Temperaturerfassung von 2, 3, und 4-Draht-PT100-Temperatursensoren

Der Artikel stellt vor, wie 2, 3, und 4-Leiter-PT100-Sensoren werden durch Widerstandsänderungen in Spannungssignale umgewandelt, und eine Konstantstromquelle wird verwendet, um den Sensor zu schützen und die Genauigkeit der Signalumwandlung sicherzustellen. Ein PT100-Sensor erfasst die Temperatur, indem er die Änderung seines elektrischen Widerstands misst, was direkt mit der Temperatur zusammenhängt, der es ausgesetzt ist; wenn die Temperatur steigt, Auch der Widerstand des Platinelements im Sensor erhöht sich, Dies ermöglicht eine genaue Berechnung der Temperatur basierend auf dieser Widerstandsänderung; im Wesentlichen, Die “100” in PT100 bedeutet, dass der Sensor einen Widerstand von hat 100 Ohm bei 0°C, und dieser Wert ändert sich vorhersehbar mit Temperaturschwankungen. Die Anwendung des MCP604-Operationsverstärkers im Schaltungsdesign betont den Einfluss seiner Eigenschaften wie niedrige Eingangs-Offsetspannung und Ruhestrom auf die Genauigkeit. Die Softwarekalibrierung wird verwendet, um die Genauigkeit beim Schaltungsdesign zu verbessern, die Unannehmlichkeiten einer körperlichen Anpassung werden vermieden. Endlich, Der Artikel gibt die Beziehungsformel zwischen Temperatur und Platinwiderstandswert an, welches zur Berechnung des Temperaturwertes verwendet wird.

Temperaturerfassungsdesign eines 2-Draht-PT100-Temperatursensors

Temperaturerfassung eines in China maßgeschneiderten 3-Draht-PT100-Temperatursensors

Temperaturerfassung eines 4-Leiter-PT100-Temperatursensors

Wichtige Punkte zur PT100-Temperaturerfassung:
Widerstandstemperaturdetektor (FTE):
PT100 ist eine Art RTD, Das heißt, es misst die Temperatur, indem es Änderungen im elektrischen Widerstand erkennt.
Platinelement:
Das Sensorelement eines PT100 besteht aus Platin, welches einen sehr stabilen und linearen Zusammenhang zwischen Widerstand und Temperatur aufweist.
Messvorgang: Der Sensor wird in der Umgebung platziert, in der die Temperatur gemessen werden soll.
Der Widerstand des Platinelements wird mithilfe einer speziellen elektronischen Schaltung gemessen.
Der gemessene Widerstandswert wird dann mithilfe einer mathematischen Formel, die auf dem bekannten Temperaturkoeffizienten von Platin basiert, in Temperatur umgerechnet.

Vorteile von PT100-Sensoren:
Hohe Genauigkeit: Gilt aufgrund des stabilen Verhaltens von Platin als einer der genauesten verfügbaren Temperatursensoren.
Großer Temperaturbereich:　Kann je nach Sensordesign Temperaturen von -200 °C bis 850 °C messen.
Gute Linearität: Der Zusammenhang zwischen Widerstand und Temperatur ist relativ linear, Vereinfachung der Dateninterpretation.

Wichtige Überlegungen:
Kalibrierung: Um genaue Messungen zu gewährleisten, PT100-Sensoren müssen regelmäßig anhand eines Referenzstandards kalibriert werden.
Widerstand des Zuleitungskabels: Der Widerstand der Anschlussdrähte kann die Messgenauigkeit beeinflussen, Daher ist häufig eine ordnungsgemäße Berücksichtigung der Leitungsdrahtkompensation erforderlich.
Anwendungseignung: Obwohl sehr genau, PT100-Sensoren sind möglicherweise nicht für extrem raue Umgebungen oder Anwendungen geeignet, die sehr schnelle Reaktionszeiten erfordern.

