Sistema di misurazione della temperatura del sensore di resistenza termica PT100

2-filo, 3-filo o pt100 a 4 fili, Pt500, I sensori PT1000 sono sensori di temperatura basati su elementi di platino con alta precisione, stabilità e linearità, e sono ampiamente utilizzati nei campi che richiedono una misurazione accurata della temperatura. UN “Sistema di misurazione della temperatura della resistenza termica PT100” si riferisce a un sistema che utilizza un sensore PT100, un tipo di rilevatore di temperatura di resistenza (RST), misurare la temperatura rilevando i cambiamenti nella sua resistenza elettrica che sono direttamente proporzionali alla temperatura; “Pt” sta per platino, E “100” indica che il sensore ha una resistenza di 100 ohm a 0 ° C rendendolo un metodo altamente accurato e stabile per la misurazione della temperatura attraverso un ampio intervallo.

I resistori al platino sono ampiamente utilizzati nell'intervallo di temperature medie (-200~650℃). Attualmente, Sul mercato sono disponibili termoresistenze standard per la misurazione della temperatura in platino metallico, come Pt100, Pt500, Pt1000, ecc.

Comprendi il principio di lavoro di PT100: Pt100 è un sensore di temperatura del resistore PT. Il principio di lavoro si basa sull'effetto termico del resistore. Il suo valore di resistenza cambia con il cambio di temperatura. Questo cambiamento è lineare. A 0 ℃, Il valore di resistenza di Pt100 è 100 ohm. Man mano che la temperatura aumenta, Anche il valore di resistenza aumenta di conseguenza, Quindi la temperatura può essere dedotta accuratamente misurando il valore di resistenza.

Sistema di misurazione della temperatura PT100 di classe A a 4 fili ad alta precisione

2-Filo PT100 Sistema di misurazione della temperatura di temperatura di controllo della temperatura della resistenza al platino

3-Sistema di misurazione della temperatura del sensore di resistenza termica PT100

Scegli il metodo di cablaggio appropriato: Generalmente, 2-filo, 3-è possibile utilizzare metodi di cablaggio a filo o a 4 fili.

L'uscita del segnale di tensione dal ponte

Punti chiave su un sistema PT100:
Principio del sensore:
Il sensore PT100 è realizzato in un filo di platino la cui resistenza elettrica cambia prevedibilmente con le fluttuazioni della temperatura.

Metodo di misurazione:
Quando una corrente viene passata attraverso il PT100, viene misurata la caduta di tensione attraverso il sensore, che viene quindi convertito in temperatura in base alla relazione nota tra resistenza e temperatura.

Ampia applicazione:
I sensori PT100 sono comunemente usati nei processi industriali, Laboratorie, e altre applicazioni in cui è richiesta una misurazione precisa della temperatura a causa della loro elevata precisione e stabilità.

Componenti di un sistema PT100:
Sonda del sensore PT100:
L'elemento di rilevamento effettivo, In genere un filo di platino avvolto attorno a un nucleo ceramico, che viene inserito nell'ambiente da misurare.

Circuiti di condizionamento del segnale:
Elettronica che amplificano e convertono la piccola variazione di resistenza dal PT100 in un segnale di tensione misurabile.

Sistema di visualizzazione o acquisizione dei dati:
Dispositivo che visualizza la temperatura misurata o memorizza i dati per l'analisi.

Vantaggi dell'utilizzo di un sistema PT100:
Alta precisione:　Considerato uno dei sensori di temperatura più accurati disponibili.
Ampio intervallo di temperature:　Può misurare le temperature da -200 ° C a 850 ° C a seconda del design del sensore.
Buona linearità:　La relazione tra resistenza e temperatura è molto lineare, Fare una facile interpretazione dei dati.
Stabilità:　Il platino è un materiale molto stabile, Garantire letture coerenti nel tempo.

Tabella di indicizzazione della resistenza termica PT100

I tre metodi di cablaggio del resistore platino PT100 sono diversi in linea di principio: 2-filo e 3 fili sono misurati con il metodo del ponte, e alla fine la relazione tra valore di temperatura e valore di uscita analogica. 4-Il filo non ha un ponte. Viene completamente inviato dalla fonte di corrente costante, misurato per voltmetro, e infine dà il valore di resistenza misurato, che è difficile e costoso da usare.
Perché PT100 ha un piccolo valore di resistenza e un'alta sensibilità, Il valore di resistenza del filo di piombo non può essere ignorato. L'uso della connessione a 3 fili può eliminare l'errore di misurazione causata dalla resistenza della linea di piombo.
Il sistema a 2 fili ha una scarsa precisione di misurazione; Il sistema a 3 fili ha una migliore precisione; Il sistema a 4 fili ha una precisione di misurazione elevata, ma richiede più fili.

