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 온도 획득 회로 솔루션
1. Temperature resistance change table of PT100 and PT1000 sensors
니켈과 같은 금속 열 저항기, copper and platinum resistors have a positive correlation with the change of temperature. 백금은 가장 안정적인 물리적, 화학적 특성을 가지며 가장 널리 사용되는 금속입니다.. 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, 등. 순차적으로 감소. Pt1000, temperature measurement range is -200～420℃. IEC751 국제 표준에 따르면, 백금 저항기 Pt1000의 온도 특성은 다음 요구 사항을 충족합니다.:

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Pt1000 온도 특성 곡선에 따르면, the slope of the resistance characteristic curve changes slightly within the normal operating temperature range (그림과 같이 1). The approximate relationship between resistance and temperature can be obtained through linear fitting:

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1.1 PT100 온도 저항 변화 테이블

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1.2 PT1000 온도 저항 변화 테이블

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2. 일반적으로 사용되는 획득 회로 솔루션

2. 1 Resistor voltage divider output 0~3.3V/3V analog voltage single chip AD port direct acquisition
온도 측정 회로 전압 출력 범위는 0~3.3V입니다., PT1000 (PT1000 저항 값이 크게 변경됩니다., and the temperature measurement sensitivity is higher than PT100; PT100은 대규모 온도 측정에 더 적합합니다.).

가장 간단한 방법은 전압 분할 방법을 사용하는 것입니다.. 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, 그리고 3140. The chip uses a SOT-32 package and a 5V input voltage. 필요한 기준 전압에 따라 출력 전압을 선택할 수 있습니다.. 물론, according to the normal voltage input range of the AD port of the microcontroller, 3V/3.3V를 초과할 수 없습니다..

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2.2 Resistor voltage division output 0~5V analog voltage, and the AD port of the microcontroller directly collects it.
물론, 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.
예를 들어, 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. 기억하다, 이론적으로 계산된 출력 전압은 +5V를 초과할 수 없습니다.. 그렇지 않으면, the microcontroller will be damaged.

2.3 가장 일반적으로 사용되는 브리지 측정

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Use R11, R12, R13 and Pt1000 to form a measurement bridge, 여기서 R11=R13=10k, R12=1000R precision resistor. Pt1000의 저항값이 R12의 저항값과 같지 않을 때, the bridge will output a mV level voltage difference signal. 이 전압차 신호는 계측기 증폭기 회로에 의해 증폭되어 원하는 전압 신호를 출력합니다., which can be directly connected to the AD conversion chip or the AD port of the microcontroller.

이 회로의 저항 측정 원리:

1) PT1000은 서미스터입니다., and its resistance changes basically linearly with the change of temperature.

2) ~에 0 도, PT1000의 저항은 1kΩ입니다., 그러면 Ub와 Ua는 같습니다., 그건, 우바 = 우바 – 하다 = 0.
3) 특정 온도에서 가정하면, PT1000의 저항은 1.5kΩ입니다., 그러면 Ub와 Ua는 동일하지 않습니다.. According to the voltage divider principle, we can find Uba = Ub – 하다 > 0.
4) OP07은 연산 증폭기입니다., and its voltage amplification factor A depends on the external circuit, 여기서 A = R2/R1 = 17.5.
5) OP07의 출력 전압 Uo = Uba * ㅏ. 따라서 전압계를 사용하여 OP07의 출력 전압을 측정하면, Uab의 가치를 추론할 수 있습니다.. Ua는 알려진 값이므로, 우리는 Ub의 가치를 더 계산할 수 있습니다. 그 다음에, using the voltage divider principle, PT1000의 비저항 값을 계산할 수 있습니다.. 이 프로세스는 소프트웨어 계산을 통해 달성할 수 있습니다..
6) 어떤 온도에서든 PT1000의 저항값을 안다면, we only need to look up the table according to the resistance value to know the current temperature.

2.4 정전류원
열 저항의 자체 발열 효과로 인해, 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. 백금 저항기 PT100의 자체 발열이 확인되었습니다. 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. 하지만, 전류가 너무 작은 경우, 소음 간섭에 취약합니다, so it is generally taken at 0.5 에게 2 엄마, 따라서 정전류 소스 전류는 1mA 정전류 소스로 선택됩니다..

