Temperature Acquisition Circuit of PT100 and PT1000 Sensor Probe

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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Solution de circuit d'acquisition de température PT100/PT1000
1. Temperature resistance change table of PT100 and PT1000 sensors
Résistances thermiques métalliques comme le nickel, copper and platinum resistors have a positive correlation with the change of temperature. Le platine possède les propriétés physiques et chimiques les plus stables et est le plus largement utilisé.. 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.. sont successivement réduits. Pt1000, temperature measurement range is -200～420℃. Selon la norme internationale IEC751, les caractéristiques de température de la résistance en platine Pt1000 répondent aux exigences suivantes:

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Selon la courbe caractéristique de température Pt1000, the slope of the resistance characteristic curve changes slightly within the normal operating temperature range (comme le montre la figure 1). The approximate relationship between resistance and temperature can be obtained through linear fitting:

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1.1 Tableau de changement de résistance à la température PT100

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1.2 Tableau de changement de résistance à la température PT1000

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2. Solutions de circuits d'acquisition couramment utilisées

2. 1 Resistor voltage divider output 0~3.3V/3V analog voltage single chip AD port direct acquisition
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, and the temperature measurement sensitivity is higher than 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. 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, et 3140. The chip uses a SOT-32 package and a 5V input voltage. La tension de sortie peut être sélectionnée en fonction de la tension de référence requise. Bien sûr, according to the normal voltage input range of the AD port of the microcontroller, il ne peut pas dépasser 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.
Bien sûr, 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.
Par exemple, 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. Souviens-toi, la tension de sortie théorique calculée ne peut pas dépasser +5V. Sinon, the microcontroller will be damaged.

2.3 La mesure de pont la plus couramment utilisée

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Use R11, R12, R13 and Pt1000 to form a measurement bridge, où R11=R13=10k, R12=1000R precision resistor. Lorsque la valeur de résistance de Pt1000 n'est pas égale à la valeur de résistance de R12, the bridge will output a mV level voltage difference signal. Ce signal de différence de tension est amplifié par le circuit amplificateur de l'instrument et produit le signal de tension souhaité., which can be directly connected to the AD conversion chip or the AD port of the microcontroller.

Le principe de mesure de la résistance de ce circuit:

1) PT1000 est une thermistance, and its resistance changes basically linearly with the change of temperature.

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. According to the voltage divider principle, we can find Uba = Ub – Faire > 0.
4) OP07 est un amplificateur opérationnel, and its voltage amplification factor A depends on the external circuit, 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, using the voltage divider principle, 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, we only need to look up the table according to the resistance value to know the current temperature.

2.4 Source de courant constant
En raison de l'effet d'auto-échauffement de la résistance thermique, 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. Il a été vérifié que l'auto-échauffement de la résistance en platine 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. Cependant, si le courant est trop faible, il est sensible aux interférences sonores, so it is generally taken at 0.5 à 2 mA, Ainsi, le courant de la source de courant constant est sélectionné comme source de courant constant 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. Le circuit est représenté sur la figure:
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The operational amplifier CA3140 is used to improve the load capacity of the current source, et la formule de calcul du courant de sortie est:
Insert picture description here The resistor should be a 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. And TL431 has an extremely low temperature coefficient and low temperature drift.

Bonne régulation de charge: Si l'ondulation actuelle est trop importante, cela provoquera des erreurs de lecture. Selon l'analyse théorique. Since the input voltage varies between 100-138.5mV, 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, the change in current during the load change should be less than 0.000278mA. 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:
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Acquisition haute température
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4. Solution de circuit d'acquisition 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
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, high-frequency disturbances caused by motor control and high-speed rotation of the motor.

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. In certain strong electromagnetic interference environments, the interference may be converted into DC output offset error after being rectified by the instrument amplifier, 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.

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Un filtre est placé à l'extrémité la plus externe du circuit d'acquisition. The PT1000 acquisition preprocessing circuit is suitable for anti-electromagnetic interference preprocessing of airborne electronic equipment interfaces; the specific circuit is:
La tension d'entrée +15 V est convertie en une source de tension +5 V de haute précision via un régulateur de tension.. 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 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, one through resistor R4 as the differential voltage input 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, one through resistor R5 as the differential voltage input 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. The precise resistance value of PT1000 can be calculated by measuring the differential voltage across D and 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, and the other connected to the A end of the PT1000 resistor through the T-type filter 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. 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. 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:

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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, with a cutoff frequency of 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.

5.2 Filtre de type T
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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.