Circuito de adquisición de temperatura de la sonda del sensor PT100 y PT1000

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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Solución de circuito de adquisición de temperatura PT100/PT1000
1. Temperature resistance change table of PT100 and PT1000 sensors
Resistencias térmicas metálicas como el níquel., copper and platinum resistors have a positive correlation with the change of temperature. El platino tiene las propiedades físicas y químicas más estables y es el más utilizado.. 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, etc.. se reducen sucesivamente. Pt1000, temperature measurement range is -200～420℃. Según el estándar internacional IEC751, las características de temperatura de la resistencia de platino Pt1000 cumplen los siguientes requisitos:

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Según la curva característica de temperatura Pt1000, the slope of the resistance characteristic curve changes slightly within the normal operating temperature range (como se muestra en la figura 1). The approximate relationship between resistance and temperature can be obtained through linear fitting:

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1.1 Tabla de cambio de resistencia de temperatura PT100

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1.2 Tabla de cambio de resistencia de temperatura PT1000

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2. Soluciones de circuitos de adquisición de uso común

2. 1 Resistor voltage divider output 0~3.3V/3V analog voltage single chip AD port direct acquisition
El rango de salida de voltaje del circuito de medición de temperatura es de 0 ~ 3,3 V., PT1000 (El valor de resistencia PT1000 cambia mucho, and the temperature measurement sensitivity is higher than PT100; PT100 es más adecuado para mediciones de temperatura a gran escala).

La forma más sencilla es utilizar el método de división de voltaje.. 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, y 3140. The chip uses a SOT-32 package and a 5V input voltage. El voltaje de salida se puede seleccionar de acuerdo con el voltaje de referencia requerido.. Por supuesto, according to the normal voltage input range of the AD port of the microcontroller, no puede exceder 3V/3.3V.

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2.2 Resistor voltage division output 0~5V analog voltage, and the AD port of the microcontroller directly collects it.
Por supuesto, 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.
Por ejemplo, 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. Recordar, el voltaje de salida teórico calculado no puede exceder +5V. De lo contrario, the microcontroller will be damaged.

2.3 La medida de puente más utilizada.

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Use R11, R12, R13 and Pt1000 to form a measurement bridge, donde R11=R13=10k, R12=1000R precision resistor. Cuando el valor de resistencia de Pt1000 no es igual al valor de resistencia de R12, the bridge will output a mV level voltage difference signal. Esta señal de diferencia de voltaje es amplificada por el circuito amplificador del instrumento y genera la señal de voltaje deseada., which can be directly connected to the AD conversion chip or the AD port of the microcontroller.

El principio de medición de resistencia de este circuito.:

1) PT1000 es un termistor, and its resistance changes basically linearly with the change of temperature.

2) En 0 grados, la resistencia del PT1000 es 1kΩ, entonces Ub y Ua son iguales, eso es, Uba = Ub – hacer = 0.
3) Suponiendo que a una determinada temperatura, la resistencia del PT1000 es 1,5kΩ, entonces Ub y Ua no son iguales. According to the voltage divider principle, we can find Uba = Ub – Hacer > 0.
4) OP07 es un amplificador operacional, and its voltage amplification factor A depends on the external circuit, donde A = R2/R1 = 17.5.
5) El voltaje de salida Uo de OP07 = Uba * A. Entonces, si usamos un voltímetro para medir el voltaje de salida del OP07, podemos inferir el valor de Uab. Dado que Ua es un valor conocido, podemos calcular además el valor de Ub. Entonces, using the voltage divider principle, Podemos calcular el valor de resistencia específica de PT1000.. Este proceso se puede lograr mediante el cálculo del software..
6) Si conocemos el valor de resistencia de PT1000 a cualquier temperatura, we only need to look up the table according to the resistance value to know the current temperature.

