Solução de circuito de aquisição de temperatura PT100/PT1000

1. PT100 and PT1000 temperature resistance change table
Resistores térmicos de metal, como níquel, resistores de cobre e platina têm uma correlação positiva com a mudança na resistência com a temperatura. A platina tem as propriedades físicas e químicas mais estáveis ​​e é o material mais utilizado. A faixa de medição de temperatura do resistor de platina comumente usado Pt100 é de -200 ~ 850 ℃. Além disso, as faixas de medição de temperatura do Pt500, Pt1000, etc.. são sucessivamente reduzidos. Pt1000, faixa de medição de temperatura -200 ~ 420 ℃. De acordo com o padrão internacional IEC751, as características de temperatura do resistor de platina Pt1000 atendem aos seguintes requisitos:

Curva característica de temperatura PT1000

De acordo com a curva característica de temperatura do PT1000, the slope of the resistance characteristic curve changes little within the normal operating temperature range (Como mostrado na figura 1). Through linear fitting, the approximate relationship between resistance and temperature is:

1.1 Tabela de mudança de resistência à temperatura PT100

Tabela de mudança de resistência à temperatura PT100

1.2 PT1000 temperature resistance change table

PT1000 Temperature Resistance Change Table

2. Soluções de circuito de aquisição comumente usadas

2.1 Resistor voltage division output 0~3.3V/3V analog voltage

Single-chip AD port direct acquisition
A faixa de saída de tensão do circuito de medição de temperatura é de 0 ~ 3,3 V, PT1000 (O valor da resistência PT1000 muda muito, temperature measurement sensitivity is higher than PT100; PT100 é mais adequado para medição de temperatura em larga escala).

Resistor voltage divider outputs 0~3.3V 3V analog voltage

A maneira mais simples é usar o método de divisão de tensão. The voltage is the voltage reference source 4V generated by the TL431 voltage reference source chip, or REF3140 can be used to generate 4.096V as the reference source. The reference source chips also include REF3120, 3125, 3130, 3133, e 3140. The chip uses SOT-32 package and 5V input voltage. A tensão de saída pode ser selecionada de acordo com a tensão de referência necessária. Claro, according to the normal voltage input range of the MCU AD port, não pode exceder 3V/3,3V.

2.2 Resistor voltage division output 0~5V analog voltage MCU AD port direct acquisition.
Claro, some circuits use 5V MCU power supply, and the maximum operating current of PT1000 is 0.5mA, so appropriate resistance value should be used to ensure the normal operation of the components.
Por exemplo, the 3.3V in the voltage division schematic diagram above is replaced with 5V. The advantage of this is that the 5V voltage division is more sensitive than 3.3V, and the acquisition is more accurate. Lembrar, A tensão de saída calculada teórica não pode exceder +5V. De outra forma, it will cause damage to the MCU.

2.3 A medição de ponte mais usada
R11, R12, R13 and Pt1000 are used to form a measuring bridge, onde r11 = r13 = 10k, R12=1000R precision resistors. Quando o valor de resistência do PT1000 não é igual ao valor de resistência de R12, the bridge will output a mV-level voltage difference signal. Este sinal de diferença de tensão é amplificado pelo circuito do amplificador do instrumento e produz o sinal de tensão desejado. This signal can be directly connected to the AD conversion chip or the AD port of the microcontroller.

R11, R12, R13 and Pt1000 are used to form a measurement bridge

O princípio da medição de resistência deste circuito:
1) PT1000 é um termistor. À medida que a temperatura muda, the resistance changes basically linearly.
2) No 0 graus, A resistência de pt1000 é 1kΩ, então ub e ua são iguais, aquilo é, Uba = ub – Fazer = 0.
3) Assumindo que em uma certa temperatura, A resistência de Pt1000 é 1,5kΩ, então ub e ua não são iguais. According to the voltage division principle, we can find out that Uba = Ub – Fazer > 0.
4) OP07 é um amplificador operacional, and its voltage gain A depends on the external circuit, onde a = r2/r1 = 17.5.
5) A tensão de saída UO de Op07 = Uba * UM. Portanto, se usarmos um voltímetro para medir a tensão de saída do OP07, Podemos inferir o valor da UAB. Como UA é um valor conhecido, Podemos calcular ainda mais o valor de UB. Então, using the voltage division principle, Podemos calcular o valor de resistência específico de pt1000. Este processo pode ser alcançado através do cálculo do software.
6) Se soubermos o valor de resistência do PT1000 a qualquer temperatura, we only need to look up the table based on the resistance value to know the current temperature.

