Temperaturmesssystem des thermischen Widerstandssensors PT100

2-Draht, 3-Draht oder 4-Draht PT100, Pt500, PT1000 -Sensoren sind Temperatursensoren, die auf Platinelementen mit hoher Genauigkeit basieren, Stabilität und Linearität, und werden in Feldern, die eine genaue Temperaturmessung erfordern. A “PT100 Wärmewiderstandstemperaturmesssystem” Bezieht sich auf ein System, das einen PT100 -Sensor verwendet, eine Art von Widerstandstemperaturdetektor (FTE), Messung der Temperatur durch Erfassungsänderungen in seinem elektrischen Widerstand, die direkt proportional zur Temperatur sind; “Pt” steht für Platin, Und “100” zeigt an, dass der Sensor einen Widerstand von hat 100 Ohm bei 0 ° C ist es zu einer sehr genauen und stabilen Methode für die Temperaturmessung über einen weiten Bereich.

Platinwiderstände werden häufig im mittleren Temperaturbereich eingesetzt (-200~650℃). Derzeit, Auf dem Markt sind standardmäßig Thermowiderstände zur Temperaturmessung aus Metall Platin erhältlich, wie Pt100, Pt500, Pt1000, usw.

Verstehen Sie das Arbeitsprinzip von PT100: PT100 ist ein Temperatursensor des PT -Widerstands. Das Arbeitsprinzip basiert auf dem thermischen Effekt des Widerstands. Sein Widerstandswert ändert sich mit der Temperaturänderung. Diese Änderung ist linear. Bei 0 ℃, Der Widerstandswert von PT100 ist 100 Ohm. Wenn die Temperatur steigt, Der Widerstandswert nimmt auch entsprechend zu, Die Temperatur kann also durch Messung des Widerstandswerts genau abgeleitet werden.

Hochpräzises 4-Leiter-PT100-Temperaturmesssystem der Klasse A

2-Draht PT100 Platinwiderstandstemperaturkontroll -Sondenmessungstemperaturmesssystem

3-Temperaturmesssystem für Wärmewiderstandssensor Temperature PT100 verdrahten

Wählen Sie die entsprechende Verdrahtungsmethode: Allgemein, 2-Draht, 3-Kabelverdrahtungsmethoden für Draht oder 4-Draht können verwendet werden.

Die Spannungssignalausgabe durch die Brücke

Schlüsselpunkte über ein PT100 -System:
Sensorprinzip:
Der PT100 -Sensor besteht aus einem Platindraht, dessen elektrischer Widerstand vorhersehbar mit Temperaturschwankungen ändert.

Messmethode:
Wenn ein Strom durch den PT100 weitergeleitet wird, Der Spannungsabfall über den Sensor wird gemessen, Dies wird dann auf der Grundlage der bekannten Beziehung zwischen Widerstand und Temperatur auf Temperatur umgewandelt.

Breite Anwendung:
PT100 -Sensoren werden häufig in industriellen Prozessen eingesetzt, Labors, und andere Anwendungen, bei denen eine präzise Temperaturmessung aufgrund ihrer hohen Genauigkeit und Stabilität erforderlich ist.

Komponenten eines PT100 -Systems:
PT100 -Sensorsonde:
Das eigentliche Erfassungselement, Typischerweise ein Platindraht, der um einen Keramikkern gewickelt ist, die in die zu gemessene Umgebung eingeführt wird.

Signalkonditionierungsschaltung:
Elektronik, die die Änderung des kleinen Widerstands vom PT100 in ein messbares Spannungssignal verstärkt und umwandelt.

Anzeige- oder Datenerfassungssystem:
Geräte, das die gemessene Temperatur anzeigt oder die Daten für die Analyse speichert.

Vorteile der Verwendung eines PT100 -Systems:
Hohe Genauigkeit:　Gilt als einer der genauesten Temperatursensoren zur Verfügung.
Großer Temperaturbereich:　Kann je nach Sensordesign Temperaturen von -200 °C bis 850 °C messen.
Gute Linearität:　Die Beziehung zwischen Widerstand und Temperatur ist sehr linear, Für eine einfache Dateninterpretation durchführen.
Stabilität:　Platin ist ein sehr stabiles Material, Gewährleistung einer konsistenten Lesungen im Laufe der Zeit.

