Système de mesure de température du capteur de résistance thermique PT100

2-fil, 3-fil ou 4 fils PT100, Pt500, Les capteurs PT1000 sont des capteurs de température basés sur des éléments de platine à haute précision, stabilité et linéarité, et sont largement utilisés dans les champs qui nécessitent une mesure précise de la température. UN “Système de mesure de la température de la résistance thermique PT100” fait référence à un système qui utilise un capteur PT100, Un type de détecteur de température de résistance (RDT), pour mesurer la température en détectant les changements de sa résistance électrique qui sont directement proportionnels à la température; “Pt” représente le platine, et “100” indique que le capteur a une résistance de 100 ohms à 0 ° C, ce qui en fait une méthode très précise et stable pour la mesure de la température à travers une large plage.

Les résistances en platine sont largement utilisées dans la plage de température moyenne (-200~650℃). Maintenant, il existe sur le marché des résistances thermiques standard de mesure de la température en métal platine, comme Pt100, Pt500, Pt1000, etc..

Comprendre le principe de travail de PT100: PT100 est un capteur de température de la résistance PT. Le principe de travail est basé sur l'effet thermique de la résistance. Sa valeur de résistance change avec le changement de température. Ce changement est linéaire. À 0 ℃, La valeur de résistance de PT100 est 100 ohms. À mesure que la température augmente, La valeur de résistance augmente également en conséquence, Ainsi, la température peut être déduite avec précision en mesurant la valeur de résistance.

Système de mesure de température PT100 de haute précision à 4 fils de classe A

2-fil PT100 Platinum Resistance Temperature Contracon Control sonde sonde Temperature Mesure System

3-fil PT100 Système de mesure de la température du capteur de résistance thermique

Choisissez la méthode de câblage appropriée: En général, 2-fil, 3-Des méthodes de câblage de fil ou de 4 fils peuvent être utilisées.

La sortie du signal de tension par le pont

Points clés sur un système PT100:
Principe du capteur:
Le capteur PT100 est composé d'un fil de platine dont la résistance électrique change prévisible avec les fluctuations de la température.

Méthode de mesure:
Lorsqu'un courant est passé par le PT100, La chute de tension à travers le capteur est mesurée, qui est ensuite converti en température en fonction de la relation connue entre la résistance et la température.

Large application:
Les capteurs PT100 sont couramment utilisés dans les processus industriels, laboratoires, et d'autres applications où une mesure de température précise est nécessaire en raison de leur grande précision et stabilité.

Composants d'un système PT100:
Sonde du capteur PT100:
L'élément de détection réel, généralement un fil de platine enroulé autour d'un noyau en céramique, qui est inséré dans l'environnement à mesurer.

Circuit de conditionnement du signal:
Électronique qui amplifie et convertit le changement de petite résistance du PT100 en un signal de tension mesurable.

Système d'affichage ou d'acquisition de données:
Dispositif qui affiche la température mesurée ou stocke les données pour l'analyse.

Avantages de l'utilisation d'un système PT100:
Grande précision:　Considéré comme l'un des capteurs de température les plus précis disponibles.
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 très linéaire, Faire une interprétation facile des données.
Stabilité:　Le platine est un matériau très stable, Assurer des lectures cohérentes au fil du temps.

Tableau d'indexation de résistance thermique PT100

Les trois méthodes de câblage de la résistance PT100 Platinum sont en principe différent: 2-Le fil et les 3 fils sont mesurés par la méthode du pont, et la relation entre la valeur de la température et la valeur de sortie analogique est donnée à la fin. 4-Le fil n'a pas de pont. Il est complètement envoyé par une source de courant constante, mesuré par voltmètre, et donne enfin la valeur de résistance mesurée, ce qui est difficile et coûteux à utiliser.
Parce que PT100 a une petite valeur de résistance et une sensibilité élevée, La valeur de résistance du fil de plomb ne peut pas être ignorée. L'utilisation d'une connexion à 3 fils peut éliminer l'erreur de mesure causée par la résistance à la ligne de plomb.
Le système à 2 fils a une mauvaise précision de mesure; Le système à 3 fils a une meilleure précision; Le système à 4 fils a une précision de mesure élevée, mais nécessite plus de fils.

