Układ pomiaru temperatury czujnika rezystancji termicznej PT100

2-drut, 3-drut lub 4-wire PT100, PT500, Czujniki PT1000 to czujniki temperatury oparte na elementach platynowych o dużej dokładności, stabilność i liniowość, i są szeroko stosowane w polach, które wymagają dokładnego pomiaru temperatury. A “PT100 System pomiaru temperatury termicznej” odnosi się do systemu wykorzystującego czujnik PT100, rodzaj detektora temperatury oporności (BRT), zmierzyć temperaturę poprzez wykrywanie zmian w jego rezystancji elektrycznej, które są bezpośrednio proporcjonalne do temperatury; “Pt” oznacza platynę, I “100” wskazuje, że czujnik ma opór 100 Ohmy w 0 ° C, co czyni go bardzo dokładną i stabilną metodą pomiaru temperatury w szerokim zakresie.

Rezystory platynowe są szeroko stosowane w średnim zakresie temperatur (-200～ 650 ℃). Obecnie, Istnieją standardowe temperatury oporne termiczne wykonane z metalowej platyny na rynku, takie jak PT100, PT500, PT1000, itp.

Zrozum zasadę pracy PT100: PT100 jest czujnikiem temperatury rezystora PT. Zasada pracy opiera się na efekcie termicznym rezystora. Jego wartość oporności zmienia się wraz ze zmianą temperatury. Ta zmiana jest liniowa. O 0 ℃, Wartość oporu PT100 wynosi 100 om. Wraz ze wzrostem temperatury, Wartość oporu również odpowiednio wzrasta, Tak więc temperaturę można dokładnie wywnioskować, mierząc wartość rezystancji.

Bardzo precyzyjny 4-przewodowy system pomiaru temperatury klasy A PT100

2-Drut PT100 Platinum Resistance Sonter Sonda Sonda System pomiaru temperatury

3-System pomiaru temperatury rezystora termicznego PT100

Wybierz odpowiednią metodę okablowania: Ogólnie, 2-drut, 3-Można zastosować metody okablowania drutu lub 4-wire.

Wyjście sygnału napięcia przez most

Kluczowe punkty dotyczące systemu PT100:
Zasada czujnika:
Czujnik PT100 jest wykonany z drutu platynowego, którego rezystancja elektryczna zmienia się przewidywalnie wraz z fluktuacji temperatury.

Metoda pomiaru:
Gdy prąd jest przepuszczalny przez PT100, mierzony spadek napięcia na czujniku, który następnie przekształca się w temperaturę w oparciu o znaną zależność między oporem a temperaturą.

Szeroka aplikacja:
Czujniki PT100 są powszechnie stosowane w procesach przemysłowych, laboratoria, i inne zastosowania, w których wymagany jest precyzyjny pomiar temperatury ze względu na ich wysoką dokładność i stabilność.

Składniki systemu PT100:
Sonda czujnika PT100:
Rzeczywisty element wykrywania, Zazwyczaj platynowy drut owinięty wokół ceramicznego rdzenia, który jest włożony do środowiska, aby mierzyć.

Obwód kondycjonowania sygnału:
Elektronika, która wzmacnia i przekształca małą zmianę rezystancji z PT100 na mierzalny sygnał napięcia.

System wyświetlania lub akwizycji danych:
Urządzenie, które wyświetla zmierzoną temperaturę lub przechowuje dane do analizy.

Korzyści z korzystania z systemu PT100:
Wysoka dokładność:　Uważany za jeden z najdokładniejszych dostępnych czujników temperatury.
Szeroki zakres temperatur:　Może mierzyć temperatury od -200 ° C do 850 ° C w zależności od projektu czujnika.
Dobra liniowość:　Zależność między oporem a temperaturą jest bardzo liniowa, tworzenie łatwej interpretacji danych.
Stabilność:　Platinum to bardzo stabilny materiał, Zapewnienie spójnych odczytów w czasie.

Tabela indeksowania oporności termicznej PT100

Trzy metody okablowania rezystora platyny PT100 są zasadniczo różne: 2-Drut i 3-wire są mierzone metodą mostu, a związek między wartością temperatury a wartością wyjściową analogową podano na końcu. 4-drut nie ma mostu. Jest całkowicie wysyłany przez stałe źródło prądu, mierzone woltomierzem, i wreszcie daje zmierzoną wartość rezystancji, co jest trudne i kosztowne w użyciu.
Ponieważ PT100 ma niewielką wartość rezystancyjną i wysoką wrażliwość, Wartości rezystancji przewodu przewodowego nie można zignorować. Zastosowanie połączenia 3-przewodowego może wyeliminować błąd pomiaru spowodowany rezystancją linii wiodących.
System 2-przewodowy ma słabą dokładność pomiaru; System 3-przewodu ma lepszą dokładność; System 4-przewodowy ma wysoką dokładność pomiaru, ale wymaga więcej przewodów.

