Adquisición de temperatura de 2, 3, y sensores de temperatura PT100 de 4 hilos

El artículo presenta cómo 2, 3, y los sensores PT100 de 4 hilos se convierten en señales de voltaje a través de cambios de resistencia, y se utiliza una fuente de corriente constante para proteger el sensor y garantizar la precisión de la conversión de la señal. Un sensor PT100 adquiere temperatura midiendo el cambio en su resistencia eléctrica, que se correlaciona directamente con la temperatura a la que está expuesto; a medida que aumenta la temperatura, La resistencia del elemento de platino dentro del sensor también aumenta., permitiendo un cálculo preciso de la temperatura basado en este cambio de resistencia; esencialmente, el “100” en PT100 significa que el sensor tiene una resistencia de 100 ohmios a 0°C, y este valor cambia de forma predecible con las fluctuaciones de temperatura. La aplicación del amplificador operativo MCP604 en el diseño del circuito enfatiza el impacto de sus características, como el voltaje de desplazamiento de entrada baja y la corriente de sesgo en la precisión. La calibración del software se utiliza para mejorar la precisión en el diseño de circuitos, Evitar el inconveniente del ajuste físico. Finalmente, El artículo proporciona la fórmula de relación entre la temperatura y el valor de resistencia al platino, que se usa para calcular el valor de temperatura.

Diseño de adquisición de temperatura del sensor de temperatura PT100 de 2 hilos

Adquisición de temperatura del sensor de temperatura PT100 personalizado de 3 hilos de China

Adquisición de temperatura del sensor de temperatura PT100 de 4 hilos

Puntos clave sobre la adquisición de temperatura PT100:
Detector de temperatura de resistencia (IDT):
PT100 es un tipo de RTD, lo que significa que mide la temperatura detectando cambios en su resistencia eléctrica.
Elemento platino:
El elemento de detección en un PT100 está hecho de platino, que exhibe una relación muy estable y lineal entre resistencia y temperatura.
Proceso de medición: El sensor se coloca en el entorno donde la temperatura debe medirse.
La resistencia del elemento de platino se mide utilizando un circuito electrónico dedicado.
El valor de resistencia medido se convierte a temperatura utilizando una fórmula matemática basada en el coeficiente de temperatura conocido de platino.

Ventajas de los sensores PT100:
Alta precisión: Considerado uno de los sensores de temperatura más precisos disponibles debido al comportamiento estable del platino.
Amplio rango de temperatura:　Puede medir las temperaturas de -200 ° C a 850 ° C dependiendo del diseño del sensor.
Buena linealidad: La relación entre resistencia y temperatura es relativamente lineal, Simplificar la interpretación de datos.

Consideraciones importantes:
Calibración: Para garantizar medidas precisas, Los sensores PT100 deben calibrarse regularmente con un estándar de referencia.
Resistencia al cable de plomo: La resistencia de los cables de conexión puede afectar la precisión de la medición, por lo que a menudo es necesaria una consideración adecuada de la compensación de cable de plomo.
Idoneidad de la aplicación: Mientras que altamente preciso, Los sensores PT100 pueden no ser adecuados para entornos o aplicaciones extremadamente duras que requieren tiempos de respuesta muy rápidos.

1. Principios básicos de adquisición de señales
PT100 convierte las señales de temperatura en salidas de resistencia, y su valor de resistencia se extiende desde 0 a 200Ω. El convertidor AD solo puede convertir el voltaje y no puede recoger directamente la temperatura. Por lo tanto, Se requiere una fuente de corriente constante de 1 mA para alimentar el PT100 y convertir los cambios de resistencia en cambios de voltaje. El beneficio de usar una fuente de corriente constante es que puede extender la vida útil del sensor. Dado que el rango de señal de entrada es 0 a 200 mv, La señal debe amplificarse y luego AD convertirse para obtener datos de señal eléctrica.

Razones para no usar el diseño de fuente de voltaje constante:

Si se utiliza una fuente de voltaje constante para la fuente de alimentación, y luego la resistencia y el PT100 están conectados en serie, y el voltaje se divide, Hay un problema. Cuando la resistencia de PT100 es demasiado pequeña, la corriente que fluye a través de PT100 es demasiado grande, resultando en una vida de sensor más corta.