PT100 Wärmewiderstandsindexierungstabelle

Die drei Kabelmethoden des PT100 -Platinwiderstands sind grundsätzlich unterschiedlich: 2-Draht und 3-Draht werden mit der Brückenmethode gemessen, und die Beziehung zwischen Temperaturwert und analogem Ausgangswert ist am Ende angegeben. 4-Draht hat keine Brücke. Es wird vollständig durch konstante Stromquelle gesendet, gemessen mit Voltmeter, und gibt schließlich den gemessenen Widerstandswert an, das ist schwierig und kostspielig zu bedienen.
Weil PT100 einen kleinen Widerstandswert und eine hohe Empfindlichkeit hat, Der Widerstandswert des Bleidrahtes kann nicht ignoriert werden. Die Verwendung von 3-Wire-Verbindung kann den durch den Bleilinienwiderstand verursachten Messfehler beseitigen.
Das 2-Draht-System hat eine schlechte Messgenauigkeit; Das 3-Draht-System hat eine bessere Genauigkeit; Das 4-Draht-System hat eine hohe Messgenauigkeit, benötigt aber mehr Drähte.

Wir müssen nur den Temperaturzustand von PT100 basierend auf dem Spannungssignalausgang durch die Brücke kennen. Wenn der Widerstandswert von PT100 nicht gleich dem Widerstandswert von Rx ist, Die Brücke gibt ein Differenzdrucksignal aus, Welches ist sehr klein. Da das Ausgangssignal des Temperatursensors im Allgemeinen sehr schwach ist, Eine Signalkonditionierung und eine Umrechnungsschaltung ist erforderlich, um ihn zu verstärken oder in ein Formular umzuwandeln, das leicht zu übertragen ist, Verfahren, Aufzeichnung und Anzeige. Die leichte Änderung der gemessenen Signalmenge muss in ein elektrisches Signal umgewandelt werden. Bei der Verstärkung des DC -Signals, Die Selbstdrift und die unausgeglichene Spannung des OP-Verstärkers können beim Durchlaufen des OP-Verstärkers nicht ignoriert werden. Nach Verstärkung, Ein Spannungssignal der gewünschten Größe kann ausgegeben werden.
Der Widerstandswert des Platinwiderstands kann durch Schaltungsberechnung oder Multimetermessung erhalten werden. Wenn wir den Widerstandswert von PT100 kennen, Wir können die Temperatur durch den Widerstandswert messen und berechnen.

Verwenden Sie geeignete Algorithmen für die Datenverarbeitung: Verwenden Sie die bekannte Temperatur- und Widerstandsbeziehung, um die Temperatur durch Programmierung zu berechnen. In Anbetracht der Tatsache, dass die Resistenztemperaturbeziehung von PT100 nichtlinear ist, vor allem in Bereichen mit niedrigen oder hohen Temperaturen, Möglicherweise sind komplexere Algorithmen erforderlich, um die Genauigkeit zu verbessern.

Auswirkungen von Umweltfaktoren: Die Leistung kann durch Umweltfaktoren wie elektromagnetische Störungen beeinflusst werden, mechanische Schwingung, und Luftfeuchtigkeit.

Es gibt drei gemeinsame Berechnungsmethoden für Temperaturmessungen:
Temperaturmessungsberechnungsmethode 1:
Wenn die genaue Temperatur nicht benötigt wird, Die Temperatur steigt für jeden Ohm -Anstieg des Widerstandswerts des PT100 -Wärmewiderstands um 2,5 ° C an (bei niedrigen Temperaturen verwendet). Der Widerstandswert des PT100 -Temperatursensors ist 100 Wenn es 0 ℃ ist, Also die ungefähre Temperatur zu diesem Zeitpunkt = (PT100 Widerstandswert 100)*2.5.

