標(biāo)題: 基于鉑電阻測(cè)溫電路的設(shè)計(jì) [打印本頁(yè)]
作者: cxylb    時(shí)間: 2020-10-16 10:53
標(biāo)題: 基于鉑電阻測(cè)溫電路的設(shè)計(jì)
一、概述
鉑電阻溫度傳感器是利用其電阻和溫度成一定函數(shù)關(guān)系而制成的溫度傳感器,由于其測(cè)量準(zhǔn)確度高、測(cè)量范圍大、復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)定性好等,被廣泛用于中溫(-200℃～650℃)范圍的溫度測(cè)量中。
PT100是一種廣泛應(yīng)用的測(cè)溫元件，在-50~600℃℃范圍內(nèi)具有其他任何溫度傳感器無可比擬的優(yōu)勢(shì)，包括高精度、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)等。由于鉑電阻的電阻值與溫度成非線性關(guān)系，所以需要進(jìn)行非線性校正。校正分為模擬電路校正和微處理器數(shù)字化校正，模擬校正有很多現(xiàn)成的電路，其精度不高且易受溫漂等干擾因素影響。
常用的Pt電阻接法有三線制和兩線制，其中三線制接法的優(yōu)點(diǎn)是將PT100的兩側(cè)相等的的導(dǎo)線長(zhǎng)度分別加在兩側(cè)的橋臂上，使得導(dǎo)線電阻得以消除。常用的采樣電路有兩種：一為橋式測(cè)溫電路，一為恒流源式測(cè)溫電路。
二、方案匯總
（1）、橋式測(cè)溫電路
測(cè)溫原理：電路采用TL431和電位器VR1調(diào)節(jié)產(chǎn)生4.096V的參考電源；采用R1、R2、VR2、Pt100構(gòu)成測(cè)量電橋（其中R1＝R2，VR2為560Ω精密電阻），當(dāng)Pt100的電阻值和VR2的電阻值不相等時(shí)，電橋輸出一個(gè)mV級(jí)的壓差信號(hào)，這個(gè)壓差信號(hào)經(jīng)過運(yùn)放op07放大后輸出期望大小的電壓信號(hào)，該信號(hào)可直接連AD轉(zhuǎn)換芯片。差動(dòng)放大電路中R3＝R4、 R5＝R6、放大倍數(shù)＝R5/R3，運(yùn)放采用單一5V供電。

該方案特點(diǎn)：
優(yōu)點(diǎn)：
采用op07低 VOS、低VOS 漂移、低噪聲、寬輸入電壓范圍、低功耗軌到軌型運(yùn)放，溫度采樣準(zhǔn)確度高、可方便調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。
缺點(diǎn)：電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、電橋容易受溫濕度、振動(dòng)、而且電橋的正電源必須接穩(wěn)定的參考基準(zhǔn)，否則會(huì)影響計(jì)算得出的溫度的準(zhǔn)確性。若想改變電橋輸出的壓差大小，需要同幅度調(diào)整R1和R2的電阻值，實(shí)用性不強(qiáng)。
（2）恒流源式測(cè)溫電路
測(cè)溫原理：通過運(yùn)放U1A將基準(zhǔn)電壓4.096V轉(zhuǎn)換為恒流源，電流流過Pt100時(shí)在其上產(chǎn)生壓降，再通過運(yùn)放U1將該微弱壓降信號(hào)放大（圖中放大倍數(shù)為10），即輸出期望的電壓信號(hào)，該信號(hào)可直接連AD轉(zhuǎn)換芯片。
根據(jù)虛地概念“工作于線性范圍內(nèi)的理想運(yùn)放的兩個(gè)輸入端同電位”，運(yùn)放U1A的“+”端和“-”端電位V+＝V-＝4.096V；假設(shè)運(yùn)放U1A的輸出腳1對(duì)地電壓為Vo，根據(jù)虛斷概念，（0-V-）/R1+（Vo-V-）/RPt100＝0，因此電阻Pt100上的壓降VPt100＝Vo-V-＝V-*RPt100/R1，因V-和R1均不變，因此圖3虛線框內(nèi)的電路等效為一個(gè)恒流源流過一個(gè)Pt100電阻，電流大小為V- /R1，Pt100上的壓降僅和其自身變化的電阻值有關(guān)。

