Widerstände und Schaltkreise von PT100- und PT1000-Sensorsonden mit thermischem Metallwiderstand

Eine Temperaturerfassungsschaltung für eine PT100- oder PT1000-Sensorsonde besteht typischerweise aus einer stabilen Stromquelle zur Anregung des Sensors, eine hochpräzise Widerstandsmessschaltung zur Erkennung der Widerstandsänderung mit der Temperatur, und einen Analog-Digital-Wandler (ADC) um die gemessene Spannung in ein digitales Signal umzuwandeln, das von einem Mikrocontroller oder einem Datenerfassungssystem verarbeitet werden kann; Der Hauptunterschied zwischen einer PT100- und einer PT1000-Schaltung besteht in der Skala der Widerstandswerte, da der Pt100 einen Nennwiderstand von hat 100 Ohm bei 0°C, während ein Pt1000 dies hat 1000 Ohm bei 0°C, Abhängig von der gewünschten Genauigkeit und Anwendung sind häufig Anpassungen im Messkreis erforderlich.

Der Artikel stellt die Widerstandsänderung von PT100- und PT1000-Metall-Thermowiderstandssensorsonden bei unterschiedlichen Temperaturen vor, sowie eine Vielzahl von Temperaturerfassungsschaltungslösungen. Einschließlich Widerstandsspannungsteilung, Brückenmessung, Konstantstromquelle und AD623, AD620-Erfassungsschaltung. Um Störungen zu widerstehen, insbesondere elektromagnetische Störungen im Luft- und Raumfahrtbereich, Es wird ein Schaltungsdesign für die Erfassung eines luftgestützten PT1000-Temperatursensors vorgeschlagen, einschließlich eines T-Filters zur Filterung und Verbesserung der Messgenauigkeit.
Von CSDN durch intelligente Technologie generierte Zusammenfassung

PT100 Temperatur-Kabelsensor zur präzisen Temperaturmessung in Behältern, Tanks und Rohre

Temperatursensorsonde T100 Hochtemperatur -50~260 Kabel

PT100-Platin-Widerstandstemperatursensor für die Oberflächentemperatur des Senders

PT100/PT1000-Temperaturerfassungsschaltungslösung
1. Temperaturwiderstandsänderungstabelle von PT100- und PT1000-Sensoren
Metallische Wärmewiderstände wie Nickel, Kupfer- und Platinwiderstände haben eine positive Korrelation mit der Temperaturänderung. Platin hat die stabilsten physikalischen und chemischen Eigenschaften und wird am häufigsten verwendet. Der Temperaturmessbereich der häufig verwendeten Pt100-Sensorsonden mit Platinwiderstand beträgt -200 bis 850 °C, und die Temperaturmessbereiche von Pt500, Pt1000-Sensorsonden, usw. werden sukzessive reduziert. Pt1000, Der Temperaturmessbereich beträgt -200 bis 420 °C. 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 geringfügig (wie in der Abbildung gezeigt 1). Der ungefähre Zusammenhang zwischen Widerstand und Temperatur kann durch lineare Anpassung ermittelt werden:

Tabelle zur Änderung des Temperaturwiderstands PT100 1

2. Häufig verwendete Erfassungsschaltungslösungen

2. 1 Widerstandsspannungsteilerausgang 0 ~ 3,3 V/3 V Analogspannung, Einzelchip-AD-Port, direkte Erfassung
Der Spannungsausgangsbereich der Temperaturmessschaltung liegt zwischen 0 und 3,3 V, PT1000 (Der PT1000-Widerstandswert ändert sich stark, und die Empfindlichkeit der Temperaturmessung ist höher als PT100; PT100 eignet sich besser für groß angelegte Temperaturmessungen).

Der einfachste Weg ist die Spannungsteilungsmethode. Die Spannung wird vom Spannungsreferenzquellenchip TL431 erzeugt, Dies ist eine 4-V-Spannungsreferenzquelle. Alternativ, REF3140 kann 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 AD-Ports des Mikrocontrollers, sie darf 3 V/3,3 V nicht überschreiten.