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. 회로는 그림에 나와 있습니다.:
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The operational amplifier CA3140 is used to improve the load capacity of the current source, 출력 전류의 계산 공식은 다음과 같습니다.:
Insert picture description here The resistor should be a 0.1% 정밀 저항기. 최종 출력 전류는 0.996ma입니다., 그건, 정확성은 0.4%.
정전류원회로는 다음과 같은 특성을 가져야 한다.:
온도 안정성: 당사의 온도 측정 환경은 0~100℃이므로, 전류 소스의 출력은 온도에 민감하지 않아야 합니다.. And TL431 has an extremely low temperature coefficient and low temperature drift.

좋은 부하 조절: 전류 리플이 너무 큰 경우, 읽기 오류가 발생합니다. 이론적 분석에 따르면. Since the input voltage varies between 100-138.5mV, 온도 측정 범위는 0-100℃입니다., 온도 측정 정확도는 섭씨 ±1도입니다., 따라서 주변 온도가 1℃ 올라갈 때마다 출력 전압은 38.5/100=0.385mV씩 변해야 합니다.. 전류 변동이 정확도에 영향을 미치지 않도록 하기 위해, 가장 극단적인 경우를 생각해보자, ~에 100 섭씨 온도, PT100의 저항값은 138.5R이어야 합니다.. 그러면 전류 리플은 0.385/138.5=0.000278mA 미만이어야 합니다., 그건, the change in current during the load change should be less than 0.000278mA. 실제 시뮬레이션에서는, 현재 소스는 기본적으로 변경되지 않습니다..

3. AD623 획득 회로 솔루션
원리는 위의 브리지 측정 원리를 참조할 수 있습니다..
저온 획득:
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고온 획득
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4. AD620 획득 회로 솔루션
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
일부 단지의 온도 획득, 가혹하거나 특수한 환경은 큰 간섭을 받기 쉽습니다., 주로 EMI와 REI를 포함. 예를 들어, 모터 온도 획득 응용 분야, high-frequency disturbances caused by motor control and high-speed rotation of the motor.

또한 항공 및 우주 비행체 내부에는 수많은 온도 제어 시나리오가 있습니다., 전력 시스템과 환경 제어 시스템을 측정하고 제어하는 ​​시스템. 온도 제어의 핵심은 온도 측정입니다.. 서미스터의 저항은 온도에 따라 선형적으로 변할 수 있으므로, 백금 저항을 사용하여 온도를 측정하는 것은 효과적인 고정밀 온도 측정 방법입니다.. 주요 문제점은 다음과 같습니다:
1. 리드선에 저항이 쉽게 도입됩니다., 따라서 센서의 측정 정확도에 영향을 미칩니다.;
2. In certain strong electromagnetic interference environments, the interference may be converted into DC output offset error after being rectified by the instrument amplifier, 측정 정확도에 영향을 미치는.

5.1 항공우주 항공 PT1000 획득 회로
특정 항공의 전자기 간섭 방지를 위한 공중 PT1000 획득 회로 설계를 참조하십시오..

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필터는 획득 회로의 가장 바깥쪽 끝에 설정됩니다.. The PT1000 acquisition preprocessing circuit is suitable for anti-electromagnetic interference preprocessing of airborne electronic equipment interfaces; the specific circuit is:
+15V 입력 전압은 전압 조정기를 통해 +5V 고정밀 전압 소스로 변환됩니다.. 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. 연산 증폭기의 출력은 반전 입력에 연결되어 전압 팔로워를 형성합니다., 반전 입력은 동위상 입력의 전압이 항상 0이 되도록 전압 조정기의 접지 포트에 연결됩니다.. S2 필터를 통과한 후, PT1000 저항의 한쪽 끝은 두 개의 경로로 나누어집니다, one through resistor R4 as the differential voltage input D, 하나는 저항 R2를 통해 AGND로 연결됩니다.. S3 필터를 통과한 후, PT1000 저항의 다른 쪽 끝 B는 두 개의 경로로 나뉩니다., one through resistor R5 as the differential voltage input E, 하나는 저항 R3을 통해 AGND로 연결됩니다.. D와 E는 커패시터 C3을 통해 연결됩니다., D는 커패시터 C1을 통해 AGND에 연결됩니다., E는 커패시터 C2를 통해 AGND에 연결됩니다.. The precise resistance value of PT1000 can be calculated by measuring the differential voltage across D and E.