1. Grundprinzipien der Signalerfassung
PT100 wandelt Temperatursignale in Widerstandsausgänge um, und sein Widerstandswert reicht von 0 bis 200Ω. Der AD-Wandler kann nur Spannung umwandeln und die Temperatur nicht direkt erfassen. daher, Zur Stromversorgung des PT100 und zur Umwandlung von Widerstandsänderungen in Spannungsänderungen ist eine 1-mA-Konstantstromquelle erforderlich. Der Vorteil der Verwendung einer Konstantstromquelle besteht darin, dass sie die Lebensdauer des Sensors verlängern kann. Da der Eingangssignalbereich beträgt 0 bis 200mV, Das Signal muss verstärkt und dann AD-gewandelt werden, um elektrische Signaldaten zu erhalten.

Gründe dafür, kein Konstantspannungsquellendesign zu verwenden:

Wenn zur Stromversorgung eine Konstantspannungsquelle verwendet wird, und dann werden der Widerstand und PT100 in Reihe geschaltet, und die Spannung wird geteilt, Es gibt ein Problem. Wenn der Widerstand von PT100 zu klein ist, Der durch PT100 fließende Strom ist zu groß, Dies führt zu einer kürzeren Lebensdauer des Sensors.

2. Der Operationsverstärker verwendet MCP604
MCP604-Funktionen:
1) Der Spannungsbereich liegt zwischen 2,7 und 6,0 ​​V
2) Die Ausgabe erfolgt Rail-to-Rail
3) Betriebstemperaturbereich: -40°C bis +85°C
4) Die Eingangsoffsetspannung beträgt ±3 mV, Der typische Wert beträgt 1 mV, hohe empfindlichkeit.
5) Der Eingangsruhestrom beträgt 1 pA, wenn TA = +85°C, I=20pA, verbessert die Erfassungsgenauigkeit.
6) Linearer Ausgangsspannungshub: VSS+0,1 ~ VDD–0,1, Einheit ist V.

Wenn die Versorgungsspannung 3,3 V beträgt, Der lineare Ausgangsspannungshub beträgt 0,1 bis 3,2 V. Um sicherzustellen, dass das verstärkte Signal im linearen Bereich arbeitet, wenn VDD=3,3V, Wir stellen die Ausgangsspannung des MCP604 so ein, dass sie bei bleibt: 0.5V ~ 2,5 V, um die Anforderungen des Operationsverstärker-Schaltungsdesigns zu erfüllen.

Der Operationsverstärker im Buch der analogen Elektronik ist ein idealer Operationsverstärker, was sich vom tatsächlichen Verstärker unterscheidet. daher, es ist notwendig, darüber nachzudenken “Eingangsoffsetspannung”, “Eingangsruhestrom” Und “linearer Ausgangsspannungshub” beim Entwerfen.

3. Schaltbild
R11 in der Abbildung ist eine Vorspannungsschaltung, um eine Sättigungsverzerrung der letzten Stufe des Differenzverstärkerausgangs zu verhindern.
1) Wählen Sie einen geeigneten Verstärkungsfaktor, um den Ausgabefehler zu reduzieren. Aufgrund der Existenz einer Eingangsoffsetspannung, wenn der Verstärkungsfaktor zunimmt, Der Ausgabefehler wird ebenfalls zunehmen, was bei der Gestaltung berücksichtigt werden muss.
2) Der Verstärkungsfaktor dieser Schaltung beträgt 10. Angenommen, die typische Eingangs-Offsetspannung beträgt 3 mV, wenn sich das Eingangssignal auf 5mV ändert, 2mV wird nicht verstärkt, Dies führt zu einem Ausgangsfehler von 20 mV.

