Upori in tokokrogi senzorskih sond kovinskega termičnega upora PT100 in PT1000

Vezje za zajemanje temperature za senzorsko sondo PT100 ali PT1000 običajno sestoji iz vira stabilnega toka za vzbujanje senzorja, visoko natančno merilno vezje upora za zaznavanje spremembe upora s temperaturo, in analogno-digitalni pretvornik (ADC) za pretvorbo izmerjene napetosti v digitalni signal, ki ga lahko obdela mikrokrmilnik ali sistem za zajemanje podatkov; ključna razlika med vezjem PT100 in PT1000 je lestvica vrednosti upora, ker ima Pt100 nazivni upor 100 ohmov pri 0 °C, medtem ko ima Pt1000 1000 ohmov pri 0°C, pogosto zahteva prilagoditve v merilnem vezju glede na želeno natančnost in uporabo.

Članek predstavlja spremembo upora kovinskih senzorskih sond termičnega upora PT100 in PT1000 pri različnih temperaturah, kot tudi različne rešitve vezij za zajem temperature. Vključno z delitvijo uporne napetosti, meritev mostu, vir konstantnega toka in AD623, Zajemno vezje AD620. Da bi se uprli motnjam, zlasti elektromagnetne motnje v vesoljskem področju, predlagana je zasnova vezja za zajemanje temperaturnega senzorja PT1000 v zraku, vključno s filtrom tipa T za filtriranje in izboljšanje natančnosti meritev.
Povzetek, ki ga je ustvaril CSDN s pomočjo inteligentne tehnologije

PT100 Temperaturni kabelski senzor za natančno merjenje temperature v posodah, rezervoarji in cevi

Kabel temperaturnega tipala T100 za visoko temperaturo -50～260

PT100 platinasto uporovno temperaturno tipalo za površinsko temperaturo oddajnika

Rešitev vezja za zajem temperature PT100/PT1000
1. Tabela sprememb temperaturne odpornosti senzorjev PT100 in PT1000
Kovinski toplotni upori, kot je nikelj, bakreni in platinasti upori imajo pozitivno korelacijo s spremembo temperature. Platina ima najstabilnejše fizikalne in kemijske lastnosti in se najpogosteje uporablja. Območje merjenja temperature običajno uporabljenih senzorskih sond iz platinske odpornosti Pt100 je -200～850 ℃, in temperaturna merilna območja Pt500, Senzorske sonde Pt1000, itd. se zaporedno zmanjšujejo. Pt1000, temperaturno merilno območje je -200 ~ 420 ℃. V skladu z mednarodnim standardom IEC751, temperaturne značilnosti platinastega upora Pt1000 izpolnjujejo naslednje zahteve:

Pt1000 temperaturna karakteristična krivulja

Glede na temperaturno karakteristično krivuljo Pt1000, naklon upornostne karakteristične krivulje se rahlo spremeni znotraj običajnega delovnega temperaturnega območja (kot je prikazano na sliki 1). Približno razmerje med uporom in temperaturo je mogoče dobiti z linearnim prilagajanjem:

Tabela spreminjanja temperaturne odpornosti PT100 1

2. Pogosto uporabljene rešitve zajemnih vezij

2. 1 Izhod uporovnega delilnika napetosti 0~3,3 V/3 V analogna napetost z enim čipom AD vrata neposredno pridobivanje
Razpon izhodne napetosti vezja za merjenje temperature je 0~3,3 V, PT1000 (Vrednost odpornosti PT1000 se močno spremeni, in občutljivost merjenja temperature je višja od PT100; PT100 je bolj primeren za merjenje temperature v velikem obsegu).

Najenostavnejši način je uporaba metode delitve napetosti. Napetost ustvarja čip vira referenčne napetosti TL431, ki je 4V referenčni vir napetosti. Alternativno, REF3140 se lahko uporablja za ustvarjanje 4,096 V kot referenčni vir. Referenčni izvorni čipi vključujejo tudi REF3120, 3125, 3130, 3133, in 3140. Čip uporablja paket SOT-32 in vhodno napetost 5 V. Izhodno napetost lahko izberete glede na zahtevano referenčno napetost. seveda, glede na običajno območje vhodne napetosti vrat AD mikrokrmilnika, ne sme preseči 3V/3,3V.