+15V 입력 전압은 전압 조정기를 통해 +5V 고정밀 전압 소스로 변환됩니다.. +5V는 R1에 직접 연결됩니다.. R1의 다른 쪽 끝은 두 개의 경로로 나누어집니다., 하나는 연산 증폭기의 동위상 입력에 연결됨, and the other connected to the A end of the PT1000 resistor through the T-type filter S1. 연산 증폭기의 출력은 반전 입력에 연결되어 전압 팔로워를 형성합니다., 반전 입력은 반전 입력의 전압이 항상 0이 되도록 전압 조정기의 접지 포트에 연결됩니다.. 이때, R1을 통해 흐르는 전류는 0.5mA로 일정합니다.. 전압 조정기는 AD586TQ/883B를 사용합니다., 연산 증폭기는 OP467A를 사용합니다..

S2 필터를 통과한 후, PT1000 저항의 한쪽 끝은 두 개의 경로로 나누어집니다, 차동 전압 입력 끝 D로 저항 R4를 통해 하나, 하나는 저항 R2를 통해 AGND로 연결됩니다.. S3 필터를 통과한 후, PT1000 저항의 다른 쪽 끝 B는 두 개의 경로로 나뉩니다., 차동 전압 입력 끝 E로 저항 R5를 통해 하나, 하나는 저항 R3을 통해 AGND로 연결됩니다.. D와 E는 커패시터 C3을 통해 연결됩니다., D는 커패시터 C1을 통해 AGND에 연결됩니다., E는 커패시터 C2를 통해 AGND에 연결됩니다..
R4 및 R5의 저항은 4.02kΩ입니다., R1과 R2의 저항은 1M 옴입니다., C1과 C2의 커패시턴스는 1000pF입니다., C3의 커패시턴스는 0.047uF입니다.. R4, R5, C1, C2, C3은 함께 RFI 필터 네트워크를 형성합니다.. 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. 입력 신호에 전달되는 공통 모드 간섭과 차동 모드 간섭의 -3dB 차단 주파수 계산은 다음 공식에 나와 있습니다.:

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저항값을 계산에 대입, 공통 모드 차단 주파수는 40kHZ입니다., 차동 모드 차단 주파수는 2.6KHZ입니다..
끝점 B는 S4 필터를 통해 AGND에 연결됩니다.. 그 중, S1에서 S4까지의 필터 접지 단자는 모두 항공기 차폐 접지에 연결됩니다.. PT1000을 통해 흐르는 전류는 0.05mA로 알려져 있습니다., PT1000의 정확한 저항값은 D와 E 양단의 차동전압을 측정하여 계산할 수 있습니다..
S1~S4는 T형 필터를 사용합니다., 모델 GTL2012X‑103T801, with a cutoff frequency of M±20%. 이 회로는 외부 인터페이스 라인에 저역 통과 필터를 도입하고 차동 전압에 대해 RFI 필터링을 수행합니다.. PT1000의 전처리 회로로, 전자기 및 RFI 방사 간섭을 효과적으로 제거합니다., 이는 수집된 값의 신뢰성을 크게 향상시킵니다.. 게다가, 전압은 PT1000 저항의 양쪽 끝에서 직접 측정됩니다., 리드 저항으로 인한 오류를 제거하고 저항 값의 정확성을 향상시킵니다..

5.2 T형 필터
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T형 필터는 2개의 인덕터와 커패시터로 구성됩니다.. 양쪽 끝이 높은 임피던스를 가짐, 삽입 손실 성능은 π형 필터와 유사합니다., 하지만 그럴 경향은 없다. “울리는” 스위칭 회로에 사용할 수 있습니다..