Sonden Kabelbaum für Platin-Widerstand Sensor
Verschiedene Anschluss methoden des PT100/PT1000/PT500/PT200-Platin-Widerstands-Temperatursensor-Sonden kabelbaums. Die Temperatur ist eine sehr wichtige physikalische Größe bei der Arbeitskontrolle. Zu den zur Temperaturmessung verwendeten Sensoren gehören hauptsächlich Wärmewiderstände, Thermistoren, Thermoelemente, Halbleiter temperatursensoren usw. Jeder dieser Sensoren hat seine eigenen Eigenschaften und Anwendungsbereiche, und Designer müssen den geeigneten Sensor basierend auf ihren spezifischen Anwendungen auswählen.
Ein Widerstand thermo detektor (RTD) ist ein hochpräziser Temperatursensor, der dünne Metalldrähte verwendet, die um eine Halterung gewickelt sind, um einen Widerstand zu bilden, dessen Widerstand sich mit der Temperatur ändert. Der Betriebstemperaturbereich beträgt -200℃~+850℃. Zu den gängigen RTD-Materialien gehören Nickel, Kupfer, Platin usw., wobei 100-Ω-Platin-Thermo widerstände (bei 0 °C) am häufigsten vorkommen. Da die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Platinmetall sehr stabil sind, werden Platin widerstände aufgrund ihrer hohen Präzision, guten Langzeitstabilität, guten Wiederholbarkeit und schnellen Reaktion häufig verwendet.
Die folgende Formel beschreibt die Temperatur eigenschaften von Pt100. Aus der Formel ist ersichtlich, dass die Temperatur- und Widerstand eigenschaften von Pt100 offensichtlich nichtlinear sind. Im Vergleich zu Thermoelementen und Thermistoren ist die Linearität von Pt100 jedoch viel besser, sodass eine nichtlineare Korrektur relativ einfach ist. Frühe nichtlineare Korrekturen wurden meist mithilfe komplexer analoger Schaltkreise implementiert. Mit der Entwicklung der elektronischen Technologie werden in aktuellen praktischen Anwendungen im Allgemeinen Mikrocontroller verwendet, um eine nichtlineare Korrektur von Pt100 mithilfe einer Tabellensuche in Kombination mit Interpolation durchzuführen.
Da es sich bei dem Thermowiderstand um ein passives Gerät handelt, ist eine externe Stimulation erforderlich, um während des Betriebs zu funktionieren. Beim Einsatz muss auf die entsprechende Größe des Erregerstroms geachtet werden. Ein zu hoher Strom führt dazu, dass sich der Pt100 erwärmt, was zu Messfehlern führt. Daher muss die Signalaufbereitung schaltung während des Designprozesses sorgfältig entsprechend den Messanforderungen entworfen werden, um sicherzustellen, dass der durch die eigene Erwärmung des Sensors verursachte Fehler innerhalb des akzeptablen Bereichs liegt.
1. Warum Drei- und Vierleiter-Verbindung methoden verwenden?
Da der Temperatur koeffizient von Pt100 nur 0,385 Ω/℃ beträgt, kann der Messfehler aufgrund des Leitung widerstands schwerwiegend sein, wenn der Abstand zwischen Sensor und Regler groß ist und eine lange Leitung erforderlich ist. Nehmen wir beispielsweise an, dass ein Pt100 über 100 Fuß (ungefähr 30 Meter) 30-Gauge-Kupferkabel mit dem Regler verbunden ist. Der Widerstand von 30-Gauge-Kupferdraht beträgt 0,105 Ω/ft. Bei Verwendung der herkömmlichen Zwei-Leiter-Verbindung methode, wie in der Abbildung unten dargestellt, entsteht an den Leitungen ein Gesamtwiderstand von 21 Ω, was einem Messfehler von 55 entspricht!
Um dieses Problem zu lösen, verfügt Pt100 neben der Zweileiter-Anschlussmethode auch über Dreileiter- und Vierleiter-Anschluss methoden, um den durch den Leitungswiderstand verursachten Messfehler zu reduzieren oder sogar zu eliminieren.
2. Zwei-, Drei- und Vierleiter-Anschluss methoden für die Erregung durch Konstantstromquellen
Wie oben erwähnt, handelt es sich bei Pt100 um einen Widerstand temperatursensor, dessen Temperaturmessung im Wesentlichen darin besteht, den Widerstand des Sensors zu messen. Der übliche Ansatz besteht darin, den Widerstand zur Messung in elektrische Signale wie Spannung oder Strom umzuwandeln und dann die Messergebnisse mithilfe eines Mikrocontrollers zu linearisieren. Generell gibt es zwei Möglichkeiten der Temperaturmessung mit Pt100:
1. Entwerfen Sie eine Konstantstromquelle, die durch den Pt100-Thermowiderstand fließt, und berechnen Sie die Temperatur, indem Sie die Spannung am Pt100 erfassen.
