Temperaturinsamling av 2, 3, och 4-tråds PT100 temperatursensorer

Artikeln presenterar hur 2, 3, och 4-tråds PT100-sensorer omvandlas till spänningssignaler genom resistansförändringar, och en konstantströmkälla används för att skydda sensorn och säkerställa noggrannheten i signalomvandlingen. En PT100-sensor tar upp temperatur genom att mäta förändringen i dess elektriska resistans, som direkt korrelerar med temperaturen den utsätts för; när temperaturen ökar, motståndet hos platinaelementet i sensorn ökar också, möjliggör en exakt beräkning av temperaturen baserat på denna resistansförändring; väsentligen, de “100” i PT100 betyder att sensorn har ett motstånd på 100 ohm vid 0°C, och detta värde ändras förutsägbart med temperaturfluktuationer. Tillämpningen av MCP604 operationsförstärkare i kretsdesign betonar inverkan av dess egenskaper såsom låg ingångsoffsetspänning och förspänning på noggrannheten. Programvarukalibrering används för att förbättra noggrannheten i kretsdesign, undvika besväret med fysisk anpassning. Slutligen, artikeln ger sambandsformeln mellan temperatur och platinaresistansvärde, som används för att beräkna temperaturvärdet.

Temperaturinsamlingsdesign av 2-tråds PT100 temperatursensor

Temperaturförvärv av Kina anpassad 3-tråds PT100 temperatursensor

Temperaturinsamling av 4-tråds PT100 temperaturgivare

Nyckelpunkter om PT100 temperaturinsamling:
Motståndstemperaturdetektor (FoTU):
PT100 är en typ av RTD, vilket betyder att den mäter temperaturen genom att detektera förändringar i dess elektriska resistans.
Platina element:
Avkänningselementet i en PT100 är tillverkat av platina, som uppvisar ett mycket stabilt och linjärt förhållande mellan motstånd och temperatur.
Mätprocess: Givaren placeras i den miljö där temperaturen behöver mätas.
Motståndet hos platinaelementet mäts med hjälp av en dedikerad elektronisk krets.
Det uppmätta motståndsvärdet omvandlas sedan till temperatur med hjälp av en matematisk formel baserad på den kända temperaturkoefficienten för platina.

Fördelar med PT100-sensorer:
Hög noggrannhet: Anses vara en av de mest exakta temperatursensorerna som finns på grund av platinas stabila beteende.
Brett temperaturområde:　Kan mäta temperaturer från -200°C till 850°C beroende på sensordesign.
Bra linjäritet: Förhållandet mellan motstånd och temperatur är relativt linjärt, förenkla datatolkningen.

Viktiga överväganden:
Kalibrering: För att säkerställa korrekta mätningar, PT100-sensorer måste regelbundet kalibreras mot en referensstandard.
Blytrådsmotstånd: Motståndet hos anslutningstrådarna kan påverka mätnoggrannheten, så korrekt övervägande av ledningstrådskompensation är ofta nödvändigt.
Applikationslämplighet: Medan mycket exakt, PT100-sensorer kanske inte är lämpliga för extremt tuffa miljöer eller applikationer som kräver mycket snabba svarstider.

1. Grundläggande principer för signalinsamling
PT100 omvandlar temperatursignaler till motståndsutgångar, och dess resistansvärde sträcker sig från 0 till 200Ω. AD-omvandlaren kan bara omvandla spänning och kan inte direkt samla temperatur. Därför, en konstantströmkälla på 1mA krävs för att driva PT100 och omvandla resistansförändringar till spänningsförändringar. Fördelen med att använda en konstantströmkälla är att det kan förlänga sensorns livslängd. Eftersom ingångssignalens intervall är 0 till 200mV, signalen måste förstärkas och sedan AD-konverteras för att erhålla elektrisk signaldata.

Orsaker till att inte använda konstant spänningskälla design:

Om en konstant spänningskälla används för strömförsörjning, och sedan är motståndet och PT100 seriekopplade, och spänningen delas, det finns ett problem. När motståndet för PT100 är för litet, strömmen som flyter genom PT100 är för stor, vilket resulterar i en kortare sensorlivslängd.

