur Verbesserung der Belastbarkeit der Stromquelle, und die Berechnungsformel für den Ausgangsstrom lautet:

Der Widerstand sollte ein sein 0.1% Präzisionswiderstand. Der endgültige Ausgangsstrom beträgt 0,996 mA, das ist, die Genauigkeit ist 0.4%.

Die Konstantstromquellenschaltung sollte die folgenden Eigenschaften aufweisen

Wählen Sie den Konstantspannungsquellenchip TL431

Temperaturstabilität: Da unsere Temperaturmessumgebung 0-100℃ beträgt, Der Ausgang der Stromquelle sollte nicht temperaturempfindlich sein. Der TL431 hat einen extrem niedrigen Temperaturkoeffizienten und eine geringe Temperaturdrift.

Gute Lastregulierung: Wenn die Stromwelligkeit zu groß ist, es wird zu Lesefehlern kommen. Nach theoretischer Analyse, da die Eingangsspannung zwischen 100 und 138,5 mV variiert, und der Temperaturmessbereich beträgt 0-100℃, Die Genauigkeit der Temperaturmessung beträgt ±1 Grad Celsius, Daher sollte sich die Ausgangsspannung bei jedem Anstieg der Umgebungstemperatur um 1 °C um 38,5/100 = 0,385 mV ändern. Um sicherzustellen, dass die Stromschwankung die Genauigkeit nicht beeinträchtigt, Betrachten Sie den extremsten Fall, bei 100 Grad Celsius, Der Widerstandswert von PT100 sollte 138,5 R betragen. Dann sollte die Stromwelligkeit weniger als 0,385/138,5=0,000278 mA betragen, das ist, Die Stromänderung während des Lastwechsels sollte weniger als 0,000278 mA betragen. In der tatsächlichen Simulation, Die aktuelle Quelle bleibt grundsätzlich unverändert.
3. AD623-Erfassungsschaltungslösung

AD623-Erfassung PT1000-Schaltungslösung

Das Prinzip kann sich auf das obige Brückenmessprinzip beziehen.
Erfassung niedriger Temperaturen:

Erfassung hoher Temperaturen

4. AD620-Erfassungsschaltungslösung

AD620 PT100-Erfassungslösung

AD620 PT100-Erfassungslösung für hohe Temperaturen (150°):

AD620 PT100 Erfassungslösung für niedrige Temperaturen (-40°):

AD620 PT100 Erfassungslösung Raumtemperatur (20°):

5. PT100- und PT1000-Anti-Interferenz-Filteranalyse

Temperaturerfassung in einigen Komplexen, In rauen oder besonderen Umgebungen kommt es zu starken Störungen, hauptsächlich einschließlich EMI und REI.

Zum Beispiel, bei der Anwendung der Motortemperaturerfassung, Motorsteuerung und Hochgeschwindigkeitsrotation des Motors verursachen hochfrequente Störungen.

Auch im Inneren von Luft- und Raumfahrtfahrzeugen gibt es eine Vielzahl von Temperierungsszenarien, die das Energiesystem und das Umweltkontrollsystem messen und steuern. Der Kern der Temperaturregelung ist die Temperaturmessung. Da sich der Widerstand des Thermistors linear mit der Temperatur ändern kann, Die Verwendung des Platinwiderstands zur Temperaturmessung ist eine effektive hochpräzise Temperaturmessmethode. Die Hauptprobleme sind wie folgt:
1. Der Widerstand am Anschlusskabel lässt sich leicht einführen, Dadurch wird die Messgenauigkeit des Sensors beeinträchtigt;
2. In einigen Umgebungen mit starken elektromagnetischen Störungen, Die Störungen können nach der Gleichrichtung durch den Instrumentenverstärker in einen Gleichstrom umgewandelt werden
Offsetfehler, Auswirkungen auf die Messgenauigkeit haben.
5.1 PT1000-Erfassungsschaltung für die Luft- und Raumfahrt

PT1000-Erfassungsschaltung für die Luft- und Raumfahrt

Beziehen Sie sich auf den Entwurf einer PT1000-Erfassungsschaltung in der Luft, um elektromagnetische Störungen in einer bestimmten Luftfahrt zu verhindern.

