Résistances et circuits des sondes de capteur à résistance thermique métallique PT100 et PT1000

Un circuit d'acquisition de température pour une sonde de capteur PT100 ou PT1000 se compose généralement d'une source de courant stable pour exciter le capteur, un circuit de mesure de résistance à haute précision pour détecter le changement de résistance avec la température, et un convertisseur analogique-numérique (ADC) Pour convertir la tension mesurée en un signal numérique qui peut être traité par un microcontrôleur ou un système d'acquisition de données; La principale différence entre un circuit PT100 et PT1000 est l'échelle des valeurs de résistance dues à la PT100 ayant une résistance nominale de 100 ohms à 0 ° C tandis qu'un PT1000 a 1000 ohms à 0°C, nécessitant souvent des ajustements dans le circuit de mesure en fonction de la précision et de l'application souhaitées.

L'article présente le changement de résistance des sondes de capteur de résistance thermique en métal PT100 et PT1000 à différentes températures, ainsi qu'une variété de solutions de circuits d'acquisition de température. Y compris la division de tension de résistance, mesure du pont, Source de courant constant et AD623, Circuit d'acquisition AD620. Afin de résister aux interférences, en particulier les interférences électromagnétiques dans le champ aérospatial, Une conception aéroportée de circuit d'acquisition de capteur de température PT1000 est proposée, y compris un filtre de type T pour filtrer et améliorer la précision de la mesure.
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Capteur de câble de température PT100 pour une mesure de température précise dans les conteneurs, réservoirs et tuyaux

Sonde de capteur de température T100, câble haute température -50 ~ 260

Capteur de température de résistance au platine PT100 pour la température de la surface de l'émetteur

Solution de circuit d'acquisition de température PT100/PT1000
1. Tableau de changement de résistance à la température des capteurs PT100 et PT1000
Résistances thermiques métalliques comme le nickel, Les résistances en cuivre et en platine ont une corrélation positive avec le changement de température. Le platine possède les propriétés physiques et chimiques les plus stables et est le plus largement utilisé.. La plage de mesure de température des sondes de capteur Pt100 à résistance platine couramment utilisées est de -200 ~ 850 ℃., et les plages de mesure de température du Pt500, Sondes capteurs Pt1000, etc.. sont successivement réduits. Pt1000, la plage de mesure de la température est de -200 ~ 420 ℃. Selon la norme internationale IEC751, les caractéristiques de température de la résistance en platine Pt1000 répondent aux exigences suivantes:

Courbe caractéristique de température Pt1000

Selon la courbe caractéristique de température Pt1000, La pente de la courbe caractéristique de résistance change légèrement dans la plage de température de fonctionnement normale (comme le montre la figure 1). La relation approximative entre la résistance et la température peut être obtenue par un ajustement linéaire:

Tableau de changement de résistance à la température PT100 1

2. Solutions de circuits d'acquisition couramment utilisées

2. 1 Sortie du diviseur de tension de résistance 0 ~ 3,3 V / 3V Tension analogique Port AD de puce unique Acquisition directe
La plage de sortie de tension du circuit de mesure de la température est de 0 à 3,3 V., PT1000 (La valeur de la résistance PT1000 change considérablement, et la sensibilité à la mesure de la température est supérieure à PT100; Le PT100 est plus adapté à la mesure de température à grande échelle).

Le moyen le plus simple est d'utiliser la méthode de division de tension. La tension est générée par la puce de source de référence de tension TL431, qui est une source de référence de tension 4V. Alternativement, Ref3140 peut être utilisé pour générer 4.096V comme source de référence. Les puces de source de référence incluent également REF3120, 3125, 3130, 3133, et 3140. La puce utilise un package SOT-32 et une tension d'entrée 5V. La tension de sortie peut être sélectionnée en fonction de la tension de référence requise. Bien sûr, selon la plage d'entrée de tension normale du port publicitaire du microcontrôleur, il ne peut pas dépasser 3V/3,3V.