2. Op-förstärkaren använder MCP604
MCP604 funktioner:
1) Spänningsområdet är 2,7~6,0V
2) Utgången är Rail-to-Rail
3) Drifttemperaturområde: -40°C till +85°C
4) Ingående offsetspänning är ±3mV, typiskt värde är 1mV, hög känslighet.
5) Ingångsförspänningsströmmen är 1pA, när TA = +85°C, I=20pA, förbättrar inhämtningsnoggrannheten.
6) Linjär utspänningssvängning: VSS+0.1 ~ VDD–0.1, enheten är V.

När nätspänningen är 3,3V, den linjära utspänningssvängningen är 0,1~3,2V. För att säkerställa att den förstärkta signalen fungerar i det linjära området, när VDD=3,3V, vi ställer in MCP604-utgångsspänningen att förbli på: 0.5V ~ 2,5V för att uppfylla kraven för op amp kretsdesign.

Op-förstärkaren i den analoga elektronikboken är en idealisk operationsförstärkare, som skiljer sig från den faktiska förstärkaren. Därför, det är nödvändigt att överväga “ingångsoffsetspänning”, “ingångsförspänningsström” och “linjär utspänningssvängning” vid design.

3. Kretsschema
R11 i figuren är en förspänningskrets för att förhindra att det sista steget av differentialförstärkarutgången från mättnadsdistorsion.
1) Välj en lämplig förstärkningsfaktor för att minska utgångsfelet. På grund av förekomsten av ingångsoffsetspänning, när förstärkningsfaktorn ökar, utgångsfelet kommer också att öka, som måste beaktas i designen.
2) Förstärkningsfaktorn för denna krets är 10. Förutsatt att den typiska ingångsoffsetspänningen är 3mV, om insignalen ändras till 5mV, 2mV kommer inte att förstärkas, vilket kommer att ge ett utgångsfel på 20mV.

PT100 temperaturdetektor op amp använder MCP604 kretsschema

Vo4 = (Vin1 – Vref)*10
I=1mA, Vref=Vo3=1,65V
1.7V<=Vin<=1,9V, 1.7V<=V02<=1,9
1.8V<=Vo1<=2V, se till att op-förstärkaren fungerar i det linjära området, detta är mycket viktigt
0.5V<=Vo4<=2,5V, se till att op-förstärkaren fungerar i det linjära området, det är därför 50Ω behövs i serie.

När ingångsresistansen ändras med 1Ω, Vout ändras till 10mV. Eftersom ingångskompensationsspänningen för MCP604 är ±3mV, när det finns en förändring på 0,3333Ω, det kommer att ske en förändring på 3,333mV, och förvärvskänsligheten är hög.
När 0<=Rin<=200Ω ingång, eftersom slingan är seriekopplad med 50Ω, 50Åh<=Rx<=250Ω
Vin1 – Vref = Rx*0,001, enhet A

4. Programvarukalibrering
Nya ingenjörer försöker alltid förbättra noggrannheten hos motstånd, men felet är fortfarande stort. Vissa ingenjörer använder helt enkelt steglöst justerbara motstånd, justera deras motståndsvärden, och använd multimetrar för att få utgången att uppfylla överföringsförhållandet. Denna noggrannhet verkar förbättras, men det är inte bekvämt för produktion, och svårigheten med PCB-design ökar också. Även om felsökningen är klar, om justerskruven vidrörs för hand, det kan orsaka fel. Det enda sättet är att använda fasta motstånd för produktion och använda programvara för att hjälpa till att uppnå exakt kalibrering.
1) När Rin=0, läs ett spänningsvärde och registrera det som V50. Spara V50, den kommer inte att förändras med ändringen av PT100-resistansvärdet eftersom den drivs av en konstant strömkälla.
2) Anslut det nominella motståndet, låt Rs=100Ω, läs ett spänningsvärde och registrera det som V150. Spara V150, spänningsvärdet avläst när temperaturen är 0.
3) Beräkna den aktuella förstärkningsfaktorn: Io = (V150 – V50) / Rs; rädda mig, det betyder att kalibreringen är klar.
4) När ingångsresistansen är R, den avlästa spänningen är Vo, sedan R = (Vo- V50) / Io
Genom ovanstående beskrivning, mjukvarukalibrering har stora fördelar, inte bara bekväm produktion, men också hög noggrannhet. För att förbättra noggrannheten, utgångsspänningen kan också delas upp i flera intervall, kalibreras separat, och olika Io kan erhållas, så att utgångslinjäriteten blir bättre. Dessa idéer återspeglas i min design.