Temperaturmessungsberechnungsmethode 2:
Beziehung zwischen dem Widerstandswert und der Temperatur des Platinwiderstands

Im Bereich von 0 ～ 850 ℃: RT = R0(1+AT+BT2);

Im Bereich von -200 ～ 0 ℃: RT = R0[1+At+bt2+c(t-100)3];

RT repräsentiert den Widerstandswert des Platinwiderstands bei Temperatur t ℃;

R0 repräsentiert den Widerstandswert des Platinwiderstands bei Temperatur 0 ℃;

A, B, C sind Konstanten, A = 3,96847 × 10-3/℃; B = -5,847 × 10-7/℃; C = -4,22 × 10-12/℃;

Für den thermischen Widerstand, der die obige Beziehung entspricht, Der Temperaturkoeffizient beträgt ca. 3,9 × 10-3/℃.

Durch die obige Formel, Die Temperatur kann entsprechend dem Widerstandswert genau gelöst werden, aber aufgrund der großen Berechnung dieser Methode, Für dieses Experiment wird nicht empfohlen.

Temperaturberechnungsmethode drei:
PT100 hat eine gute lineare Beziehung zur Temperatur und ist für die Messung mittlerer und niedriger Temperatur geeignet. Der Widerstandswert von PT100 bei unterschiedlichen Temperaturen hat eine eins zu eins entsprechende Messskala, wie in der folgenden Abbildung gezeigt, Dies kann die entsprechende Beziehung zwischen verschiedenen Temperaturen und dem Widerstandswert von PT100 intuitiv zeigen.
Die Temperatur kann durch Überprüfung des entsprechenden Widerstandswerts über die PT100 -Skala bekannt sein.

PT100 Wärmewiderstandskala

Das in diesem Papier entwickelte PT100-Temperaturmessgerät verwendet die häufig verwendeten kostengünstigen Vier-Wege-Betriebsverstärker LM324.

1.1 Spannungsquellenschaltung

PT100 Wärmewiderstandssensor Spannungsquellenschaltung

Die Schaltung in Abbildung 1 ist eine häufige proportionale Betriebsschaltung. Gemäß der Analyse des idealen operativen Verstärkers, der im linearen Bereich arbeitet, Nach dem Prinzip der virtuellen kurzen und virtuellen Pause, es wird erhalten:

Formel für die Berechnungsschaltung der Weizensteinbrücke

​, Dann ist der Spannungsverstärkungsfaktor mit geschlossener Schleife 2 mal, und dann wird V = 10 V erhalten, und es wird als stabile Stromversorgungsspannung der Weizensteinbrückenkreis verwendet.

1.2 Drei-Draht-Verbindung von Wheatstone Bridge und PT100.
Die obige Abbildung ist eine Weizensteinbrücke. Die Bedingung, dass die Brücke ausgeglichen wird. Also, wenn die Brücke ausgeglichen ist, solange R1, R2 (normalerweise feste Werte) und r0 (Normalerweise einstellbare Werte) werden gelesen, Der zu gemessene Widerstand RX kann erhalten werden. R1/R2 = m, angerufen “Multiplikator”.

Weizensteinbrücke und PT100 Drei-Draht-Verbindungsmethode

Nach dem PT100 -Temperaturmessungsprinzip, Der Widerstandswert von PT100 muss richtig bekannt sein, Der Widerstandswert kann jedoch nicht direkt gemessen werden, Es ist also eine Umrechnungskreislauf erforderlich. Der Widerstandswert wird in ein Spannungssignal umgewandelt, das vom Mikrocontroller erkannt werden kann”. Der Weizensteinbrückenkreis ist ein Instrument, das den Widerstand korrekt messen kann. Wie in Abbildung gezeigt 2, R1, R2, R3, und R4 sind seine Brückenarme jeweils. Wenn die Brücke ausgeglichen ist, R1xr3 = r2xr4 ist zufrieden. Wenn die Brücke unausgeglichen ist, Es wird einen Spannungsunterschied zwischen den Punkten A und B geben. Nach der Spannung der Punkte A und B, Der entsprechende Widerstand kann berechnet werden. Dies ist das Prinzip der Messung des Widerstands mit einer unausgeglichenen Brücke:

PT100 Drei-Draht-Schaltungsverbindungsmethode

Tatsächlich, Aufgrund des geringen Widerstands und der hohen Empfindlichkeit von PT100, Der Widerstand des Bleidrahtes verursacht Fehler. daher, Die Drei-Draht-Verbindungsmethode wird in der Industrie häufig verwendet, um diesen Fehler zu beseitigen. Wie im gepunkteten Teil der Figur gezeigt 2, Der Bleidrahtwiderstandswert ist gleich und ist r. Zu diesem Zeitpunkt, Die Brückenarme werden r, R, R+2R, und RT+2R. Wenn die Brücke ausgeglichen ist: R2. (R1+2R) = R1.(R3+2R), aussortiert: RT = R1R3/ R2+2 R1R/ R2- 2R. Die Analyse zeigt, dass bei R1 = R2, Die Änderung des Drahtwiderstands hat keinen Einfluss auf das Messergebnis.

1.3 Drei-Op-Ampere-Instrumentierungsverstärkerschaltung
Wenn sich die Temperatur von 0 ℃ ~ 100 ℃ ändert, Der Widerstand von PT100 ändert sich ungefähr linear im Bereich von 100 € ~ 138,51 Ω. Gemäß der obigen Brückenschaltung, Die Brücke ist bei 0 ℃ ausgeglichen, Der theoretische Wert der Brückenausgangsspannung sollte also sein 0 V, und wenn die Temperatur 100 ℃ beträgt, Die Brückenausgabe ist: UAB = U7X(R1/(R1+ R2)-R3/(R2 + R3)), das ist, UAB = 10x(138.51/(10000 + 138.51)-100/(10000 + 100)) = 0,037599V. Da ist dies ein Millivolt -Signal, Es ist notwendig, diese Spannung zu verstärken, um sie durch den AD -Chip nachweisbar zu machen.

Wie in Abbildung gezeigt 3, Der Instrumentierungsverstärker ist ein Gerät, das kleine Signale in einer lauten Umgebung verstärkt. Es hat eine Reihe von Vorteilen wie niedrige Drift, Niedriger Stromverbrauch, Hoch-Common-Mode-Abstoßungsverhältnis, Weitstromversorgungsbereich und geringe Größe. Es verwendet die Eigenschaften von differentiellen kleinen Signalen, die auf größeren Common-Mode-Signalen überlagert sind, Dies kann Common-Mode-Signale entfernen und gleichzeitig Differentialsignale verstärken. Die Ausgangsspannung des standardmäßigen Drei-Op-Ampere-Instrumentierungsverstärkers ist, Hier r8 = r10 = 20 kΩ, R9 = R11 = 20 kΩ, R4 = R7 = 100 kΩ, Dies kann das Eingangsspannungssignal um ungefähr verstärken 150 mal, so dass die theoretische Ausgangsspannung der Brücke verstärkt werden kann 0 ~ 2,34 v. Dies ist jedoch nur ein theoretischer Wert. Im tatsächlichen Prozess, Es gibt viele Faktoren, die Widerstandsänderungen verursachen können. daher, R3 kann durch einen präzisionsverstellbaren Widerstand ersetzt werden, um die Schaltung Nullierung zu erleichtern.

PT100-Sensor-Drei-Op-Amp-Instrumentenverstärkerschaltung

2. Software -Design

2.1 Die Methode der kleinsten Quadrate und PT100 -Linearanpassung

Im Temperaturbereich von 0 ℃ ≤ T ≤ 850 ℃, Die Beziehung zwischen PT100 -Widerstand und Temperatur ist: R = 100 (1 +AT+BT2), wobei a = 3,90802x 10-3; B =- -5.80X 10-7; C = 4,2735 x 10-12