Acquisition directe du circuit de port publicitaire PT100 à puce à puce unique

2.2 Sortie de division de tension de résistance 0 ~ 5V Tension analogique, et le port publicitaire du microcontrôleur le collecte directement.
Bien sûr, Certains circuits sont alimentés par un microcontrôleur 5V, et le courant de fonctionnement maximal du PT1000 est de 0,5 mA, Une valeur de résistance appropriée doit donc être utilisée pour assurer le fonctionnement normal du composant.
Par exemple, Le 3,3 V dans le diagramme schématique de la division de tension ci-dessus est remplacé par 5V. L'avantage de cela est que la division de tension 5V est plus sensible que la tension de 3,3 V, Et la collection est plus précise. Souviens-toi, la tension de sortie théorique calculée ne peut pas dépasser +5V. Sinon, Le microcontrôleur sera endommagé.

2.3 La mesure de pont la plus couramment utilisée

Le circuit de diviseur de tension de PT100 sort 0 ~ 5V Tension analogique

Utiliser R11, R12, R13 et PT1000 pour former un pont de mesure, où R11=R13=10k, R12 = résistance de précision 1000r. Lorsque la valeur de résistance de Pt1000 n'est pas égale à la valeur de résistance de R12, Le pont sortira un signal de différence de tension de niveau MV. Ce signal de différence de tension est amplifié par le circuit amplificateur de l'instrument et produit le signal de tension souhaité., qui peut être directement connecté à la puce de conversion d'annonce ou au port publicitaire du microcontrôleur.

Le principe de mesure de la résistance de ce circuit:

1) PT1000 est une thermistance, et sa résistance change essentiellement linéairement avec le changement de température.

2) À 0 degrés, la résistance du PT1000 est de 1kΩ, alors Ub et Ua sont égaux, c'est, Uba = Ub – Faire = 0.
3) En supposant qu'à une certaine température, la résistance du PT1000 est de 1,5kΩ, alors Ub et Ua ne sont pas égaux. Selon le principe du diviseur de tension, on peut trouver uba = ub – Faire > 0.
4) OP07 est un amplificateur opérationnel, et son facteur d'amplification de tension A dépend du circuit externe, où A = R2/R1 = 17.5.
5) La tension de sortie Uo de OP07 = Uba * UN. Donc si on utilise un voltmètre pour mesurer la tension de sortie de OP07, nous pouvons déduire la valeur de Uab. Puisque Ua est une valeur connue, nous pouvons en outre calculer la valeur de Ub. Alors, Utilisation du principe du diviseur de tension, nous pouvons calculer la valeur de résistance spécifique du PT1000. Ce processus peut être réalisé grâce au calcul logiciel.
6) Si nous connaissons la valeur de résistance du PT1000 à n'importe quelle température, Nous avons seulement besoin de rechercher le tableau en fonction de la valeur de résistance pour connaître la température actuelle.

2.4 Source de courant constant
En raison de l'effet d'auto-échauffement de la résistance thermique, il est nécessaire de s'assurer que le courant circulant à travers la résistance est aussi petit que possible, et généralement le courant devrait être inférieur à 10 mA. Il a été vérifié que l'auto-échauffement de la résistance en platine PT100 de 1 MW entraînera un changement de température de 0.02 à 0,75 ℃, Ainsi, la réduction du courant de la résistance de platine PT100 peut également réduire son changement de température. Cependant, si le courant est trop faible, il est sensible aux interférences sonores, il est donc généralement pris à 0.5 à 2 mA, Ainsi, le courant de la source de courant constant est sélectionné comme source de courant constant de 1 mA..

La puce sélectionnée est la puce de source de tension constante TL431, puis la rétroaction négative actuelle est utilisée pour la convertir en une source de courant constante. Le circuit est représenté sur la figure:

Courant constant Source de résistance PT100 Schéma d'acquisition de circuits

L'amplificateur opérationnel CA3140 est utilisé pour améliorer la capacité de charge de la source actuelle, et la formule de calcul du courant de sortie est:
Insérer la description de l'image Ici, la résistance doit être un 0.1% résistance de précision. Le courant de sortie final est de 0,996 mA, c'est, la précision est 0.4%.
Le circuit source de courant constant doit avoir les caractéristiques suivantes:
Stabilité de la température: Puisque notre environnement de mesure de température est de 0 à 100 ℃, la sortie de la source de courant ne doit pas être sensible à la température. Et TL431 a un coefficient de température extrêmement basse et une dérive à basse température.