Musimy tylko znać stan temperatury PT100 na podstawie wyjścia sygnału napięcia przez most. Gdy wartość rezystancyjna PT100 nie jest równa wartości oporności Rx, Most wyświetla sygnał ciśnienia różnicowego, który jest bardzo mały. Ponieważ sygnał wyjściowy czujnika temperatury jest na ogół bardzo słaby, Wymagany jest obwód kondycjonowania sygnału i konwersji, aby go wzmocnić lub przekształcić w formę, która jest łatwa do przesyłania, proces, nagrywać i wyświetlić. Niewielka zmiana zmierzonej ilości sygnału musi zostać przekształcona w sygnał elektryczny. Podczas wzmacniania sygnału DC, Samotelf i niezrównoważone napięcie wzmacniacza OP nie można zignorować podczas przechodzenia przez wzmacniacz OP. Po wzmocnieniu, Można wysłać sygnał napięcia pożądanego rozmiaru.
Wartość rezystancji rezystora platyny można uzyskać za pomocą obliczeń obwodu lub pomiaru multimetrowego. Kiedy znamy wartość oporową PT100, Możemy zmierzyć i obliczyć temperaturę według wartości oporności.

Użyj odpowiednich algorytmów do przetwarzania danych: Użyj znanej zależności temperatury i oporności, aby obliczyć temperaturę poprzez programowanie. Biorąc pod uwagę, że związek oporności na temperaturę PT100 jest nieliniowy, szczególnie w obszarach o niskiej lub wysokiej temperaturze, W celu poprawy dokładności mogą być potrzebne bardziej złożone algorytmy.

Wpływ czynników środowiskowych: Na wydajność mogą mieć wpływ czynniki środowiskowe, takie jak zakłócenia elektromagnetyczne, Wibracje mechaniczne, i wilgotność.

Istnieją trzy wspólne metody obliczania pomiaru temperatury:
Metoda obliczania pomiaru temperatury 1:
Gdy dokładna temperatura nie jest potrzebna, Temperatura wzrośnie o 2,5 ℃ dla każdego wzrostu Ohm wartości rezystora oporności PT100 (używane w niskich temperaturach). Wartość rezystancyjna czujnika temperatury PT100 wynosi 100 Kiedy jest 0 ℃, więc przybliżona temperatura w tym czasie = (Wartość oporności PT100-100)*2.5.

Metoda obliczania pomiaru temperatury 2:
Zależność między wartością odporności a temperaturą oporu platyny

W zakresie 0 ～ 850 ℃: RT = R0(1+AT+BT2);

W zakresie -200 ～ 0 ℃: RT = R0[1+AT+BT2+c(t-100)3];

RT reprezentuje wartość rezystancyjną platyny w temperaturze t ℃;

R0 reprezentuje wartość rezystancyjną opornika platyny w temperaturze 0 ℃;

A, B, C są stałymi, A = 3,96847 × 10-3/℃; B = -5,847 × 10-7/℃; C = -4,22 × 10-12/℃;

Dla rezystora termicznego, który spełnia powyższą relację, Jego współczynnik temperatury wynosi około 3,9 × 10-3/℃.

Przez powyższy formuła, Temperaturę można dokładnie rozwiązać według wartości oporności, ale z powodu dużej ilości obliczeń tej metody, Nie jest to zalecane do tego eksperymentu.

Metoda obliczania temperatury trzy:
PT100 ma dobry związek liniowy z temperaturą i jest odpowiedni do pomiaru średniej i niskiej temperatury. Wartość rezystancyjna PT100 w różnych temperaturach ma odpowiednią skalę pomiarową jeden do jednego, które mogą intuicyjnie wyświetlać odpowiedni związek między różnymi temperaturami a wartością rezystancyjną PT100.
Temperaturę można znać, sprawdzając odpowiednią wartość rezystancji w skali PT100.

Skala rezystora termicznego PT100

Urządzenie do pomiaru temperatury PT100 zaprojektowane w tym artykule wykorzystuje powszechnie używany czterokierunkowy wzmacniacz operacyjny LM324 do ukończenia konstrukcji obwodu zasilacza urządzenia i obwodu wzmacniacza instrumentów trzypoziomowych.

