Acquisition de température de 2, 3, et capteurs de température PT100 à 4 fils

L'article présente comment 2, 3, et les capteurs PT100 à 4 fils sont convertis en signaux de tension par des changements de résistance, et une source de courant constante est utilisée pour protéger le capteur et assurer la précision de la conversion du signal. Un capteur PT100 acquiert la température en mesurant la variation de sa résistance électrique, qui est directement corrélé à la température à laquelle il est exposé; à mesure que la température augmente, la résistance de l'élément en platine à l'intérieur du capteur augmente également, permettant un calcul précis de la température en fonction de ce changement de résistance; essentiellement, le “100” en PT100 signifie que le capteur a une résistance de 100 ohms à 0°C, et cette valeur change de manière prévisible avec les fluctuations de température. L'application de l'amplificateur opérationnel MCP604 dans la conception du circuit souligne l'impact de ses caractéristiques telles que la tension de décalage à faible entrée et le courant de biais sur la précision. L'étalonnage du logiciel est utilisé pour améliorer la précision dans la conception de circuits, Éviter l'inconvénient de l'ajustement physique. Enfin, L'article donne la formule relationnelle entre la température et la valeur de résistance au platine, qui est utilisé pour calculer la valeur de température.

Conception d'acquisition de température du capteur de température PT100 à 2 fils

Acquisition de température du capteur de température PT100 personnalisé en Chine PT100

Acquisition de température du capteur de température PT100 à 4 fils

Points clés sur l'acquisition de température PT100:
Détecteur de température à résistance (RDT):
PT100 est un type de RTD, ce qui signifie qu'il mesure la température en détectant les changements dans sa résistance électrique.
Élément de platine:
L'élément de détection d'un PT100 est en platine, qui présente une relation très stable et linéaire entre la résistance et la température.
Processus de mesure: Le capteur est placé dans l'environnement où la température doit être mesurée.
La résistance de l'élément de platine est mesurée à l'aide d'un circuit électronique dédié.
La valeur de résistance mesurée est ensuite convertie en température à l'aide d'une formule mathématique basée sur le coefficient de température connu du platine.

Avantages des capteurs PT100:
Grande précision: Considéré comme l'un des capteurs de température les plus précis disponibles en raison du comportement stable du platine.
Large plage de températures:　Peut mesurer les températures de -200 ° C à 850 ° C en fonction de la conception du capteur.
Bonne linéarité: La relation entre la résistance et la température est relativement linéaire, Simplifier l'interprétation des données.

Considérations importantes:
Étalonnage: Pour assurer des mesures précises, Les capteurs PT100 doivent être régulièrement calibrés par rapport à une norme de référence.
Résistance au fil du plomb: La résistance des fils de connexion peut affecter la précision de mesure, Une considération appropriée de la compensation du fil de plomb est souvent nécessaire.
Adéabilité de l'application: Bien que très précis, Les capteurs PT100 peuvent ne pas convenir à des environnements ou des applications extrêmement sévères nécessitant des temps de réponse très rapides.

1. Principes de base de l'acquisition du signal
PT100 convertit les signaux de température en sorties de résistance, et sa valeur de résistance varie de 0 à 200Ω. Le convertisseur AD ne peut convertir la tension et ne peut pas collecter directement la température. Donc, Une source de courant constante de 1 mA est nécessaire pour alimenter le PT100 et convertir les modifications de résistance en modifications de tension. L'avantage de l'utilisation d'une source de courant constante est qu'elle peut prolonger la durée de vie du capteur. Puisque la plage de signal d'entrée est 0 à 200 mV, Le signal doit être amplifié puis converti AD pour obtenir des données de signal électrique.

Raisons de ne pas utiliser la conception de la source de tension constante:

Si une source de tension constante est utilisée pour l'alimentation, puis la résistance et le PT100 sont connectés en série, et la tension est divisée, il y a un problème. Lorsque la résistance de PT100 est trop petite, Le courant circulant à travers PT100 est trop grand, résultant en une vie de capteur plus courte.

2. L'ampli op utilise MCP604
Fonctionnalités MCP604:
1) La plage de tension est de 2,7 à 6,0 V
2) La sortie est rail à rail
3) Plage de température de fonctionnement: -40° C à + 85 ° C
4) La tension de décalage d'entrée est de ± 3 mV, La valeur typique est de 1 mV, haute sensibilité.
5) Le courant de biais d'entrée est 1PA, Quand Ta = + 85 ° C, I = 20pa, Améliore la précision de l'acquisition.
6) Swing de tension de sortie linéaire: VSS + 0,1 ~ VDD - 0.1, L'unité est V.

