Temperature Acquisition Circuit of PT100 and PT1000 Sensor Probe

The article introduces the resistance change of PT100 and PT1000 metal thermal resistor sensor probes at different temperatures, as well as a variety of temperature acquisition circuit solutions. Including resistance voltage division, bridge measurement, constant current source and AD623, AD620 acquisition circuit. In order to resist interference, especially electromagnetic interference in the aerospace field, an airborne PT1000 temperature sensor acquisition circuit design is proposed, including a T-type filter for filtering and improving measurement accuracy.
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PT100/PT1000温度取得回路ソリューション
1. Temperature resistance change table of PT100 and PT1000 sensors
ニッケルなどの金属熱抵抗器, copper and platinum resistors have a positive correlation with the change of temperature. プラチナは物理的および化学的特性が最も安定しており、最も広く使用されています。. The temperature measurement range of the commonly used platinum resistance Pt100 sensor probes is -200～850℃, and the temperature measurement ranges of Pt500, Pt1000 sensor probes, 等. 次々と減額されていく. Pt1000, temperature measurement range is -200～420℃. 国際規格IEC751に準拠, 白金抵抗器 Pt1000 の温度特性は以下の要件を満たします。:

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Pt1000の温度特性曲線による, the slope of the resistance characteristic curve changes slightly within the normal operating temperature range (図に示すように 1). The approximate relationship between resistance and temperature can be obtained through linear fitting:

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1.1 PT100温度抵抗変化表

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1.2 PT1000温度抵抗変化表

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2. 一般的に使用される収集回路ソリューション

2. 1 Resistor voltage divider output 0~3.3V/3V analog voltage single chip AD port direct acquisition
温度測定回路の電圧出力範囲は0～3.3Vです。, PT1000 (PT1000は抵抗値が大きく変化します, and the temperature measurement sensitivity is higher than PT100; PT100は大規模な温度測定に適しています).

最も簡単な方法は分圧方式を使用することです。. The voltage is generated by the TL431 voltage reference source chip, which is a 4V voltage reference source. Alternatively, REF3140 can be used to generate 4.096V as a reference source. Reference source chips also include REF3120, 3125, 3130, 3133, そして 3140. The chip uses a SOT-32 package and a 5V input voltage. 必要な基準電圧に応じて出力電圧を選択可能. もちろん, according to the normal voltage input range of the AD port of the microcontroller, 3V/3.3Vを超えることはできません.

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2.2 Resistor voltage division output 0~5V analog voltage, and the AD port of the microcontroller directly collects it.
もちろん, some circuits are powered by a 5V microcontroller, and the maximum operating current of the PT1000 is 0.5mA, so an appropriate resistance value must be used to ensure the normal operation of the component.
例えば, the 3.3V in the voltage division schematic diagram above is replaced by 5V. The advantage of this is that the 5V voltage division is more sensitive than the 3.3V voltage, and the collection is more accurate. 覚えて, 理論的に計算された出力電圧は +5V を超えることはできません. さもないと, the microcontroller will be damaged.

2.3 最も一般的に使用される橋梁測定

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Use R11, R12, R13 and Pt1000 to form a measurement bridge, ここで、R11=R13=10k, R12=1000R precision resistor. Pt1000の抵抗値とR12の抵抗値が異なる場合, the bridge will output a mV level voltage difference signal. この電圧差信号が計器用増幅回路で増幅され、所望の電圧信号が出力されます。, which can be directly connected to the AD conversion chip or the AD port of the microcontroller.

この回路の抵抗測定原理:

1) PT1000はサーミスタです, and its resistance changes basically linearly with the change of temperature.

2) で 0 度, PT1000の抵抗は1kΩです, Ub と Ua は等しい, あれは, ウバ＝ウブ – する = 0.
3) ある温度だと仮定すると、, PT1000の抵抗は1.5kΩです, Ub と Ua は等しくありません. According to the voltage divider principle, we can find Uba = Ub – する > 0.
4) OP07はオペアンプです, and its voltage amplification factor A depends on the external circuit, ここで、A = R2/R1 = 17.5.
5) OP07の出力電圧Uo = Uba * あ. したがって、電圧計を使用してOP07の出力電圧を測定すると、, Uab の価値を推測できます. Ua は既知の値なので、, Ub の値をさらに計算できます. それから, using the voltage divider principle, PT1000の比抵抗値を計算できます. このプロセスはソフトウェア計算によって実現できます。.
6) PT1000の任意の温度における抵抗値がわかれば, we only need to look up the table according to the resistance value to know the current temperature.