2.4 Fuente de corriente constante
Debido al efecto de autocalentamiento de la resistencia térmica., 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. Se ha comprobado que el autocalentamiento de la resistencia de platino PT100 de 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. Sin embargo, si la corriente es demasiado pequeña, es susceptible a la interferencia de ruido, so it is generally taken at 0.5 a 2 mamá, por lo que la fuente de corriente constante se selecciona como una fuente de corriente constante de 1 mA.

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. El circuito se muestra en la figura.:
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The operational amplifier CA3140 is used to improve the load capacity of the current source, y la fórmula de cálculo para la corriente de salida es:
Insert picture description here The resistor should be a 0.1% resistencia de precisión. La corriente de salida final es 0.996mA, eso es, la precisión es 0.4%.
El circuito fuente de corriente constante debe tener las siguientes características:
Estabilidad de temperatura: Dado que nuestro entorno de medición de temperatura es de 0-100 ℃, La salida de la fuente de corriente no debe ser sensible a la temperatura.. And TL431 has an extremely low temperature coefficient and low temperature drift.

Buena regulación de carga: Si la onda actual es demasiado grande, causará errores de lectura. Según el análisis teórico.. Since the input voltage varies between 100-138.5mV, y el rango de medición de temperatura es 0-100 ℃, la precisión de la medición de temperatura es ±1 grado Celsius, por lo que el voltaje de salida debe cambiar en 38,5/100 = 0,385 mV por cada aumento de 1 ℃ en la temperatura ambiente. Para garantizar que la fluctuación actual no afecte la precisión, considere el caso más extremo, en 100 grados Celsius, el valor de resistencia de PT100 debe ser 138.5R. Entonces la ondulación actual debería ser inferior a 0,385/138,5 = 0,000278 mA., eso es, the change in current during the load change should be less than 0.000278mA. En la simulación real, la fuente actual permanece básicamente sin cambios.

3. Solución de circuito de adquisición AD623
El principio puede referirse al principio de medición del puente anterior..
Adquisición de baja temperatura:
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Adquisición de alta temperatura
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4. Solución de circuito de adquisición AD620
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
Adquisición de temperatura en algún complejo., Los entornos hostiles o especiales estarán sujetos a una gran interferencia., incluyendo principalmente EMI y REI. Por ejemplo, en la aplicación de la adquisición de temperatura del motor, high-frequency disturbances caused by motor control and high-speed rotation of the motor.

También existe una gran cantidad de escenarios de control de temperatura dentro de vehículos de aviación y aeroespaciales., que miden y controlan el sistema de energía y el sistema de control ambiental.. El núcleo del control de temperatura es la medición de la temperatura.. Dado que la resistencia del termistor puede cambiar linealmente con la temperatura, El uso de resistencia de platino para medir la temperatura es un método eficaz de medición de temperatura de alta precisión.. Los principales problemas son los siguientes.:
1. La resistencia en el cable se introduce fácilmente, afectando así la precisión de la medición del sensor;
2. In certain strong electromagnetic interference environments, the interference may be converted into DC output offset error after being rectified by the instrument amplifier, afectando la precisión de la medición.

5.1 Circuito de adquisición PT1000 aeroespacial
Consulte el diseño de un circuito de adquisición PT1000 aerotransportado para detectar interferencias antielectromagnéticas en una determinada aviación..

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Se coloca un filtro en el extremo más externo del circuito de adquisición.. The PT1000 acquisition preprocessing circuit is suitable for anti-electromagnetic interference preprocessing of airborne electronic equipment interfaces; the specific circuit is:
El voltaje de entrada de +15 V se convierte en una fuente de voltaje de alta precisión de +5 V a través de un regulador de voltaje.. 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. La salida del amplificador operacional está conectada a la entrada inversora para formar un seguidor de voltaje., y la entrada inversora está conectada al puerto de tierra del regulador de voltaje para garantizar que el voltaje en la entrada en fase sea siempre cero. Después de pasar por el filtro S2, un extremo A de la resistencia PT1000 se divide en dos caminos, one through resistor R4 as the differential voltage input D, y uno a través de la resistencia R2 a AGND. Después de pasar por el filtro S3, el otro extremo B de la resistencia PT1000 se divide en dos caminos, one through resistor R5 as the differential voltage input E, y uno a través de la resistencia R3 a AGND. D y E están conectados a través del condensador C3., D está conectado a AGND a través del condensador C1, y E está conectado a AGND a través del condensador C2. The precise resistance value of PT1000 can be calculated by measuring the differential voltage across D and E.

