Soluzione del circuito di acquisizione della temperatura PT100/PT1000

1. PT100 and PT1000 temperature resistance change table
Resistenze termiche metalliche come il nichel, copper and platinum resistors have a positive correlation with the change in resistance with temperature. Il platino ha le proprietà fisiche e chimiche più stabili ed è il più utilizzato. The temperature measurement range of the commonly used platinum resistor Pt100 is -200～850 ℃. Inoltre, the temperature measurement ranges of Pt500, Pt1000, ecc. vengono successivamente ridotti. Pt1000, temperature measurement range -200～420 ℃. Secondo lo standard internazionale IEC751, le caratteristiche di temperatura del resistore al platino Pt1000 soddisfano i seguenti requisiti:

Curva caratteristica della temperatura Pt1000

Secondo la curva caratteristica della temperatura Pt1000, the slope of the resistance characteristic curve changes little within the normal operating temperature range (come mostrato nella Figura 1). Through linear fitting, the approximate relationship between resistance and temperature is:

1.1 Tabella di modifica della resistenza alla temperatura PT100

Tabella di modifica della resistenza alla temperatura PT100

1.2 PT1000 temperature resistance change table

PT1000 Temperature Resistance Change Table

2. Soluzioni circuitali di acquisizione di uso comune

2.1 Resistor voltage division output 0~3.3V/3V analog voltage

Single-chip AD port direct acquisition
L'intervallo di uscita della tensione del circuito di misurazione della temperatura è 0 ~ 3,3 V, PT1000 (Il valore della resistenza PT1000 cambia notevolmente, temperature measurement sensitivity is higher than PT100; PT100 è più adatto per la misurazione della temperatura su larga scala).

Resistor voltage divider outputs 0~3.3V 3V analog voltage

Il modo più semplice è utilizzare il metodo della divisione della tensione. The voltage is the voltage reference source 4V generated by the TL431 voltage reference source chip, or REF3140 can be used to generate 4.096V as the reference source. The reference source chips also include REF3120, 3125, 3130, 3133, E 3140. The chip uses SOT-32 package and 5V input voltage. La tensione di uscita può essere selezionata in base alla tensione di riferimento richiesta. Ovviamente, according to the normal voltage input range of the MCU AD port, non può superare 3 V/3,3 V.

2.2 Resistor voltage division output 0~5V analog voltage MCU AD port direct acquisition.
Ovviamente, some circuits use 5V MCU power supply, and the maximum operating current of PT1000 is 0.5mA, so appropriate resistance value should be used to ensure the normal operation of the components.
Per esempio, the 3.3V in the voltage division schematic diagram above is replaced with 5V. The advantage of this is that the 5V voltage division is more sensitive than 3.3V, and the acquisition is more accurate. Ricordare, la tensione di uscita teorica calcolata non può superare +5V. Altrimenti, it will cause damage to the MCU.

2.3 La misura del ponte più comunemente usata
R11, R12, R13 and Pt1000 are used to form a measuring bridge, dove R11=R13=10k, R12=1000R precision resistors. Quando il valore di resistenza di Pt1000 non è uguale al valore di resistenza di R12, the bridge will output a mV-level voltage difference signal. Questo segnale di differenza di tensione viene amplificato dal circuito dell'amplificatore dello strumento ed emette il segnale di tensione desiderato. This signal can be directly connected to the AD conversion chip or the AD port of the microcontroller.

R11, R12, R13 and Pt1000 are used to form a measurement bridge

Il principio di misurazione della resistenza di questo circuito:
1) PT1000 è un termistore. As the temperature changes, the resistance changes basically linearly.
2) A 0 gradi, la resistenza del PT1000 è 1kΩ, allora Ub e Ua sono uguali, questo è, Uba = Ub – Fare = 0.
3) Supponendo che ad una certa temperatura, la resistenza del PT1000 è 1,5 kΩ, allora Ub e Ua non sono uguali. According to the voltage division principle, we can find out that Uba = Ub – Fare > 0.
4) OP07 è un amplificatore operazionale, and its voltage gain A depends on the external circuit, dove A = R2/R1 = 17.5.
5) La tensione di uscita Uo di OP07 = Uba * UN. Quindi, se utilizziamo un voltmetro per misurare la tensione di uscita di OP07, possiamo dedurre il valore di Uab. Poiché Ua è un valore noto, possiamo calcolare ulteriormente il valore di Ub. Poi, using the voltage division principle, possiamo calcolare il valore di resistenza specifica di PT1000. Questo processo può essere ottenuto tramite il calcolo del software.
6) Se conosciamo il valore di resistenza di PT1000 a qualsiasi temperatura, we only need to look up the table based on the resistance value to know the current temperature.

