pt100原理接法分享

 


 

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热电阻(RTD)是使用细金属丝缠绕在支架上,而构成的电阻阻值随温度变化的具有较高精度的温度传感器,工作温度范围为-200℃~+850℃。常见的RTD材料有镍、铜、铂等,其中又以100Ω(0℃时)铂制热电阻最为常见。由于铂金属的物理、化学特性都非常稳定,铂电阻以精度高、长期稳定性好、重复性好、响应快速等特点得到广泛应用。

 

下面公式描述了Pt100的温度特性,从公式中可以看到Pt100的温度与电阻特性显然是非线性的,但与热电偶、热敏电阻相比,Pt100的线性度经好很多,因此非线性校正也比较

 

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容易。早期的非线性校正多采用复杂的模拟电路实现,随着电子技术的发展,目前在实际应用中,一般使用单片机进行查表结合插值的方法对Pt100进行非线性校正。

 

由于热电阻是无源器件,在使用过程中需要外部激励才能工作,在使用过程中必须注意激励电流的大小要合适。电流过大会导致Pt100自身发热,产生测量误差,因此在设计过程中必须根据测量要求仔细设计信号调理电路,确保传感器自身发热产生的误差在可接受范围内。

 

一、为什么采用三线制、四线制接法

 

由于Pt100温度系数只有0.385Ω/℃,如果传感器与控制器之间距离较远,需要较长的引线,那么由于引线电阻而产生的测量误差可能会很严重。例如,现假设有一个Pt100通过100英尺(约30米)的30号铜引线与控制器相连,30号铜导线的电阻为0.105Ω/英尺,如果采用常规的两根引线的接法,如下图,则引线上共产生21Ω电阻,即相当于55 的测量误差!

 

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为解决这一问题,Pt100除了两线制接法,还有三线制与四线制接法,来降低甚至消除引线电阻带来的测量误差。

 

二、恒流源激励的两、三、四线制接法

 

上文已经提到,Pt100是电阻式温度传感器,其温度测量的本质其实是测量传感器的电阻。通常的做法是将电阻转换成电压或电流等电信号进行测量,由单片机对测量结果进行线性化。一般Pt100进行温度测量有两种方案:

 

1. 设计一个恒流源通过Pt100热电阻,通过检测Pt100上的电压来计算温度;

 

2. 采用惠斯通电桥,电桥的四个电阻中有三个是恒定的,另外一个采用Pt100热电阻,当Pt100的电阻值发生变化时,测试端将产生一个电热差,由此电热差来计算温度。

 

另外还有一类称为“比例法”的测量方法,可看做第一类测量方法的改进,后文将做详细介绍。

 

两线制恒流源激励的接法如下图所示,以恒流源输出通过Pt100,测量Pt100两端的电压来换算成温度,前面已经提到,这种接法在Pt100引线较长时会造成较大误差。所以实际应用中更实用的是三线制与四线制接法。

 

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四线制接法(开尔文接法)如下图所示,将Pt100的激励与测量端分别采用两组不同的引线引出,由于电压测量点在Pt100的引线连接处,所以引线激励电压不会对测量结果造成影响。

 

四线制接法以其高精度在实验室温度测量中得到广泛应用,但是,由于成本、接线方便性等因素的制约,在工业控制现场,三线制的接法应用更加广泛。

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下图为恒流源激励的三线制Pt100的一种典型接法。其基本原理是假设Pt100的三条引线采用相同长度的同型线缆,具有相同的阻值,即下图中Rw1=Rw2=Rw3,利用测量端(Rw2引线)对引线电阻进行补偿。

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具体来说,对于图中接法,运放A3同相输入端电压 V+=Vpt100+VRw3,运放A3反向输入端电压V-=VRw1 + Vpt100 + VRw3 。基于Rw1=Rw2=Rw3的假设,有Vrw1 = Vrw3。则运放A3的输出Vo = 2V+ - V- = Vpt100。即从理论上消除了引线电阻对测量结果的影响。

 

三、惠斯通电桥的两、三线制接法

 

惠斯通电桥是Pt100的另一种常见接法,其两线制接法如下图所示,显然当Pt100引线较长时,会引入较大误差。

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三线制Pt100惠斯通电桥接法如下图所示,惠斯通电桥输出公式如下式,如果选择R3=Rpt100,即可从理论上消除引线电阻引入的测量误差。

 

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四、比例法测量中两、三、四线制接法

 

比例法测量的本质是将Pt100与一参考电阻串联,并施加一激励源,由于流过Pt100与参考电阻的电流相同,则二者电压比即为阻值之比。将参考电阻两端电压作为AD转换器参考电压,对Pt100两端电压进行AD转换,则有

 

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式中D为ADC转换结果,N为ADC位数。

 

由于流过Pt100与参考电阻的电流相同,相比上面两种结构,此电路对激励源的要求比比较低。由于结构简单,精密器件少,测量精度高等特点,比例法测量电路得到越来越多人的认可。

 

下图为比例法两线制Pt100接法,显然当Pt100引线较长时,会引入较大误差。

 

在这个电路中可以将两线制Pt100直接用四线制Pt100替换,改为四线制接法,消除引线误差。

 

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下图为比例法三线制Pt100接法,采用两个输出相等的恒流源对引线电阻进行补偿。

 

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工作原理:放大电路采用LM358 集成运算放大器,为了防止单级放大倍数过高带来的非线性误差,放大电路采用两级放大,如图 5.1 所示,前一级约为10 倍,后一级约为3倍。温度在0~100 度变化,当温度上升时,Pt100 阻值变大,输入放大电路的差分信号变大,放大电路的输出电压Av 对应升高。

R2、R3、R4 和Pt100 组成传感器测量电桥,为了保证电桥输出电压信号的稳定性,电桥的输入电压通过TL431 稳至2.5V。从电桥获取的差分信号通过两级运放放大后输入单片机。电桥的一个桥臂采用可调电阻R3,通过调节R3 可以调整输入到运放的差分电压信号大小,通常用于调整零点。

注意:虽然电桥部分已经经过TL431 稳压,但是整个模块的电压VCC 一定要稳定,否则随着VCC 的波动,运放LM358 的工作电压波动,输出电压Av 随之波动,最后导致A/D 转换的结果波动,测量结果上下跳变。

 

长长11 发表于07-18 15:15 浏览850次
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已有1条评论

  • 晓晓nn
    晓晓nn07-19 09:37

    good!受教了

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长长11
长长11(总统)
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