Bonne régulation de charge: Si l'ondulation actuelle est trop importante, cela provoquera des erreurs de lecture. Selon l'analyse théorique. Puisque la tension d'entrée varie entre 100 et 138,5 mV, et la plage de mesure de la température est de 0 à 100 ℃, la précision de la mesure de la température est de ± 1 degré Celsius, la tension de sortie devrait donc changer de 38,5/100 = 0,385 mV pour chaque augmentation de 1 ℃ de la température ambiante. Afin de garantir que la fluctuation actuelle n'affecte pas la précision, considérons le cas le plus extrême, à 100 degré Celsius, la valeur de résistance du PT100 doit être de 138,5R. L'ondulation du courant doit alors être inférieure à 0,385/138,5=0,000278 mA., c'est, Le changement de courant pendant le changement de charge doit être inférieur à 0,000278 mA. Dans la simulation réelle, la source actuelle reste fondamentalement inchangée.

3. Solution de circuit d'acquisition AD623
Le principe peut se référer au principe de mesure du pont ci-dessus.
Acquisition basse température:

AD620 mesure la solution d'acquisition PT100 à haute température (150°)

Acquisition haute température
Insérez la description de l'image ici

4. Solution de circuit d'acquisition AD620
Solution d'acquisition AD620 PT100 à haute température (150°):

AD620 mesure la solution d'acquisition PT100 à basse température (-40°)

Solution d'acquisition AD620 PT100 à basse température (-40°):

AD620 mesure le schéma d'acquisition PT100 à température ambiante (20°)

Solution d'acquisition AD620 PT100 pour la température ambiante (20°):

Circuit d'acquisition à haute température du capteur PT100

5. Analyse de filtrage anti-interférence des capteurs PT100 et PT1000
Acquisition de température dans certains complexes, les environnements difficiles ou spéciaux seront sujets à de grandes interférences, comprenant principalement EMI et REI. Par exemple, dans l'application de l'acquisition de la température du moteur, Perturbations à haute fréquence causées par le contrôle du moteur et la rotation à grande vitesse du moteur.

Il existe également un grand nombre de scénarios de contrôle de température à l’intérieur des véhicules aéronautiques et aérospatiaux., qui mesurent et contrôlent le système électrique et le système de contrôle environnemental. Le cœur du contrôle de la température est la mesure de la température. Puisque la résistance de la thermistance peut changer linéairement avec la température, l'utilisation d'une résistance en platine pour mesurer la température est une méthode efficace de mesure de la température de haute précision. Les principaux problèmes sont les suivants:
1. La résistance sur le fil conducteur est facilement introduite, affectant ainsi la précision de mesure du capteur;
2. Dans certains environnements d'interférence électromagnétique forts, L'interférence peut être convertie en une erreur de décalage de sortie CC après avoir été rectifiée par l'amplificateur d'instrument, affectant la précision de la mesure.

5.1 Circuit d'acquisition PT1000 aéroporté aérospatial
Se référer à la conception d'un circuit d'acquisition PT1000 aéroporté pour les interférences anti-électromagnétiques dans une certaine aviation.

Schéma de circuits d'acquisition AD623 pour le capteur PT100

Un filtre est placé à l'extrémité la plus externe du circuit d'acquisition. Le circuit de prétraitement d'acquisition PT1000 convient au prétraitement anti-électromagnétique du prétraitement des interfaces électroniques aéroportées; Le circuit spécifique est:
La tension d'entrée +15 V est convertie en une source de tension +5 V de haute précision via un régulateur de tension.. La source de tension de haute précision + 5V est directement connectée à la résistance R1, et l'autre extrémité de la résistance R1 est divisée en deux chemins. L'un est connecté à l'extrémité d'entrée en phase de l'ampli op, et l'autre est connecté à la résistance PT1000 une fin à travers le filtre de type T S1. La sortie de l'ampli opérationnel est connectée à l'entrée inverseuse pour former un suiveur de tension, et l'entrée inverseuse est connectée au port de terre du régulateur de tension pour garantir que la tension à l'entrée en phase est toujours nulle.. Après passage au filtre S2, une extrémité A de la résistance PT1000 est divisée en deux chemins, une à travers la résistance R4 comme entrée de tension différentielle d, et un via la résistance R2 vers AGND. Après passage au filtre S3, l'autre extrémité B de la résistance PT1000 est divisée en deux chemins, une à travers la résistance R5 comme entrée de tension différentielle E, et un via la résistance R3 vers AGND. D et E sont connectés via le condensateur C3, D est connecté à AGND via le condensateur C1, et E est connecté à AGND via le condensateur C2. La valeur de résistance précise de PT1000 peut être calculée en mesurant la tension différentielle à travers D et E.