Neposredna pridobitev vezja vrat AD z enim čipom PT100

2.2 Izhodna delitev napetosti upora 0~5V analogna napetost, vrata AD mikrokrmilnika pa ga neposredno zbirajo.
seveda, nekatera vezja napaja 5V mikrokrmilnik, največji delovni tok PT1000 pa je 0,5 mA, zato je treba za zagotovitev normalnega delovanja komponente uporabiti ustrezno vrednost upora.
Na primer, 3,3 V v zgornjem shematskem diagramu delitve napetosti se nadomesti s 5 V. Prednost tega je, da je delitev napetosti 5 V bolj občutljiva kot napetost 3,3 V, in zbiranje je natančnejše. Ne pozabite, teoretično izračunana izhodna napetost ne sme preseči +5V. V nasprotnem primeru, mikrokrmilnik se poškoduje.

2.3 Najpogosteje uporabljena meritev mostu

Delilno vezje PT100 oddaja analogno napetost 0~5 V

Uporabite R11, R12, R13 in Pt1000 tvorita merilni most, kjer je R11=R13=10k, R12=1000R natančni upor. Ko vrednost upora Pt1000 ni enaka vrednosti upora R12, most bo oddajal mV napetostni signal razlike. Ta signal napetostne razlike ojača vezje ojačevalnika instrumenta in oddaja želeni napetostni signal, ki se lahko neposredno poveže z AD pretvorniškim čipom ali AD portom mikrokrmilnika.

Načelo merjenja upora tega vezja:

1) PT1000 je termistor, in njegova upornost se spreminja v bistvu linearno s spremembo temperature.

2) pri 0 stopnje, upornost PT1000 je 1kΩ, potem sta Ub in Ua enaka, to je, Uba = Ub – Naredi = 0.
3) Ob predpostavki, da pri določeni temperaturi, upornost PT1000 je 1,5 kΩ, potem Ub in Ua nista enaka. Po principu napetostnega delilnika, lahko najdemo Uba = Ub – naredi > 0.
4) OP07 je operacijski ojačevalnik, in njegov napetostni ojačalni faktor A je odvisen od zunanjega vezja, kjer je A = R2/R1 = 17.5.
5) Izhodna napetost Uo OP07 = Uba * A. Torej, če uporabimo voltmeter za merjenje izhodne napetosti OP07, lahko sklepamo na vrednost Uab. Ker je Ua znana vrednost, lahko naprej izračunamo vrednost Ub. Potem, z uporabo principa napetostnega delilnika, lahko izračunamo specifično vrednost upora PT1000. Ta postopek je mogoče doseči z izračunom programske opreme.
6) Če poznamo vrednost upora PT1000 pri kateri koli temperaturi, poiskati moramo samo tabelo glede na vrednost upora, da vemo trenutno temperaturo.

2.4 Vir stalnega toka
Zaradi samosegrevalnega učinka termičnega upora, zagotoviti je treba, da je tok, ki teče skozi upor, čim manjši, in na splošno se pričakuje, da bo tok manjši od 10 mA. Preverjeno je bilo, da je samosegrevanje platinastega upora PT100 iz 1 mW bo povzročil temperaturno spremembo za 0.02 do 0,75 ℃, tako lahko zmanjšanje toka platinastega upora PT100 zmanjša tudi njegovo temperaturno spremembo. Vendar, če je tok premajhen, je dovzeten za hrupne motnje, zato se na splošno upošteva 0.5 do 2 mA, tako da je tok vira s konstantnim tokom izbran kot vir s konstantnim tokom 1 mA.

Izbrani čip je čip s konstantno napetostjo TL431, in nato se trenutna negativna povratna informacija uporabi za pretvorbo v vir stalnega toka. Vezje je prikazano na sliki:

Shema zajema vezja vira konstantnega toka upora PT100

Za izboljšanje nosilnosti tokovnega vira se uporablja operacijski ojačevalnik CA3140, in formula za izračun izhodnega toka je:
Tukaj vstavite opis slike. Upor mora biti a 0.1% natančni upor. Končni izhodni tok je 0,996 mA, to je, natančnost je 0.4%.
Vezje vira stalnega toka mora imeti naslednje značilnosti:
Temperaturna stabilnost: Ker je naše okolje za merjenje temperature 0-100 ℃, izhod tokovnega vira ne sme biti občutljiv na temperaturo. In TL431 ima izjemno nizek temperaturni koeficient in nizek temperaturni odmik.