2. Verwenden Sie die Wheatstone-Brücke. Drei der vier Widerstände der Brücke sind konstant und der andere verwendet einen Pt100-Thermowiderstand. Wenn sich der Widerstandswert von Pt100 ändert, wird am Ende des Tests eine elektrische Wärmedifferenz erzeugt und die Temperatur wird aus der elektrischen Wärmedifferenz berechnet.
Es gibt auch eine Art von Messmethode namens „Proportional methode“, die als Verbesserung der ersten Art von Messmethode angesehen werden kann und später ausführlich vorgestellt wird.
Die Anschlussmethode der 2-Draht-Konstantstromquellenerregung ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Führen Sie den Ausgang der Konstantstromquelle durch Pt100, messen Sie die Spannung an Pt100 und wandeln Sie sie in Temperatur um. Wie bereits erwähnt, führt diese Anschlussmethode zu großen Fehlern, wenn die Pt100-Leitung lang ist. Daher sind Dreileiter- und Vierleiter verbindungen die praktischeren Methoden in der Praxis.
Die 4-Draht-Anschlussmethode (Kelvin-Anschlussmethode) ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Verwenden Sie zwei verschiedene Leitungssätze, um die Erreger- und Messenden des Pt100 herauszuführen. Da der Spannungsmesspunkt am Leitungsanschluss des Pt100 liegt, hat die Leitungserregerspannung keinen Einfluss auf die Messergebnisse.
Die Vierleiter-Anschlussmethode wird aufgrund ihrer hohen Genauigkeit häufig in der Temperaturmessung im Labor eingesetzt. Aufgrund von Einschränkungen wie Kosten und Verkabelungskomfort wird die Dreileiter-Verbindung methode jedoch häufiger in industriellen Steuerungsstandorten verwendet.
Die folgende Abbildung zeigt eine typische Anschlussmethode eines dreiadrigen Pt100, der von einer Konstantstromquelle erregt wird. Das Grundprinzip besteht darin, davon auszugehen, dass die drei Leitungen des Pt100 den gleichen Kabeltyp mit der gleichen Länge und dem gleichen Widerstandswert verwenden, d. h. Rw1=Rw2=Rw3 in der Abbildung unten, und das Messende (Rw2-Leitung) zu verwenden ), um den Leitungswiderstand auszugleichen.
Insbesondere für die Verbindung in der Abbildung beträgt die Spannung am nichtinvertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers A3 V+=Vpt100+VRw3 und die Spannung am invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers A3 beträgt V-=VRw1 + Vpt100 + VRw3 . Basierend auf der Annahme, dass Rw1=Rw2=Rw3 ist, gilt Vrw1 = Vrw3. Dann ist der Ausgang Vo des Operationsverstärkers A3 = 2V+ - V- = Vpt100. Das heißt, der Einfluss des Leitungswiderstands auf die Messergebnisse ist theoretisch eliminiert.
3. Zwei- und Dreileiter-Verbindung methoden der Wheatstone-Brücke
Die Wheatstone-Brücke ist eine weitere gängige Anschlussmethode für Pt100. Die Zweidraht-Anschlussmethode ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Wenn die Pt100-Leitung länger ist, treten natürlich größere Fehler auf.
Die dreiadrige Pt100-Wheatstone-Brückenverbindung methode ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Die Ausgangsformel der Wheatstone-Brücke lautet wie folgt: Wenn R3=Rpt100 gewählt wird, kann der durch den Leitungswiderstand verursachte Messfehler theoretisch eliminiert werden.
4. 2-, 3- und 4-Draht-Verbindung methoden bei der proportionalen Messung
Der Kern der proportionalen Messung besteht darin, Pt100 in Reihe mit einem Referenzwiderstand zu schalten und eine Erregerquelle anzulegen. Da der durch den Pt100 und den Referenzwiderstand fließende Strom gleich ist, ist das Spannungsverhältnis zwischen beiden das Verhältnis der Widerstandswerte. Nimmt man die Spannung am Referenzwiderstand als Referenzspannung des AD-Wandlers und führt eine AD-Umwandlung der Spannung am Pt100 durch, ergibt sich die Formel, in der D das ADC-Umwandlungsergebnis und N die Anzahl der ADC-Bits ist.
Da der durch den Pt100 und den Referenzwiderstand fließende Strom im Vergleich zu den beiden oben genannten Strukturen gleich ist, stellt diese Schaltung geringere Anforderungen an die Erregerquelle. Aufgrund ihres einfachen Aufbaus, der wenigen Präzisionskomponenten und der hohen Messgenauigkeit werden Messkreise mit Proportionalmethode von immer mehr Menschen anerkannt.