該電路特點(diǎn)：
恒流源式測(cè)溫電路輸出的溫敏元件兩端的絕對(duì)電壓，通常有一個(gè)較大的基本電壓，不能突出變化的部分，電路比較簡(jiǎn)單；
圖中用了兩個(gè)運(yùn)放，整個(gè)電路功耗增加；
采用恒流供電，可以取得線性的溫度-電壓值。
下面以恒流源式為例做仿真測(cè)試。
三、電路仿真測(cè)試
連續(xù)調(diào)節(jié)RTD-PT100觀察波形變化：
連續(xù)調(diào)節(jié)鉑電阻時(shí)可觀察到輸出電壓波形連續(xù)變化，可看出電路的可行性。

-200°C下電路測(cè)輸出電壓：

由仿真可知，-200°C時(shí)電路輸出電壓約為3.397V。
300°C下：

由仿真可知，300°C時(shí)電路輸出電壓約為3.834V
四、鉑電阻參數(shù)說明
PT100溫度傳感器是一種以鉑(Pt)做成的電阻式溫度傳感器，屬于正電阻系數(shù),
其電阻阻值與溫度的關(guān)系可以近似用下式表示：
在0～650℃范圍內(nèi)：
Rt =R0 (1+At+Bt2)
在-200～0℃范圍內(nèi)：
Rt =R0 (1+At+Bt2+C(t-100)t3)
式中A、B、C 為常數(shù)，
A=3.96847×10-3；
B=-5.847×10-7；
C=-4.22×10-12；
由下表提供的鉑電阻分度特性表，即可得出各參數(shù)。
WZP型鉑熱電阻(Pt100)分度特性表



五、補(bǔ)充
由于橋式測(cè)溫電路的復(fù)雜性和電橋容易受影響等缺點(diǎn)，未采用此方案，但是恒流源式測(cè)溫電路有因?yàn)橛玫絻蓚�(gè)運(yùn)放，整體增加了功耗，所以由此得到一個(gè)疑問：有沒有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功耗又低，各參數(shù)又可方便調(diào)節(jié)的電路呢？
所以，就又得到一個(gè)鉑電阻測(cè)溫電路。如下圖所示：

原理簡(jiǎn)述：
該電路為一個(gè)RTD-PT100與560（精密電阻）電阻并聯(lián)接入差動(dòng)放大器中，通過鉑電阻受到外界溫度的作用，導(dǎo)致電阻的阻值發(fā)生變化，從而引起同相和反相出現(xiàn)壓差，通過運(yùn)放輸出這個(gè)壓差信號(hào)，再經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換后經(jīng)處理計(jì)算即可得出當(dāng)前溫度值。
1、（仿真測(cè)試）
連續(xù)調(diào)節(jié)RTD-PT100時(shí)，輸出波形變化：

連續(xù)調(diào)節(jié)RTD-PT100時(shí)可觀察到輸出波形發(fā)生變化，而且相比于恒流源式電壓的單位變化電阻內(nèi)電壓發(fā)生的變化更明顯。這也表示這，該電路只要AD轉(zhuǎn)換分辨率夠就可以測(cè)量更小的溫度值。
300°C：

可以從仿真結(jié)果看出，在300°C時(shí)輸出電壓值約為2.761V。
-200°C：

可以從仿真結(jié)果看出，在-200°C時(shí)輸出電壓值約為0.346V。都在AD轉(zhuǎn)換正常輸入電壓。
綜上由電路參數(shù)、鉑電阻各參數(shù)公式和鉑電阻分度特性表，理論上可以實(shí)現(xiàn)-200°C到300°C范圍內(nèi)的測(cè)量。具體實(shí)際情況需要根據(jù)實(shí)際電路驗(yàn)證和改進(jìn)。謝謝！




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