El voltaje de entrada de +15 V se convierte en una fuente de voltaje de alta precisión de +5 V a través de un regulador de voltaje.. El +5V está conectado directamente a R1. El otro extremo de R1 se divide en dos caminos., uno conectado a la entrada en fase del amplificador operacional, and the other connected to the A end of the PT1000 resistor through the T-type filter S1. La salida del amplificador operacional está conectada a la entrada inversora para formar un seguidor de voltaje., y la entrada inversora está conectada al puerto de tierra del regulador de voltaje para garantizar que el voltaje en la entrada inversora sea siempre cero. En este momento, la corriente que fluye a través de R1 es una constante de 0,5 mA. El regulador de voltaje utiliza AD586TQ/883B, y el amplificador operacional usa OP467A.

Después de pasar por el filtro S2, un extremo A de la resistencia PT1000 se divide en dos caminos, uno a través de la resistencia R4 como extremo de entrada de voltaje diferencial D, y uno a través de la resistencia R2 a AGND. Después de pasar por el filtro S3, el otro extremo B de la resistencia PT1000 se divide en dos caminos, uno a través de la resistencia R5 como el extremo de entrada de voltaje diferencial E, y uno a través de la resistencia R3 a AGND. D y E están conectados a través del condensador C3., D está conectado a AGND a través del condensador C1, y E está conectado a AGND a través del condensador C2.
La resistencia de R4 y R5 es de 4,02 k ohmios., la resistencia de R1 y R2 es de 1M ohmios, la capacitancia de C1 y C2 es 1000pF, y la capacitancia de C3 es 0.047uF. R4, R5, C1, C2, y C3 juntos forman una red de filtro RFI. 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. El cálculo de la frecuencia de corte de -3 dB de la interferencia en modo común y la interferencia en modo diferencial transportada en la señal de entrada se muestra en la fórmula:

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Sustituir el valor de resistencia en el cálculo., la frecuencia de corte del modo común es 40kHZ, y la frecuencia de corte del modo diferencial es 2,6 KHZ.
El punto final B está conectado a AGND a través del filtro S4. Entre ellos, Los terminales de tierra del filtro de S1 a S4 están todos conectados a la tierra de blindaje de la aeronave.. Dado que la corriente que fluye a través del PT1000 es de 0,05 mA, El valor de resistencia preciso de PT1000 se puede calcular midiendo el voltaje diferencial en ambos extremos de D y E..
S1 a S4 utilizan filtros tipo T, modelo GTL2012X‑103T801, with a cutoff frequency of M±20%. Este circuito introduce filtros de paso bajo en las líneas de interfaz externa y realiza filtrado RFI en el voltaje diferencial.. Como circuito de preprocesamiento para PT1000, Elimina eficazmente las interferencias de radiación electromagnética y RFI., lo que mejora enormemente la confiabilidad de los valores recopilados. Además, El voltaje se mide directamente desde ambos extremos de la resistencia PT1000., eliminando el error causado por la resistencia del cable y mejorando la precisión del valor de resistencia.

5.2 filtro tipo T
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El filtro tipo T consta de dos inductores y condensadores.. Ambos extremos tienen alta impedancia., y su rendimiento de pérdida de inserción es similar al del filtro tipo π, pero no es propenso a “El sonar” y se puede utilizar en circuitos de conmutación.