PT100 열저항 센서의 온도 측정 시스템

2-철사, 3-와이어 또는 4 와이어 PT100, Pt500, PT1000 센서는 정확도가 높은 백금 요소를 기반으로 한 온도 센서입니다., 안정성과 선형성, 정확한 온도 측정이 필요한 필드에서 널리 사용됩니다.. ㅏ “PT100 열 저항 온도 측정 시스템” PT100 센서를 사용하는 시스템을 나타냅니다, 저항 온도 검출기의 유형 (RTD), 온도에 직접 비례하는 전기 저항의 변화를 감지하여 온도를 측정합니다.; “Pt” 백금을 나타냅니다, 그리고 “100” 센서의 저항이 있음을 나타냅니다 100 0 ° C에서 Ohms는 광범위한 온도 측정을위한 매우 정확하고 안정적인 방법입니다..

백금 저항기는 중간 온도 범위에서 널리 사용됩니다. (-200~650℃). 현재, 시중에는 금속 백금으로 만든 표준 온도 측정 열 저항기가 있습니다., Pt100과 같은, Pt500, Pt1000, 등.

PT100의 작동 원리를 이해하십시오: PT100은 PT 저항의 온도 센서입니다. 작동 원리는 저항의 열 영향을 기반으로합니다.. 저항 값은 온도 변화에 따라 변합니다. 이 변경은 선형입니다. 0 ℃에서, PT100의 저항 값은 다음과 같습니다 100 옴. 온도가 상승함에 따라, 저항 값도 그에 따라 증가합니다, 따라서 저항 값을 측정하여 온도를 정확하게 추론 할 수 있습니다..

고정밀 4선식 Class A PT100 온도 측정 시스템

2-와이어 PT100 백금 저항 온도 제어 프로브 온도 측정 시스템

3-와이어 PT100 열 저항 센서 온도 측정 시스템

적절한 배선 방법을 선택하십시오: 일반적으로, 2-철사, 3-와이어 또는 4 와이어 배선 방법을 사용할 수 있습니다.

브리지의 전압 신호 출력

PT100 시스템에 대한 핵심 사항:
센서 원리:
PT100 센서는 온도 변동에 따라 전기 저항이 예측 가능하게 변하는 백금 와이어로 만들어집니다..

측정 방법:
전류가 PT100을 통과 할 때, 센서를 가로 지르는 전압 강하가 측정됩니다, 그런 다음 저항과 온도 사이의 알려진 관계에 따라 온도로 전환됩니다..

광범위한 응용:
PT100 센서는 일반적으로 산업 공정에서 사용됩니다, 실험실, 높은 정확도와 안정성으로 인해 정확한 온도 측정이 필요한 다른 응용 프로그램.

PT100 시스템의 구성 요소:
PT100 센서 프로브:
실제 감지 요소, 일반적으로 플래티넘 와이어는 세라믹 코어를 감싸고 있습니다, 측정 할 환경에 삽입됩니다.

신호 컨디셔닝 회로:
PT100에서 측정 가능한 전압 신호로 작은 저항 변화를 증폭시키고 변환하는 전자 장치.

표시 또는 데이터 수집 시스템:
측정 된 온도를 표시하거나 분석을 위해 데이터를 저장하는 장치.

PT100 시스템 사용의 이점:
높은 정확도:　사용 가능한 가장 정확한 온도 센서 중 하나로 간주됩니다.
넓은 온도 범위:　센서 설계에 따라 -200 ° C ~ 850 ° C의 온도를 측정 할 수 있습니다..
좋은 선형성:　저항과 온도의 관계는 매우 선형입니다, 쉬운 데이터 해석을위한 제작.
안정:　백금은 매우 안정적인 재료입니다, 시간이 지남에 따라 일관된 독서를 보장합니다.

PT100 열 저항 인덱싱 테이블

PT100 백금 저항의 세 가지 배선 방법은 원칙적으로 다릅니다.: 2-와이어 및 3 와이어는 브리지 방법으로 측정됩니다, 그리고 온도 값과 아날로그 출력 값의 관계는 결국에 나와 있습니다.. 4-와이어에는 다리가 없습니다. 상수 전류 소스에 의해 완전히 전송됩니다, 전압계로 측정, 마지막으로 측정 된 저항 값을 제공합니다, 사용하기가 어렵고 비용이 많이 듭니다.
PT100은 저항 값이 작고 감도가 높기 때문에, 리드 와이어의 저항 값은 무시할 수 없습니다.. 3 와이어 연결을 사용하면 리드 라인 저항으로 인한 측정 오류가 제거 될 수 있습니다..
2 와이어 시스템은 측정 정확도가 좋지 않습니다; 3 와이어 시스템의 정확도가 향상됩니다; 4 와이어 시스템의 측정 정확도가 높습니다, 그러나 더 많은 와이어가 필요합니다.

