Soluzione del circuito di acquisizione della temperatura PT100/PT1000

1. Tabella di variazione della resistenza alla temperatura PT100 e PT1000
Resistenze termiche metalliche come il nichel, I resistori di rame e platino hanno una correlazione positiva con la variazione della resistenza con la temperatura. Il platino ha le proprietà fisiche e chimiche più stabili ed è il più utilizzato. L'intervallo di misurazione della temperatura del resistore platino comunemente utilizzato PT100 è -200 ～ 850 ℃. Inoltre, La misurazione della temperatura varia di PT500, Pt1000, ecc. vengono successivamente ridotti. Pt1000, intervallo di misurazione della temperatura -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, La pendenza della curva caratteristica di resistenza cambia poco all'interno dell'intervallo di temperatura operativa normale (come mostrato nella Figura 1). Attraverso un raccordo lineare, La relazione approssimativa tra resistenza e temperatura è:

1.1 Tabella di modifica della resistenza alla temperatura PT100

Tabella di modifica della resistenza alla temperatura PT100

1.2 Tabella di cambio di resistenza alla temperatura PT1000

Tabella di cambio di resistenza alla temperatura PT1000

2. Soluzioni circuitali di acquisizione di uso comune

2.1 Output di divisione della tensione di resistenza 0 ~ 3.3V/3V Tensione analogica

Acquisizione diretta della porta con una porta singolo
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, La sensibilità alla misurazione della temperatura è superiore a Pt100; PT100 è più adatto per la misurazione della temperatura su larga scala).

Tensione di resistenza Output di divisori 0 ~ 3.3V 3V Tensione analogica

Il modo più semplice è utilizzare il metodo della divisione della tensione. La tensione è la fonte di riferimento di tensione 4V generata dal chip di origine di riferimento di tensione TL431, o REF3140 può essere utilizzato per generare 4.096 V come fonte di riferimento. I chip della sorgente di riferimento includono anche Ref3120, 3125, 3130, 3133, E 3140. Il chip utilizza il pacchetto SOT-32 e la tensione di ingresso 5V. La tensione di uscita può essere selezionata in base alla tensione di riferimento richiesta. Ovviamente, Secondo l'intervallo di input di tensione normale della porta AD MCU, non può superare 3 V/3,3 V.

2.2 Output di divisione di tensione di resistenza 0 ~ 5 V Tensione analogica MCU AD Acquisizione diretta.
Ovviamente, Alcuni circuiti utilizzano l'alimentazione MCU 5V, e la corrente operativa massima di Pt1000 è 0,5 mA, Quindi dovrebbe essere utilizzato un valore di resistenza appropriato per garantire il normale funzionamento dei componenti.
Per esempio, Il 3,3 V nel diagramma schematico della divisione di tensione sopra è sostituito con 5V. Il vantaggio di questo è che la divisione di tensione 5V è più sensibile di 3,3 V, e l'acquisizione è più accurata. Ricordare, la tensione di uscita teorica calcolata non può superare +5V. Altrimenti, causerà danni all'MCU.

2.3 La misura del ponte più comunemente usata
R11, R12, R13 e PT1000 sono usati per formare un ponte di misurazione, dove R11=R13=10k, R12 = resistori di precisione 1000R. Quando il valore di resistenza di Pt1000 non è uguale al valore di resistenza di R12, Il ponte emetterà un segnale di differenza di tensione a livello MV. Questo segnale di differenza di tensione viene amplificato dal circuito dell'amplificatore dello strumento ed emette il segnale di tensione desiderato. Questo segnale può essere collegato direttamente al chip di conversione AD o alla porta AD del microcontrollore.

R11, R12, R13 e PT1000 sono usati per formare un ponte di misurazione

Il principio di misurazione della resistenza di questo circuito:
1) PT1000 è un termistore. Al variare della temperatura, La resistenza cambia sostanzialmente linearmente.
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. Secondo il principio della divisione di tensione, Possiamo scoprire che uba = ub – Fare > 0.
4) OP07 è un amplificatore operazionale, e il suo guadagno di tensione A dipende dal circuito esterno, 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, Usando il principio della divisione di tensione, 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, Dobbiamo solo cercare la tabella in base al valore di resistenza per conoscere la temperatura corrente.