Direkte Erfassung der PT100-Einzelchip-AD-Port-Schaltung

2.2 Widerstandsspannungsabteilung Ausgang 0 ~ 5V Analogspannung, und der Anzeigenport des Mikrocontrollers sammelt ihn direkt.
Natürlich, Einige Schaltungen werden von einem 5 -V -Mikrocontroller angetrieben, und der maximale Betriebsstrom des PT1000 beträgt 0,5 mA, Daher muss ein geeigneter Widerstandswert verwendet werden, um den normalen Betrieb der Komponente zu gewährleisten.
Zum Beispiel, Der 3,3 -V -Schema -Diagramm der Spannungsabteilung wird durch 5 V ersetzt. Der Vorteil davon ist, dass die 5 -V -Spannungsabteilung empfindlicher ist als die 3,3 -V -Spannung, und die Sammlung ist genauer. Erinnern, Die theoretisch berechnete Ausgangsspannung darf +5 V nicht überschreiten. Ansonsten, Der Mikrocontroller wird beschädigt.

2.3 Die am häufigsten verwendete Brückenmessung

Die Spannungsteilerschaltung von PT100 Ausgibt eine Analogspannung von 0 ~ 5V

Verwenden Sie R11, R12, R13 und PT1000 zur Bildung einer Messbrücke, wobei R11=R13=10k, R12 = 1000R Präzisionswiderstand. Wenn der Widerstandswert von Pt1000 nicht dem Widerstandswert von R12 entspricht, Die Brücke gibt ein MV -Spannungsdifferenzsignal aus. Dieses Spannungsdifferenzsignal wird von der Instrumentenverstärkerschaltung verstärkt und gibt das gewünschte Spannungssignal aus, die direkt an den AD-Umwandlungschip oder den AD-Port des Mikrocontrollers angeschlossen werden kann.

Das Prinzip der Widerstandsmessung dieser Schaltung:

1) PT1000 ist ein Thermistor, und sein Widerstand ändert sich grundsätzlich linear mit der Temperaturänderung.

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 Spannungsteilerprinzip, wir finden Uba = Ub – Tun > 0.
4) OP07 ist ein Operationsverstärker, und sein Spannungsverstärkungsfaktor A hängt von der externen Beschaltung 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 Spannungsteilerprinzip, 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 in der Tabelle nach dem Widerstandswert suchen, um die aktuelle Temperatur zu erfahren.

2.4 Konstantstromquelle
Aufgrund des Selbsterwärmungseffekts des Thermowiderstands, Es ist darauf zu achten, dass der durch den Widerstand fließende Strom möglichst gering ist, und im Allgemeinen wird erwartet, dass der Strom weniger als 10 mA beträgt. Es wurde nachgewiesen, dass die Eigenerwärmung des Platinwiderstands PT100 von 1 mW führt zu einer Temperaturänderung von 0.02 bis 0,75℃, Daher kann eine Reduzierung des Stroms des Platinwiderstands PT100 auch dessen Temperaturänderung verringern. Jedoch, wenn der Strom zu klein ist, es ist anfällig für Störgeräusche, Daher wird es im Allgemeinen angenommen 0.5 Zu 2 mA, Daher wird der Strom der Konstantstromquelle als 1-mA-Konstantstromquelle ausgewählt.

Der ausgewählte Chip ist der konstante Spannungsquellenchip TL431, und dann wird das aktuelle negative Rückkopplung verwendet, um es in eine konstante Stromquelle umzuwandeln. Die Schaltung ist in der Abbildung dargestellt:

Konstante Stromquelle des Widerstandsschemas von PT100 -Schaltkreislauf

Der operative Verstärker CA3140 wird verwendet, um die Belastungskapazität der aktuellen Quelle zu verbessern, und die Berechnungsformel für den Ausgangsstrom lautet:
Bildbeschreibung einfügen. Hier sollte der Widerstand a 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:
Temperaturstabilität: Da unsere Temperaturmessumgebung 0-100℃ beträgt, Der Ausgang der Stromquelle sollte nicht temperaturempfindlich sein. Und TL431 hat einen extrem niedrigen Temperaturkoeffizienten und eine niedrige Temperaturdrift.