2. El amplificador operacional usa MCP604
Características de MCP604:
1) El rango de voltaje es 2.7 ~ 6.0V
2) La salida es riel a riel
3) Rango de temperatura de funcionamiento: -40° C a +85 ° C
4) El voltaje de compensación de entrada es de ± 3 mv, El valor típico es 1 mv, alta sensibilidad.
5) La corriente de sesgo de entrada es 1PA, Cuando ta = +85 ° C, I = 20pa, Mejora la precisión de la adquisición.
6) Swing de voltaje de salida lineal: VSS+0.1 ~ VDD - 0.1, la unidad es V.

Cuando el voltaje de la fuente de alimentación es de 3.3V, La oscilación de voltaje de salida lineal es 0.1 ~ 3.2V. Para garantizar que la señal amplificada funcione en la región lineal, Cuando vdd = 3.3V, Configuramos el voltaje de salida MCP604 para permanecer en: 0.5V ~ 2.5V para cumplir con los requisitos del diseño del circuito de AMP OP.

El amplificador operacional en el libro de electrónica analógica es un amplificador operativo ideal, que es diferente del amplificador real. Por lo tanto, Es necesario considerar “voltaje de compensación de entrada”, “corriente de sesgo de entrada” y “swing de voltaje de salida lineal” Al diseñar.

3. Diagrama de circuito
R11 en la figura es un circuito de polarización para evitar la última etapa de salida del amplificador diferencial de la distorsión de la saturación.
1) Seleccione un factor de amplificación adecuado para reducir el error de salida. Debido a la existencia del voltaje de compensación de entrada, Cuando aumenta el factor de amplificación, El error de salida también aumentará, que debe considerarse en el diseño.
2) El factor de amplificación de este circuito es 10. Suponiendo que el voltaje de desplazamiento de entrada típico es de 3 mV, Si la señal de entrada cambia a 5 mv, 2MV no se amplificará, que producirá un error de salida de 20 mv.

Amp del detector de temperatura PT100 con el diagrama de circuito MCP604

VO4 = (Vin1 – Vref)*10
IO = 1MA, Vref = VO3 = 1.65V
1.7V<= Vin<= 1.9V, 1.7V<= V02<= 1.9
1.8V<= VO1<= 2V, Asegúrese de que el amplificador operacional funcione en la región lineal, Esto es muy importante
0.5V<= VO4<= 2.5V, Asegúrese de que el amplificador operacional funcione en la región lineal, Es por eso que se necesita 50Ω en serie.

Cuando la resistencia de entrada cambia en 1Ω, Cambios de Vout a 10 mv. Dado que el voltaje de compensación de entrada de MCP604 es de ± 3 mv, Cuando hay un cambio de 0.3333Ω, Habrá un cambio de 3.333 mv, y la sensibilidad de adquisición es alta.
Cuando 0<= Rin<= Entrada de 200Ω, Dado que el bucle está conectado en serie con 50Ω, 50Oh<= RX<= 250
Vin1 – Vref = rx*0.001, Unidad A

4. Calibración de software
Los nuevos ingenieros siempre intentan mejorar la precisión de las resistencias, Pero el error sigue siendo grande. Algunos ingenieros simplemente usan resistencias ajustables continuamente, Ajustar sus valores de resistencia, y use multímetros para que la salida cumpla con la relación de transferencia. Esta precisión parece mejorarse, Pero no es conveniente para la producción, y la dificultad del diseño de PCB también aumenta. Incluso si se hace la depuración, Si el tornillo de ajuste se toca a mano, puede causar errores. La única forma es usar resistencias fijas para la producción y usar el software para ayudar a lograr una calibración precisa..
1) Cuando rin = 0, Lea un valor de voltaje y registelo como V50. Guardar V50, No cambiará con el cambio del valor de resistencia PT100 porque está alimentado por una fuente de corriente constante.
2) Conecte la resistencia nominal, Sea Rs = 100Ω, Lea un valor de voltaje y registelo como V150. Guardar V150, El valor de voltaje se lee cuando la temperatura es 0.
3) Calcule el factor de amplificación actual: Io = (V150 – V50) / RS; Salvarme, Significa que la calibración se realiza.
4) Cuando la resistencia de entrada es r, La lectura de voltaje es VO, Entonces r = (VO- V50) / IO
A través de la descripción anterior, La calibración de software tiene grandes ventajas, no solo una producción conveniente, pero también alta precisión. Para mejorar la precisión, El voltaje de salida también se puede dividir en varios intervalos, calibrado por separado, y se pueden obtener diferentes IO, para que la linealidad de salida sea mejor. Estas ideas se reflejan en mi diseño..