Dobbiamo solo conoscere lo stato di temperatura di PT100 in base all'uscita del segnale di tensione dal ponte. Quando il valore di resistenza di Pt100 non è uguale al valore di resistenza di Rx, Il ponte emette un segnale di pressione differenziale, che è molto piccolo. Poiché il segnale di uscita del sensore di temperatura è generalmente molto debole, È necessario un circuito di condizionamento e conversione del segnale per amplificarlo o convertirlo in una forma che è facile da trasmettere, processo, Registrare e visualizzare. La leggera variazione della quantità di segnale misurata deve essere convertita in un segnale elettrico. Quando si amplifica il segnale DC, La tensione di auto-drift e sbilanciata dell'amplificatore operazionale non può essere ignorata quando si passa attraverso l'amplificatore operazionale. Dopo l'amplificazione, Un segnale di tensione della dimensione desiderata può essere uscita.
Il valore di resistenza del resistore platino può essere ottenuto mediante calcolo del circuito o misurazione multimetro. Quando conosciamo il valore di resistenza di Pt100, Possiamo misurare e calcolare la temperatura del valore di resistenza.

Utilizzare algoritmi appropriati per l'elaborazione dei dati: Utilizzare la relazione di temperatura e resistenza nota per calcolare la temperatura attraverso la programmazione. Considerando che la relazione di resistenza-temperatura di PT100 non è lineare, soprattutto nelle aree a bassa o alta temperatura, Potrebbero essere necessari algoritmi più complessi per migliorare l'accuratezza.

Impatto dei fattori ambientali: Le prestazioni possono essere influenzate da fattori ambientali come l'interferenza elettromagnetica, vibrazione meccanica, e umidità.

Esistono tre metodi di calcolo della misurazione della temperatura comuni:
Metodo di calcolo della misurazione della temperatura 1:
Quando non è necessaria la temperatura esatta, La temperatura aumenterà di 2,5 ℃ per ogni aumento di ohm del valore di resistenza della resistenza termica PT100 (Utilizzato a basse temperature). Il valore di resistenza del sensore di temperatura Pt100 è 100 Quando è 0 ℃, Quindi la temperatura approssimativa in questo momento = (Valore di resistenza PT100-100)*2.5.

Metodo di calcolo della misurazione della temperatura 2:
Relazione tra il valore di resistenza e la temperatura del resistore platino

Nell'intervallo di 0 ～ 850 ℃: RT = R0(1+AT+BT2);

Nell'intervallo di -200 ～ 0 ℃: RT = R0[1+AT+BT2+C.(t-100)3];

RT rappresenta il valore di resistenza del resistore platino a temperatura T ℃;

R0 rappresenta il valore di resistenza del resistore platino a temperatura 0 ℃;

UN, B, C sono costanti, A = 3.96847 × 10-3/℃; B = -5.847 × 10-7/℃; C = -4,22 × 10-12/℃;

Per la resistenza termica che soddisfa la relazione di cui sopra, Il suo coefficiente di temperatura è di circa 3,9 × 10-3/℃.

Attraverso la formula sopra, La temperatura può essere risolta accuratamente in base al valore di resistenza, Ma a causa della grande quantità di calcolo di questo metodo, non è consigliato per questo esperimento.

Metodo di calcolo della temperatura tre:
Pt100 ha una buona relazione lineare con la temperatura ed è adatto per la misurazione della temperatura di media e bassa temperatura. Il valore di resistenza di PT100 a temperature diverse ha una scala di misurazione corrispondente individuale come mostrato nella figura seguente, che può visualizzare intuitivamente la relazione corrispondente tra temperature diverse e valore di resistenza di PT100.
La temperatura può essere nota controllando il valore di resistenza corrispondente attraverso la scala PT100.

Scala della resistenza termica PT100

Il dispositivo di misurazione della temperatura PT100 progettato in questo documento utilizza l'amplificatore operativo a quattro vie a basso costo comunemente utilizzato LM324 per completare la progettazione del circuito di alimentazione del dispositivo e del circuito dell'amplificatore dello strumento a tre operazioni.