Dobra regulacija obremenitve: Če je trenutno valovanje preveliko, to bo povzročilo napake pri branju. Po teoretični analizi. Ker se vhodna napetost giblje med 100-138,5 mV, in območje merjenja temperature je 0-100 ℃, natančnost merjenja temperature je ±1 stopinja Celzija, zato se mora izhodna napetost spremeniti za 38,5/100=0,385mV za vsak 1℃ dvig temperature okolja. Da bi zagotovili, da trenutna nihanja ne vplivajo na natančnost, razmislite o najbolj skrajnem primeru, pri 100 stopinj Celzija, vrednost upora PT100 mora biti 138,5R. Potem mora biti valovanje toka manjše od 0,385/138,5=0,000278mA, to je, sprememba toka med spremembo obremenitve mora biti manjša od 0,000278 mA. V dejanski simulaciji, trenutni vir ostane v osnovi nespremenjen.

3. Rešitev zajemnega vezja AD623
Načelo se lahko nanaša na zgornji princip merjenja mostu.
Pridobivanje pri nizki temperaturi:

AD620 meri visoko temperaturo raztopine za zajemanje PT100 (150°)

Pridobivanje visoke temperature
Tukaj vstavite opis slike

4. Rešitev zajemnega vezja AD620
AD620 PT100 rešitev za pridobivanje za visoke temperature (150°):

AD620 meri raztopino za zajemanje PT100 pri nizki temperaturi (-40°)

AD620 PT100 rešitev za pridobivanje pri nizkih temperaturah (-40°):

AD620 meri shemo zajema PT100 pri sobni temperaturi (20°)

AD620 PT100 rešitev za zajemanje pri sobni temperaturi (20°):

PT100 vezje za zajemanje visoke temperature senzorja

5. Analiza protiinterferenčnega filtriranja senzorjev PT100 in PT1000
Zajemanje temperature v nekem kompleksu, težka ali posebna okolja bodo izpostavljena velikim motnjam, predvsem vključno z EMI in REI. Na primer, pri uporabi zaznavanja temperature motorja, visokofrekvenčne motnje, ki jih povzroča krmiljenje motorja in visoko hitrost vrtenja motorja.

Obstaja tudi veliko število scenarijev nadzora temperature v letalskih in vesoljskih vozilih, ki merijo in krmilijo elektroenergetski sistem in sistem za nadzor okolja. Jedro nadzora temperature je merjenje temperature. Ker se upornost termistorja lahko linearno spreminja s temperaturo, uporaba platinske odpornosti za merjenje temperature je učinkovita visoko natančna metoda merjenja temperature. Glavne težave so naslednje:
1. Upor na vodilni žici se zlahka uvede, kar vpliva na natančnost merjenja senzorja;
2. V določenih okoljih z močnimi elektromagnetnimi motnjami, motnja se lahko pretvori v enosmerno izhodno napako odmika, potem ko jo popravi instrumentni ojačevalnik, vpliva na natančnost merjenja.

5.1 Zajemno vezje PT1000 v vesoljskem zraku
Glejte zasnovo zračnega vezja za zajemanje PT1000 za protielektromagnetne motnje v določenem letalstvu.

Shema zajemnega vezja AD623 za senzor PT100

Filter je nastavljen na skrajnem koncu zajemalnega kroga. Vezje za predprocesiranje zajemanja PT1000 je primerno za predprocesiranje vmesnikov elektronske opreme proti elektromagnetnim motnjam; specifično vezje je:
Vhodna napetost +15 V se prek regulatorja napetosti pretvori v vir napetosti visoke natančnosti +5 V. Napetostni vir visoke natančnosti +5 V je neposredno povezan z uporom R1, in drugi konec upora R1 je razdeljen na dve poti. Eden je povezan s faznim vhodnim koncem operacijskega ojačevalnika, drugi pa je povezan s koncem upora A PT1000 prek filtra tipa T S1. Izhod operacijskega ojačevalnika je povezan z invertnim vhodom, da tvori sledilnik napetosti, in obračalni vhod je povezan z ozemljitvenim priključkom regulatorja napetosti, da se zagotovi, da je napetost na vhodu v fazi vedno enaka nič. Po prehodu skozi filter S2, en konec A upora PT1000 je razdeljen na dve poti, enega skozi upor R4 kot vhod diferenčne napetosti D, in enega skozi upor R2 na AGND. Po prehodu skozi filter S3, drugi konec B upora PT1000 je razdeljen na dve poti, enega skozi upor R5 kot vhod diferenčne napetosti E, in enega skozi upor R3 na AGND. D in E sta povezana preko kondenzatorja C3, D je povezan z AGND prek kondenzatorja C1, in E je povezan z AGND prek kondenzatorja C2. Natančno vrednost upora PT1000 je mogoče izračunati z merjenjem diferenčne napetosti med D in E.