Es ist ersichtlich, dass der Widerstand von PT100 und Temperatur keine absolute lineare Beziehung ist, sondern eine Parabel. daher, Wenn t extrahiert werden soll, Ein Quadratwurzelbetrieb ist erforderlich, Dies führt zu einem komplexeren Funktionsbetrieb und nimmt eine große Menge an CPU-Ressourcen des Single-Chip-Mikrocomputers ein. Dieses Problem zu lösen, Wir können die Methode mit der kleinsten Quadrate verwenden, um die Beziehung zwischen Temperatur und Widerstand linear zu erreichen. ” Die Kurvenanpassung der kleinsten Quadrate ist eine gemeinsame Methode für die experimentelle Datenverarbeitung. Sein Prinzip besteht darin, eine Polynomfunktion zu finden, um die Summe der Quadratfehler mit den Originaldaten zu minimieren.

2.2 AD -Digitalumwandlungstemperatur
Das PT100 -Temperaturmessungsprinzip besteht darin, den Temperaturwert basierend auf seinem Widerstandswert zu erhalten, Daher muss der Widerstandswert des thermischen Widerstands zuerst bestimmt werden. Laut der Hardware -Schaltung, Die Beziehung zwischen der Ausgangsspannung UAB der Brückenschaltung und der Ausgangsspannungs -UAD des Op -Amp -Instrumentenverstärkers ist: Nod = Jav. AUF, weil das System einen 12-Bit-Anzeigenchip verwendet, Die Beziehung zwischen der digitalen Menge und der analogen Menge ist: Uad/ad = 5/4096. Die Beziehung zwischen der Brückenausgangsspannung und der digitalen Menge AD kann durch Kombination der beiden vorherigen Gleichungen erhalten werden, das ist, Uad/ad = 5//(4096Auf). Dann, Es wird in den Brückenausgangsspannungsausdruck uab = u7x eingesetzt (Rt/ (R1+Rt) -R3/ (R2+R3) ), und der Ausdruck von RR und der digitalen Menge AD kann erhalten werden. Die Lösung ist:

AD -Digitalumwandler -Temperaturformel

Nachdem Sie den Widerstandswert von PT100 kennen, Der entsprechende Temperaturwert kann gemäß der linearen Anpassungsgleichung im Abschnitt erhalten werden 2.1.

2.3 Single-chip digital filtering
In order to improve the temperature measurement accuracy of PT100, a digital filtering program can be added in the software programming, which does not require the addition of hardware circuits and can improve the stability and reliability of the system. There are many filtering methods in the single-chip microcomputer application system. When making a specific selection, the advantages and disadvantages of the filtering method and the applicable objects should be analyzed and compared, so as to select the appropriate filtering method. The algorithm of the median average filtering method is to first continuously collect N data, then remove a minimum value and a maximum value, and finally calculate the arithmetic mean of the remaining data. Diese Filtermethode eignet sich zum Messen von Parametern, die sich langsam ändern, wie Temperatur, und kann die durch versehentlichen Faktoren oder Fehler verursachten Schwankungen, die durch die Instabilität der Stichproben verursacht werden, effektiv verringern.

Systemarbeitsprozess:
Wenn sich die gemessene Temperatur des Objekts ändert, Der Widerstand von PT100 ändert sich, und die Weizensteinbrücke gibt ein entsprechendes Spannungssignal aus. Dieses Signal ist eine Funktion des Widerstands von PT100. Dieses Millivolt-Signal wird durch einen Drei-Op-Ampere-Instrumentierungsverstärker verstärkt und an den AD-Chip gesendet, die die analoge Menge in eine digitale Menge umwandelt und vom Mikrocontroller gelesen wird. Der Mikrocontroller liest den Chip aus dem Anzeigenchip und führt das Filterprogramm aus, Umwandlung der stabilen digitalen Menge in den Widerstand von PT100 durch Berechnung. Anschließend wählt der Mikrocontroller das entsprechende lineare Modell der ausgestatteten Ausstattung gemäß der Größe des Widerstandswerts aus, um den Stromtemperaturwert zu berechnen, und zeigen Sie schließlich die Temperaturdaten auf der LCD -Anzeige an.