1.1 Circuito di sorgente di tensione

Circuito di sorgente del sensore di resistenza termica PT100

Il circuito in figura 1 è un circuito operativo proporzionale comune. Secondo l'analisi dell'amplificatore operativo ideale che lavora nella regione lineare, Secondo il principio di breve pausa virtuale e virtuale, è ottenuto:

Formula del circuito di calcolo del ponte di grano.

​, Quindi il fattore di amplificazione della tensione a circuito chiuso è 2 volte, e poi si ottiene V = 10V, ed è usato come tensione di alimentazione stabile del circuito del ponte di Wheatstone.

1.2 Collegamento a tre fili di Wheatstone Bridge e Pt100.
La figura sopra è un ponte di Wheatstone. La condizione per il bilanciamento del ponte è che i potenziali dei punti B e D sono uguali. Quindi quando il ponte è equilibrato, Finché R1, R2 (di solito valori fissi) e R0 (di solito valori regolabili) sono letti, È possibile ottenere la resistenza Rx da misurare. R1/R2 = m, chiamato “moltiplicatore”.

Metodo di connessione a tre fili PT100 Wheatstone e PT100

Secondo il principio di misurazione della temperatura PT100, Il valore di resistenza di PT100 deve essere conosciuto correttamente, Ma il valore di resistenza non può essere misurato direttamente, Quindi è richiesto un circuito di conversione. Il valore di resistenza viene convertito in un segnale di tensione che può essere rilevato dal microcontrollore”. Il circuito del ponte di Wheatstone è uno strumento in grado di misurare correttamente la resistenza. Come mostrato in Figura 2, R1, R2, R3, e R4 sono rispettivamente le sue braccia del ponte. Quando il ponte è in equilibrio, R1xr3 = R2XR4 è soddisfatto. Quando il ponte è sbilanciato, Ci sarà una differenza di tensione tra i punti A e B. Secondo la tensione dei punti A e B, La resistenza corrispondente può essere calcolata. Questo è il principio di misurare la resistenza con un ponte sbilanciato:

Metodo di connessione a tre fili PT100

Infatti, A causa della piccola resistenza e dell'alta sensibilità di Pt100, La resistenza del filo di piombo causerà errori. Perciò, Il metodo di connessione a tre fili viene spesso utilizzato nell'industria per eliminare questo errore. Come mostrato nella parte tratteggiata della figura 2, Il valore di resistenza al filo del piombo è uguale ed è r. In questo momento, Le braccia del ponte diventano r, R, R+2r, e RT+2R. Quando il ponte è in equilibrio: R2. (R1+2r) = R1.(R3+2r), risolto: RT = R1R3/ R2+2 R1R/ R2- 2R. L'analisi mostra che quando R1 = R2, La variazione della resistenza ai fili non ha alcun effetto sul risultato della misurazione.

1.3 Circuito amplificatore di strumentazione a tre op-amp
Quando la temperatura cambia da 0 ℃ ~ 100 ℃, La resistenza di Pt100 cambia approssimativamente linearmente nell'intervallo di 100Ω ~ 138,51Ω. Secondo il circuito del ponte sopra, Il ponte è bilanciato a 0 ℃, Quindi il valore teorico della tensione di uscita del ponte dovrebbe essere 0 V, e quando la temperatura è 100 ℃, L'uscita del ponte è: Uab = u7x(R1/(R1+ R2)-R3/(R2 + R3)), questo è, Uab = 10x(138.51/(10000 + 138.51)-100/(10000 + 100)) = 0,037599V. Dal momento che questo è un segnale Millivolt, è necessario amplificare questa tensione per renderla rilevabile dal chip di annunci.

Come mostrato in Figura 3, L'amplificatore di strumentazione è un dispositivo che amplifica i piccoli segnali in un ambiente rumoroso. Ha una serie di vantaggi come bassa deriva, basso consumo energetico, Rapporto di rifiuto ad alto modo comune, ampia gamma di alimentazione e dimensioni ridotte. Utilizza le caratteristiche dei piccoli segnali differenziali sovrapposti a segnali in modalità comune più grandi, che può rimuovere i segnali in modalità comune e amplificare i segnali differenziali contemporaneamente. La tensione di uscita del circuito di amplificatore di strumentazione a tre operazioni standard è, Qui R8 = R10 = 20 kΩ, R9 = R11 = 20 kΩ, R4 = R7 = 100KΩ, che può amplificare il segnale di tensione di ingresso di circa 150 volte, in modo che la tensione di uscita teorica del ponte possa essere amplificata 0 ~ 2,34 v. Ma questo è solo un valore teorico. Nel processo effettivo, Ci sono molti fattori che possono causare cambiamenti di resistenza. Perciò, R3 può essere sostituito con un resistore regolabile di precisione per facilitare lo zero a zero.