Nous avons seulement besoin de connaître l'état de température de PT100 en fonction de la sortie du signal de tension par le pont. Lorsque la valeur de résistance de PT100 n'est pas égale à la valeur de résistance de Rx, Le pont produit un signal de pression différentielle, qui est très petit. Puisque le signal de sortie du capteur de température est généralement très faible, Un circuit de conditionnement et de conversion de signal est nécessaire pour l'amplifier ou le convertir en un formulaire facile à transmettre, processus, enregistrer et afficher. Le léger changement dans la quantité de signal mesuré doit être converti en un signal électrique. Lors de l'amplification du signal CC, La tension auto-dérive et déséquilibrée de l'ampli op ne peut être ignorée lors du passage de l'ampli OP. Après amplification, Un signal de tension de la taille souhaitée peut être sorti.
La valeur de résistance de la résistance en platine peut être obtenue par calcul du circuit ou mesure multimètre. Quand nous connaissons la valeur de résistance de PT100, Nous pouvons mesurer et calculer la température par la valeur de résistance.

Utilisez des algorithmes appropriés pour le traitement des données: Utilisez la relation de température et de résistance connue pour calculer la température par programmation. Considérant que la relation résistance-température de PT100 est non linéaire, surtout dans les zones à température basse ou élevée, Des algorithmes plus complexes peuvent être nécessaires pour améliorer la précision.

Impact des facteurs environnementaux: Les performances peuvent être affectées par des facteurs environnementaux tels que les interférences électromagnétiques, vibration mécanique, et l'humidité.

Il existe trois méthodes de calcul de mesure de la température communes:
Méthode de calcul de la mesure de la température 1:
Lorsque la température exacte n'est pas nécessaire, La température augmentera de 2,5 ℃ pour chaque augmentation de l'OHM de la valeur de résistance de la résistance thermique PT100 (Utilisé à des températures basses). La valeur de résistance du capteur de température PT100 est 100 Quand il est 0 ℃, donc la température approximative à ce moment = (PT100 RÉSISTANCE VALUE 100)*2.5.

Méthode de calcul de la mesure de la température 2:
Relation entre la valeur de résistance et la température de la résistance de platine

Dans la plage de 0 ～ 850 ℃: Rt = r0(1+AT + BT2);

Dans la plage de -200 ～ 0 ℃: Rt = r0[1+AT + BT2 + C(t-100)3];

RT représente la valeur de résistance de la résistance de platine à la température t ℃;

R0 représente la valeur de résistance de la résistance de platine à la température 0 ℃;

UN, B, C sont des constantes, A = 3,96847 × 10-3 / ℃; B = -5.847 × 10-7 / ℃; C = -4,22 × 10-12 / ℃;

Pour la résistance thermique qui répond à la relation ci-dessus, Son coefficient de température est d'environ 3,9 × 10-3 / ℃.

À travers la formule ci-dessus, La température peut être résolue avec précision en fonction de la valeur de résistance, mais en raison de la grande quantité de calcul de cette méthode, il n'est pas recommandé pour cette expérience.

Méthode de calcul de la température Trois:
PT100 a une bonne relation linéaire avec la température et convient à la mesure de température moyenne et basse température. La valeur de résistance de PT100 à différentes températures a une échelle de mesure correspondante un à un comme indiqué dans la figure ci-dessous, qui peut afficher intuitivement la relation correspondante entre différentes températures et la valeur de résistance de PT100.
La température peut être connue en vérifiant la valeur de résistance correspondante à travers l'échelle PT100.

Échelle de résistance thermique PT100

Le dispositif de mesure de la température PT100 conçu dans cet article utilise l'amplificateur opérationnel à quatre voies à faible coût couramment utilisé LM324 pour compléter la conception du circuit d'alimentation de l'appareil et du circuit d'amplificateur d'instrument à trois amplifications.

1.1 Circuit source de tension

PT100 Circuit de source de tension du capteur de la résistance thermique

Le circuit de la figure 1 est un circuit opérationnel proportionnel commun. Selon l'analyse de l'amplificateur opérationnel idéal travaillant dans la région linéaire, Selon le principe de la pause virtuelle courte et virtuelle, il est obtenu:

Formule de circuit de calcul du pont de blé

​, alors le facteur d'amplification de tension en boucle fermée est 2 fois, puis v = 10v est obtenu, et il est utilisé comme tension d'alimentation stable du circuit de pont Wheatstone.