La tension d'entrée +15 V est convertie en une source de tension +5 V de haute précision via un régulateur de tension.. Le +5V est directement connecté à R1. L'autre extrémité de R1 est divisée en deux chemins, un connecté à l'entrée en phase de l'ampli opérationnel, et l'autre connecté à la fin de la résistance PT1000 à travers le filtre de type T S1. La sortie de l'ampli opérationnel est connectée à l'entrée inverseuse pour former un suiveur de tension, et l'entrée inverseuse est connectée au port de terre du régulateur de tension pour garantir que la tension à l'entrée inverseuse est toujours nulle.. A cette époque, le courant circulant à travers R1 est constant de 0,5 mA. Le régulateur de tension utilise AD586TQ/883B, et l'ampli op utilise OP467A.

Après passage au filtre S2, une extrémité A de la résistance PT1000 est divisée en deux chemins, un à travers la résistance R4 comme extrémité d'entrée de tension différentielle D, et un via la résistance R2 vers AGND. Après passage au filtre S3, l'autre extrémité B de la résistance PT1000 est divisée en deux chemins, un à travers la résistance R5 comme extrémité d'entrée de tension différentielle E, et un via la résistance R3 vers AGND. D et E sont connectés via le condensateur C3, D est connecté à AGND via le condensateur C1, et E est connecté à AGND via le condensateur C2.
La résistance de R4 et R5 est de 4,02k ohms, la résistance de R1 et R2 est de 1M ohms, la capacité de C1 et C2 est de 1000pF, et la capacité de C3 est de 0,047 uF. R4, R5, C1, C2, et C3 forment ensemble un réseau de filtres RFI. Le filtre RFI complète le filtrage passe-bas du signal d'entrée, et les objets filtrés incluent l'interférence en mode différentiel et l'interférence en mode commun transportée dans le signal différentiel d'entrée. Le calcul de la fréquence de coupure de -3 dB des interférences en mode commun et des interférences en mode différentiel transportées dans le signal d'entrée est indiqué dans la formule:

Circuit d'acquisition PT1000 aéroporté aérospatial

Remplacement de la valeur de résistance dans le calcul, la fréquence de coupure en mode commun est de 40 kHz, et la fréquence de coupure du mode différentiel est de 2,6 KHZ.
Le point final B est connecté à AGND via le filtre S4. Parmi eux, les bornes de masse du filtre de S1 à S4 sont toutes connectées à la masse de blindage de l'avion. Étant donné que le courant circulant à travers le PT1000 est de 0,05 mA, la valeur précise de la résistance du PT1000 peut être calculée en mesurant la tension différentielle aux deux extrémités de D et E.
S1 à S4 utilisent des filtres de type T, modèle GTL2012X‑103T801, avec une fréquence de coupure de m ± 20%. Ce circuit introduit des filtres passe-bas sur les lignes d'interface externe et effectue un filtrage RFI sur la tension différentielle.. Comme circuit de prétraitement pour PT1000, il élimine efficacement les interférences électromagnétiques et radiofréquences, ce qui améliore grandement la fiabilité des valeurs collectées. En outre, la tension est directement mesurée aux deux extrémités de la résistance PT1000, éliminant l'erreur causée par la résistance du fil et améliorant la précision de la valeur de résistance.

3-Classe de fil B High Industrial Temperature Contrôle PT100 Capteur de température de résistance thermique en platine

Thermocouple à ressort de type K-E, sonde de capteur de température PT100

Capteur de température PT100 à haute précision pour la mesure de la température du transformateur

5.2 Filtre de type T
Insérez la description de l'image ici
Le filtre de type T se compose de deux inductances et condensateurs. Les deux extrémités ont une haute impédance, et ses performances de perte d'insertion sont similaires à celles du filtre de type π, mais il n'est pas sujet à “sonnerie” et peut être utilisé dans les circuits de commutation.