Temperatuurregistratie van 2, 3, en 4-draads PT100-temperatuursensoren

Het artikel introduceert hoe 2, 3, en 4-draads PT100-sensoren worden door weerstandsveranderingen omgezet in spanningssignalen, en er wordt een constante stroombron gebruikt om de sensor te beschermen en de nauwkeurigheid van de signaalconversie te garanderen. Een PT100-sensor registreert de temperatuur door de verandering in de elektrische weerstand te meten, die rechtstreeks verband houdt met de temperatuur waaraan het wordt blootgesteld; naarmate de temperatuur stijgt, de weerstand van het platina-element in de sensor neemt ook toe, waardoor een nauwkeurige berekening van de temperatuur mogelijk is op basis van deze weerstandsverandering; in wezen, de “100” in PT100 betekent dat de sensor een weerstand heeft van 100 ohm bij 0°C, en deze waarde verandert voorspelbaar bij temperatuurschommelingen. De toepassing van de MCP604 operationele versterker in het circuitontwerp benadrukt de impact van zijn kenmerken, zoals een lage ingangsoffsetspanning en biasstroom, op de nauwkeurigheid. Softwarekalibratie wordt gebruikt om de nauwkeurigheid van het circuitontwerp te verbeteren, het vermijden van het ongemak van fysieke aanpassing. Eindelijk, het artikel geeft de relatieformule tussen temperatuur en platinaweerstandswaarde, die wordt gebruikt om de temperatuurwaarde te berekenen.

Ontwerp voor temperatuurregistratie van een 2-draads PT100-temperatuursensor

Temperatuurverwerving van op maat gemaakte 3-draads PT100-temperatuursensor uit China

Temperatuurregistratie van 4-draads PT100-temperatuursensor

Belangrijkste punten over PT100-temperatuurregistratie:
Weerstand temperatuurdetector (OTO):
PT100 is een type RTD, wat betekent dat het de temperatuur meet door veranderingen in de elektrische weerstand te detecteren.
Platina-element:
Het sensorelement in een PT100 is gemaakt van platina, die een zeer stabiele en lineaire relatie vertoont tussen weerstand en temperatuur.
Meetproces: De sensor wordt in de omgeving geplaatst waar de temperatuur gemeten moet worden.
De weerstand van het platina-element wordt gemeten met behulp van een speciaal elektronisch circuit.
De gemeten weerstandswaarde wordt vervolgens omgezet naar temperatuur met behulp van een wiskundige formule gebaseerd op de bekende temperatuurcoëfficiënt van platina.

Voordelen van PT100-sensoren:
Hoge nauwkeurigheid: Beschouwd als een van de meest nauwkeurige temperatuursensoren die beschikbaar zijn vanwege het stabiele gedrag van platina.
Groot temperatuurbereik:　Kan temperaturen meten van -200°C tot 850°C, afhankelijk van het sensorontwerp.
Goede lineariteit: De relatie tussen weerstand en temperatuur is relatief lineair, het vereenvoudigen van de interpretatie van gegevens.

Belangrijke overwegingen:
Kalibratie: Om nauwkeurige metingen te garanderen, PT100-sensoren moeten regelmatig worden gekalibreerd tegen een referentiestandaard.
Weerstand van de draad: De weerstand van de aansluitdraden kan de meetnauwkeurigheid beïnvloeden, Daarom is het vaak noodzakelijk om goed na te denken over de compensatie van de geleidingsdraad.
Geschiktheid van toepassingen: Terwijl het zeer nauwkeurig is, PT100-sensoren zijn mogelijk niet geschikt voor extreem zware omgevingen of toepassingen die zeer snelle responstijden vereisen.

1. Basisprincipes van signaalverwerving
PT100 zet temperatuursignalen om in weerstandsuitgangen, en de weerstandswaarde varieert van 0 tot 200Ω. De AD-converter kan alleen spanning omzetten en kan niet rechtstreeks de temperatuur verzamelen. Daarom, Er is een constante stroombron van 1 mA nodig om de PT100 van stroom te voorzien en weerstandsveranderingen om te zetten in spanningsveranderingen. Het voordeel van het gebruik van een constante stroombron is dat dit de levensduur van de sensor kan verlengen. Omdat het bereik van het ingangssignaal 0 tot 200mV, het signaal moet worden versterkt en vervolgens AD worden omgezet om elektrische signaalgegevens te verkrijgen.

Redenen om geen ontwerp met een constante spanningsbron te gebruiken:

Als een constante spanningsbron wordt gebruikt voor de stroomvoorziening, en dan worden de weerstand en de PT100 in serie geschakeld, en de spanning is verdeeld, er is een probleem. Wanneer de weerstand van PT100 te klein is, de stroom die door de PT100 vloeit is te groot, wat resulteert in een kortere levensduur van de sensor.