Am äußersten Ende der Erfassungsschaltung ist ein Filter gesetzt. Die PT1000-Erfassungsvorverarbeitungsschaltung eignet sich für die Vorverarbeitung gegen elektromagnetische Störungen an der Schnittstelle elektronischer Geräte in der Luft;
Die spezifische Schaltung ist:
Die Eingangsspannung von +15 V wird über einen Spannungsregler in eine hochpräzise Spannungsquelle von +5 V umgewandelt, und die hochpräzise +5V-Spannungsquelle ist direkt mit dem Widerstand R1 verbunden.
Das andere Ende des Widerstands R1 ist in zwei Pfade aufgeteilt, einer ist mit dem Inphase-Eingang des Operationsverstärkers verbunden, und das andere Ende ist über den T-Typ-Filter S1 mit dem PT1000-Widerstand A verbunden. Der Ausgang des Operationsverstärkers ist mit dem invertierenden Eingang verbunden, um einen Spannungsfolger zu bilden, und der invertierende Eingang ist mit dem Erdungsanschluss des Spannungsreglers verbunden, um sicherzustellen, dass die Spannung am gleichphasigen Eingang immer Null ist. Nach Durchlaufen des S2-Filters, Ein Ende A des PT1000-Widerstands ist in zwei Pfade unterteilt, Ein Pfad wird über den Widerstand R4 als Differenzspannungseingangsanschluss D verwendet, und der andere Pfad ist über den Widerstand R2 mit AGND verbunden. Nach Durchlaufen des S3-Filters, Das andere Ende B des PT1000-Widerstands ist in zwei Pfade unterteilt, Ein Pfad wird über den Widerstand R5 als Differenzspannungseingangsanschluss E verwendet, und der andere Pfad ist über den Widerstand R3 mit AGND verbunden. D und E sind über den Kondensator C3 verbunden, D ist über den Kondensator C1 mit AGND verbunden, und E ist über den Kondensator C2 mit AGND verbunden; Der genaue Widerstandswert von PT1000 kann durch Messung der Differenzspannung zwischen D und E berechnet werden.

Die Eingangsspannung von +15 V wird über einen Spannungsregler in eine hochpräzise Spannungsquelle von +5 V umgewandelt. Die +5V sind direkt an R1 angeschlossen. Das andere Ende von R1 ist in zwei Pfade unterteilt, Einer ist mit dem Inphase-Eingangsanschluss des Operationsverstärkers verbunden, und der andere ist über den T-Typ-Filter S1 mit dem PT1000-Widerstand A verbunden. Der Ausgang des Operationsverstärkers ist mit dem invertierenden Eingang verbunden, um einen Spannungsfolger zu bilden, und der invertierende Eingang ist mit dem Erdungsanschluss des Spannungsreglers verbunden, um sicherzustellen, dass die Spannung am invertierenden Eingang immer Null ist. Zu diesem Zeitpunkt, Der durch R1 fließende Strom beträgt konstant 0,5 mA. Der Spannungsregler verwendet AD586TQ/883B, und der Operationsverstärker verwendet OP467A.

Nach Durchlaufen des S2-Filters, Ein Ende A des PT1000-Widerstands ist in zwei Pfade unterteilt, einer über den Widerstand R4 als Differenzspannungseingang Ende D, und einer über den Widerstand R2 an AGND; nach Durchlaufen des S3-Filters, Das andere Ende B des PT1000-Widerstands ist in zwei Pfade unterteilt, einer über den Widerstand R5 als Differenzspannungseingang Ende E, und einer über den Widerstand R3 an AGND. D und E sind über den Kondensator C3 verbunden, D ist über den Kondensator C1 mit AGND verbunden, und E ist über den Kondensator C2 mit AGND verbunden.
Der Widerstand von R4 und R5 beträgt 4,02 kOhm, Der Widerstand von R1 und R2 beträgt 1 M Ohm, Die Kapazität von C1 und C2 beträgt 1000 pF, und die Kapazität von C3 beträgt 0,047 uF. R4, R5, C1, C2, und C3 bilden zusammen ein RFI-Filternetzwerk, Damit ist die Tiefpassfilterung des Eingangssignals abgeschlossen, und die herauszufilternden Objekte umfassen die im Eingangsdifferenzsignal enthaltenen Gegentaktstörungen und Gleichtaktstörungen. Die Berechnung der -3dB-Grenzfrequenz der im Eingangssignal enthaltenen Gleichtaktstörungen und Gegentaktstörungen ist in der Formel dargestellt:

Einsetzen des Widerstandswerts in die Berechnung, Die Gleichtakt-Grenzfrequenz beträgt 40 kHz, und die Grenzfrequenz des Differenzmodus beträgt 2,6 kHz.
Endpunkt B ist über den S4-Filter mit AGND verbunden. Darunter, Die Filtererdungsklemmen von S1 bis S4 sind alle mit der Flugzeugabschirmungserde verbunden. Da der durch PT1000 fließende Strom bekanntlich 0,05 mA beträgt, Der genaue Widerstandswert von PT1000 kann durch Messung der Differenzspannung an beiden Enden von D und E berechnet werden.
S1 bis S4 verwenden T-Filter, Modell GTL2012X‑103T801, mit einer Grenzfrequenz von 1M±20 %. Diese Schaltung führt Tiefpassfilter in die externen Schnittstellenleitungen ein und führt eine RFI-Filterung der Differenzspannung durch. Als Vorverarbeitungsschaltung für PT1000, Es eliminiert effektiv Störungen durch elektromagnetische Strahlung und RFI-Strahlung, was die Zuverlässigkeit der erfassten Werte erheblich verbessert. Zusätzlich, Die Spannung wird direkt an beiden Enden des PT1000-Widerstands gemessen, Eliminierung des durch den Leitungswiderstand verursachten Fehlers und Verbesserung der Genauigkeit des Widerstandswerts.

5.2 T-Filter
Der T-Filter besteht aus zwei Induktivitäten und Kondensatoren. Beide Enden haben eine hohe Impedanz, und seine Einfügedämpfungsleistung ähnelt der des π-Typ-Filters, aber es ist nicht anfällig dafür “Klingeln” und kann in Schaltkreisen verwendet werden.