Temperature Acquisition Circuit of PT100 and PT1000 Sensor Probe

The article introduces the resistance change of PT100 and PT1000 metal thermal resistor sensor probes at different temperatures, as well as a variety of temperature acquisition circuit solutions. Including resistance voltage division, bridge measurement, constant current source and AD623, AD620 acquisition circuit. In order to resist interference, especially electromagnetic interference in the aerospace field, an airborne PT1000 temperature sensor acquisition circuit design is proposed, including a T-type filter for filtering and improving measurement accuracy.
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PT100/PT1000-Temperaturerfassungsschaltungslösung
1. Temperature resistance change table of PT100 and PT1000 sensors
Metallische Wärmewiderstände wie Nickel, copper and platinum resistors have a positive correlation with the change of temperature. Platin hat die stabilsten physikalischen und chemischen Eigenschaften und wird am häufigsten verwendet. The temperature measurement range of the commonly used platinum resistance Pt100 sensor probes is -200～850℃, and the temperature measurement ranges of Pt500, Pt1000 sensor probes, usw. werden sukzessive reduziert. Pt1000, temperature measurement range is -200～420℃. Gemäß der internationalen Norm IEC751, Die Temperatureigenschaften des Platinwiderstands Pt1000 erfüllen die folgenden Anforderungen:

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Gemäß der Pt1000-Temperaturkennlinie, the slope of the resistance characteristic curve changes slightly within the normal operating temperature range (wie in der Abbildung gezeigt 1). The approximate relationship between resistance and temperature can be obtained through linear fitting:

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1.1 Tabelle zur Änderung des Temperaturwiderstands PT100

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1.2 Tabelle zur Änderung des Temperaturwiderstands PT1000

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2. Häufig verwendete Erfassungsschaltungslösungen

2. 1 Resistor voltage divider output 0~3.3V/3V analog voltage single chip AD port direct acquisition
Der Spannungsausgangsbereich der Temperaturmessschaltung liegt zwischen 0 und 3,3 V, PT1000 (Der PT1000-Widerstandswert ändert sich stark, and the temperature measurement sensitivity is higher than PT100; PT100 eignet sich besser für groß angelegte Temperaturmessungen).

Der einfachste Weg ist die Spannungsteilungsmethode. The voltage is generated by the TL431 voltage reference source chip, which is a 4V voltage reference source. Alternatively, REF3140 can be used to generate 4.096V as a reference source. Reference source chips also include REF3120, 3125, 3130, 3133, Und 3140. The chip uses a SOT-32 package and a 5V input voltage. Die Ausgangsspannung kann entsprechend der benötigten Referenzspannung gewählt werden. Natürlich, according to the normal voltage input range of the AD port of the microcontroller, sie darf 3 V/3,3 V nicht überschreiten.

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2.2 Resistor voltage division output 0~5V analog voltage, and the AD port of the microcontroller directly collects it.
Natürlich, some circuits are powered by a 5V microcontroller, and the maximum operating current of the PT1000 is 0.5mA, so an appropriate resistance value must be used to ensure the normal operation of the component.
Zum Beispiel, the 3.3V in the voltage division schematic diagram above is replaced by 5V. The advantage of this is that the 5V voltage division is more sensitive than the 3.3V voltage, and the collection is more accurate. Erinnern, Die theoretisch berechnete Ausgangsspannung darf +5 V nicht überschreiten. Ansonsten, the microcontroller will be damaged.

2.3 Die am häufigsten verwendete Brückenmessung

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Use R11, R12, R13 and Pt1000 to form a measurement bridge, wobei R11=R13=10k, R12=1000R precision resistor. Wenn der Widerstandswert von Pt1000 nicht dem Widerstandswert von R12 entspricht, the bridge will output a mV level voltage difference signal. Dieses Spannungsdifferenzsignal wird von der Instrumentenverstärkerschaltung verstärkt und gibt das gewünschte Spannungssignal aus, which can be directly connected to the AD conversion chip or the AD port of the microcontroller.

Das Prinzip der Widerstandsmessung dieser Schaltung:

1) PT1000 ist ein Thermistor, and its resistance changes basically linearly with the change of temperature.

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. According to the voltage divider principle, we can find Uba = Ub – Tun > 0.
4) OP07 ist ein Operationsverstärker, and its voltage amplification factor A depends on the external circuit, 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, using the voltage divider principle, 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, we only need to look up the table according to the resistance value to know the current temperature.

2.4 Konstantstromquelle
Aufgrund des Selbsterwärmungseffekts des Thermowiderstands, it is necessary to ensure that the current flowing through the resistor is as small as possible, and generally the current is expected to be less than 10mA. Es wurde nachgewiesen, dass die Eigenerwärmung des Platinwiderstands PT100 von 1 mW will cause a temperature change of 0.02 to 0.75℃, so reducing the current of the platinum resistor PT100 can also reduce its temperature change. Jedoch, wenn der Strom zu klein ist, es ist anfällig für Störgeräusche, so it is generally taken at 0.5 Zu 2 mA, Daher wird der Strom der Konstantstromquelle als 1-mA-Konstantstromquelle ausgewählt.

The chip selected is the constant voltage source chip TL431, and then the current negative feedback is used to convert it into a constant current source. Die Schaltung ist in der Abbildung dargestellt:
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The operational amplifier CA3140 is used to improve the load capacity of the current source, und die Berechnungsformel für den Ausgangsstrom lautet:
Insert picture description here The resistor should be a 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. And TL431 has an extremely low temperature coefficient and low temperature drift.

Gute Lastregulierung: Wenn die Stromwelligkeit zu groß ist, es wird zu Lesefehlern kommen. Nach theoretischer Analyse. Since the input voltage varies between 100-138.5mV, 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, the change in current during the load change should be less than 0.000278mA. 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:
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Erfassung hoher Temperaturen
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4. AD620-Erfassungsschaltungslösung
AD620 PT100 acquisition solution for high temperature (150°):

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

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AD620 PT100 acquisition solution for room temperature (20°):

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5. Anti-interference filtering analysis of PT100 and PT1000 sensors
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, high-frequency disturbances caused by motor control and high-speed rotation of the motor.

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 certain strong electromagnetic interference environments, the interference may be converted into DC output offset error after being rectified by the instrument amplifier, 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.

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Am äußersten Ende der Erfassungsschaltung ist ein Filter gesetzt. The PT1000 acquisition preprocessing circuit is suitable for anti-electromagnetic interference preprocessing of airborne electronic equipment interfaces; the specific circuit is:
Die Eingangsspannung von +15 V wird über einen Spannungsregler in eine hochpräzise Spannungsquelle von +5 V umgewandelt. The +5V high-precision voltage source is directly connected to the resistor R1, and the other end of the resistor R1 is divided into two paths. One is connected to the in-phase input end of the op amp, and the other is connected to the PT1000 resistor A end through the T-type filter S1. 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, one through resistor R4 as the differential voltage input 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, one through resistor R5 as the differential voltage input 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. The precise resistance value of PT1000 can be calculated by measuring the differential voltage across D and E.

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, and the other connected to the A end of the PT1000 resistor through the T-type filter S1. 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. The RFI filter completes the low-pass filtering of the input signal, and the objects filtered out include the differential mode interference and common mode interference carried in the input differential signal. Die Berechnung der -3dB-Grenzfrequenz der im Eingangssignal enthaltenen Gleichtaktstörungen und Gegentaktstörungen ist in der Formel dargestellt:

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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, with a cutoff frequency of 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.

5.2 T-Filter
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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.