2.4 Sorgente di corrente costante
A causa dell'effetto autoriscaldante della resistenza termica, the current flowing through the resistor should be as small as possible. Generalmente, the current is expected to be less than 10mA. È stato verificato che l'autoriscaldamento del resistore al platino PT100 del 1 mW will cause a temperature change of 0.02-0.75℃. Perciò, reducing the current of the platinum resistor PT100 can also reduce its temperature change. Tuttavia, se la corrente è troppo piccola, è suscettibile alle interferenze del rumore, so the value is generally 0.5-2 mA, quindi la corrente della sorgente di corrente costante viene selezionata come sorgente di corrente costante da 1 mA.

The chip is selected as the constant voltage source chip TL431, and then converted into a constant current source using current negative feedback. Il circuito è mostrato in figura

Tra loro, the operational amplifier CA3140 is used to improve the load capacity of the current source, e la formula di calcolo per la corrente di uscita è:

The resistor should be a 0.1% resistore di precisione. La corrente di uscita finale è 0,996 mA, questo è, la precisione è 0.4%.

Il circuito della sorgente di corrente costante dovrebbe avere le seguenti caratteristiche

Select the constant voltage source chip TL431

Stabilità della temperatura: Poiché il nostro ambiente di misurazione della temperatura è 0-100 ℃, l'uscita della sorgente di corrente non dovrebbe essere sensibile alla temperatura. The TL431 has an extremely low temperature coefficient and low temperature drift.

Buona regolazione del carico: Se l'ondulazione attuale è troppo grande, causerà errori di lettura. Secondo l'analisi teorica, since the input voltage varies between 100-138.5mV, e l'intervallo di misurazione della temperatura è 0-100 ℃, la precisione della misurazione della temperatura è di ±1 grado Celsius, quindi la tensione di uscita dovrebbe cambiare di 38,5/100=0,385 mV per ogni aumento di 1 ℃ della temperatura ambiente. Al fine di garantire che la fluttuazione della corrente non influisca sulla precisione, consideriamo il caso più estremo, A 100 gradi Celsius, il valore di resistenza del PT100 dovrebbe essere 138,5R. Quindi l'ondulazione attuale dovrebbe essere inferiore a 0,385/138,5=0,000278 mA, questo è, the current change during the load change should be less than 0.000278mA. Nella simulazione reale, la fonte attuale rimane sostanzialmente invariata.
3. Soluzione del circuito di acquisizione AD623

AD623 acquisition PT1000 circuit solution

Il principio può fare riferimento al principio di misurazione del ponte di cui sopra.
Acquisizione a bassa temperatura:

Acquisizione ad alta temperatura

4. Soluzione del circuito di acquisizione AD620

AD620 PT100 acquisition solution

AD620 PT100 acquisition solution high temperature (150°):

AD620 PT100 acquisition solution low temperature (-40°):

AD620 PT100 acquisition solution room temperature (20°):

5. PT100 and PT1000 anti-interference filtering analysis

Acquisizione della temperatura in alcuni complessi, ambienti difficili o speciali saranno soggetti a grandi interferenze, includendo principalmente EMI e REI.

Per esempio, nell'applicazione dell'acquisizione della temperatura del motore, motor control and high-speed rotation of the motor cause high-frequency disturbances.

Esistono anche numerosi scenari di controllo della temperatura all'interno dei veicoli aeronautici e aerospaziali, che misurano e controllano il sistema energetico e il sistema di controllo ambientale. Il cuore del controllo della temperatura è la misurazione della temperatura. Poiché la resistenza del termistore può cambiare linearmente con la temperatura, l'utilizzo della resistenza al platino per misurare la temperatura è un metodo efficace di misurazione della temperatura ad alta precisione. I problemi principali sono i seguenti:
1. La resistenza sul filo conduttore viene introdotta facilmente, influenzando così la precisione di misurazione del sensore;
2. In some strong electromagnetic interference environments, the interference may be converted into DC output after rectification by the instrument amplifier
Offset error, influenzando la precisione della misurazione.
5.1 Circuito di acquisizione PT1000 aerospaziale

Circuito di acquisizione PT1000 aerospaziale

Fare riferimento alla progettazione di un circuito di acquisizione PT1000 in volo per le interferenze anti-elettromagnetiche in una determinata aviazione.