PT100-Temperaturdetektor-Operationsverstärker mit MCP604-Schaltplan

Vo4 = (Vin1 – Vref)*10
I=1mA, Vref=Vo3=1,65 V
1.7V<=Vin<=1,9V, 1.7V<=V02<=1,9
1.8V<=Vo1<=2V, Stellen Sie sicher, dass der Operationsverstärker im linearen Bereich arbeitet, das ist sehr wichtig
0.5V<=Vo4<=2,5V, Stellen Sie sicher, dass der Operationsverstärker im linearen Bereich arbeitet, Aus diesem Grund werden 50 Ω in Reihe benötigt.

Wenn sich der Eingangswiderstand um 1 Ω ändert, Vout ändert sich auf 10 mV. Da die Eingangskompensationsspannung des MCP604 ±3 mV beträgt, bei einer Änderung von 0,3333 Ω, Es wird eine Änderung von 3,333 mV geben, und die Erfassungsempfindlichkeit ist hoch.
Wenn 0<=Rin<=200Ω Eingang, da die Schleife mit 50Ω in Reihe geschaltet ist, 50Oh<=Rx<=250Ω
Vin1 – Vref = Rx*0,001, Einheit A

4. Softwarekalibrierung
Neue Ingenieure versuchen immer, die Genauigkeit von Widerständen zu verbessern, aber der Fehler ist immer noch groß. Manche Ingenieure verwenden einfach stufenlos einstellbare Widerstände, ihre Widerstandswerte anpassen, und verwenden Sie Multimeter, um sicherzustellen, dass der Ausgang der Übertragungsbeziehung entspricht. Diese Genauigkeit scheint verbessert zu sein, aber es ist für die Produktion nicht geeignet, und die Schwierigkeit des PCB-Designs wird ebenfalls erhöht. Auch wenn das Debuggen abgeschlossen ist, wenn die Einstellschraube mit der Hand berührt wird, es kann zu Fehlern kommen. Die einzige Möglichkeit besteht darin, Festwiderstände für die Produktion zu verwenden und Software zu verwenden, um eine genaue Kalibrierung zu erreichen.
1) Wenn Rin=0, Lesen Sie einen Spannungswert ab und notieren Sie ihn als V50. Speichern Sie V50, Es ändert sich nicht mit der Änderung des PT100-Widerstandswerts, da es von einer Konstantstromquelle gespeist wird.
2) Schließen Sie den Nennwiderstand an, sei Rs=100Ω, Lesen Sie einen Spannungswert ab und notieren Sie ihn als V150. Speichern Sie V150, Der Spannungswert, der bei Raumtemperatur abgelesen wird 0.
3) Berechnen Sie den aktuellen Verstärkungsfaktor: Io = (V150 – V50) / Rs; rette mich, es bedeutet, dass die Kalibrierung abgeschlossen ist.
4) Wenn der Eingangswiderstand R ist, Die gemessene Spannung beträgt Vo, dann R = (Vo- V50) / Io
Durch die obige Beschreibung, Die Softwarekalibrierung bietet große Vorteile, nicht nur bequeme Produktion, aber auch hohe Genauigkeit. Um die Genauigkeit zu verbessern, Die Ausgangsspannung kann auch in mehrere Intervalle unterteilt werden, separat kalibriert, und verschiedene Io können erhalten werden, so dass die Ausgangslinearität besser wird. Diese Ideen spiegeln sich in meinem Design wider.

Schaltungsdesign des OP AMP MCP604

5. Temperatur berechnen
Wenn die Temperatur unter liegt 0,
R0*C*t^4 – 100R0*C*t^3 + R0*B*t^2 + R0*A*t + R0 – Rt=0
Wenn die Temperatur größer oder gleich ist 0, Rt=R0*(1+A*t+B*t*t)
Beschreibung:
Rt ist der Widerstandswert des Platinwiderstands bei t℃
R0 ist der Widerstandswert des Platinwiderstands bei 0℃ 100Ω
A=3,9082×10^-3
B=-5,80195×10^-7
C=-4,2735×10^-12