우리는 브리지의 전압 신호 출력을 기반으로 PT100의 온도 상태 만 알아야합니다.. PT100의 저항 값이 RX의 저항 값과 같지 않은 경우, 브리지는 차등 압력 신호를 출력합니다, 매우 작습니다. 온도 센서의 출력 신호는 일반적으로 매우 약하기 때문에, 신호 조절 및 변환 회로는 그것을 증폭 시키거나 전송하기 쉬운 양식으로 변환해야합니다., 프로세스, 녹음 및 표시. 측정 된 신호량의 약간의 변화는 전기 신호로 변환해야합니다.. DC 신호를 증폭시킬 때, OP AMP를 통과 할 때 OP AMP의 자체 드리프트 및 불균형 전압은 무시할 수 없습니다.. 증폭 후, 원하는 크기의 전압 신호는 출력 될 수 있습니다..
백금 저항의 저항 값은 회로 계산 또는 멀티 미터 측정에 의해 얻을 수 있습니다.. PT100의 저항 값을 알면, 저항 값으로 온도를 측정하고 계산할 수 있습니다..

데이터 처리에 적절한 알고리즘을 사용하십시오: 알려진 온도와 저항 관계를 사용하여 프로그래밍을 통해 온도를 계산하십시오.. PT100의 저항 온도 관계는 비선형임을 고려할 때, 특히 저온 또는 고온 영역에서, 정확도를 향상시키기 위해보다 복잡한 알고리즘이 필요할 수 있습니다.

환경 요인의 영향: 성능은 전자기 간섭과 같은 환경 적 요인의 영향을받을 수 있습니다., 기계적 진동, 그리고 습도.

공통 온도 측정 계산 방법에는 세 가지가 있습니다:
온도 측정 계산 방법 1:
정확한 온도가 필요하지 않은 경우, PT100 열 저항기의 저항 값이 증가 할 때마다 온도가 2.5 ° 증가합니다. (저온에서 사용됩니다). PT100 온도 센서의 저항 값은 다음과 같습니다 100 0 ℃ 일 때, 따라서이 시간의 대략적인 온도 = (PT100 저항 가치 -100)*2.5.

온도 측정 계산 방법 2:
백금 저항의 저항 값과 온도 사이의 관계

0 0 850 ℃ 범위에서: RT = R0(1+at+bt2);

-200 ℃ 범위에서: RT = R0[1+at+bt2+c(t-100)3];

RT는 온도 T ℃에서 백금 저항의 저항 값을 나타냅니다.;

R0은 온도에서 백금 저항의 저항 값을 나타냅니다.;

ㅏ, 비, C는 상수입니다, a = 3.96847 × 10-3/℃; B = -5.847 × 10-7/℃; C = -4.22 × 10-12/℃;

위의 관계를 충족하는 열 저항의 경우, 온도 계수는 약 3.9 × 10-3/℃입니다.

위의 공식을 통해, 저항 값에 따라 온도를 정확하게 해결할 수 있습니다., 그러나이 방법의 많은 양의 계산으로 인해, 이 실험에는 권장되지 않습니다.

온도 계산 방법 3:
PT100은 온도와 양호한 선형 관계를 가지며 중간 및 저온 온도 측정에 적합합니다.. 다른 온도에서 PT100의 저항 값은 아래 그림과 같이 일대일 대응 측정 척도를 갖습니다., 다른 온도와 PT100의 저항 값 사이의 해당 관계를 직관적으로 표시 할 수 있습니다..
PT100 척도를 통해 해당 저항 값을 확인하여 온도를 알 수 있습니다..

PT100 열 저항 스케일

이 논문에서 설계된 PT100 온도 측정 장치는 일반적으로 사용되는 저비용 4 방향 작동 증폭기 LM324를 사용하여 장치 전원 공급 장치 회로 및 3-OP-AMM 기기 앰프 회로의 설계를 완료합니다..

1.1 전압 소스 회로

PT100 열 저항 센서 전압 소스 회로

그림의 회로 1 일반적인 비례 작동 회로입니다. 선형 영역에서 작동하는 이상적인 작동 증폭기 분석에 따르면, 가상 단기 및 가상 브레이크의 원리에 따라, 획득됩니다:

Wheatstone Bridge 계산 회로 공식

​, 그런 다음 폐쇄 루프 전압 증폭 계수입니다 2 타임스, 그런 다음 v = 10V가 얻어진다, 그리고 Wheatstone Bridge 회로의 안정적인 전원 공급 전압으로 사용됩니다..