Circuito dell'amplificatore per amplificatore per amplificatore a tre operazioni del sensore PT100

2. Progettazione di software

2.1 Metodo dei minimi quadrati e raccordo lineare PT100

Nell'intervallo di temperatura di 0 ℃ ≤t≤850 ℃, La relazione tra resistenza e temperatura di Pt100 è: R = 100 (1 +AT+BT2), dove a = 3.90802x 10-3; B =- -5.80X 10-7; C = 4.2735 x 10-12

Si può vedere che la resistenza di Pt100 e la temperatura non è una relazione lineare assoluta ma una parabola. Perciò, Se t deve essere estratto, È richiesta un'operazione di radice quadrata, che introduce un'operazione di funzione più complessa e occupa una grande quantità di risorse CPU del microcomputer a chip singolo. Per risolvere questo problema, Possiamo usare il metodo dei minimi quadrati per adattarsi linearmente alla relazione tra temperatura e resistenza. ” Il raccordo della curva dei minimi quadrati è un metodo comune per l'elaborazione dei dati sperimentali. Il suo principio è trovare una funzione polinomiale per ridurre al minimo la somma degli errori quadrati con i dati originali.

2.2 AD Temperatura di conversione digitale
Il principio di misurazione della temperatura PT100 è quello di ottenere il valore di temperatura in base al suo valore di resistenza, Quindi il valore di resistenza della resistenza termica deve essere determinato per primo. Secondo il circuito hardware, La relazione tra la tensione di uscita UAB del circuito del ponte e la tensione di uscita UAD del circuito dell'amplificatore dello strumento dell'amplificatore OP è: Nod = Jav. AUF perché il sistema utilizza un chip di annunci a 12 bit, La relazione tra la quantità digitale e la quantità analogica è: UAD/AD = 5/4096. La relazione tra la tensione di uscita del ponte e l'annuncio della quantità digitale può essere ottenuta combinando le due equazioni precedenti, questo è, UAD/AD = 5/(4096SU). Poi, viene sostituito nell'espressione di tensione di uscita del ponte UAB = U7X (Rt/ (R1+Rt) -R3/ (R2+R3) ), e può essere ottenuta l'espressione di RR e la quantità digitale. La soluzione è:

Formula di temperatura di conversione digitale AD

Dopo aver conosciuto il valore di resistenza di Pt100, Il valore di temperatura corrispondente può essere ottenuto in base all'equazione di adattamento lineare nella sezione 2.1.

2.3 Filtro digitale a chip singolo
Al fine di migliorare l'accuratezza della misurazione della temperatura di PT100, Un programma di filtraggio digitale può essere aggiunto nella programmazione software, che non richiede l'aggiunta di circuiti hardware e può migliorare la stabilità e l'affidabilità del sistema. Esistono molti metodi di filtraggio nel sistema applicativo per microcomputer a chip singolo. Quando si effettua una selezione specifica, I vantaggi e gli svantaggi del metodo di filtraggio e gli oggetti applicabili devono essere analizzati e confrontati, in modo da selezionare il metodo di filtraggio appropriato. L'algoritmo del metodo di filtraggio medio mediano è prima di raccogliere continuamente n dati, quindi rimuovere un valore minimo e un valore massimo, e infine calcola la media aritmetica dei dati rimanenti. Questo metodo di filtraggio è adatto per misurare i parametri che cambiano lentamente, come la temperatura, e può ridurre efficacemente l'interferenza causata dalle fluttuazioni causate da fattori accidentali o errori causati dall'instabilità del campionatore.

Processo di lavoro del sistema:
Quando la temperatura dell'oggetto viene misurata cambia, La resistenza di PT100 cambia, e il ponte di Wheatstone emetterà un segnale di tensione corrispondente. Questo segnale è una funzione della resistenza di Pt100. Questo segnale Millivolt è amplificato da un amplificatore di strumentazione a tre operazioni e inviato al chip di annunci, che converte la quantità analogica in una quantità digitale e viene letto dal microcontrollore. Il microcontrollore legge il chip dal chip AD ed esegue il programma di filtraggio, Convertire la quantità digitale stabile nella resistenza di PT100 attraverso il calcolo. Quindi il microcontrollore selezionerà il modello lineare montato corrispondente in base alla dimensione del valore di resistenza per calcolare il valore di temperatura corrente, e infine visualizzare i dati di temperatura sul display LCD.