1.2 Connexion à trois fils de Wheatstone Bridge et PT100.
La figure ci-dessus est un pont de Wheatstone. La condition pour que le pont soit équilibré est que les potentiels des points B et D sont égaux. Donc, quand le pont est équilibré, Tant que R1, R2 (Valeurs généralement fixes) et r0 (Valeurs généralement réglables) sont lus, La résistance Rx à mesurer peut être obtenue. R1 / r2 = m, appelé “multiplicateur”.

Wheatstone Bridge et PT100 Méthode de connexion à trois fils

Selon le principe de mesure de la température PT100, La valeur de résistance de PT100 doit être connue correctement, Mais la valeur de résistance ne peut pas être mesurée directement, donc un circuit de conversion est requis. La valeur de résistance est convertie en un signal de tension qui peut être détecté par le microcontrôleur”. Le circuit de pont de Wheatstone est un instrument qui peut mesurer correctement la résistance. Comme le montre la figure 2, R1, R2, R3, et R4 sont ses bras de pont respectivement. Lorsque le pont est équilibré, R1xr3 = r2xr4 est satisfait. Lorsque le pont est déséquilibré, Il y aura une différence de tension entre les points A et B. Selon la tension des points A et B, La résistance correspondante peut être calculée. Ceci est le principe de mesure de la résistance avec un pont déséquilibré:

Méthode de connexion du circuit à trois fils PT100

En fait, En raison de la petite résistance et de la sensibilité élevée de PT100, La résistance du fil de plomb provoquera des erreurs. Donc, La méthode de connexion à trois fils est souvent utilisée dans l'industrie pour éliminer cette erreur. Comme indiqué dans la partie pointillée de la figure 2, La valeur de résistance au fil de plomb est égale et est r. A cette époque, Les bras de pont deviennent r, R., R + 2R, et rt + 2r. Lorsque le pont est équilibré: R2. (R1 + 2R) = R1.(R3 + 2R), réglé: Rt = r1r3 / r2 + 2 r1r / r2- 2r. L'analyse montre que lorsque R1 = R2, Le changement de résistance au fil n'a aucun effet sur le résultat de la mesure.

1.3 Circuit d'amplificateur d'instrumentation à trois amplifications
Lorsque la température change de 0 ℃ ~ 100 ℃, La résistance de PT100 change approximativement linéairement dans la plage de 100Ω ~ 138,51Ω. Selon le circuit de pont ci-dessus, Le pont est équilibré à 0 ℃, Ainsi, la valeur théorique de la tension de sortie du pont doit être 0 V, et lorsque la température est de 100 ℃, La sortie du pont est: Uab = u7x(R1 /(R1 + R2)-R3 /(R2 + R3)), c'est, Uab = 10x(138.51/(10000 + 138.51)-100/(10000 + 100)) = 0,037599v. Puisque c'est un signal Millivolt, Il est nécessaire d'amplifier cette tension pour la rendre détectable par la puce AD.

Comme le montre la figure 3, L'amplificateur d'instrumentation est un appareil qui amplifie les petits signaux dans un environnement bruyant. Il a une série d'avantages tels que la faible dérive, faible consommation d'énergie, Ratio de rejet à mode commun élevé, Plage d'alimentation large et petite taille. Il utilise les caractéristiques des petits signaux différentiels superposés à des signaux en mode commun plus élevé, qui peut supprimer les signaux en mode commun et amplifier les signaux différentiels en même temps. La tension de sortie du circuit d'amplificateur d'instrumentation à trois amplifications standard est, Ici r8 = r10 = 20 kΩ, R9 = r11 = 20 kΩ, R4 = r7 = 100kΩ, qui peut amplifier le signal de tension d'entrée par environ 150 fois, afin que la tension de sortie théorique du pont peut être amplifiée à 0 ~ 2,34 V. Mais ce n'est qu'une valeur théorique. Dans le processus réel, Il existe de nombreux facteurs qui peuvent provoquer des changements de résistance. Donc, R3 peut être remplacé par une résistance réglable de précision pour faciliter le zéro du circuit.