1.2 Wheatstone Bridge 및 PT100의 3 와이어 연결.
위의 그림은 Wheatstone Bridge입니다. 교량 균형이 잡힌 조건은 지점 B와 D의 잠재력이 동일하다는 것입니다.. 그래서 다리가 균형을 잡을 때, R1만큼, R2 (일반적으로 고정 값) 그리고 R0 (일반적으로 조정 가능한 값) 읽습니다, 측정 할 저항 RX를 얻을 수 있습니다. R1/R2 = m, ~라고 불리는 “승수”.

Wheatstone Bridge 및 PT100 3 와이어 연결 방법

PT100 온도 측정 원리에 따르면, PT100의 저항 값은 올바르게 알 필요가 있습니다., 그러나 저항 값은 직접 측정 할 수 없습니다, 변환 회로가 필요합니다. 저항 값은 마이크로 컨트롤러에 의해 감지 될 수있는 전압 신호로 변환됩니다.”. Wheatstone Bridge 회로는 저항을 올바르게 측정 할 수있는 도구입니다.. 그림과 같이 2, R1, R2, R3, R4는 각각 브리지 암입니다. 다리가 균형을 잡을 때, R1XR3 = R2XR4가 만족됩니다. 다리가 불균형 일 때, 점 A와 B 사이에 전압 차이가 있습니다.. 점 a와 b의 전압에 따라, 해당 저항을 계산할 수 있습니다. 이것이 불균형 브리지로 저항을 측정하는 원리입니다.:

PT100 3 와이어 회로 연결 방법

사실은, PT100의 작은 저항과 높은 감도로 인해, 리드 와이어의 저항으로 인해 오류가 발생합니다. 그러므로, 3 와이어 연결 방법은 종종 업계 에서이 오류를 제거하는 데 사용됩니다.. 그림의 점선 부분에서 볼 수 있듯이 2, 리드 와이어 저항 값은 동일하며 R입니다.. 이때, 다리 암은 r이됩니다, 아르 자형, R+2R, 및 RT+2R. 다리가 균형을 잡을 때: R2. (R1+2R) = R1.(R3+2R), 정렬: RT = R1R3/ R2+2 R1R/ R2- 2아르 자형. 분석에 따르면 R1 = R2 시점이 나타납니다, 와이어 저항의 변화는 측정 결과에 영향을 미치지 않습니다..

1.3 Three-Op-Amp 계측 증폭기 회로
온도가 0 changes ~ 100 ℃에서 변할 때, PT100의 저항은 100Ω ~ 138.51Ω의 범위에서 대략 선형으로 변경됩니다.. 위의 교량 회로에 따르면, 다리는 0 ℃에서 균형을 이룹니다, 그래서 브리지 출력 전압의 이론적 값은 0 V, 그리고 온도가 100 temperature 일 때, 브리지 출력은입니다: uab = u7x(R1/(R1+ R2)-R3/(R2 + R3)), 그건, UAB = 10x(138.51/(10000 + 138.51)-100/(10000 + 100)) = 0.037599V. 이것은 millivolt 신호이기 때문에, 이 전압을 증폭하여 광고 칩으로 감지 할 수 있도록해야합니다..

그림과 같이 3, 계측 증폭기는 시끄러운 환경에서 작은 신호를 증폭시키는 장치입니다.. 낮은 드리프트와 같은 일련의 장점이 있습니다., 낮은 전력 소비, 높은 공통 모드 거부 비율, 넓은 전원 공급 장치 및 작은 크기. 더 큰 공통 모드 신호에 중첩 된 차동 소형 신호의 특성을 사용합니다., 공통 모드 신호를 제거하고 동시에 차동 신호를 증폭시킬 수 있습니다.. 표준 3-OP-AMP 계측 앰프 회로의 출력 전압은 다음과 같습니다., 여기서 r8 = r10 = 20 kΩ, R9 = R11 = 20 kΩ, R4 = R7 = 100kΩ, 입력 전압 신호를 약으로 증폭시킬 수 있습니다 150 타임스, 브리지의 이론적 출력 전압을 증폭시킬 수 있습니다. 0 ~ 2.34 v. 그러나 이것은 단지 이론적 가치 일뿐입니다. 실제 과정에서, 저항 변화를 일으킬 수있는 많은 요소가 있습니다. 그러므로, R3은 정밀 조절성 저항으로 교체하여 회로 제로 링을 용이하게 할 수 있습니다..