2.4 定電流源
感熱抵抗体の自己発熱効果により, it is necessary to ensure that the current flowing through the resistor is as small as possible, and generally the current is expected to be less than 10mA. の白金抵抗器PT100の自己発熱が確認されております。 1 mW will cause a temperature change of 0.02 to 0.75℃, so reducing the current of the platinum resistor PT100 can also reduce its temperature change. しかし, 電流が小さすぎる場合, ノイズ干渉を受けやすい, so it is generally taken at 0.5 に 2 ミリアンペア, したがって、定電流源の電流は 1mA の定電流源として選択されます。.

The chip selected is the constant voltage source chip TL431, and then the current negative feedback is used to convert it into a constant current source. 回路は図に示されています:
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The operational amplifier CA3140 is used to improve the load capacity of the current source, 出力電流の計算式は次のようになります。:
Insert picture description here The resistor should be a 0.1% 精密抵抗器. 最終出力電流は0.996mAです。, あれは, 精度は 0.4%.
定電流源回路は次のような特性を持つ必要があります。:
温度安定性: 弊社の温度測定環境は0～100℃ですので, 電流源の出力は温度に敏感であってはなりません. And TL431 has an extremely low temperature coefficient and low temperature drift.

優れた負荷レギュレーション: 電流リップルが大きすぎる場合, 読み取りエラーの原因になります. 理論分析によると. Since the input voltage varies between 100-138.5mV, 温度測定範囲は0〜100℃です。, 温度測定精度は±1℃です。, したがって、周囲温度が1℃上昇するごとに、出力電圧は38.5/100=0.385mV変化するはずです。. 電流変動が精度に影響を与えないようにするため, 最も極端なケースを考えてみる, で 100 摂氏, PT100の抵抗値は138.5Rである必要があります。. この場合、電流リップルは 0.385/138.5=0.000278mA 未満になるはずです。, あれは, the change in current during the load change should be less than 0.000278mA. 実際のシミュレーションでは, 電流源は基本的に変更されません.

3. AD623 集録回路ソリューション
この原理は、上記の橋梁測定原理を参照できます。.
低温取得:
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高温取得
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4. AD620 集録回路ソリューション
AD620 PT100 acquisition solution for high temperature (150°):

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

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AD620 PT100 acquisition solution for room temperature (20°):

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5. Anti-interference filtering analysis of PT100 and PT1000 sensors
いくつかの複合施設での温度取得, 過酷な環境や特殊な環境では大きな干渉を受ける可能性があります, 主にEMIとREIを含む. 例えば, モーター温度取得用途で, high-frequency disturbances caused by motor control and high-speed rotation of the motor.

航空および航空宇宙車両の内部には、多数の温度制御シナリオもあります。, 電力システムや環境制御システムの計測・制御を行う. 温度管理の核心は温度測定. サーミスタの抵抗は温度に応じて直線的に変化するため、, 白金抵抗を使用した温度測定は効果的な高精度温度測定方法です. 主な問題点は以下の通り:
1. リード線に抵抗が入りやすい, したがって、センサーの測定精度に影響します。;
2. In certain strong electromagnetic interference environments, the interference may be converted into DC output offset error after being rectified by the instrument amplifier, 測定精度に影響を与える.

5.1 航空宇宙航空機搭載 PT1000 取得回路
特定の航空における電磁干渉防止のための空中 PT1000 収集回路の設計を参照してください。.

