基于鉑電阻的溫度傳感器設(shè)計(jì)

1、基于鉑電阻的溫度傳感器設(shè)計(jì)上傳者：賈君鵬  瀏覽次數(shù):366   1.     簡(jiǎn)介  溫度是過(guò)程檢測(cè)與控制中的重要參量,在要求對(duì)溫度進(jìn)行精確測(cè)量和控制的條件下,鉑熱電阻是一種應(yīng)用廣泛的溫度傳感器,它具有體積小、準(zhǔn)確度高、測(cè)溫范圍寬、穩(wěn)定性好、正的溫度系數(shù)等特點(diǎn),但它同時(shí)也存在非線性的缺點(diǎn),因此在利用鉑熱電阻進(jìn)行精確溫度測(cè)量時(shí),除要克服測(cè)量電路自身的噪聲干擾外,還要對(duì)鉑熱電阻的非線性進(jìn)行矯正. 本文根據(jù)鉑電阻( Pt100) 國(guó)際分度表函數(shù)的非線性特點(diǎn),提出了一種在0650 范圍內(nèi)補(bǔ)償其非線性的方法,設(shè)計(jì)

2、了專用的非線性補(bǔ)償電路,在對(duì)電路補(bǔ)償原理及效果進(jìn)行理論分析和計(jì)算機(jī)模擬仿真的基礎(chǔ)上,實(shí)際制作了該非線性補(bǔ)償電路,并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試.2.     鉑電阻Pt100 的非線性特點(diǎn)及補(bǔ)償思路  按照國(guó)際電工委員會(huì)的鉑熱電阻技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，鉑電阻PT100在0650范圍內(nèi)的符臺(tái)ITS-90的國(guó)際分度表函數(shù)Rt，可用下式表示：  Rt=R0(11+At-Bt2)    (1)其中：Rt，R0分別是t和0時(shí)的鉑電阻阻值，R0=100，A=3.90802×10-3-1；B=5.80195×10-1-1。該

3、分度函數(shù)的特點(diǎn)是覆蓋溫度范圍寬精度高，以廣泛使用的分度值(以10為間隔)來(lái)作比較，可以看出，在0650范圍內(nèi)二階擬合值；實(shí)際標(biāo)稱阻值的最大絕對(duì)誤差為0.0049，平均絕對(duì)誤差為0.0026，這時(shí)的最大相對(duì)誤差僅為1.487×10-6，因此該二階擬合函數(shù)完全可以滿足高精度測(cè)量的要求，但由于函數(shù)中存在非線性項(xiàng)Bt2，因此隨著溫度的升高，鉑電阻的非線性越來(lái)越嚴(yán)重，如圖1所示。非線性項(xiàng)系數(shù)小于零，說(shuō)明電阻的變化率隨著溫度的升高而下降，要消除鉑電阻非線性對(duì)測(cè)量輸出的影響，就需要設(shè)法補(bǔ)償在不同溫度點(diǎn)時(shí)由于電阻的變化率下降而導(dǎo)致測(cè)量輸出信號(hào)減小或增加的部分下。下面以恒流源激勵(lì)，電壓信號(hào)輸出測(cè)量為例

4、，來(lái)說(shuō)明本文的補(bǔ)償思想。    設(shè)用恒流源I0來(lái)激勵(lì)鉑電阻，通過(guò)測(cè)量鉑電阻兩端的電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量，則在t時(shí)鉑電阻兩端的輸出電壓為：Vt=I0Rt=IoR0(1+At-Bt2)       （2）如果沒(méi)有非線性項(xiàng)Bt2存在，輸出的電壓應(yīng)為：V't=I0Rt=I0R0(1+At)           （3）可見(jiàn)由于非線性項(xiàng)Bt2存在，使得實(shí)際的輸出與線性輸出相比小了I0R0Bt2，這時(shí)我們自然想到可以