2. De opamp gebruikt MCP604
MCP604-functies:
1) Het spanningsbereik bedraagt ​​2,7 ~ 6,0 V
2) De output is rail-naar-rail
3) Bedrijfstemperatuurbereik: -40°C tot +85°C
4) Ingangs-offsetspanning is ±3mV, typische waarde is 1mV, hoge gevoeligheid.
5) De ingangsbiasstroom is 1pA, wanneer TA = +85°C, I=20pA, verbetert de nauwkeurigheid van de acquisitie.
6) Lineaire uitgangsspanningsschommeling: VSS+0,1 ~ VDD–0,1, eenheid is V.

Wanneer de voedingsspanning 3,3 V is, de lineaire uitgangsspanningsschommeling is 0,1 ~ 3,2 V. Om ervoor te zorgen dat het versterkte signaal in het lineaire gebied werkt, wanneer VDD=3,3V, we hebben de uitgangsspanning van de MCP604 zo ingesteld dat deze behouden blijft: 0.5V ~ 2,5V om te voldoen aan de vereisten van het ontwerp van opamp-circuits.

De opamp in het analoge elektronicaboek is een ideale operationele versterker, die verschilt van de daadwerkelijke versterker. Daarom, het is noodzakelijk om te overwegen “ingangs-offsetspanning”, “ingangsvoorspanningsstroom” En “lineaire uitgangsspanningsschommeling” bij het ontwerpen.

3. Schakelschema
R11 in de figuur is een voorspanningscircuit om te voorkomen dat de laatste fase van de differentiële versterkeruitvoer verzadigingsvervorming vertoont.
1) Selecteer een geschikte versterkingsfactor om de uitgangsfout te verminderen. Vanwege het bestaan ​​van ingangs-offsetspanning, wanneer de versterkingsfactor toeneemt, de uitvoerfout zal ook toenemen, waar bij het ontwerp rekening mee moet worden gehouden.
2) De versterkingsfactor van deze schakeling is 10. Ervan uitgaande dat de typische ingangs-offsetspanning 3 mV is, als het ingangssignaal verandert naar 5 mV, 2mV wordt niet versterkt, wat een uitgangsfout van 20 mV zal veroorzaken.

PT100 temperatuurdetector opamp met behulp van MCP604 schakelschema

Vo4 = (Vin1 – Vref)*10
ik=1mA, Vref=Vo3=1,65V
1.7V<=Vin<=1,9V, 1.7V<=V02<=1,9
1.8V<=Vo1<=2V, zorg ervoor dat de opamp in het lineaire gebied werkt, dit is erg belangrijk
0.5V<=Vo4<=2,5V, zorg ervoor dat de opamp in het lineaire gebied werkt, daarom is in serie 50Ω nodig.

Wanneer de ingangsweerstand met 1Ω verandert, Vout verandert naar 10mV. Omdat de ingangscompensatiespanning van de MCP604 ±3mV bedraagt, wanneer er een verandering is van 0,3333Ω, er zal een verandering zijn van 3,333mV, en de acquisitiegevoeligheid is hoog.
Wanneer 0<=Rijn<=200Ω ingang, aangezien de lus in serie is geschakeld met 50Ω, 50Oh<=Rx<=250Ω
Vin1 – Vref = Rx*0,001, eenheid A

4. Softwarekalibratie
Nieuwe ingenieurs proberen altijd de nauwkeurigheid van weerstanden te verbeteren, maar de fout is nog steeds groot. Sommige ingenieurs gebruiken eenvoudigweg continu instelbare weerstanden, hun weerstandswaarden aanpassen, en gebruik multimeters om de uitvoer te laten voldoen aan de overdrachtsrelatie. Deze nauwkeurigheid lijkt te zijn verbeterd, maar het is niet handig voor de productie, en de moeilijkheidsgraad van het PCB-ontwerp wordt ook groter. Zelfs als het debuggen is voltooid, als de stelschroef met de hand wordt aangeraakt, het kan fouten veroorzaken. De enige manier is om vaste weerstanden te gebruiken voor de productie en software te gebruiken om een ​​nauwkeurige kalibratie te bereiken.
1) Wanneer Rin = 0, lees een spanningswaarde af en noteer deze als V50. Bewaar V50, het zal niet veranderen met de verandering van de PT100-weerstandswaarde, omdat het wordt gevoed door een constante stroombron.
2) Sluit de nominale weerstand aan, laat Rs=100Ω, lees een spanningswaarde af en noteer deze als V150. Bespaar V150, de spanningswaarde die wordt gelezen wanneer de temperatuur is bereikt 0.
3) Bereken de huidige versterkingsfactor: Io = (V150 – V50) / Rs; red mij, het betekent dat de kalibratie is voltooid.
4) Wanneer de ingangsweerstand R is, de gelezen spanning is Vo, dan R = (Vo- V50) / Io
Via bovenstaande beschrijving, softwarekalibratie heeft grote voordelen, niet alleen handige productie, maar ook een hoge nauwkeurigheid. Om de nauwkeurigheid te verbeteren, de uitgangsspanning kan ook in verschillende intervallen worden verdeeld, afzonderlijk gekalibreerd, en er kunnen verschillende Io worden verkregen, zodat de outputlineariteit beter zal zijn. Deze ideeën komen terug in mijn ontwerp.