Vhodna napetost +15 V se prek regulatorja napetosti pretvori v vir napetosti visoke natančnosti +5 V. +5V je neposredno povezan z R1. Drugi konec R1 je razdeljen na dve poti, enega, ki je povezan s faznim vhodom operacijskega ojačevalnika, drugi pa povezan s koncem A upora PT1000 prek filtra tipa T S1. Izhod operacijskega ojačevalnika je povezan z invertnim vhodom, da tvori sledilnik napetosti, in invertirajoči vhod je povezan z ozemljitvenim priključkom napetostnega regulatorja, da se zagotovi, da je napetost na invertirajočem vhodu vedno enaka nič. V tem času, tok, ki teče skozi R1, je konstanten 0,5 mA. Regulator napetosti uporablja AD586TQ/883B, operacijski ojačevalnik pa uporablja OP467A.

Po prehodu skozi filter S2, en konec A upora PT1000 je razdeljen na dve poti, enega skozi upor R4 kot vhodni konec diferencialne napetosti D, in enega skozi upor R2 na AGND. Po prehodu skozi filter S3, drugi konec B upora PT1000 je razdeljen na dve poti, enega skozi upor R5 kot vhodni konec diferencialne napetosti E, in enega skozi upor R3 na AGND. D in E sta povezana preko kondenzatorja C3, D je povezan z AGND prek kondenzatorja C1, in E je povezan z AGND prek kondenzatorja C2.
Upornost R4 in R5 je 4,02 k ohmov, upor R1 in R2 je 1M ohmov, kapacitivnost C1 in C2 je 1000pF, in kapacitivnost C3 je 0,047uF. R4, R5, C1, C2, in C3 skupaj tvorita mrežo filtrov RFI. RFI filter dopolnjuje nizkopasovno filtriranje vhodnega signala, in izločeni objekti vključujejo motnje diferencialnega načina in motnje skupnega načina, ki jih prenaša vhodni diferencialni signal. Izračun mejne frekvence –3dB motenj skupnega načina in motenj diferencialnega načina, ki jih prenaša vhodni signal, je prikazan v formuli:

Zajemno vezje PT1000 v vesoljskem zraku

Zamenjava vrednosti upora v izračunu, mejna frekvenca običajnega načina je 40 kHz, in mejna frekvenca diferencialnega načina je 2,6 KHZ.
Končna točka B je povezana z AGND preko filtra S4. Med njimi, ozemljitveni priključki filtra od S1 do S4 so vsi povezani z ozemljitvijo letala. Ker je tok, ki teče skozi PT1000, znanih 0,05 mA, natančno vrednost upora PT1000 je mogoče izračunati z merjenjem diferenčne napetosti na obeh koncih D in E.
S1 do S4 uporabljajo filtre tipa T, model GTL2012X‑103T801, z mejno frekvenco M±20%. To vezje uvaja nizkopasovne filtre v zunanje vmesniške linije in izvaja filtriranje RFI na diferenčni napetosti. Kot vezje za predprocesiranje za PT1000, učinkovito odpravlja motnje elektromagnetnega in RFI sevanja, kar močno izboljša zanesljivost zbranih vrednosti. Poleg tega, napetost se neposredno meri z obeh koncev upora PT1000, odpravljanje napake, ki jo povzroča upornost svinca, in izboljšanje natančnosti vrednosti upora.

3-žični temperaturni senzor visokega industrijskega temperaturnega upora razreda B PT100 s platinastim termičnim uporom

Termočlen s tlačno vzmetjo tipa K-E, sonda temperaturnega senzorja pt100

Visoko natančen temperaturni senzor PT100 za merjenje temperature transformatorja

5.2 Filter tipa T
Tukaj vstavite opis slike
Filter tipa T je sestavljen iz dveh induktorjev in kondenzatorjev. Oba konca imata visoko impedanco, in njegova zmogljivost vnesenih izgub je podobna kot pri filtru tipa π, vendar ni nagnjen k “zvonjenje” in se lahko uporablja v stikalnih tokokrogih.