Die folgende Abbildung zeigt die proportionale Zweileiter-Pt100-Anschlussmethode. Wenn die Pt100-Leitung länger ist, treten natürlich größere Fehler auf.
In dieser Schaltung kann der Zweileiter-Pt100 direkt durch den Vierleiter-Pt100 ersetzt und auf einen Vierleiteranschluss umgestellt werden, um Leitungsfehler zu vermeiden.
Die folgende Abbildung zeigt die proportionale Dreileiter-Pt100-Anschlussmethode. Verwenden Sie zwei Konstantstromquellen mit gleichen Ausgängen, um den Leitungswiderstand auszugleichen.
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Ein Widerstand thermo detektor (RTD) ist ein hochpräziser Temperatursensor, der dünne Metalldrähte verwendet, die um eine Halterung gewickelt sind, um einen Widerstand zu bilden, dessen Widerstand sich mit der Temperatur ändert. Der Betriebstemperaturbereich beträgt -200℃~+850℃. Zu den gängigen RTD-Materialien gehören Nickel, Kupfer, Platin usw., wobei 100-Ω-Platin-Thermo widerstände (bei 0 °C) am häufigsten vorkommen. Da die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Platinmetall sehr stabil sind, werden Platin widerstände aufgrund ihrer hohen Präzision, guten Langzeitstabilität, guten Wiederholbarkeit und schnellen Reaktion häufig verwendet.
Die folgende Formel beschreibt die Temperatur eigenschaften von Pt100. Aus der Formel ist ersichtlich, dass die Temperatur- und Widerstand eigenschaften von Pt100 offensichtlich nichtlinear sind. Im Vergleich zu Thermoelementen und Thermistoren ist die Linearität von Pt100 jedoch viel besser, sodass eine nichtlineare Korrektur relativ einfach ist. Frühe nichtlineare Korrekturen wurden meist mithilfe komplexer analoger Schaltkreise implementiert. Mit der Entwicklung der elektronischen Technologie werden in aktuellen praktischen Anwendungen im Allgemeinen Mikrocontroller verwendet, um eine nichtlineare Korrektur von Pt100 mithilfe einer Tabellensuche in Kombination mit Interpolation durchzuführen.
Da es sich bei dem Thermowiderstand um ein passives Gerät handelt, ist eine externe Stimulation erforderlich, um während des Betriebs zu funktionieren. Beim Einsatz muss auf die entsprechende Größe des Erregerstroms geachtet werden. Ein zu hoher Strom führt dazu, dass sich der Pt100 erwärmt, was zu Messfehlern führt. Daher muss die Signalaufbereitung schaltung während des Designprozesses sorgfältig entsprechend den Messanforderungen entworfen werden, um sicherzustellen, dass der durch die eigene Erwärmung des Sensors verursachte Fehler innerhalb des akzeptablen Bereichs liegt.
Da der Temperatur koeffizient von Pt100 nur 0,385 Ω/℃ beträgt, kann der Messfehler aufgrund des Leitung widerstands schwerwiegend sein, wenn der Abstand zwischen Sensor und Regler groß ist und eine lange Leitung erforderlich ist. Nehmen wir beispielsweise an, dass ein Pt100 über 100 Fuß (ungefähr 30 Meter) 30-Gauge-Kupferkabel mit dem Regler verbunden ist. Der Widerstand von 30-Gauge-Kupferdraht beträgt 0,105 Ω/ft. Bei Verwendung der herkömmlichen Zwei-Leiter-Verbindung methode, wie in der Abbildung unten dargestellt, entsteht an den Leitungen ein Gesamtwiderstand von 21 Ω, was einem Messfehler von 55 entspricht!
Um dieses Problem zu lösen, verfügt Pt100 neben der Zweileiter-Anschlussmethode auch über Dreileiter- und Vierleiter-Anschluss methoden, um den durch den Leitungswiderstand verursachten Messfehler zu reduzieren oder sogar zu eliminieren.
2. Zwei-, Drei- und Vierleiter-Anschluss methoden für die Erregung durch Konstantstromquellen
Wie oben erwähnt, handelt es sich bei Pt100 um einen Widerstand temperatursensor, dessen Temperaturmessung im Wesentlichen darin besteht, den Widerstand des Sensors zu messen. Der übliche Ansatz besteht darin, den Widerstand zur Messung in elektrische Signale wie Spannung oder Strom umzuwandeln und dann die Messergebnisse mithilfe eines Mikrocontrollers zu linearisieren. Generell gibt es zwei Möglichkeiten der Temperaturmessung mit Pt100:
1. Entwerfen Sie eine Konstantstromquelle, die durch den Pt100-Thermowiderstand fließt, und berechnen Sie die Temperatur, indem Sie die Spannung am Pt100 erfassen.
