Resistori e circuiti delle sonde sensore con resistore termico metallico PT100 e PT1000

Un circuito di acquisizione della temperatura per una sonda sensore PT100 o PT1000 è generalmente costituito da una sorgente di corrente stabile per eccitare il sensore, un circuito di misurazione della resistenza ad alta precisione per rilevare la variazione della resistenza con la temperatura, e un convertitore analogico-digitale (ADC) per convertire la tensione misurata in un segnale digitale che può essere elaborato da un microcontrollore o da un sistema di acquisizione dati; la differenza fondamentale tra un circuito PT100 e PT1000 è la scala dei valori di resistenza poiché il Pt100 ha una resistenza nominale di 100 ohm a 0°C mentre una Pt1000 ha 1000 ohm a 0°C, spesso richiedono regolazioni nel circuito di misurazione a seconda della precisione e dell'applicazione desiderate.

L'articolo introduce la variazione di resistenza delle sonde con sensore termico a resistenza metallica PT100 e PT1000 a diverse temperature, nonché una varietà di soluzioni di circuiti di acquisizione della temperatura. Compresa la divisione della tensione di resistenza, misurazione del ponte, sorgente di corrente costante e AD623, Circuito di acquisizione AD620. Per resistere alle interferenze, in particolare le interferenze elettromagnetiche nel campo aerospaziale, viene proposto un progetto di circuito di acquisizione del sensore di temperatura PT1000 in volo, incluso un filtro di tipo T per filtrare e migliorare la precisione della misurazione.
Abstract generato da CSDN attraverso la tecnologia intelligente

Sensore di temperatura con cavo PT100 per la misurazione precisa della temperatura nei contenitori, serbatoi e tubazioni

Sonda sensore di temperatura T100 cavo ad alta temperatura -50~260

Sensore di temperatura con resistenza al platino PT100 per la temperatura superficiale del trasmettitore

Soluzione del circuito di acquisizione della temperatura PT100/PT1000
1. Tabella di variazione della resistenza alla temperatura dei sensori PT100 e PT1000
Resistenze termiche metalliche come il nichel, i resistori in rame e platino hanno una correlazione positiva con il cambiamento di temperatura. Il platino ha le proprietà fisiche e chimiche più stabili ed è il più utilizzato. L'intervallo di misurazione della temperatura delle sonde del sensore Pt100 con resistenza al platino comunemente utilizzate è -200 ~ 850 ℃, e gli intervalli di misurazione della temperatura di Pt500, Sonde sensore Pt1000, ecc. vengono successivamente ridotti. Pt1000, l'intervallo di misurazione della temperatura è -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 della resistenza cambia leggermente all'interno del normale intervallo di temperature di esercizio (come mostrato nella Figura 1). La relazione approssimativa tra resistenza e temperatura può essere ottenuta mediante adattamento lineare:

Tabella di modifica della resistenza alla temperatura PT100 1

2. Soluzioni circuitali di acquisizione di uso comune

2. 1 Uscita divisore di tensione del resistore 0~3,3 V/3 V acquisizione diretta porta AD a chip singolo con tensione analogica
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, e la sensibilità della misurazione della temperatura è superiore a PT100; PT100 è più adatto per la misurazione della temperatura su larga scala).

Il modo più semplice è utilizzare il metodo della divisione della tensione. La tensione è generata dal chip sorgente di riferimento di tensione TL431, che è una sorgente di riferimento di tensione da 4 V. In alternativa, REF3140 può essere utilizzato per generare 4,096 V come sorgente di riferimento. I chip sorgente di riferimento includono anche REF3120, 3125, 3130, 3133, E 3140. Il chip utilizza un pacchetto SOT-32 e una tensione di ingresso di 5 V. La tensione di uscita può essere selezionata in base alla tensione di riferimento richiesta. Ovviamente, in base al normale intervallo di ingresso della tensione della porta AD del microcontrollore, non può superare 3 V/3,3 V.

Acquisizione diretta del circuito della porta AD a chip singolo PT100

2.2 Uscita divisione tensione resistore Tensione analogica 0~5V, e la porta AD del microcontrollore lo raccoglie direttamente.
Ovviamente, alcuni circuiti sono alimentati da un microcontrollore da 5V, e la corrente operativa massima del PT1000 è 0,5 mA, pertanto è necessario utilizzare un valore di resistenza adeguato per garantire il normale funzionamento del componente.
Per esempio, i 3,3 V nel diagramma schematico della divisione di tensione sopra sono sostituiti da 5 V. Il vantaggio è che la divisione di tensione di 5 V è più sensibile della tensione di 3,3 V, e la raccolta è più accurata. Ricordare, la tensione di uscita teorica calcolata non può superare +5V. Altrimenti, il microcontrollore verrà danneggiato.