1.1 Obwód źródłowy napięcia

PT100 TERMAL Resistor NOCTAGE SOURTAUT SUPER

Obwód na rysunku 1 jest powszechnym proporcjonalnym obwodem operacyjnym. Zgodnie z analizą idealnego wzmacniacza operacyjnego pracującego w regionie liniowym, Zgodnie z zasadą wirtualnej krótkiej i wirtualnej przerwy, jest uzyskiwany:

Formuła obwodu obliczania mostu pszenicznego

​, wówczas współczynnik wzmocnienia napięcia w pętli zamkniętej jest 2 czasy, a następnie otrzymuje V = 10 V, i jest używany jako stabilne napięcie zasilania obwodu mostu pszenicznego.

1.2 Trzy-przewodowe połączenie Wheatstone Bridge i PT100.
Powyższa figurka to most pszenicy. Warunkiem zrównoważonego mostu jest to, że potencjały punktów B i D są równe. Więc kiedy most jest zrównoważony, Tak długo, jak R1, R2 (zwykle ustalane wartości) i R0 (zwykle regulowane wartości) są czytane, Można uzyskać oporność Rx, która ma zostać zmierzona. R1/R2 = m, zwany “mnożnik”.

Metoda połączenia Wheatstone i trzy-przewodowa metoda połączenia PT100

Zgodnie z zasadą pomiaru temperatury PT100, Wartość odporności PT100 musi być poprawnie znana, ale wartości oporu nie można zmierzyć bezpośrednio, Wymagany jest więc obwód konwersji. Wartość rezystancji jest przekształcana w sygnał napięcia, który można wykryć za pomocą mikrokontrolera”. Obwód mostu Wheatstone to przyrząd, który może poprawnie zmierzyć opór. Jak pokazano na rysunku 2, R1, R2, R3, a R4 są odpowiednio jego ramionami mostowymi. Kiedy most jest zrównoważony, R1XR3 = R2XR4 jest spełniony. Kiedy most jest niezrównoważony, będzie różnica napięcia między punktami a i b. Zgodnie z napięciem punktów A i B, Odpowiednią rezystancję można obliczyć. Jest to zasada pomiaru oporu za pomocą niezrównoważonego mostu:

Metoda połączenia obwodu trzy-przewodowego PT100

W rzeczywistości, Ze względu na niewielką odporność i wysoką wrażliwość PT100, Opór przewodu ołowiu spowoduje błędy. Dlatego, Metoda połączenia z trzema przewodami jest często stosowana w przemyśle do wyeliminowania tego błędu. Jak pokazano w kropkowanej części rysunku 2, Wartość rezystancji drutu ołowiu jest równa i jest r. W tej chwili, Ramiona mostowe stają się r, R, R+2R, i RT+2R. Kiedy most jest zrównoważony: R2. (R1+2R) = R1.(R3+2R), uporządkowane: RT = R1R3/ R2+2 R1R/ R2- 2R. Analiza pokazuje, że kiedy R1 = R2, Zmiana oporu drutu nie ma wpływu na wynik pomiaru.

1.3 Obwód wzmacniacza oprzyrządowania trzech opinii
Gdy temperatura zmienia się z 0 ℃ ~ 100 ℃, Rezystancja PT100 zmienia się w przybliżeniu liniowo w zakresie 100 ω ~ 138,51Ω. Według powyższego obwodu mostu, Most jest zrównoważony na 0 ℃, Tak więc wartość teoretyczna napięcia wyjściowego mostu powinna być 0 V, a gdy temperatura wynosi 100 ℃, Wyjście mostu jest: Uab=U7x(R1/(R1+ R2)-R3/(R2 + R3)), to jest, UAB = 10x(138.51/(10000 + 138.51)-100/(10000 + 100)) = 0,037599v. Ponieważ jest to sygnał miliwiotu, konieczne jest wzmocnienie tego napięcia, aby było wykrywalne przez układ reklamowy.

Jak pokazano na rysunku 3, Wzmacniacz oprzyrządowania to urządzenie, które wzmacnia małe sygnały w hałaśliwym środowisku. Ma szereg zalet, takich jak niski dryf, niskie zużycie energii, Wysoki współczynnik odrzucenia w trybie wspólnym, szeroki zasięg zasilania i mały rozmiar. Wykorzystuje charakterystykę różnicowych małych sygnałów nałożonych na większe sygnały trybu wspólnego, które mogą jednocześnie usuwać sygnały trybu wspólnego i wzmacniać sygnały różnicowe. Napięcie wyjściowe standardowego obwodu wzmacniacza oprzyrządowania trzech operatorów, tutaj r8 = r10 = 20 kΩ, R9 = R11 = 20 kΩ, R4 = R7 = 100kΩ, które mogą wzmocnić sygnał napięcia wejściowego o około 150 czasy, tak, aby teoretyczne napięcie wyjściowe mostu można było wzmocnić 0 ~ 2,34 v. Ale to tylko wartość teoretyczna. W faktycznym procesie, Istnieje wiele czynników, które mogą powodować zmiany oporowe. Dlatego, R3 można zastąpić precyzyjnym regulacją rezystora, aby ułatwić zerowanie obwodu.