PT100 센서 3-OP AMP 기기 앰프 회로

2. 소프트웨어 디자인

2.1 최소 제곱 방법 및 PT100 선형 피팅

온도 범위에서 0 range ≤t≤850 ℃, PT100 저항과 온도의 관계는 다음과 같습니다: r = 100 (1 +at+bt2), 여기서 a = 3.90802x 10-3; b =- -5.80엑스 10-7; C = 4.2735 x 10-12

PT100과 온도의 저항은 절대적인 선형 관계가 아니라 포물선이라는 것을 알 수 있습니다.. 그러므로, t를 추출 할 경우, 제곱근 작동이 필요합니다, 보다 복잡한 기능 작동을 도입하고 단일 칩 마이크로 컴퓨터의 많은 양의 CPU 리소스를 차지합니다.. 이 문제를 해결합니다, 최소 제곱 방법을 사용하여 온도와 저항의 관계에 선형 적으로 맞습니다.. ” 최소 제곱 곡선 피팅은 실험 데이터 처리를위한 일반적인 방법입니다.. 원칙은 원래 데이터로 제곱 오류의 합을 최소화하기 위해 다항식 기능을 찾는 것입니다..

2.2 광고 디지털 변환 온도
PT100 온도 측정 원칙은 저항 값에 따라 온도 값을 얻는 것입니다., 따라서 열 저항의 저항 값은 먼저 결정해야합니다.. 하드웨어 회로에 따르면, 브리지 회로의 출력 전압 UAB와 OP AMP 기기 앰프 회로의 출력 전압 UAD 간의 관계는 다음과 같습니다.: nod = jav. AUF 시스템은 12 비트 AD 칩을 사용하기 때문입니다, 디지털 수량과 아날로그 수량의 관계는: UAD/AD = 5/4096. 브리지 출력 전압과 디지털 수량 광고의 관계는 이전 두 방정식을 결합하여 얻을 수 있습니다., 그건, UAD/ad = 5/(4096~에). 그 다음에, 브리지 출력 전압 표현식 UAB = u7x로 대체됩니다. (RT/ (R1+RT) -R3/ (R2+R3) ), RR 및 디지털 수량 광고의 표현은 얻을 수 있습니다.. 해결책은입니다:

광고 디지털 변환 온도 공식

PT100의 저항 값을 알면, 해당 온도 값은 섹션의 선형 피팅 방정식에 따라 얻을 수 있습니다. 2.1.

2.3 단일 칩 디지털 필터링
PT100의 온도 측정 정확도를 향상시키기 위해, 소프트웨어 프로그래밍에 디지털 필터링 프로그램을 추가 할 수 있습니다., 하드웨어 회로를 추가 할 필요가없고 시스템의 안정성과 신뢰성을 향상시킬 수 있습니다.. 단일 칩 마이크로 컴퓨터 애플리케이션 시스템에는 많은 필터링 방법이 있습니다.. 특정 선택을 할 때, 필터링 방법과 해당 객체의 장단점을 분석하고 비교해야합니다., 적절한 필터링 방법을 선택합니다. 중간 평균 필터링 방법의 알고리즘은 먼저 N 데이터를 지속적으로 수집하는 것입니다., 그런 다음 최소값과 최대 값을 제거하십시오, 마지막으로 나머지 데이터의 산술 평균을 계산합니다.. 이 필터링 방법은 천천히 변화하는 매개 변수를 측정하는 데 적합합니다., 온도와 같은, 우발적 인 요인 또는 샘플러 불안정성으로 인한 오류로 인한 변동으로 인한 간섭을 효과적으로 줄일 수 있습니다..

시스템 작업 프로세스:
측정되는 물체의 온도가 변할 때, PT100의 저항이 변경됩니다, Wheatstone Bridge는 해당 전압 신호를 출력합니다.. 이 신호는 PT100의 저항의 함수입니다.. 이 millivolt 신호, 아날로그 수량을 디지털 수량으로 변환하고 마이크로 컨트롤러가 읽습니다.. 마이크로 컨트롤러는 AD 칩에서 칩을 읽고 필터링 프로그램을 실행합니다., 안정적인 디지털 수량을 계산을 통해 PT100의 저항으로 변환. 그러면 마이크로 컨트롤러는 현재 온도 값을 계산하기 위해 저항 값의 크기에 따라 해당 적합 선형 모델을 선택합니다., 마지막으로 LCD 디스플레이에 온도 데이터가 표시됩니다..