Измерительный преобразователь PT100

Устройство предназначено для преобразования сопротивления ТС(термометр сопротивления) PT100 в напряжение и содержит АЦП ADS1115 для оцифровки полученного сигнала.  Прецизионный источник тока REF200 обеспечивает компенсацию сопротивления проводов а инструментальный ОУ INA326 масштабирует сигнал. В проекте также используется трехпроводная конфигурация ТС для минимизации ошибок из-за сопротивление проводки.

Исходные данные

Требования к преобразователю PT100 следующие:

- напряжение питания: 12-27В
- диапазон измеряемых температур: -20..+250 °С
- диапазон сопротивлений ТС: 92,16..194,07 Ом

Далее поясняется принцип работы схемы, основываясь на котором вы сможете самостоятельно пересчитать номиналы для других исходных данных.

I2C преобразователь PT100

Принцип работы

На рис.1,2 представлены схемы преобразователя при минимальном и максимальном выходном сигнале. Обратите внимание что схема была рассчитана для диапазона температур -20…+50 °С. При -20°С сопротивление ТС составляет 92,16 Ом, и падение напряжение на нем 9,216мВ (92,16Ом*0,1мА).  Обратите внимание, что R1 задает напряжение смещения, которое используется для задания минимального входного напряжения ОУ DA1 (минимальная измеряемая температура).  При +250°С  сопротивление ТС составляет 194,07 Ом, и падение напряжение на нем 19,41мВ (194,07Ом*0,1мА).

Минимальное выходное напряжение
рис.1 Минимальное выходное напряжение

 

максимальное выходное напряжение преобразователя
рис. 2 Максимальное выходное напряжение

Компенсация сопротивления проводов

На рис.3 показано как трехпроводная конфигурация подключения ТС может использоваться для компенсации сопротивления проводников. Сопротивление проводников должно быть одинаковым. Падение напряжения в двух верхних проводах одинаковое по величине, и обратное по полярности, таким образом напряжение на входе DA2 зависит только от сопротивления ТС. На третьем проводе создается паразитное смещение относительно общего провода, однако на работу DA2 это не влияет.

компенсация сопротивления проводов
Рис.3 Компенсация сопротивления проводов

Входной фильтр

Поскольку выводы ТС могут иметь большую длину,  на них могут образоваться дифференциальные и синфазные шумовые сигналы. Элементы R4, R5, C1-C3 образуют ВЧ фильтр для снижения влияния помех. Расчет частоты среза:

Выбор коэффициентов усиления и смещения

    1. В данном преобразователе выбран диапазон измеряемых температур -20..+250 °С. Определяем сопротивление ТС на границах диапазона:
      Коэффициенты A,B,C действительны при использовании ТС соответствующего стандартам IEC-751. Так же сопротивление можно определить по таблицам соответствия выпускаемым производителем ТС.
    2.  Выбор выходного напряжения преобразователя на границах диапазона. Необходимо учитывать ограничения выходного сигнала используемого ОУ DA2, а также принимать во внимание максимальное входное напряжение АЦП.  В данном устройстве ограничение DA2 составляет -V +75мВ и +V -75мВ. Для обеспечения большей надежности выходной сигнал принимаем равным 0,1…2В
    3. Расчет необходимого коэффициента усиления (ΔVout/ΔVin):
      Ближайшее стандартное значение G=200.
    4. Выберите стандартные резисторы, чтобы убедиться, что фактический коэффициент усиления равен или меньше расчетного коэффициента усиления.  Ближайшее стандартное сопротивление R9 = 180 кОм
    5. Расчет R1 исходя из требования минимального выходного напряжения Выбираем стандартное сопротивление R9 = 81 Ом.

Выбор компонентов

В качестве источника тока выбрана микросхема REF200 как простой и удобный двухканальный источник тока.  Значение тока 100мкА будет хорошо работать с ТС типа PT-100 и PT-1000. В этой конструкции используются 1% тонкопленочные резисторы и керамические конденсаторы X7R. Специальные конденсаторы с низким уровнем искажений не требуется поскольку схема работает c сигналами постоянного тока. В качестве АЦП используется ADS1115

Схема и печатная плата

схема электрическая принципиальная
Преобразователь PT100 схема электрическая принципиальная

 

Преобразователь PT100 плата печатная
Преобразователь PT100 плата печатная

Практическое применение

Для быстрой проверки работоспособности модуля я использовал модуль Amica NodeMCU на ESP8622, поскольку прошивка nodemcu уже содержит все необходимое для работы с АЦП ADS1115, при этом WiFi возможности чипа не использованы. для индикации использован дисплей SSD1306, преобразователь и дисплей подключены к выводам D5->SDA, D6 -> SCL. Калибровка модуля осуществляется следующим образом:

  1. Вместо термосопротивления подключаем резистор на 100 Ом (соответствует температуре 0 °C) и записываем значение напряжения смещения, с моем случае Voffset = 185мВ, в init.lua пишем offsetT = 185
  2. Затем подключаем сопротивление 200 Ом (соответствует температуре 267 °C) и рассчитываем коэффициент кТ= (V-Voffset)/267=(2155-185)/267=7.378, в init.lua пишем kT = 7.378

Такая примитивная методика позволила получить расхождение с поверенным термометром не более +-3°C, разрешение 0,02°C в диапазоне 0…250°C, при использовании безымянного термосопротивления PT100 с ebay.

преобразователь PT100

NodeMCU_pt100 – прошивка для Amica NodeMCU и тестовая программа init.lua

pt100_PCB – плата печатная в формате гербер.

Устройство разработано на основе RTD to Voltage Reference Design

Добавить комментарий