PT100 czujnik trzypoziomowy obwód wzmacniacza wzmacniacza

2. Projektowanie oprogramowania

2.1 Metoda najmniejszych kwadratów i dopasowanie liniowe PT100

W zakresie temperatur 0 ℃ ≤t ≤ 850 ℃, Związek między odpornością PT100 a temperaturą wynosi: R = 100 (1 +AT+BT2), gdzie a = 3,90802x 10-3; B =- -5.80X 10-7; C = 4,2735 x 10-12

Można zauważyć, że odporność PT100 i temperatury nie są bezwzględną zależnością liniową, ale parabola. Dlatego, Jeśli ma zostać wyodrębnione, Wymagana jest operacja root kwadratowych, który wprowadza bardziej złożoną funkcję i zajmuje dużą ilość zasobów procesora mikrokomputer. Aby rozwiązać ten problem, Możemy użyć metody najmniejszych kwadratów do liniowego dopasowania związku między temperaturą a oporem. ” Dopasowanie krzywej najmniejszych kwadratów jest powszechną metodą przetwarzania danych eksperymentalnych. Jego zasadą jest znalezienie funkcji wielomianowej, aby zminimalizować sumę błędów kwadratowych za pomocą oryginalnych danych.

2.2 Temperatura konwersji cyfrowej reklamy
Zasada pomiaru temperatury PT100 jest uzyskanie wartości temperatury na podstawie jej wartości rezystancji, Zatem wartość rezystancji opornego termicznego musi być najpierw określona. Według obwodu sprzętowego, Związek między napięciem wyjściowym UAB obwodu mostu a napięciem wyjściowym UAD obwodu wzmacniacza wzmacniacza OP wynosi: Nod = jav. AUF, ponieważ system wykorzystuje 12-bitowy układ reklamowy, Związek między ilością cyfrową a ilością analogową jest: UAD/AD = 5/4096. Zależność między napięciem wyjściowym mostu a cyfrową ilością AD można uzyskać, łącząc poprzednie dwa równania, to jest, UAD/ad = 5/(4096NA). Następnie, Jest zastępowany na wyrażenie napięcia wyjściowego mostu UAB = U7x (RT/ (R1+RT) -R3/ (R2+R3) ), a ekspresję RR i cyfrową ilość AD można uzyskać. Rozwiązaniem jest:

AD Formuła temperatury cyfrowej konwersji

Po poznaniu wartości oporności PT100, Odpowiednią wartość temperatury można uzyskać zgodnie z równaniem dopasowania liniowego w sekcji 2.1.

2.3 Filtrowanie cyfrowe jednoosobu
Aby poprawić dokładność pomiaru temperatury PT100, Cyfrowy program filtrowania można dodać do programowania oprogramowania, który nie wymaga dodania obwodów sprzętowych i może poprawić stabilność i niezawodność systemu. Istnieje wiele metod filtrowania w systemie aplikacji mikrokomputerowych jednocześnie. Podczas dokonywania konkretnego wyboru, Zalety i wady metody filtrowania oraz odpowiednie obiekty powinny być analizowane i porównywane, Aby wybrać odpowiednią metodę filtrowania. Algorytm mediany średniej metody filtrowania jest najpierw ciągłe gromadzenie N danych, następnie usuń minimalną wartość i maksymalną wartość, i na koniec obliczyć średnią arytmetyczną pozostałych danych. Ta metoda filtrowania jest odpowiednia do pomiaru parametrów, które zmieniają się powoli, takie jak temperatura, i może skutecznie zmniejszyć zakłócenia spowodowane fluktuacjami spowodowanymi przez przypadkowe czynniki lub błędy spowodowane niestabilnością samplera.

Proces pracy systemu:
Gdy zmienia się temperatura mierzonego obiektu, Odporność na zmiany PT100, a most Wheatstone wyświetli odpowiedni sygnał napięcia. Ten sygnał jest funkcją rezystancji PT100. Ten sygnał Millivolt jest wzmacniany przez wzmacniacz oprzyrządowania trzech opasek i wysyłany do układu AD, który przekształca ilość analogową w ilość cyfrową i jest odczytywana przez mikrokontroler. Microcontroller odczytuje układ z układu AD i wykonuje program filtracyjny, Przekształcenie stabilnej ilości cyfrowej w odporność PT100 poprzez obliczenia. Następnie mikrokontroler wybierze odpowiedni dopasowany model liniowy zgodnie z wielkością wartości rezystancji w celu obliczenia bieżącej wartości temperatury, i na koniec wyświetl dane temperatury na wyświetlaczu LCD.