2.3 La misura del ponte più comunemente usata

Il circuito divisore di tensione del PT100 emette una tensione analogica da 0 ~ 5 V

Usa R11, R12, R13 e Pt1000 per formare un ponte di misura, dove R11=R13=10k, R12=resistore 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 di livello mV. Questo segnale di differenza di tensione viene amplificato dal circuito dell'amplificatore dello strumento ed emette il segnale di tensione desiderato, che può essere collegato direttamente al chip di conversione AD o alla porta AD del microcontrollore.

Il principio di misurazione della resistenza di questo circuito:

1) PT1000 è un termistore, e la sua resistenza cambia sostanzialmente in modo lineare con il cambiamento della temperatura.

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 del partitore di tensione, possiamo trovare Uba = Ub – Fare > 0.
4) OP07 è un amplificatore operazionale, e il suo fattore di amplificazione della 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, utilizzando il principio del partitore 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, basta consultare la tabella in base al valore della resistenza per conoscere la temperatura attuale.

2.4 Sorgente di corrente costante
A causa dell'effetto autoriscaldante della resistenza termica, è necessario assicurarsi che la corrente che scorre attraverso il resistore sia la minima possibile, e 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 a 0,75 ℃, quindi riducendo la corrente del resistore al platino PT100 è possibile ridurne anche la variazione di temperatura. Tuttavia, se la corrente è troppo piccola, è suscettibile alle interferenze del rumore, quindi è generalmente considerato 0.5 A 2 mA, quindi la corrente della sorgente di corrente costante viene selezionata come sorgente di corrente costante da 1 mA.

Il chip selezionato è il chip con sorgente di tensione costante TL431, e quindi l'attuale feedback negativo viene utilizzato per convertirlo in una fonte di corrente costante. Il circuito è mostrato in figura:

Sorgente di corrente costante dello schema di acquisizione del circuito del resistore PT100

L'amplificatore operazionale CA3140 viene utilizzato per migliorare la capacità di carico della sorgente di corrente, e la formula di calcolo per la corrente di uscita è:
Inserisci qui la descrizione dell'immagine La resistenza dovrebbe essere 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:
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. E TL431 ha un coefficiente di temperatura estremamente basso e una deriva termica bassa.

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 e 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 di corrente durante il cambio di carico deve essere inferiore a 0,000278 mA. Nella simulazione reale, la fonte attuale rimane sostanzialmente invariata.

3. Soluzione del circuito di acquisizione AD623
Il principio può fare riferimento al principio di misurazione del ponte di cui sopra.
Acquisizione a bassa temperatura:

AD620 misura la temperatura elevata della soluzione di acquisizione PT100 (150°)

Acquisizione ad alta temperatura
Inserisci qui la descrizione dell'immagine

4. Soluzione del circuito di acquisizione AD620
AD620 Soluzione di acquisizione PT100 per alta temperatura (150°):

AD620 misura la soluzione di acquisizione PT100 a bassa temperatura (-40°)

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

AD620 misura lo schema di acquisizione PT100 a temperatura ambiente (20°)

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

Circuito di acquisizione alta temperatura del sensore PT100

5. Analisi di filtraggio antidisturbo dei sensori 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, disturbi ad alta frequenza causati dal controllo del motore e dalla rotazione ad alta velocità del motore.

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 ambienti con forti interferenze elettromagnetiche, l'interferenza può essere convertita in errore di offset dell'uscita CC dopo essere stata rettificata dall'amplificatore dello strumento, influenzando la precisione della misurazione.

5.1 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.

Schema circuito di acquisizione AD623 per sensore PT100

All'estremità più esterna del circuito di acquisizione è posto un filtro. Il circuito di preelaborazione dell'acquisizione PT1000 è adatto per la preelaborazione anti-interferenza elettromagnetica delle interfacce di apparecchiature elettroniche aerotrasportate; 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. La sorgente di tensione ad alta precisione +5 V è collegata direttamente al resistore R1, e l'altra estremità del resistore R1 è divisa in due percorsi. Uno è collegato all'estremità di ingresso in fase dell'amplificatore operazionale, e l'altro è collegato all'estremità A del resistore PT1000 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, uno attraverso il resistore R4 come ingresso di 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 ingresso di 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. Il valore preciso della resistenza del 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 collegato all'ingresso in fase dell'amplificatore operazionale, e l'altro collegato all'estremità A del resistore PT1000 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. Il filtro RFI completa il filtraggio passa-basso del segnale di ingresso, e gli oggetti filtrati includono l'interferenza di modo differenziale e l'interferenza di modo comune trasportate 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:

Circuito di acquisizione PT1000 aerospaziale

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 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.

3-Sensore di temperatura con resistenza termica in platino PT100 ad alta temperatura industriale di controllo filo Classe B

Termocoppia a molla di compressione tipo K-E, Sonda sensore di temperatura pt100

Sensore di temperatura PT100 ad alta precisione per la misurazione della temperatura del trasformatore

5.2 Filtro di tipo T
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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.