OP AMP MCP604 Diseño de circuito

5. Calcular temperatura
Cuando la temperatura es menor que 0,
R0*C*t^4 – 100R0*C*T^3 + R0*b*t^2 + R0*a*t + R0 – RT = 0
Cuando la temperatura es mayor o igual a 0, RT = R0*(1+A*t+B*t*t)
Descripción:
RT es el valor de resistencia de la resistencia de platino en t ℃
R0 es el valor de resistencia de la resistencia de platino a 0 ℃ 100Ω
A = 3.9082 × 10^-3
B = -5.80195 × 10^-7
C = -4.2735 × 10^-12

6. Sensor de temperatura PT100
El sensor de temperatura PT100 es un sensor de termistor de coeficiente de temperatura positiva, y sus principales parámetros técnicos son los siguientes:
1) Rango de temperatura de medición: -200℃ +850 ℃;
2) Valor de desviación permitido δ ℃: Grado A ±(0.15+0.002|T|), Grado B ±(0.30+0.005|T|);
3) Profundidad de inserción mínima: La profundidad de inserción mínima de la resistencia térmica es ≥200 mm;
4) Corriente permitida: < 5mamá;
5) El sensor de temperatura PT100 también tiene las ventajas de la resistencia a la vibración, buena estabilidad, alta precisión, y alta presión. La resistencia térmica de platino tiene una buena linealidad. Al cambiar entre 0 y 100 grados Celsius, La desviación no lineal máxima es inferior a 0,5 ℃;
Cuando la temperatura < 0, R0*C*t^4 – 100R0*C*T^3 + R0*b*t^2 + R0*a*t + R0 – RT = 0
Cuando la temperatura ≥ 0, RT = R0*(1+A*t+B*t*t)
Según la relación anterior, El rango de resistencia aproximado es: 18Oh ~ 390.3o, -197℃ es 18Ω, 850Oh es 390.3o;
Descripción:
RT es el valor de resistencia de la resistencia de platino en t ℃, R0 es el valor de resistencia de la resistencia de platino a 0 ℃, 100Oh
A = 3.9082 × 10^-3, B = -5.80195 × 10^-7, C = -4.2735 × 10^-12
Manual de instrucciones del sensor de temperatura del metal de platino PT100
6) Diseño de circuito
7) Relación entre la temperatura y la resistencia de PT100
La temperatura y la resistencia de PT100 satisfacen la siguiente ecuación:
Cuando la temperatura ≤0, R0*C*T^4 - 100*R0*C*T^3 + R0*b*t^2 + R0*a*t + R0 – RT = 0
Cuando la temperatura ≥0, R0*b*t^2 + R0*a*t + R0 – RT = 0

Tabla de comparación de temperatura y resistencia de PT100

Descripción:
RT es el valor de resistencia de la resistencia de platino en t ℃, R0 es el valor de resistencia de la resistencia de platino a 0 ℃, 100Oh
A = 3.9082 × 10^-3, B = -5.80195 × 10^-7, C = -4.2735 × 10^-12

1. Para la conveniencia del cálculo, Cuando la temperatura es ≤0, dejar:
Doble A = R0*C*100000 = 100*(-4.2735× 10^-12)*100000= -4.2735/100000
Doble B = –100*R0*C*100000 = -100*100*(-4.2735× 10^-12)*100000= 4.2735/1000
Doble C = R0*B*100000 = 100*(-5.80195× 10^-7)*100000= -5.80195
Doble D = R0*A*100000 = 100*(3.9082× 10^-3)*100000= 39082
Doble e = (100-RT)*100000
Cuando la temperatura ≤ 0, A*t^4 + b*t^3 + c*t^2 + d*t + E = 0
donde x3 es la solución de PT100 cuando es inferior a 0 ℃.

2. Para facilitar el cálculo, Cuando la temperatura es mayor o igual a 0
Doble a = R0*B*100000 = 100*(-5.80195× 10^-7)*100000= -5.80195
Doble B = R0*A*100000 = 100*(3.9082× 10^-3)*100000= 39082
doble c = (100-RT)*100000
Cuando la temperatura es ≥0, a*t^2 + b*t + c = 0
t = [ Sqrt( cama y desayuno – 4*C.A )-b ] / 2 / a
19.785Ω corresponde a -197 ℃, La temperatura del nitrógeno líquido
18.486Ω corresponde a -200 ℃
96.085Ω corresponde a -10 ℃
138.505Ω corresponde a 100 ℃
175.845Ω corresponde a 200 ℃
247.045Ω corresponde a 400 ℃