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取得回路の最外端にフィルタを設置. The PT1000 acquisition preprocessing circuit is suitable for anti-electromagnetic interference preprocessing of airborne electronic equipment interfaces; the specific circuit is:
+15V 入力電圧は、電圧レギュレータを介して +5V 高精度電圧源に変換されます。. The +5V high-precision voltage source is directly connected to the resistor R1, and the other end of the resistor R1 is divided into two paths. One is connected to the in-phase input end of the op amp, and the other is connected to the PT1000 resistor A end through the T-type filter S1. オペアンプの出力は反転入力に接続され、ボルテージフォロワを形成します。, そして反転入力は電圧レギュレータのグランドポートに接続され、同相入力の電圧が常にゼロになるようにします。. S2フィルター通過後, PT1000 抵抗の一端 A は 2 つの経路に分かれています, one through resistor R4 as the differential voltage input D, 1 つは抵抗 R2 を介して AGND に接続. S3フィルター通過後, PT1000 抵抗の他端 B は 2 つの経路に分かれています, one through resistor R5 as the differential voltage input E, 1 つは抵抗 R3 を介して AGND に接続. DとEはコンデンサC3を介して接続されています, DはコンデンサC1を介してAGNDに接続されています, EはコンデンサC2を介してAGNDに接続されています. The precise resistance value of PT1000 can be calculated by measuring the differential voltage across D and E.

+15V 入力電圧は、電圧レギュレータを介して +5V 高精度電圧源に変換されます。. +5VはR1に直接接続されています. R1 の他端は 2 つのパスに分かれています, 1 つはオペアンプの同相入力に接続されています, and the other connected to the A end of the PT1000 resistor through the T-type filter S1. オペアンプの出力は反転入力に接続され、ボルテージフォロワを形成します。, 反転入力は電圧レギュレータのグランドポートに接続され、反転入力の電圧が常にゼロになるようにします。. 現時点では, R1を流れる電流は一定の0.5mAです。. 電圧レギュレータにはAD586TQ/883Bを使用, オペアンプにはOP467Aを使用.

S2フィルター通過後, PT1000 抵抗の一端 A は 2 つの経路に分かれています, 1 つは差動電圧入力端として抵抗 R4 を介して D, 1 つは抵抗 R2 を介して AGND に接続. S3フィルター通過後, PT1000 抵抗の他端 B は 2 つの経路に分かれています, 1つは抵抗R5を介して差動電圧入力端Eとして, 1 つは抵抗 R3 を介して AGND に接続. DとEはコンデンサC3を介して接続されています, DはコンデンサC1を介してAGNDに接続されています, EはコンデンサC2を介してAGNDに接続されています.
R4とR5の抵抗は4.02kオームです。, R1とR2の抵抗は1Mオームです, C1とC2の静電容量は1000pFです, C3の静電容量は0.047uFです。. R4, R5, C1, C2, と C3 は一緒になって RFI フィルター ネットワークを形成します. The RFI filter completes the low-pass filtering of the input signal, and the objects filtered out include the differential mode interference and common mode interference carried in the input differential signal. 入力信号に含まれるコモンモード干渉とディファレンシャルモード干渉の -3dB カットオフ周波数の計算は次の式で示されます。:

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抵抗値を計算に代入する, コモンモードカットオフ周波数は40kHzです, 差動モードのカットオフ周波数は2.6KHZです。.
エンドポイント B は S4 フィルターを介して AGND に接続されます. その中で, S1 から S4 までのフィルター接地端子はすべて航空機のシールド接地に接続されています。. PT1000に流れる電流は既知の0.05mAであるため、, PT1000 の正確な抵抗値は、D と E の両端の差動電圧を測定することで計算できます。.
S1～S4はT型フィルターを使用, 型式 GTL2012X‑103T801, with a cutoff frequency of M±20%. この回路は、外部インターフェイス ラインにローパス フィルターを導入し、差動電圧に対して RFI フィルター処理を実行します。. PT1000の前処理回路として, 電磁波およびRFI放射干渉を効果的に排除します。, これにより、収集された値の信頼性が大幅に向上します。. 加えて, 電圧は PT1000 抵抗器の両端から直接測定されます。, リード線抵抗による誤差をなくし、抵抗値の精度を向上させます。.

5.2 T型フィルター
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T型フィルタは2つのインダクタとコンデンサで構成されます. 両端がハイインピーダンスになっている, 挿入損失性能はπ型フィルタと同等です。, しかし、その傾向はありません “鳴っている” スイッチング回路で使用可能.