铂电阻在测温系统中的应用.doc

铂电阻温度传感器在测温系统中的应用铂电阻温度传感器在测温系统中的应用 摘要 本文就铂电阻温度传感器在测温中的应用以及常出现的问题论述了铂电阻常用 接线方式 测量方式 放大电路的设计方法及误差的原因及消减方法 关键词 铂电阻温度传感器 接线方式 测量方式 放大电路 非线性影响 0 引言 现代信息技术的三大基础是信息的提取 传输和处理技术 也就是传感器技术 通信 技术和计算机技术 它们分别构成了信息技术系统的 感官 神经 和 大脑 如果没 有 感官 感受信息 或者 感官 迟钝都难以形成高精度 高反应速度的控制系统 传 感器是测量装置和控制系统的首要环节 无论是信号转换还是信息处理 或者是最佳数据 的显示和控制 都需要传感器对原始参数进行精确可靠的测量 本文结合自己设计的智能 温度控制系统 简述传感器在测温系统中的应用及应该注意的问题 1 铂电阻温度传感器在测温中的应用 通常 传感器由敏感元件 传感元件和其他辅助元件组成 有时也将信号调节与转换 电路 辅助电源作为传感器的组成部分 如图 1 所示 敏感元件 被测量 传感元件信号调节与转换电路 辅助电源 电量 图 1 传感器组成图 敏感元件 直接感受被测量 一般为非电量 并输出与被测量成确定关系的其他量 一般为电量 的元件 传感元件 又称变换器 它不直接感受被测量 而是将敏感元 件的输出量转换为电量输出的元件 有时也直接感受被测量 如热敏电阻和热电偶 信号 调节与变换电路 能把传感器元件输出的电信号转换为便于显示 记录 处理和控制的 有用电信号的电路 铂电阻温度传感器是利用其电阻和温度成一定函数关系而制成的温度传感器 由于其 测量准确度高 测量范围大 复现性和稳定性好等 被广泛用于中温 200 650 范围 的温度测量中 由于铂电阻物理 化学能在高温和氧化性介质中很稳定 它能用作工业测 试元件或作为温度标准 按国际温标 IPTS 68 规定 在 259 34 630 温域内 以铂电阻 温度计作为基准器 铂电阻与温度的关系 在 0 630 74 以内为 1 2 0 1 t RRAtBt 在 190 0 以内为 2 23 0 1 100 t RRAtBtC tt 温度为 t 时的电阻 t R 温度为 0 时的电阻 0 R t 任意温度 式中 A B C 为常数 A 3 96847 10 3 B 5 847 10 7 C 4 22 10 12 铂电阻的温度曲线及常用理想化曲线如下图所示 图 2 铂电阻温度曲线及其理想化曲线 PT100 是铂电阻中常用的温度传感器 以下以 PT100 为例简述其应用 2 测温电路 常用的采样电路有两种 一为桥式测温电路 一为恒流源式测温电路 如下图所示 A 图单臂桥式 B 图恒流源式 图 3 测温电路结构 如 A 图所示为桥式测温电路 当 时 为 0 时 PT100 的阻值 12 RR 30 RR 0 R U0 的值为 0 V 当温度升高时 PT100 电阻升高 电压差及非线性误差为 0t RRR 3 03 0 2013 0 210 1 cc R RRR UV RRRRR R R RRR R 由 1 2 3 式即可求出温度 同理 B 图所示的恒流源测温 4 0St UIR 根据 PT100 的接线方式又可分为 两线制 三线制和四线制 详细如下 两线制 传感器电阻变化值与连接导线电阻值共同构成传感器的输出值 由于导线电 阻带来的附加误差使实际测量值偏高 用于测量精度要求不高的场合 并且导线的长度不 宜过长 如图 4 所示 变送器通过导线 L1 L2 给热电阻施加激励电流 I 测得电势 V1 V2 图 4 PT100 两线制测温 图 5 两线制测温电路 三线制 要求引出的三根导线截面积和长度均相同 测量铂电阻的电路一般是不平衡 电桥 铂电阻作为电桥的一个桥臂电阻 将导线一根接到电桥的电源端 其余两根分别接 到铂电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上 当桥路平衡时 导线电阻的变化对测量结果没 有任何影响 这样就消除了导线线路电阻带来的测量误差 但是必须为全等臂电桥 否则 不可能完全消除导线电阻的影响 采用三线制会大大减小导线电阻带来的附加误差 工业 上一般都采用三线制接法 如下图所示 桥式测温中 由于 2 接输入阻抗非常大的运放的 一端 流经 2 的电流可忽略不计 当 R Rt r1时 电压的变化只和 Rt 有关恒流源电路中 5 11 22 212121 2 2 ctt ctt oct VAi Rr VA i Rr VVVAA i RAA r 当 A2 2A1 V0只和 Rt有关 图 6 三线制桥式测温及恒流源测温 四线制 是热电阻测温理想的接线方式 如图 7 四线制不在使用桥式电路而是采用 恒流源的方式 Pt100 的四线分为恒流源动力引线和驱动引线两部分 Pt100 恒流源驱动电 路中 PT1 和 PT4 两条引线属于恒流源动力引线 