Gute Lastregulierung: Wenn die Stromwelligkeit zu groß ist, es wird zu Lesefehlern kommen. Nach theoretischer Analyse. Da die Eingangsspannung zwischen 100-138,5 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 Änderung des Stroms während der Laständerung sollte weniger als 0,000278 mA betragen. In der tatsächlichen Simulation, Die aktuelle Quelle bleibt grundsätzlich unverändert.

3. AD623-Erfassungsschaltungslösung
Das Prinzip kann sich auf das obige Brückenmessprinzip beziehen.
Erfassung niedriger Temperaturen:

AD620 misst die PT100 -Erfassungslösung hohe Temperatur (150°)

Erfassung hoher Temperaturen
Fügen Sie die Bildbeschreibung hier ein

4. AD620-Erfassungsschaltungslösung
AD620 PT100 Erfassungslösung für hohe Temperatur (150°):

AD620 misst die PT100 -Erfassungslösung bei niedriger Temperatur (-40°)

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

AD620 misst das PT100-Erfassungsschema bei Raumtemperatur (20°)

AD620 PT100-Erfassungslösung für Raumtemperatur (20°):

PT100-Sensor-Hochtemperatur-Erfassungsschaltung

5. Anti-Interferenz-Filteranalyse von PT100- und PT1000-Sensoren
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, Hochfrequenzstörungen, die durch die Motorsteuerung und die schnelle Drehung des Motors verursacht werden.

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 bestimmten Umgebungen mit starken elektromagnetischen Störungen, Die Störung kann nach der Gleichrichtung durch den Instrumentenverstärker in einen DC-Ausgangs-Offsetfehler umgewandelt werden, Auswirkungen auf die Messgenauigkeit haben.

5.1 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.

AD623-Erfassungsschaltplan für PT100-Sensor

Am äußersten Ende der Erfassungsschaltung ist ein Filter gesetzt. Die PT1000-Erfassungsvorverarbeitungsschaltung eignet sich für die Vorverarbeitung gegen elektromagnetische Störungen von Schnittstellen 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. Die Spannungsquelle von +5 V ist direkt mit dem Widerstand R1 verbunden, und das andere Ende des Widerstands R1 ist in zwei Wege unterteilt. Eine ist mit dem In-Phasen-Eingangsende des OP-Verstärkers verbunden, und der andere ist mit dem PT1000-Widerstand ein Ende durch den T-Typ-Filter S1 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 durch den Widerstand R4 als Differentialspannungseingang 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, Ein durch den Widerstand R5 als Differentialspannungseingang 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 genaue Widerstandswert von PT1000 kann berechnet werden, indem die Differentialspannung über d und e gemessen wird.

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-Eingang des Operationsverstärkers verbunden, und der andere, der über den T-Typ-Filter S1 mit dem Ende des PT1000-Widerstands verbunden ist. 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. Der RFI-Filter vervollständigt die Tiefpassfilterung des Eingangssignals, und die herausgefilterten Objekte umfassen die Differentialmodus -Interferenz und die gemeinsame Interferenz des gemeinsamen Modus, die im Eingangsdifferentialsignal getragen werden. Die Berechnung der -3dB-Grenzfrequenz der im Eingangssignal enthaltenen Gleichtaktstörungen und Gegentaktstörungen ist in der Formel dargestellt:

PT1000-Erfassungsschaltung für die Luft- und Raumfahrt

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 M ± 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.

3-Drahtklasse B hohe Industrie -Temperaturregelung PT100 Platin -Thermalwiderstandssensor

K-E-Kompressionsfeder-Thermoelement, PT100 Temperatursensorsonde

Hoher Präzision PT100 -Temperatursensor für die Messung der Transformatortemperatur

5.2 T-Filter
Fügen Sie die Bildbeschreibung hier ein
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.