Lorsque la tension d'alimentation est de 3,3 V, Le swing de tension de sortie linéaire est de 0,1 à 3,2 V. Afin de s'assurer que le signal amplifié fonctionne dans la région linéaire, Quand VDD = 3,3 V, Nous définissons la tension de sortie MCP604 pour rester à: 0.5V ~ 2,5 V pour répondre aux exigences de la conception du circuit d'ampli OP.

L'ampli op dans le livre de l'électronique analogique est un amplificateur opérationnel idéal, qui est différent de l'amplificateur réel. Donc, il faut considérer “tension de décalage d'entrée”, “courant de biais d'entrée” et “Swing de tension de sortie linéaire” Lors de la conception.

3. Diagramme de circuit
R11 sur la figure est un circuit de biais pour empêcher la dernière étape de la sortie de l'amplificateur différentiel de la distorsion de saturation.
1) Sélectionnez un facteur d'amplification approprié pour réduire l'erreur de sortie. En raison de l'existence d'une tension de décalage d'entrée, Lorsque le facteur d'amplification augmente, L'erreur de sortie augmentera également, qui doit être considéré dans la conception.
2) Le facteur d'amplification de ce circuit est 10. En supposant que la tension de décalage d'entrée typique est de 3 mV, Si le signal d'entrée passe à 5 mV, 2MV ne sera pas amplifié, qui produira une erreur de sortie de 20 mV.

PT100 Détecteur de température OP AMP en utilisant le diagramme du circuit MCP604

Vo4 = (VIN1 – Vref)*10
Io = 1ma, Vref = vo3 = 1,65 V
1.7V<= Vin<= 1,9 V, 1.7V<= V02<= 1,9
1.8V<= VO1<= 2v, Assurez-vous que l'ampli op fonctionne dans la région linéaire, C'est très important
0.5V<= VO4<= 2,5 V, Assurez-vous que l'ampli op fonctionne dans la région linéaire, C'est pourquoi 50Ω est nécessaire en série.

Lorsque la résistance d'entrée change de 1Ω, Vout passe à 10 mV. Puisque la tension de compensation d'entrée de MCP604 est de ± 3 mV, Lorsqu'il y a un changement de 0,3333Ω, Il y aura un changement de 3,333 mV, Et la sensibilité à l'acquisition est élevée.
Quand 0<= Rin<= Entrée 200Ω, Puisque la boucle est connectée en série avec 50Ω, 50Oh<= Rx<= 250
VIN1 – Vref = rx * 0,001, Unité A

4. Étalonnage logiciel
Les nouveaux ingénieurs essaient toujours d'améliorer la précision des résistances, Mais l'erreur est encore grande. Certains ingénieurs utilisent simplement des résistances réglables en continu, Ajustez leurs valeurs de résistance, et utiliser des multimètres pour faire en sorte que la sortie respecte la relation de transfert. Cette précision semble être améliorée, Mais ce n'est pas pratique pour la production, Et la difficulté de la conception des PCB augmente également. Même si le débogage est fait, Si la vis de réglage est touchée à la main, cela peut causer des erreurs. Le seul moyen est d'utiliser des résistances fixes pour la production et l'utilisation d'un logiciel pour aider à atteindre un étalonnage précis.
1) Quand rin = 0, Lisez une valeur de tension et enregistrez-la comme V50. Enregistrer V50, Il ne changera pas avec le changement de valeur de résistance PT100 car il est alimenté par une source de courant constante.
2) Connectez la résistance nominale, Soit Rs = 100Ω, Lisez une valeur de tension et enregistrez-la comme V150. Enregistrer V150, la valeur de tension lue lorsque la température est 0.
3) Calculez le facteur d'amplification actuel: Io = (V150 – V50) / Rs; Sauver-moi, Cela signifie que l'étalonnage est fait.
4) Lorsque la résistance d'entrée est r, La lecture de tension est VO, alors r = (Vo- V50) / Io
À travers la description ci-dessus, L'étalonnage logiciel présente de grands avantages, Non seulement la production pratique, mais aussi une grande précision. In order to improve the accuracy, the output voltage can also be divided into several intervals, calibrated separately, and different Io can be obtained, so that the output linearity will be better. These ideas are reflected in my design.

