PT100测温校准原理:
PT100就是一个热敏电阻,它的主要成分是铂,化学符号pt,也就传说中的白金,它的温度特性好,稳定性好,耐酸碱性好,所以被用来制作成了温度传感器,并在工业中有大量的应用,当然它的价格不便宜。PT100有一个标准的阻值温度对应表,在0度的时候,它的电阻值在100R,在常温25℃,它的电阻值是109.73R,我们可以通过测量它的电阻变化,就可以换算成温度,最简单的做法就是万用表测它的电阻值,然后查它的电阻温度表就可以转换成对应的温度,很简单吧。
在智能化的今天,我们就不去用万用表测电阻,然后查表,再转换成温度。我们可以把这些繁琐的过程统统交给单片机来处理。测温原理还是一样的,都是测电阻,根据电阻值再换算成温度值。不过用单片机来处理可能步骤会多一些,比上面的要复杂些。
1,测量方法的选择:
Pt100在-50℃时,电阻值是80.31R,在0℃的时候,电阻值是100R,在100℃时,电阻值是138.51R,在200℃时,电阻值是175.86R,300℃时,电阻值是212.05R,在500℃时,电阻值是280.98R,如果我们的温度控制范围在-50℃ --- 500℃,可以看到电阻值的范围是80R --- 300R,其电阻变化是220R,温度变化是550多度,电阻每一欧姆变化大概对应2.5摄氏度的温度变化。对单片机来说,只能通过ADC来采集电压,所以要把电阻的变化转化成电压的变化,这样单片机才可以去识别,并转化成温度。电阻的测量方法有很多种,每一种都有不同的特点,常用的有(1)分压法,(2)恒流法,(3)电桥。
(1)分压法:分压电路如下图,就是电阻分压,然后测量PT100上的电压变化量,这个变化量很小,所以一般要放大。这个电路的优点是原理简单可靠,测量精度有分压电阻决定。
(2)恒流法:恒流法就是让流过pt100上的电流恒定,一般是1ma(因为1ma以上的电流会引起pt100发热),这样再去测pt100上的电压,和分压法相比,它的测量精度由给定的恒流精度决定。
(3)电桥法:电桥法如下图所示,其实上面的分压法本质也是电桥,不过是单桥,下面的是双桥,我们就用双桥来做pt100的测温吧。
我用的是STM32F030F4的3.3V的单片机,ADC的电压范围就是0-3.3v,AD是12位的,所以AD值的范围就是0 --- 4095,我的电桥是3.3V的电压,和 单片机的ADC电源用的同一个电压,如果想要更高精度的温度,可以用恒压源TL431或者更稳定的恒压源IC。
2,电路设计:
(1)电桥的设计参数选择:
PT100电流要小于1ma,电桥电压是3.3V,所以电阻R1选用3K精度1%的电阻。这里尽量选择让流过pt100的电流在1ma附近,其实就是想让电压变化更大些,好方便采集。电桥的原理是比较两个分压电阻中间的电压值。,如果R1=R2,这时候,只有RPT=R3时,电桥才平衡,R3的电阻值就是RPT的电阻值。这个时候电桥是平衡的,后面的ADC的输入是0V,我们单片机采样得到的也是0,如果电桥不平衡,该怎样得pt100的电阻值呢?
(2)运放的参数设计:
选择合适的放大倍数,首先要确定测温的范围,pt100的测温范围可以从-50-600度,我们要根据自己的实际需求确定温度范围,这样才能选择合适的放大备份,我这里选择的10倍的放大。运放的电阻选取要不干扰输出采集端的电压,前面的电桥电阻大概是110R左右,我这里选取是47k和470K的电阻,这样连接在采样的电桥上,几乎不会引起电桥上的分压电阻的电压值。这样要注意运放的+和-端口,别弄错了,我们这里采样的单相3.3V供电,切记。
这样整个电路就确定下来了,下来我们来推算怎样实现电阻到温度的过程吧!我们把电桥看作两个分压电路,运放是放大分压电路的压差值,单片机采样时放大后的电阻值,所以有下面的公式:
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VDD是电桥电压和AD的参考电压
A是放大器的放大倍数,
ADC是当前AD测量值
ADC_MAX是ADC的最大范围值;
理论上是可以直接通过上面的公式直接计算出当前的的电阻值的,然后根据这个电阻值查表就可以得到当前的温度值。从上面可以看到,测温的精度取决于R1,R3的电阻值,理论上讲是这样的,但是别忘了pt100上还有线电阻,通过上面的公式是消除不了的。
下面部分来讨论下怎样消除pt100的线电阻,有两种办法,(1)硬件上可以使用三线或者4线的pt100传感器。(2)软件上通过校准来消除pt100的线电阻。明显硬件的做法成本要高些,软件校准该怎样呢?还是按照上面的公式,我们来推导软件校准pt100消除线误差和接触误差。
1,校准时,我们把上面的公式可以写成:
2,测量时,那么公式就变成了这样:
3,如果假设,把上面两式相减就可以得到如下,
进一步简化就是:
最后就变成了这样:
公式推导到这里,是不是有些明白了,就是PT100测温时的电阻值,就是校准时候的PT100的电阻值,就是当前温度下的温度变化值,这里已经和R3没有关系了,PT100上的线电阻在校准和当前温度下是一个固定值,也被减掉了,这样就消除了pt100的线电阻。
4,根据查表可以找到对应的的电阻值,所以,这个公式就变成了下面的这样:
上面就是pt100电阻测温时候的电阻值,根据这个电阻值查表,就可以得到当前温度了。
5,根据查表,就可以知道的温度值。
上面是假设,温度增大的过程,反之则****是下面:
这些就是多路pt100的温度校准,测温的过程的,后续待我把程序整理好了,会发布出来,这样方便大家的学习,共同的提高!
可能第一次接触pt100的童鞋对上面的思路还不是很理解,没有关系,自己在纸上好好写写画画推导下,心里对这个过程有个大概的理解,后面我会整个开源一个小pt100的测温项目,用的是stm32f030f4的单片机。 |
总结很到位
学习了