2.4 Sorgente di corrente costante
A causa dell'effetto autoriscaldante della resistenza termica, La corrente che scorre attraverso il resistore dovrebbe essere il più piccolo possibile. Generalmente, La corrente dovrebbe essere inferiore a 10 mA. È stato verificato che l'autoriscaldamento del resistore al platino PT100 del 1 MW causerà un cambiamento di temperatura di 0,02-0,75 ℃. Perciò, Ridurre la corrente del resistore platino PT100 può anche ridurre il suo cambiamento di temperatura. Tuttavia, se la corrente è troppo piccola, è suscettibile alle interferenze del rumore, Quindi il valore è generalmente 0.5-2 mA, quindi la corrente della sorgente di corrente costante viene selezionata come sorgente di corrente costante da 1 mA.

Il chip è selezionato come chip di sorgente di tensione costante TL431, e quindi convertito in una sorgente di corrente costante usando il feedback negativo corrente. Il circuito è mostrato in figura

Tra loro, L'amplificatore operativo CA3140 viene utilizzato per migliorare la capacità di carico della sorgente corrente, e la formula di calcolo per la corrente di uscita è:

Il resistore dovrebbe essere un 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

Selezionare il chip di sorgente di tensione costante 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. Il TL431 ha un coefficiente di temperatura estremamente basso e una deriva a bassa temperatura.

Buona regolazione del carico: Se l'ondulazione attuale è troppo grande, causerà errori di lettura. Secondo l'analisi teorica, Poiché la tensione di ingresso varia tra 100-138,5 mv, 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, La variazione corrente durante la modifica del carico dovrebbe essere inferiore a 0,000278 mA. Nella simulazione reale, la fonte attuale rimane sostanzialmente invariata.
3. Soluzione del circuito di acquisizione AD623

AD623 Acquisizione Soluzione del circuito PT1000

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

Soluzione di acquisizione AD620 PT100

AD620 PT100 Soluzione di acquisizione Alta temperatura (150°):

AD620 PT100 Soluzione di acquisizione a bassa temperatura (-40°):

AD620 PT100 Soluzione di acquisizione a temperatura ambiente (20°):

5. Analisi di filtro anti-interferenza PT100 e PT1000

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, Il controllo del motore e la rotazione ad alta velocità del motore causano disturbi ad alta frequenza.

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 alcuni forti ambienti di interferenza elettromagnetica, L'interferenza può essere convertita in uscita CC dopo la rettifica dall'amplificatore dello strumento
Errore offset, 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. Il circuito di preelaborazione dell'acquisizione PT1000 è adatto per la preelaborazione di interferenza antielettromagnetica dell'interfaccia di apparecchiature elettroniche disperse nell'aria;
Il circuito specifico è:
La tensione di ingresso +15 V viene convertita in una sorgente di tensione ad alta precisione +5 V attraverso un regolatore di tensione, e la sorgente di tensione ad alta precisione +5 V è direttamente collegata al resistore R1.
L'altra estremità del resistore R1 è divisa in due percorsi, uno collegato all'ingresso in fase dell'amplificatore operazionale, e l'altro collegato alla resistenza PT1000 un'estremità attraverso il filtro di tipo T 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, Un percorso viene utilizzato come terminale di ingresso di tensione differenziale D attraverso il resistore R4, e l'altro percorso è collegato ad AGND tramite il resistore R2. Dopo aver attraversato il filtro S3, l'altra estremità B del resistore PT1000 è divisa in due percorsi, Un percorso viene utilizzato come terminale di ingresso di tensione differenziale E attraverso il resistore R5, e l'altro percorso è collegato ad AGND attraverso il resistore 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; Il valore di resistenza preciso di Pt1000 può essere calcolato misurando la tensione differenziale tra D ed 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, Uno è collegato al terminale di input in fase dell'amplificatore operazionale, e l'altro è collegato al resistore PT1000 A attraverso il filtro di tipo T 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; Dopo aver attraversato il filtro S3, 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, che completa il filtraggio passa-basso del segnale di ingresso, e gli oggetti da filtrare includono l'interferenza della modalità differenziale e l'interferenza della modalità comune trasportata nel segnale differenziale di ingresso. 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, con una frequenza di taglio di 1 m ± 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.