5、通過(guò)增加激勵(lì)電流來(lái)增加電壓輸出以抵消它，假定在t時(shí)讓激勵(lì)電流增加It，這樣輸出電壓將增加：Vt=ItRt=ItR0(1+At-Bt2)            (4)令Vt=IoR0Bt2，得到：(5)因此從理論上看，只要使通過(guò)熱電阻的激勵(lì)電流按 (6)取值，則可以消除輸出電壓與溫度之間的非線性，但由于t是未知的待測(cè)參量，所以電路實(shí)現(xiàn)時(shí)只能通過(guò)動(dòng)態(tài)反饋的方式來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)整通過(guò)熱電阻的激勵(lì)電流。3.     PT100線性化調(diào)理電路設(shè)計(jì)

6、0;  根據(jù)上述補(bǔ)償思想，設(shè)計(jì)的補(bǔ)償電路如圖11所示，通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整流過(guò)Pt100的電流來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓輸出非線性的補(bǔ)償，同時(shí)考慮到熱電阻的安裝需要較長(zhǎng)的導(dǎo)線，因此設(shè)計(jì)的電路也兼顧引線補(bǔ)償功能，下面對(duì)本電路的工作原理給以分析說(shuō)明。 設(shè)電路中各節(jié)點(diǎn)與支路上的電學(xué)參量如圖11所示，對(duì)運(yùn)算放大器U1有：V1=V-I2R2，V2=V-I4R4，V3=1/2V1，V2=V3由此得到：V=2I4R4-I2R2          (7)根據(jù)電流關(guān)系和虛短原理有：I=I2+I4，I4=0  

7、;            (8)對(duì)于熱電阻的三線制連接引線電阻有R2=R3=R4=r     （9）將式（8）、（9）代入式（7）得：V=-Ir   （10）即圖11中右邊電路的等效電路為：-r，對(duì)輸出電壓有：Vo=V+I(R3+Rt)               (11)將式（9）、（1

8、0）、代入式（11）得：Vo=IRt從而補(bǔ)償了導(dǎo)線上的壓降，對(duì)于運(yùn)放U2有Vo=V5=V6-I1R1，V5=1/2V6由此得到： I1=Vo/R1將式（12）代入上式得：I1=IRt/R1設(shè)外部激勵(lì)電流I2為（電路中取Ij=200uA），將上式和支路電流關(guān)系I=I1+Ij代入式12得Vo=IRt=(I1+Ij)Rt=IRt2/R1+IjRt由此得到：I=IjR1/(R1-Rt)電路中就是通過(guò)該式來(lái)近似實(shí)現(xiàn)式（6）的要求，需要特別說(shuō)明的，本式中的Ij與式（6）中I0的意義是不同的，式（6）中I0代表參考溫度下流過(guò)熱電阻的電流，而式（16）中的Ij是恒流源的輸出電流，在圖11所示電路中，任何溫度下

9、流過(guò)熱電阻的電流都不等同于Ij，因此并不能簡(jiǎn)單地將式（6）和式（16）做相等比較，這時(shí)熱電阻輸出電壓為： Vo=IjR1Rt/(R1-Rt)定性分析此式可以看出，溫度升高時(shí)，Rt增加率減小，但此時(shí)R1/(R1-Rt)增加率隨之增大，通過(guò)選擇合適的Rt使增加率減小的效果與R1/(R1-Rt)增加率隨之增大的效果剛好相抵消,則可以實(shí)現(xiàn)線性輸出的目的. 從電路上看,隨著溫度的升高, Rt單位溫度的阻值變化量減少,但同時(shí)Rt的增大使得I1增大, I也隨之增大,即流過(guò)Rt的電流增大,這樣單位阻值的輸出電壓變化量增大,當(dāng)兩個(gè)相反的作用剛好抵消時(shí),輸出電壓與溫度就成了線性關(guān)系.4.     設(shè)計(jì)電路及原理    如圖12所示為鉑電阻數(shù)字溫度計(jì)的設(shè)計(jì)原理圖。由于經(jīng)過(guò)非線性補(bǔ)償后的輸出數(shù)值為毫伏級(jí)的，所以還需要對(duì)其進(jìn)行放大，放大范圍在-5+5V之間，放大器選用TI公司的精密低功耗儀器放大器INA128，經(jīng)過(guò)放大后的信號(hào)通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD574轉(zhuǎn)換成數(shù)字量傳送給單片機(jī)80C51，利用80