All'estremità più esterna del circuito di acquisizione è posto un filtro. The PT1000 acquisition preprocessing circuit is suitable for anti-electromagnetic interference preprocessing of airborne electronic equipment interface;
The specific circuit is:
La tensione di ingresso +15 V viene convertita in una sorgente di tensione ad alta precisione +5 V attraverso un regolatore di tensione, and the +5V high-precision voltage source is directly connected to the resistor R1.
The other end of the resistor R1 is divided into two paths, uno collegato all'ingresso in fase dell'amplificatore operazionale, and the other connected to the PT1000 resistor A end through the T-type filter S1. L'uscita dell'amplificatore operazionale è collegata all'ingresso invertente per formare un inseguitore di tensione, e l'ingresso invertente è collegato alla porta di terra del regolatore di tensione per garantire che la tensione sull'ingresso in fase sia sempre zero. Dopo aver attraversato il filtro S2, un'estremità A del resistore PT1000 è divisa in due percorsi, one path is used as the differential voltage input terminal D through resistor R4, and the other path is connected to AGND through resistor R2. Dopo aver attraversato il filtro S3, l'altra estremità B del resistore PT1000 è divisa in due percorsi, one path is used as the differential voltage input terminal E through resistor R5, and the other path is connected to AGND through resistor R3. D ed E sono collegati tramite il condensatore C3, D è collegato ad AGND tramite il condensatore C1, ed E è collegato ad AGND tramite il condensatore C2; the precise resistance value of PT1000 can be calculated by measuring the differential voltage between D and E.

La tensione di ingresso +15 V viene convertita in una sorgente di tensione ad alta precisione +5 V attraverso un regolatore di tensione. Il +5V è direttamente collegato a R1. L'altra estremità di R1 è divisa in due percorsi, one is connected to the in-phase input terminal of the op amp, and the other is connected to the PT1000 resistor A through the T-type filter S1. L'uscita dell'amplificatore operazionale è collegata all'ingresso invertente per formare un inseguitore di tensione, e l'ingresso invertente è collegato alla porta di terra del regolatore di tensione per garantire che la tensione sull'ingresso invertente sia sempre zero. In questo momento, la corrente che scorre attraverso R1 è costante 0,5 mA. Il regolatore di tensione utilizza AD586TQ/883B, e l'amplificatore operazionale utilizza OP467A.

Dopo aver attraversato il filtro S2, un'estremità A del resistore PT1000 è divisa in due percorsi, uno attraverso il resistore R4 come estremità di ingresso della tensione differenziale D, e uno attraverso il resistore R2 verso AGND; after passing through the S3 filter, l'altra estremità B del resistore PT1000 è divisa in due percorsi, uno attraverso il resistore R5 come estremità di ingresso della tensione differenziale E, e uno attraverso il resistore R3 verso AGND. D ed E sono collegati tramite il condensatore C3, D è collegato ad AGND tramite il condensatore C1, ed E è collegato ad AGND tramite il condensatore C2.
La resistenza di R4 e R5 è di 4,02k ohm, la resistenza di R1 e R2 è 1M ohm, la capacità di C1 e C2 è 1000pF, e la capacità di C3 è 0,047uF. R4, R5, C1, C2, e C3 insieme formano una rete di filtri RFI, which completes the low-pass filtering of the input signal, and the objects to be filtered out include the differential mode interference and common mode interference carried in the input differential signal. Il calcolo della frequenza di taglio ‑3dB dell'interferenza di modo comune e dell'interferenza di modo differenziale trasportata nel segnale di ingresso è mostrato nella formula:

Sostituendo il valore della resistenza nel calcolo, la frequenza di taglio di modo comune è 40kHZ, e la frequenza di taglio della modalità differenziale è 2,6 KHZ.
Il punto finale B è collegato ad AGND tramite il filtro S4. Tra loro, i terminali di terra del filtro da S1 a S4 sono tutti collegati alla terra schermante dell'aeromobile. Poiché la corrente che scorre attraverso il PT1000 è pari a 0,05 mA, il valore preciso della resistenza del PT1000 può essere calcolato misurando la tensione differenziale su entrambe le estremità di D ed E.
Da S1 a S4 utilizzano filtri di tipo T, modello GTL2012X‑103T801, with a cutoff frequency of 1M±20%. Questo circuito introduce filtri passa-basso sulle linee di interfaccia esterne ed esegue il filtraggio RFI sulla tensione differenziale. Come circuito di preelaborazione per PT1000, elimina efficacemente le interferenze delle radiazioni elettromagnetiche e RFI, che migliora notevolmente l'affidabilità dei valori raccolti. Inoltre, la tensione viene misurata direttamente da entrambe le estremità del resistore PT1000, eliminando l'errore causato dalla resistenza del cavo e migliorando la precisione del valore di resistenza.

5.2 Filtro di tipo T
Il filtro di tipo T è costituito da due induttori e condensatori. Entrambe le estremità hanno un'alta impedenza, e le sue prestazioni in termini di perdita di inserzione sono simili a quelle del filtro di tipo π, ma non è incline a farlo “squillando” e può essere utilizzato nei circuiti di commutazione.