6. Pt100-Temperatursensor
Der Pt100-Temperatursensor ist ein Thermistorsensor mit positivem Temperaturkoeffizienten, und seine wichtigsten technischen Parameter sind wie folgt:
1) Messtemperaturbereich: -200℃ ~ +850℃;
2) Zulässiger Abweichungswert Δ℃: Note A ±(0.15+0.002|T|), Note B ±(0.30+0.005|T|);
3) Mindesteinstecktiefe: Die minimale Einstecktiefe des Thermowiderstandes beträgt ≥200mm;
4) Zulässiger Strom: < 5mA;
5) Der Pt100-Temperatursensor bietet außerdem die Vorteile der Vibrationsfestigkeit, gute Stabilität, hohe Genauigkeit, und Hochdruck. Der Platin-Wärmewiderstand weist eine gute Linearität auf. Beim Wechsel zwischen 0 Und 100 Grad Celsius, die maximale nichtlineare Abweichung beträgt weniger als 0,5℃;
Wenn Temperatur < 0, R0*C*t^4 – 100R0*C*t^3 + R0*B*t^2 + R0*A*t + R0 – Rt=0
Wenn die Temperatur ≥ 0, Rt= R0*(1+A*t+B*t*t)
Gemäß der obigen Beziehung, Der ungefähre Widerstandsbereich beträgt: 18Ω~390,3Ω, -197℃ beträgt 18 Ω, 850Ω beträgt 390,3 Ω;
Beschreibung:
Rt ist der Widerstandswert des Platinwiderstands bei t℃, R0 ist der Widerstandswert des Platinwiderstands bei 0℃, 100Oh
A=3,9082×10^-3, B=-5,80195×10^-7, C=-4,2735×10^-12
Bedienungsanleitung für den Platinmetall-Temperatursensor PT100
6) Schaltungsdesign
7) Zusammenhang zwischen PT100-Temperatur und Widerstand
PT100-Temperatur und -Widerstand erfüllen die folgende Gleichung:
Wenn die Temperatur ≤0, R0*C*t^4 – 100*R0*C*t^3 + R0*B*t^2 + R0*A*t + R0 – Rt=0
Wenn die Temperatur ≥0, R0*B*t^2 + R0*A*t + R0 – Rt =0

PT100-Temperatur- und Widerstandsvergleichstabelle

Beschreibung:
Rt ist der Widerstandswert des Platinwiderstands bei t℃, R0 ist der Widerstandswert des Platinwiderstands bei 0℃, 100Oh
A=3,9082×10^-3, B=-5,80195×10^-7, C=-4,2735×10^-12

1. Zur Vereinfachung der Berechnung, wenn die Temperatur ≤0 ist, lassen:
doppelt a=R0*C*100000=100*(-4.2735×10^-12)*100000=-4,2735/100000
doppelt b=–100*R0*C*100000=-100*100*(-4.2735×10^-12)*100000=4,2735/1000
doppelt c= R0*B*100000=100*(-5.80195×10^-7)*100000=-5,80195
doppelt d=R0*A*100000=100*(3.9082×10^-3)*100000=39082
doppelt e= (100-Rt)*100000
Bei Temperatur ≤ 0, a*t^4 + b*t^3 + c*t^2 + d*t + e=0
wobei x3 die Lösung von PT100 ist, wenn es weniger als 0℃ beträgt.

2. Zur Vereinfachung der Berechnung, wenn die Temperatur größer oder gleich ist 0
doppelt a= R0*B*100000=100*(-5.80195×10^-7)*100000=-5,80195
doppelt b=R0*A*100000=100*(3.9082×10^-3)*100000=39082
doppeltes c= (100-Rt)*100000
Wenn die Temperatur ≥0 ist, a*t^2 + Mist + c =0
t = [ SQRT( b*b – 4*a*c )-B ] / 2 / A
19.785Ω entspricht -197℃, die Temperatur von flüssigem Stickstoff
18.486Ω entspricht -200℃
96.085Ω entspricht -10℃
138.505Ω entspricht 100℃
175.845Ω entspricht 200℃
247.045Ω entspricht 400℃