OP AMP MCP604-circuitontwerp

5. Bereken temperatuur
Wanneer de temperatuur lager is dan 0,
R0*C*t^4 – 100R0*C*t^3 + R0*B*t^2 + R0*A*t + R0 – Rt=0
Wanneer de temperatuur groter is dan of gelijk is aan 0, Rt=R0*(1+A*t+B*t*t)
Beschrijving:
Rt is de weerstandswaarde van de platinaweerstand bij t℃
R0 is de weerstandswaarde van de platinaweerstand bij 0℃ 100Ω
A=3,9082×10^-3
B=-5,80195×10^-7
C=-4,2735×10^-12

6. Pt100 temperatuursensor
De Pt100-temperatuursensor is een thermistorsensor met positieve temperatuurcoëfficiënt, en de belangrijkste technische parameters zijn als volgt:
1) Meettemperatuurbereik: -200℃ ~ +850℃;
2) Toegestane afwijkingswaarde Δ℃: Graad A ±(0.15+0.002|T|), Graad B ±(0.30+0.005|T|);
3) Minimale insteekdiepte: De minimale insteekdiepte van de thermische weerstand is ≥200 mm;
4) Toegestane stroom: < 5mA;
5) De Pt100-temperatuursensor heeft ook de voordelen van trillingsbestendigheid, goede stabiliteit, hoge nauwkeurigheid, en hoge druk. Platina thermische weerstand heeft een goede lineariteit. Bij het wisselen tussen 0 En 100 graden Celsius, de maximale niet-lineaire afwijking is minder dan 0,5 ℃;
Wanneer temperatuur < 0, R0*C*t^4 – 100R0*C*t^3 + R0*B*t^2 + R0*A*t + R0 – Rt=0
Wanneer de temperatuur ≥ 0, Rt= R0*(1+A*t+B*t*t)
Volgens bovenstaande relatie, het geschatte weerstandsbereik is: 18Ω~390,3Ω, -197℃ is 18Ω, 850Ω is 390,3 Ω;
Beschrijving:
Rt is de weerstandswaarde van de platinaweerstand bij t℃, R0 is de weerstandswaarde van de platinaweerstand bij 0℃, 100Oh
A=3,9082×10^-3, B=-5,80195×10^-7, C=-4,2735×10^-12
PT100 platina metalen temperatuursensor handleiding
6) Circuitontwerp
7) Verband tussen PT100-temperatuur en weerstand
De temperatuur en weerstand van de PT100 voldoen aan de volgende vergelijking:
Wanneer de temperatuur ≤0, R0*C*t^4 – 100*R0*C*t^3 + R0*B*t^2 + R0*A*t + R0 – Rt=0
Wanneer de temperatuur ≥0, R0*B*t^2 + R0*A*t + R0 – Rt=0

PT100 temperatuur- en weerstandsvergelijkingstabel

Beschrijving:
Rt is de weerstandswaarde van de platinaweerstand bij t℃, R0 is de weerstandswaarde van de platinaweerstand bij 0℃, 100Oh
A=3,9082×10^-3, B=-5,80195×10^-7, C=-4,2735×10^-12

1. Voor het gemak van de berekening, wanneer de temperatuur ≤0 is, laten:
dubbel a=R0*C*100000=100*(-4.2735×10^-12)*100000=-4,2735/100000
dubbel b=–100*R0*C*100000=-100*100*(-4.2735×10^-12)*100000=4,2735/1000
dubbel c= R0*B*100000=100*(-5.80195×10^-7)*100000=-5,80195
dubbel d=R0*A*100000=100*(3.9082×10^-3)*100000=39082
dubbele e= (100-Rt)*100000
Wanneer de temperatuur ≤ 0, een*t^4 + b*t^3 + c*t^2 + d*t + e=0
waarbij x3 de oplossing is van PT100 wanneer deze minder dan 0℃ is.

2. Voor het gemak van de berekening, wanneer de temperatuur groter is dan of gelijk is aan 0
dubbel a= R0*B*100000=100*(-5.80195×10^-7)*100000=-5,80195
dubbel b=R0*A*100000=100*(3.9082×10^-3)*100000=39082
dubbele c= (100-Rt)*100000
Wanneer de temperatuur ≥0 is, een*t^2 + b*t + c = 0
t = [ SQRT( b*b – 4*een*c )-B ] / 2 / A
19.785Ω komt overeen met -197℃, de temperatuur van vloeibare stikstof
18.486Ω komt overeen met -200℃
96.085Ω komt overeen met -10℃
138.505Ω komt overeen met 100℃
175.845Ω komt overeen met 200℃
247.045Ω komt overeen met 400℃