OP AMP MCP604 circuit design

5. Calculate temperature
When the temperature is less than 0,
R0*C*t^4 – 100R0*C*t^3 + R0*B*t^2 + R0*A*t + R0 – Rt=0
When the temperature is greater than or equal to 0, Rt=R0*(1+A*t+B*t*t)
Description:
Rt is the resistance value of the platinum resistor at t℃
R0 is the resistance value of the platinum resistor at 0℃ 100Ω
A=3.9082×10^-3
B=-5.80195×10^-7
C=-4.2735×10^-12

6. Pt100 temperature sensor
Pt100 temperature sensor is a positive temperature coefficient thermistor sensor, and its main technical parameters are as follows:
1) Measurement temperature range: -200℃ ~ +850℃;
2) Valeur de déviation admissible Δ ℃: Grade A ±(0.15+0.002|t|), Grade B ±(0.30+0.005|t|);
3) Profondeur d'insertion minimale: La profondeur d'insertion minimale de la résistance thermique est ≥200 mm;
4) Courant autorisé: < 5mA;
5) Le capteur de température PT100 présente également les avantages de la résistance aux vibrations, bonne stabilité, grande précision, et haute pression. La résistance thermique en platine a une bonne linéarité. Lorsque vous changez entre 0 et 100 degré Celsius, L'écart non linéaire maximal est inférieur à 0,5 ℃;
Quand la température < 0, R0*C*t^4 – 100R0*C*t^3 + R0*B*t^2 + R0*A*t + R0 – Rt=0
Lorsque la température ≥ 0, Rt = r0 *(1+A*t+B*t*t)
Selon la relation ci-dessus, La plage de résistance approximative est: 18OH ~ 390.3O, -197℃ est 18Ω, 850Oh est 390,3o;
Description:
Rt is the resistance value of the platinum resistor at t℃, R0 est la valeur de résistance de la résistance en platine à 0 ℃, 100Oh
A=3.9082×10^-3, B=-5.80195×10^-7, C=-4.2735×10^-12
Manuel d'instructions du capteur de température en métal PT100 PT100
6) Conception de circuit
7) Relation entre la température et la résistance du PT100
La température et la résistance PT100 satisfont l'équation suivante:
Quand la température ≤0, R0 * c * t ^ 4 - 100 * r0 * c * t ^ 3 + R0*B*t^2 + R0*A*t + R0 – Rt=0
Lorsque la température ≥0, R0*B*t^2 + R0*A*t + R0 – Rt = 0

Tableau de comparaison de température et de résistance PT100

Description:
Rt is the resistance value of the platinum resistor at t℃, R0 est la valeur de résistance de la résistance en platine à 0 ℃, 100Oh
A=3.9082×10^-3, B=-5.80195×10^-7, C=-4.2735×10^-12

1. Pour la commodité du calcul, Lorsque la température est ≤0, laisser:
double a = r0 * c * 100000 = 100 *(-4.2735× 10 ^ -12)*100000= -4.2735 / 100000
double b = –100 * r0 * c * 100000 = -100 * 100 *(-4.2735× 10 ^ -12)*100000= 4,2735 / 1000
double c = r0 * b * 100000 = 100 *(-5.80195× 10 ^ -7)*100000= -5.80195
double d = r0 * a * 100000 = 100 *(3.9082× 10 ^ -3)*100000= 39082
double e = (100-RT)*100000
Quand la température ≤ 0, a * t ^ 4 + b * t ^ 3 + c * t ^ 2 + d * t + e = 0
où x3 est la solution de PT100 lorsqu'elle est inférieure à 0 ℃.

2. Pour faciliter le calcul, Lorsque la température est supérieure ou égale à 0
double a = r0 * b * 100000 = 100 *(-5.80195× 10 ^ -7)*100000= -5.80195
double b = r0 * a * 100000 = 100 *(3.9082× 10 ^ -3)*100000= 39082
double c = (100-RT)*100000
Lorsque la température est ≥0, a * t ^ 2 + b * t + c = 0
t = [ Sqrt( b * b – 4*A * c )-b ] / 2 / un
19.785Ω correspond à -197 ℃, La température de l'azote liquide
18.486Ω corresponds to -200℃
96.085Ω corresponds to -10℃
138.505Ω corresponds to 100℃
175.845Ω corresponds to 200℃
247.045Ω corresponds to 400℃