2.4 Fonte de corrente constante
Devido ao efeito de auto-aquecimento do resistor térmico, the current flowing through the resistor should be as small as possible. Geralmente, the current is expected to be less than 10mA. Foi verificado que o auto-aquecimento do resistor de platina pt100 de 1 mW will cause a temperature change of 0.02-0.75℃. Portanto, reducing the current of the platinum resistor PT100 can also reduce its temperature change. No entanto, Se a corrente for muito pequena, é suscetível à interferência de ruído, so the value is generally 0.5-2 mA, então a corrente da fonte de corrente constante é selecionada como uma fonte de corrente constante de 1mA.

The chip is selected as the constant voltage source chip TL431, and then converted into a constant current source using current negative feedback. O circuito é mostrado na figura

Entre eles, the operational amplifier CA3140 is used to improve the load capacity of the current source, e a fórmula de cálculo para a corrente de saída é:

The resistor should be a 0.1% resistor de precisão. A corrente de saída final é 0,996mA, aquilo é, a precisão é 0.4%.

O circuito fonte de corrente constante deve ter as seguintes características

Select the constant voltage source chip TL431

Estabilidade de temperatura: Como nosso ambiente de medição de temperatura é de 0-100°C, A saída da fonte atual não deve ser sensível à temperatura. The TL431 has an extremely low temperature coefficient and low temperature drift.

Boa regulação de carga: Se a ondulação atual for muito grande, Isso causará erros de leitura. De acordo com a análise teórica, since the input voltage varies between 100-138.5mV, e a faixa de medição de temperatura é de 0 a 100 ℃, A precisão da medição da temperatura é ± 1 grau Celsius, Portanto, a tensão de saída deve mudar em 38,5/100 = 0,385mv para cada 1 ℃ Aumento da temperatura ambiente. Para garantir que a flutuação atual não afete a precisão, Considere o caso mais extremo, no 100 graus Celsius, O valor de resistência do PT100 deve ser 138,5r. Então a onda atual deve ser inferior a 0,385/138,5 = 0,000278mA, aquilo é, the current change during the load change should be less than 0.000278mA. Na simulação real, a fonte atual permanece basicamente inalterada.
3. Solução de circuito de aquisição AD623

AD623 acquisition PT1000 circuit solution

O princípio pode referir-se ao princípio de medição da ponte acima.
Aquisição de baixa temperatura:

Aquisição de alta temperatura

4. Solução de circuito de aquisição AD620

AD620 PT100 acquisition solution

AD620 PT100 acquisition solution high temperature (150°):

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

AD620 PT100 acquisition solution room temperature (20°):

5. PT100 and PT1000 anti-interference filtering analysis

Aquisição de temperatura em algum complexo, ambientes agressivos ou especiais estarão sujeitos a grandes interferências, incluindo principalmente EMI e REI.

Por exemplo, na aplicação de aquisição de temperatura do motor, motor control and high-speed rotation of the motor cause high-frequency disturbances.

Há também um grande número de cenários de controle de temperatura dentro de veículos de aviação e aeroespaciais, que medem e controlam o sistema de energia e o sistema de controle ambiental. O núcleo do controle de temperatura é a medição da temperatura. Como a resistência do termistor pode mudar linearmente com a temperatura, usar resistência de platina para medir a temperatura é um método eficaz de medição de temperatura de alta precisão. Os principais problemas são os seguintes:
1. A resistência no fio condutor é facilmente introduzida, afetando assim a precisão da medição do sensor;
2. In some strong electromagnetic interference environments, the interference may be converted into DC output after rectification by the instrument amplifier
Offset error, afetando a precisão da medição.
5.1 Circuito de aquisição PT1000 aeroespacial aerotransportado

Circuito de aquisição PT1000 aeroespacial aerotransportado

Consulte o projeto de um circuito de aquisição aerotransportado PT1000 para interferência antieletromagnética em uma determinada aviação.