2. Verwenden Sie die Wheatstone-Brücke. Drei der vier Widerstände der Brücke sind konstant und der andere verwendet einen Pt100-Thermowiderstand. Wenn sich der Widerstandswert von Pt100 ändert, wird am Ende des Tests eine elektrische Wärmedifferenz erzeugt und die Temperatur wird aus der elektrischen Wärmedifferenz berechnet.
Es gibt auch eine Art von Messmethode namens „Proportional methode“, die als Verbesserung der ersten Art von Messmethode angesehen werden kann und später ausführlich vorgestellt wird.
Die Anschlussmethode der 2-Draht-Konstantstromquellenerregung ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Führen Sie den Ausgang der Konstantstromquelle durch Pt100, messen Sie die Spannung an Pt100 und wandeln Sie sie in Temperatur um. Wie bereits erwähnt, führt diese Anschlussmethode zu großen Fehlern, wenn die Pt100-Leitung lang ist. Daher sind Dreileiter- und Vierleiter verbindungen die praktischeren Methoden in der Praxis.
Die 4-Draht-Anschlussmethode (Kelvin-Anschlussmethode) ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Verwenden Sie zwei verschiedene Leitungssätze, um die Erreger- und Messenden des Pt100 herauszuführen. Da der Spannungsmesspunkt am Leitungsanschluss des Pt100 liegt, hat die Leitungserregerspannung keinen Einfluss auf die Messergebnisse.
Die Vierleiter-Anschlussmethode wird aufgrund ihrer hohen Genauigkeit häufig in der Temperaturmessung im Labor eingesetzt. Aufgrund von Einschränkungen wie Kosten und Verkabelungskomfort wird die Dreileiter-Verbindung methode jedoch häufiger in industriellen Steuerungsstandorten verwendet.
Die folgende Abbildung zeigt eine typische Anschlussmethode eines dreiadrigen Pt100, der von einer Konstantstromquelle erregt wird. Das Grundprinzip besteht darin, davon auszugehen, dass die drei Leitungen des Pt100 den gleichen Kabeltyp mit der gleichen Länge und dem gleichen Widerstandswert verwenden, d. h. Rw1=Rw2=Rw3 in der Abbildung unten, und das Messende (Rw2-Leitung) zu verwenden ), um den Leitungswiderstand auszugleichen.
Insbesondere für die Verbindung in der Abbildung beträgt die Spannung am nichtinvertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers A3 V+=Vpt100+VRw3 und die Spannung am invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers A3 beträgt V-=VRw1 + Vpt100 + VRw3 . Basierend auf der Annahme, dass Rw1=Rw2=Rw3 ist, gilt Vrw1 = Vrw3. Dann ist der Ausgang Vo des Operationsverstärkers A3 = 2V+ - V- = Vpt100. Das heißt, der Einfluss des Leitungswiderstands auf die Messergebnisse ist theoretisch eliminiert.
Die Wheatstone-Brücke ist eine weitere gängige Anschlussmethode für Pt100. Die Zweidraht-Anschlussmethode ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Wenn die Pt100-Leitung länger ist, treten natürlich größere Fehler auf.
Die dreiadrige Pt100-Wheatstone-Brückenverbindung methode ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Die Ausgangsformel der Wheatstone-Brücke lautet wie folgt: Wenn R3=Rpt100 gewählt wird, kann der durch den Leitungswiderstand verursachte Messfehler theoretisch eliminiert werden.
4. 2-, 3- und 4-Draht-Verbindung methoden bei der proportionalen Messung
Der Kern der proportionalen Messung besteht darin, Pt100 in Reihe mit einem Referenzwiderstand zu schalten und eine Erregerquelle anzulegen. Da der durch den Pt100 und den Referenzwiderstand fließende Strom gleich ist, ist das Spannungsverhältnis zwischen beiden das Verhältnis der Widerstandswerte. Nimmt man die Spannung am Referenzwiderstand als Referenzspannung des AD-Wandlers und führt eine AD-Umwandlung der Spannung am Pt100 durch, ergibt sich die Formel, in der D das ADC-Umwandlungsergebnis und N die Anzahl der ADC-Bits ist.
Die folgende Abbildung zeigt die proportionale Zweileiter-Pt100-Anschlussmethode. Wenn die Pt100-Leitung länger ist, treten natürlich größere Fehler auf.
In dieser Schaltung kann der Zweileiter-Pt100 direkt durch den Vierleiter-Pt100 ersetzt und auf einen Vierleiteranschluss umgestellt werden, um Leitungsfehler zu vermeiden.
Die folgende Abbildung zeigt die proportionale Dreileiter-Pt100-Anschlussmethode. Verwenden Sie zwei Konstantstromquellen mit gleichen Ausgängen, um den Leitungswiderstand auszugleichen.