Circuit d'amplificateur d'instrument d'ampli à trois oP de capteur PT100

2. Conception de logiciels

2.1 Méthode des moindres carrés et raccord linéaire PT100

Dans la plage de température de 0 ℃ ≤t≤850 ℃, La relation entre la résistance et la température PT100 est: R = 100 (1 +AT + BT2), où a = 3,90802x 10-3; B =- -5.80X 10-7; C = 4,2735 x 10-12

On peut voir que la résistance de PT100 et la température ne sont pas une relation linéaire absolue mais une parabole. Donc, Si t doit être extrait, Une opération de racine carrée est requise, qui introduit une fonction de fonction plus complexe et occupe une grande quantité de ressources CPU du micro-ordinateur à puce unique. Pour résoudre ce problème, Nous pouvons utiliser la méthode des moindres carrés pour ajuster linéairement la relation entre la température et la résistance. ” L'ajustement de la courbe des moindres carrés est une méthode courante pour le traitement des données expérimentales. Son principe est de trouver une fonction polynomiale pour minimiser la somme des erreurs carrées avec les données d'origine.

2.2 Température de conversion numérique publicitaire
Le principe de mesure de la température PT100 est d'obtenir la valeur de température en fonction de sa valeur de résistance, Ainsi, la valeur de résistance de la résistance thermique doit être déterminée en premier. Selon le circuit matériel, La relation entre la tension de sortie UAB du circuit de pont et la tension de sortie UAD du circuit d'amplificateur d'instrument d'ampli OP est: Nod = jav. AUF parce que le système utilise une puce AD ​​12 bits, La relation entre la quantité numérique et la quantité analogique est: UAD / AD = 5/4096. La relation entre la tension de sortie du pont et l'annonce de quantité numérique peut être obtenue en combinant les deux équations précédentes, c'est, Uad / ad = 5 /(4096Sur). Alors, Il est substitué dans l'expression de tension de sortie du pont UAB = U7X (Rt / (R1 + RT) -R3 / (R2 + R3) ), et l'expression de RR et l'annonce de quantité numérique peuvent être obtenues. La solution est:

Formule de température de conversion numérique publicitaire

Après avoir connu la valeur de résistance de PT100, La valeur de température correspondante peut être obtenue en fonction de l'équation d'ajustement linéaire dans la section 2.1.

2.3 Filtrage numérique à puce
Afin d'améliorer la précision de la mesure de la température de PT100, Un programme de filtrage numérique peut être ajouté dans la programmation logicielle, qui ne nécessite pas l'ajout de circuits matériels et peut améliorer la stabilité et la fiabilité du système. Il existe de nombreuses méthodes de filtrage dans le système d'application de micro-ordinateur à puce. Lorsque vous faites une sélection spécifique, Les avantages et les inconvénients de la méthode de filtrage et des objets applicables doivent être analysés et comparés, afin de sélectionner la méthode de filtrage appropriée. L'algorithme de la méthode de filtrage moyenne médiane est de collecter d'abord en continu N données, puis supprimez une valeur minimale et une valeur maximale, et enfin calculer la moyenne arithmétique des données restantes. Cette méthode de filtrage convient à la mesure des paramètres qui changent lentement, comme la température, et peut réduire efficacement les interférences causées par les fluctuations causées par des facteurs accidentels ou des erreurs causées par l'instabilité de l'échantillonneur.

Processus de travail du système:
Lorsque la température de l'objet est mesurée change, La résistance de PT100 change, et le pont Wheatstone sortira un signal de tension correspondant. Ce signal est fonction de la résistance de PT100. Ce signal Millivolt est amplifié par un amplificateur d'instrumentation à trois amplifications et envoyé à la puce AD, qui convertit la quantité analogique en quantité numérique et est lue par le microcontrôleur. Le microcontrôleur lit la puce de la puce AD ​​et exécute le programme de filtrage, Convertir la quantité numérique stable en résistance de PT100 par calcul. Ensuite, le microcontrôleur sélectionnera le modèle linéaire ajusté correspondant en fonction de la taille de la valeur de résistance pour calculer la valeur de température actuelle, et enfin afficher les données de température sur l'écran LCD.