OP AMP MCP604 kretsdesign

5. Beräkna temperatur
När temperaturen är lägre än 0,
R0*C*t^4 – 100R0*C*t^3 + R0*B*t^2 + R0*A*t + R0 – Rt=0
När temperaturen är högre än eller lika med 0, Rt=R0*(1+A*t+B*t*t)
Beskrivning:
Rt är motståndsvärdet för platinamotståndet vid t℃
R0 är motståndsvärdet för platinamotståndet vid 0℃ 100Ω
A=3,9082×10^-3
B=-5,80195×10^-7
C=-4,2735x10^-12

6. Pt100 temperaturgivare
Pt100 temperatursensor är en termistorsensor med positiv temperaturkoefficient, och dess huvudsakliga tekniska parametrar är som följer:
1) Mät temperaturområde: -200℃ ~ +850℃;
2) Tillåtet avvikelsevärde Δ℃: Betyg A ±(0.15+0.002|t|), Betyg B ±(0.30+0.005|t|);
3) Minsta insticksdjup: Det minsta insättningsdjupet för det termiska motståndet är ≥200 mm;
4) Tillåten ström: < 5mA;
5) Pt100 temperatursensor har också fördelarna med vibrationsmotstånd, bra stabilitet, hög noggrannhet, och högtryck. Platina termiskt motstånd har bra linjäritet. När man byter mellan 0 och 100 grader Celsius, den maximala olinjära avvikelsen är mindre än 0,5 ℃;
När temperatur < 0, R0*C*t^4 – 100R0*C*t^3 + R0*B*t^2 + R0*A*t + R0 – Rt=0
När temperaturen ≥ 0, Rt= R0*(1+A*t+B*t*t)
Enligt ovanstående förhållande, det ungefärliga motståndsområdet är: 18Ω~390,3Ω, -197℃ är 18Ω, 850Ω är 390,3 Ω;
Beskrivning:
Rt är motståndsvärdet för platinamotståndet vid t℃, R0 är motståndsvärdet för platinamotståndet vid 0℃, 100Åh
A=3,9082×10^-3, B=-5,80195×10^-7, C=-4,2735x10^-12
PT100 platina metall temperatursensor bruksanvisning
6) Kretsdesign
7) Samband mellan PT100 temperatur och motstånd
PT100 temperatur och resistans uppfyller följande ekvation:
När temperatur ≤0, R0*C*t^4 – 100*R0*C*t^3 + R0*B*t^2 + R0*A*t + R0 – Rt=0
När temperatur ≥0, R0*B*t^2 + R0*A*t + R0 – Rt = 0

PT100 temperatur- och resistansjämförelsetabell

Beskrivning:
Rt är motståndsvärdet för platinamotståndet vid t℃, R0 är motståndsvärdet för platinamotståndet vid 0℃, 100Åh
A=3,9082×10^-3, B=-5,80195×10^-7, C=-4,2735x10^-12

1. För att underlätta beräkningen, när temperaturen är ≤0, låta:
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
dubbel e= (100-Rt)*100000
När temperaturen ≤ 0, a*t^4 + b*t^3 + c*t^2 + d*t + e=0
där x3 är lösningen av PT100 när den är mindre än 0 ℃.

2. För att underlätta beräkningen, när temperaturen är högre än eller lika med 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
dubbel c= (100-Rt)*100000
När temperaturen är ≥0, a*t^2 + b*t + c = 0
t = [ SQRT( b*b – 4*a*c )-b ] / 2 / a
19.785Ω motsvarar -197℃, temperaturen på flytande kväve
18.486Ω motsvarar -200℃
96.085Ω motsvarar -10℃
138.505Ω motsvarar 100℃
175.845Ω motsvarar 200℃
247.045Ω motsvarar 400℃