Um filtro é definido na extremidade externa do circuito de aquisição. The PT1000 acquisition preprocessing circuit is suitable for anti-electromagnetic interference preprocessing of airborne electronic equipment interface;
The specific circuit is:
A tensão de entrada de +15V é convertida em uma fonte de tensão de alta precisão de +5V através de um regulador de tensão, and the +5V high-precision voltage source is directly connected to the resistor R1.
The other end of the resistor R1 is divided into two paths, um conectado à entrada em fase do amplificador OP, and the other connected to the PT1000 resistor A end through the T-type filter S1. A saída do amplificador operacional é conectada à entrada inversora para formar um seguidor de tensão, e a entrada inversora é conectada à porta de aterramento do regulador de tensão para garantir que a tensão na entrada em fase seja sempre zero. Depois de passar pelo filtro S2, uma extremidade A do resistor PT1000 é dividida em dois caminhos, one path is used as the differential voltage input terminal D through resistor R4, and the other path is connected to AGND through resistor R2. Depois de passar pelo filtro S3, A outra extremidade B do resistor PT1000 é dividida em dois caminhos, one path is used as the differential voltage input terminal E through resistor R5, and the other path is connected to AGND through resistor R3. D e E são conectados através do capacitor C3, D está conectado ao AGND através do capacitor C1, e E está conectado ao AGND através do capacitor C2; the precise resistance value of PT1000 can be calculated by measuring the differential voltage between D and E.

A tensão de entrada de +15V é convertida em uma fonte de tensão de alta precisão de +5V através de um regulador de tensão. O +5V está diretamente conectado a R1. A outra extremidade de R1 é dividida em dois caminhos, one is connected to the in-phase input terminal of the op amp, and the other is connected to the PT1000 resistor A through the T-type filter S1. A saída do amplificador operacional é conectada à entrada inversora para formar um seguidor de tensão, e a entrada inversora é conectada à porta de aterramento do regulador de tensão para garantir que a tensão na entrada inversora seja sempre zero. Neste momento, a corrente que flui através de R1 é constante de 0,5mA. O regulador de tensão usa AD586TQ/883B, e o amplificador operacional usa OP467A.

Depois de passar pelo filtro S2, uma extremidade A do resistor PT1000 é dividida em dois caminhos, um através do resistor R4 como extremidade de entrada de tensão diferencial D, e um através do resistor R2 para AGND; after passing through the S3 filter, A outra extremidade B do resistor PT1000 é dividida em dois caminhos, um através do resistor R5 como a extremidade de entrada de tensão diferencial E, e um através do resistor r3 para agnd. D e E são conectados através do capacitor C3, D está conectado ao AGND através do capacitor C1, e E está conectado ao AGND através do capacitor C2.
A resistência de R4 e R5 é 4,02k ohms, a resistência de R1 e R2 é de 1M ohms, a capacitância de C1 e C2 é 1000pF, e a capacitância de C3 é 0,047uF. R4, R5, C1, C2, e C3 juntos formam uma rede de filtros RFI, which completes the low-pass filtering of the input signal, and the objects to be filtered out include the differential mode interference and common mode interference carried in the input differential signal. O cálculo da frequência de corte de -3dB da interferência de modo comum e da interferência de modo diferencial transportada no sinal de entrada é mostrado na fórmula:

Substituindo o valor da resistência no cálculo, a frequência de corte do modo comum é 40kHZ, e a frequência de corte do modo diferencial é 2,6 KHZ.
O ponto final B está conectado ao AGND através do filtro S4. Entre eles, os terminais de aterramento do filtro de S1 a S4 estão todos conectados ao aterramento de blindagem da aeronave. Como a corrente que flui através do PT1000 é conhecida como 0,05mA, o valor preciso da resistência do PT1000 pode ser calculado medindo a tensão diferencial em ambas as extremidades de D e E.
S1 a S4 usam filtros tipo T, modelo GTL2012X-103T801, with a cutoff frequency of 1M±20%. Este circuito introduz filtros passa-baixa nas linhas de interface externa e realiza filtragem RFI na tensão diferencial. Como circuito de pré-processamento para PT1000, elimina efetivamente a interferência de radiação eletromagnética e RFI, o que melhora muito a confiabilidade dos valores coletados. Além disso, a tensão é medida diretamente em ambas as extremidades do resistor PT1000, eliminando o erro causado pela resistência do condutor e melhorando a precisão do valor da resistência.

5.2 Filtro do tipo t
O filtro do tipo T consiste em dois indutores e capacitores. Ambas as extremidades têm alta impedância, e seu desempenho de perda de inserção é semelhante ao do filtro do tipo π, Mas não é propenso a “toque” e pode ser usado na troca de circuitos.