负责将铂电阻传感器连接到恒流源 仪 用放大电路中 PT2 和 PT3 两条引线输入传感引线 负责将铂电阻传感器的电压连接到放 大电路 由此将驱动 Pt100 的恒流源与温度检测电路分开 保证即使 PT1 和 PT4 两条引 线电阻出现压降也不会影响测量的准确性 图 7 四线制测温 3 放大电路 在测量或数据采集的应用中 被测量或采集的数据往往是传感器送来的 传感器的 种类繁多 特性各异 有的输出是电阻 电容或电感的变化量 用电桥把它们转换成电 压变化氢如图 8 a 从电桥或传感器送来的信号电压很小 又是差动信号 通常 用通 用集成运算放大器接成差动放大电路 如图 8 b 所示 图 8 常用的桥式电路及放大电路 由于 6 1222 021 1121 ii RRRR uuu RRRR 为了两输入端增益平衡 即输入信号为共模信号时 0 则要求 21ii uu 0 u 22 11 RR RR 7 为了使平衡放大器偏流所引起的失调电压漂移 应做到阻抗平衡 即 1212 1212 R RR R RRRR 8 为了平衡输入电阻 应使 1212 RRRR 9 要满足以上要求 几乎不可能 因为即使同一规格的电阻阻值也有差别 因此需要一种输 入阻抗大 输出阻抗小 偏置电流低 有较好的非线性增益 共模抑制比高 失调电压与 漂移小的放大器 而仪器放大器满足这些要求 图 9 仪器放大器 仪器放大器通常用来精确放大混有高共棋电压 10V 以下 的低电平信号 隔离仪器 放大器可以在10V 以上 甚至到 2000V 的共模电压下工作 仪器放大器可以作为各类型 传感器的放大器 如在电桥应变计 光电池负载 热电阻网络 热电偶 电流分流器 生 物探针等所用的放大器 在工业过程控制与数据采集系统中作信号预处理 仪器放大器可 以作信号前置放大器 由于它具有体积小 功耗低以及较高的技术指标 在采集 测量远 距离 低电平信号时 就在靠近传感器处设置放大器 由于从仪器放大器发送至数据采集 装置或测量仪器是高电平 而不是传感器输出的低电平信号 因而提高信号噪声比 从而 提高对共模 串模干扰的抑制能力 基本仪器放大器由三只运算放大器组成 如图 9 所示 图中 Al A2 为同相放大器 差动输入信号加到两只同相放大器的同相输人端 A3 为差动放大电路 其作用是把进 A1 A2 的输出信号进行差动放大 由于差动输入信号加到同相放大器的同相输入端 而 同相放大器较反相放大器输入电阻高 因而放大器有较高的输入电阻 由于 A1 A2 的接 法相同 两放大器的增益相同 两输入端对地的输入电阻相同 两放大器对应的同相端与 反相端的偏流也相等 当运放的开环增益为无穷大时 放大器的同相输入端及反相输入端 的电压相等 当 A1 A2 同相端加入共模电压时 R8 无电流通过 即 A1 A2 对共模电压 的增益永远为 1 通过 A3 的差动放大 便把共模电压抑制了 因而仪器放大器有较强抗共 模电压能力 R1 R2 R3 阻值的选择 不会影响放大器 A1 A2 因放大共模电压而饱和 因为它们的共模放大倍数永远为 1 仪器放大器的差模放大倍数为 1 85 2 1 f R R A RR 10 要使仪器放大器有较高的 CMRR 以及使它能发挥出高共模抑制比的作用 信号源内阻 的匹配 仪器放大器第一级放大器共模抑制比相等匹配及第二放大器外围电阻的匹配是三 个重要因素 在 R8中点不接地时 R1 R2的匹配程度不影响第一级放大器的共模抑制比 4 误差分析及解决方法 测温系统中误差主要由铂电阻和桥式电路的非线性影响 引线电阻及放大电路的失调 电压引起 消减这些误差有多种方法 以下做简要概括 1 桥式电路的非线性及解决办法 由图 3 A 图所示 桥式电路将铂电阻随温度的变化转化为电压变化 但由三式可得 U0与 Rt不成严格的正比例关系 当 Rt变化时 桥臂中的电流也随之变化 由 3 式可得非线 性误差随变大而变大 解决方法之一是采用恒流源的方法 如图 3 B 所示 由于此 R R 种方法不使用电桥 因而可以有效解决桥式电路的非线性问题 如图 10 所示 2 铂电阻温度特性非线性及解决办法 由 1 式 2 式及图 2 可得 铂电阻随温度升高 阻值非线性升高 在某一段温度范围 内 电阻和温度的关系可视为线性的 只需对温度和电阻进行线性拟合就可容易求出温度 但在非线性断如何处理 如何增加铂电阻的动态范围并减小非线性影响是铂电阻应用时要 考虑的重要问题之一 如果根据 1 2 3 式反求温度 需要计算二阶三姐方程 计算 复杂 精度难以保证 有两种方法可以解决此问题 第一 查表拟合并线性插值 基本思想是 根据 1 2 3 式 建立温度对应采集 电压的数据表 存入单片机的存储期内 根据采集到的电压进行查表 如果在两电压值之 间 那么采用线性插值的方法 这种方法由于没有近似计算 所以不仅消除了铂电阻自身 的非线性还消除了桥式电路的非线性 第二 分段拟合 T f Rt 这种方法较第一种简单 但动态范围小 且没有消除桥